專利名稱：一種超分辨線陣三維合成孔徑雷達成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達成像技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及了合成孔徑雷達(SAR)成像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率的微波成像系統(tǒng)，它依靠雷達和目標之間的相對運動來形成合成陣列來獲得橫向高分辨率，利用大帶寬信號實現(xiàn)縱向高分辨率。三維 SAR是基于常規(guī)SAR橫向維和縱向維的基礎(chǔ)之上外加切橫向維，它也是依靠雷達和目標之間的相對運動來獲得切橫向分辨率。三維合成孔徑雷達(SAR)是一種新型合成孔徑雷達技術(shù)。三維成像是三維成像合成孔徑雷達(SAR)區(qū)別于其他遙感成像技術(shù)的特征。當前關(guān)于三維SAR技術(shù)的相關(guān)系統(tǒng)主要包括干涉SARanSAR)系統(tǒng)、曲線SAR(CSAR)系統(tǒng)和線陣SAR(LASAR)系統(tǒng)。與hSAR三維成像技術(shù)相比，由于干涉技術(shù)基于二維SAR圖像，當二維SAR圖像存在混疊時，干涉技術(shù)無法提取各散射點的高度信息。與CSAR技術(shù)相比，線陣SAR技術(shù)能有效解決平臺運動模式的限制，避免了因平臺軌跡精度低所帶來的誤差。線陣三維SAR(LASAR)成像系統(tǒng)是一種新體制SAR系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作在下視模式下，通過平臺的運動和一線性陣列安裝在載機的切航跡方向(與高度向-沿航跡方向平面垂直的方向)合成等效二維陣列，實現(xiàn)陣列方向的二維分辨。下視線陣SAR具備以對城區(qū)建筑物、街區(qū)和山區(qū)中的峽谷等地形變化劇烈區(qū)域成像的潛力。由于線陣SAR切航跡向分辨率由線陣SAR切航跡向天線長度決定，通過增加天線長度的方法獲得切航跡向高分辨率，大大增加了系統(tǒng)的硬件開銷，而且，由于采樣點個數(shù)有限，傳統(tǒng)的匹配濾波器方法收到瑞利限的限制，分辨率很難提高。多重信號分類(MUSIC)算法是1979年由R. 0. Schmidt提出一種超分辨譜估計算法。MUSIC算法應用到線陣SAR有兩點不足(1)由于成像雷達的工作特點，雷達目標成像主要是以單幀雷達圖像處理為主的。而MUSIC方法構(gòu)造協(xié)方差矩陣需要回波的統(tǒng)計信息。 Q)MUSIC譜是利用子空間的正交性構(gòu)造的，是偽譜，因此不具有目標的后向散射特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的線陣SAR成像方法的切航跡向分辨率受到天線長度的限制，沿航跡向分辨率受到瑞利限的限制的缺點，提出了基于多重信號分類(MUSIC) 算法的一種超分辨線陣三維SAR成像方法。該方法在距離向仍然采用脈沖壓縮的方法，在切航跡向和沿航跡向采用二維MUSIC算法和最小二乘法獲得場景點的位置信息和后向散射信息，降低旁瓣高度和主瓣寬度，從而達到了增加分辨率的目的。為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先做以下術(shù)語定義定義1、線陣三維成像合成孔徑雷達線陣三維成像合成孔徑雷達是將線性陣列天線固定于運動平臺上，利用平臺飛行速度和線陣長度以合成二維平面陣列，可以對測繪區(qū)域進行三維成像的一種合成孔徑雷達系統(tǒng)。定義2、線陣三維成像合成孔徑雷達理論分辨率線陣三維合成孔徑雷達理論分辨率是指根據(jù)線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)參數(shù)，包括發(fā)射信號帶寬，合成孔徑長度以及線陣天線長度決定的三維合成孔徑雷達所能達到的最大分辨率。定義3、三維合成孔徑雷達成像空間三維合成孔徑雷達成像空間是指運用成像算法由三維合成孔徑雷達數(shù)據(jù)空間所得到的三維合成孔徑雷達的圖像空間。定義4、三維合成孔徑雷達數(shù)據(jù)空間三維合成孔徑雷達數(shù)據(jù)空間是指三維合成孔徑雷達回波數(shù)據(jù)所構(gòu)成的回波信號空間。定義5、飛行孔徑與慢時間飛行孔徑是指對于測繪場景中的一個散射點從收發(fā)波束共同照射到開始到發(fā)射波束或接收波束任意一個照射不到結(jié)束收發(fā)波束中心所走過的距離。