CN108107431B - 一种圆柱扫描sar三维成像快速实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，其主要思路为：确定圆柱扫描SAR雷达天线阵列，圆柱扫描SAR雷达天线阵列包括M个阵元；获取去线性调频信号，对所述去线性调频信号进行划分，得到N个子块的回波数据，每个子块的回波数据都包括M个阵元的一次脉冲回波数据；对第n个子块的回波数据进行解耦合并聚焦，得到第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果，n＝1,2,…,N；获取第n个子块的回波数据对应的三维图像数据；令n的值分别取1至N，进而分别得到第1个子块的回波数据对应的三维图像数据至第N个子块的回波数据对应的三维图像数据后依次进行累加，并将累加后的结果记为最终的高分辨率三维SAR图像。

Description

一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，适用于快速精准地实现圆柱扫描SAR三维成像***的场景重构。
背景技术
圆柱扫描合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)三维成像***是在圆迹SAR和阵列SAR的基础上发展起来的SAR***，基于对SAR成像高分辨率及对目标进行全向观测和三维成像的要求，圆柱扫描SAR三维成像***逐步发展起来；在人体安检扫描领域，由于毫米波具有穿透性好且对人体辐射小等优点被研究用来对人体进行三维成像，基于毫米波的圆柱扫描SAR三维成像***是当前研究的重点；圆柱扫描SAR成像算法的对***的适用性以及三维成像的实时性，是该***能否广泛应用的重要指标，圆柱扫描SAR***由于雷达运动平台绕目标场景进行圆周运动，距离向与方位向之间严重耦合，导致一些传统的SAR成像算法不再适用。
目前，适用于圆柱扫描SAR***的成像算法，主要包括以后向投影(BackProjection，BP)算法为代表的时域成像算法和以ω-K为代表的波数域成像算法。但三维BP成像算法需要对目标场景散射点进行逐点计算并相干累加，计算量大，尤其是对于有大量回波数据的圆柱扫描SAR，成像效率低下，不具备工程实用能力。基于ω-K的三维波数域算法需要进行插值操作，容易引入误差，并且ω-K算法要求在角度域进行采样均匀化，限制了圆柱扫描SAR***的工作方式。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，该种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法能够在保证精准聚焦的前提下，实现圆柱扫描SAR的三维实时成像。
本发明的技术思路为：在传统的ω-K算法和BP算法的基础上，融合两种算法的优势，在高度维和距离维采用ω-K算法解耦合并聚焦，在距离维和角度维采用BP算法实现相干累加成像。先将成像区域按照天线阵列在竖直方向分为若干个成像切片，使用ω-K算法实现竖直方向和距离向的解耦合和聚焦。然后对于每一个成像切片，采用后向投影算法将距离向的聚焦结果相干累加到该切片的成像网格上。由于切片投影避免了对所有三维成像像素点的累加操作，同时BP算法不要求在角度域均匀采样，因此该方案在保证成像分辨率的条件下，大大提高了成像的实时性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现
一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，包括以下步骤：
步骤1，确定圆柱扫描SAR雷达天线阵列，圆柱扫描SAR雷达天线阵列包括M个阵元；建立三维坐标系XOYZ，并得到M个二维XOY切片；
获取去线性调频信号，对所述去线性调频信号进行划分，得到N个子块的回波数据，每个子块的回波数据都包括M个阵元的一次脉冲回波数据；其中，N和M分别为大于1的正整数；
步骤2，对第n个子块的回波数据进行解耦合并聚焦，得到第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果；其中，n的初值为1，n＝1,2,…,N；
步骤3，对于第m个二维XOY切片，对应选取第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果中第m列数据，并将所述第m列数据投影到第m个二维XOY切片上，进而得到第n个子块的回波数据对应的第m个二维XOY切片的成像结果；其中，m的初值为1，m＝1,2,…,M；
步骤4，令m的值分别取1至M，重复执行步骤3，进而分别得到第n个子块的回波数据对应的第1个二维XOY切片的成像结果至第n个子块的回波数据对应的第M个二维XOY切片的成像结果，将第n个子块的回波数据对应的第1个二维XOY切片的成像结果至第n个子块的回波数据对应的第M个二维XOY切片的成像结果按照圆柱扫描SAR雷达天线阵列中的阵元顺序沿Z轴依次排列，并将排列结果记为第n个子块的回波数据对应的三维图像数据；
步骤5，令n的值分别取1至N，重复执行步骤2至步骤4，进而分别得到第1个子块的回波数据对应的三维图像数据至第N个子块的回波数据对应