慢時間是指收發(fā)平臺飛過一個飛行孔徑所需要的時間，由于雷達以一定的重復周期 ；發(fā)射接收脈沖，在慢時刻η可以表示為一個離散化的時間變量ts = nl；，η = 0，1，L， N，其中η是自然數(shù)。定義6、延遲時間延遲時間是發(fā)射機發(fā)射信號到接收機接收到信號這一段時間，記為τ，它由觀測區(qū)域到該系統(tǒng)的距離R決定，τ = OR)/C，其中，C為光速。定義7、合成孔徑雷達標準距離壓縮方法合成孔徑雷達標準距離壓縮方法是指利用合成孔徑雷達發(fā)射信號參數(shù)，采用匹配濾波技術(shù)對合成孔徑雷達的距離向信號進行濾波的過程。詳見文獻“雷達成像技術(shù)”，保錚等編著，電子工業(yè)出版社出版。定義8、去調(diào)頻方法去調(diào)頻方法又稱為STRETCH處理法、寬帶壓縮法或時頻轉(zhuǎn)換法，是針對線性調(diào)頻信號提出的一種信號處理方法，在接收端設置一個參考函數(shù)，以場景中心為參考點，將參考函數(shù)與接收信號在時域共軛相乘，實現(xiàn)去調(diào)頻。定義8、多重信號分類算法(MUSIC)MUSIC算法是一種基于矩陣特征空間分解的方法。從幾何角度講，信號處理的觀測空間可以分解為信號子空間和噪聲子空間，顯然這兩個空間是正交的。信號子空間由陣列接收到的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣中與信號對應的特征向量組成，噪聲子空間則由協(xié)方差矩陣中所有最小特征值(噪聲方差)對應的特征向量組成。MUSIC算法就是利用這兩個互補空間之間的正交特性來估計空間信號的方位。噪聲子空間的所有向量被用來構(gòu)造譜，所有空間方位譜中的峰值位置對應信號的來波方位。MUSIC算法大大提高了測向分辨率，同時適應于任意形狀的天線陣列，但是原型MUSIC算法要求來波信號是不相干的，MUSIC算法的詳細流程參見文獻“現(xiàn)代數(shù)字信號處理及其應用，何子述等著”。定義9、最小二乘法
最小二乘法(又稱最小平方法)是一種數(shù)學優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。定義10、空間平滑算法空間平滑算法由Evans等人首先提出，利用各子陣間的互相關(guān)矩陣，構(gòu)造協(xié)方差矩陣，是一種常用的處理相干源的預處理方法，具體步驟參見文獻“An Improved Spatial Smoothing Technique for Bearing Estimation in a Multipath Environment，，。定義11、滑動窗口方法一般情況下，滑動窗口方法應用與二維圖像(矩陣)空間濾波，可以根據(jù)實際需要自行選定窗口的大小，如5*5，7*7等，該方窗在整幅圖像上滑動，從而計算出每個像素點濾波后的輸出值。具體步驟參見文獻“合成孔徑雷達成像原理，皮亦鳴等著”。定義12、合成孔徑雷達發(fā)射機合成孔徑雷達發(fā)射機是指目前合成孔徑雷達采用的向觀測區(qū)域發(fā)射電磁信號的系統(tǒng)，主要包括信號發(fā)生器、混頻器、放大器等模塊。定義13、合成孔徑雷達接收機合成孔徑雷達接收機是指目前合成孔徑雷達采用的接收觀測區(qū)域回波的系統(tǒng)，主要包括混頻器、放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲設備等。定義14、三維合成孔徑雷達成像空間三維合成孔徑雷達成像空間是指運用成像算法由三維合成孔徑雷達數(shù)據(jù)空間所得到的三維合成孔徑雷達的圖像空間。定義15、MatlabMatlab是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)的簡稱，美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。具體用法詳見文獻“MATLAB 5手冊”，Eva Part-Enander等編著，機械工業(yè)出版社出版。本發(fā)明提供了基于多重信號分類(MUSIC)算法的一種超分辨線陣三維合成孔徑雷達成像方法，它包括以下幾個步驟，如附圖
2所示步驟1、初始化線陣三維成像合成孔徑雷達成像系統(tǒng)參數(shù)初始化成像系統(tǒng)參數(shù)包括平臺速度矢量，記做P，平臺初始位置矢量，記做，雷達發(fā)射電磁波的波數(shù)，記做K。，線陣天線各陣元相對平臺中心的位置，記做I，其中m為天線各陣元序號，為自然數(shù)，m = 0，1，. . .，M，M為線陣天線各陣元總數(shù)，雷達發(fā)射基帶信號的信號帶寬，記做B，雷達發(fā)射信號脈沖寬度，記做TP，雷達接收波束持續(xù)寬度，記做Τ。，雷達接收系統(tǒng)的采樣頻率，記做fs，雷達系統(tǒng)的脈沖重復頻率，記做PRF，雷達接收系統(tǒng)接收波門相對于發(fā)射信號發(fā)散波門的延遲，記做TD，線性陣列天線長度，記做L，雷達的合成孔徑長度，記做1 ；上述參數(shù)均為線陣三維成像合成孔徑雷達系統(tǒng)的標準參數(shù)，其中，雷達發(fā)射電磁波的波數(shù)K。，雷達發(fā)射基帶信號的信號帶寬B，雷達發(fā)射信號脈沖寬度TP，雷達接收波門持續(xù)寬度Τ。，雷達接收系統(tǒng)的采樣頻率fs，線性陣列天線長度L，雷達的合成孔徑長度1，雷達系統(tǒng)的脈沖重復頻率PRF及接收系統(tǒng)接收波門相對于發(fā)射信號發(fā)散波門的延遲在線陣三維成像合成孔徑雷達設計過程中已經(jīng)確定；其中，平臺速度矢量P及平臺初始位置矢量在線陣三維成像合成孔徑雷達觀測方案設計中已經(jīng)確定；根據(jù)已有的線陣三維成像合成孔徑雷達系統(tǒng)和線陣三維成像合成孔徑雷達觀測方案，線陣三維合成孔徑雷達成像方法需要的初始化成像系統(tǒng)參數(shù)均為已知。步驟2、線陣三維成像合成孔徑雷達原始數(shù)據(jù)進行距離壓縮采用傳統(tǒng)的合成孔徑雷達標準距離壓縮方法對合成孔徑雷達距離向回波數(shù)據(jù)A 進行壓縮，得到距離壓縮后的線陣三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)，記做互，距離壓縮后的線陣三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)互是一個三維數(shù)組，包括距離維、沿航跡維、切航跡維；步驟3、獲取線陣三維成像合成孔徑雷達圖像空間的距離切片將步驟2中得到的距離壓縮后的線陣三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)瓦中距離維上序號為1的二維矩陣提取出，得到第一個距離切片，記作瓦，第一個距離切片瓦是二維矩陣，第一個距離切片瓦的行數(shù)為線陣陣元個數(shù)M，第一個距離切片瓦的列數(shù)為方位向采樣點數(shù)N;同理，將步驟2中得到的距離壓縮后的線陣三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)瓦中距離維上序號為2的二維矩陣提取出，得到第二個距離切片，記作，第二個距離切片是二維矩陣，第二個距離切片的行數(shù)為線陣陣元個數(shù)Μ，第二個距離切片的列數(shù)為方位向采樣點數(shù)N;同理，將步驟2中得到的距離壓縮后的線陣三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)瓦中距離維上序號為i的二維矩陣提取出，得到第i個距離切片，記作歷，第i個距離切片歷是二維矩陣，第i個距離切片歷的行數(shù)為線陣陣元個數(shù)M，第i個距離切片歷的列數(shù)為方位向采樣點數(shù)N，i是1 R之間的任意一個距離切片的序號，R為距離向采樣個數(shù)，即距離切片數(shù)；步驟4、獲得第一個距離切片瓦的成像結(jié)果對步驟3中獲得第一個距離切片瓦進行成像處理，具體方法(1)采用去調(diào)頻方法預處理第一個距離切片瓦采用傳統(tǒng)的去調(diào)頻方法補償距離切片瓦相位中的二次項，具體方法是首先，第一個距離切片瓦中元素的表示形式為
權(quán)利要求
1. 一種超分辨線陣三維合成孔徑雷達成像方法，它包括以下幾個步驟 步驟1、初始化線陣三維成像合成孔徑雷達成像系統(tǒng)參數(shù)初始化成像系統(tǒng)參數(shù)包括平臺速度矢量，記做P，平臺初始位置矢量，記做，雷達發(fā)射電磁波的波數(shù)，記做K。，線陣天線各陣元相對平臺中心的位置，記做I，其中m為天線各陣元序號，為自然數(shù)，m = 0，1，. . .，M，M為線陣天線各陣元總數(shù)，雷達發(fā)射基帶信號的信號帶寬，記做B，雷達發(fā)射信號脈沖寬度，記做Tp，雷達接收波束持續(xù)寬度，記做Τ。，雷達接收系統(tǒng)的采樣頻率，記做fs，雷達系統(tǒng)的脈沖重復頻率，記做PRF，雷達接收系統(tǒng)接收波門相對于發(fā)射信號發(fā)散波門的延遲，記做TD，線性陣列天線長度，記做L，雷達的合成孔徑長度，記做1 ； 上述參數(shù)均為線陣三維成像合成孔徑雷達系統(tǒng)的標準參數(shù)，其中，雷達發(fā)射電磁波的波數(shù) K。，雷達發(fā)射基帶信號的信號帶寬B，雷達發(fā)射信號脈沖寬度TP，雷達接收波門持續(xù)寬度Τ。， 雷達接收系統(tǒng)的采樣頻率fs，線性陣列天線長度L，雷達的合成孔徑長度1，雷達系統(tǒng)的脈沖重復頻率PRF及接收系統(tǒng)接收波門相對于發(fā)射信號發(fā)散波門的延遲在線陣三維成像合成孔徑雷達設計過程中已經(jīng)確定；其中，平臺速度矢量P及平臺初始位置矢量在線陣三維成像合成孔徑雷達觀測方案設計中已經(jīng)確定；根據(jù)已有的線陣三維成像合成孔徑雷達系統(tǒng)和線陣三維成像合成孔徑雷達觀測方案，線陣三維合成孔徑雷達成像方法需要的初始化成像系統(tǒng)參數(shù)均為已知；步驟2、線陣三維成像合成孔徑雷達原始數(shù)據(jù)進行距離壓縮采用傳統(tǒng)的合成孔徑雷達標準距離壓縮方法對合成孔徑雷達距離向回波數(shù)據(jù)A進行壓縮，得到距離壓縮后的線陣三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)，記做互，距離壓縮后的線陣三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)互是一個三維數(shù)組，包括距離維、沿航跡維、切航跡維； 步驟3、獲取線陣三維成像合成孔徑雷達圖像空間的距離切片將步驟2中得到的距離壓縮后的線陣三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)瓦中距離維上序號為 1的二維矩陣提取出，得到第一個距離切片，記作瓦，第一個距離切片瓦是二維矩陣，第一個距離切片瓦的行數(shù)為線陣陣元個數(shù)M，第一個距離切片瓦的列數(shù)為方位向采樣點數(shù)N ；同理，將步驟2中得到的距離壓縮后的線陣三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)互中距離維上序號為2的二維矩陣提取出，得到第二個距離切片，記作扔，第二個距離切片扔是二維矩陣，第二個距離切片的行數(shù)為線陣陣元個數(shù)M，第二個距離切片的列數(shù)為方位向采樣點數(shù)N;同理，將步驟2中得到的距離壓縮后的線陣三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)互中距離維上序號為i的二維矩陣提取出，得到第i個距離切片，記作歷，第i個距離切片歷是二維矩陣， 第i個距離切片歷的行數(shù)為線陣陣元個數(shù)M，第i個距離切片歷的列數(shù)為方位向采樣點數(shù)N， i是1 R之間的任意一個距離切片的序號，R為距離向采樣個數(shù)，即距離切片數(shù)； 步驟4、獲得第一個距離切片瓦的成像結(jié)果對步驟3中獲得第一個距離切片瓦進行成像處理，具體方法 (1)采用去調(diào)頻方法預處理第一個距離切片瓦采用傳統(tǒng)的去調(diào)頻方法補償距離切片瓦相位中的二次項，具體方法是 首先，第一個距離切片瓦中元素的表示形式為s( ,m) = ^ap exp(-j · IKc -R(n,m; ρ))χκ(π - 2R(n,m;ρ)),其中，P為第P個目標點，Op為第P個目標點的后向散射系數(shù)，j為虛數(shù)單位，K。為雷達發(fā)射電磁波的波數(shù)，η為第η個慢時刻，為自然數(shù)，η的取值范圍為1，2，L，N，m為第m個陣元，為自然數(shù)，m的取值范圍為1，2，L，M,巧為第一個距離切片瓦在距離向的值，xK為距離模糊函數(shù)，R(n, m;p)為目標點ρ在慢時刻η到第m陣元的距離，表示為
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于MUSIC算法的線陣三維合成孔徑雷達成像方法；首先采用脈沖壓縮處理距離向數(shù)據(jù)，然后對每一個距離切面采用MUSIC算法聚焦場景信息，采用LS算法獲得場景點的后向散射信息，最后對處理完的距離切面進行整合并顯示出來，就得到了三維重建圖。與傳統(tǒng)的成像方法如BP算法、MF算法相比，本發(fā)明克服了瑞利限和天線長度有限的問題，在不提高天線的長度的同時，利用MUSIC方法來實現(xiàn)旁瓣的減弱，減少了旁瓣串擾對成像質(zhì)量的影響，提高分辨率，實現(xiàn)了三維成像并提高了成像質(zhì)量。
文檔編號G01S13/90GK102323583SQ20111026996
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者張曉玲, 成晨 申請人:電子科技大學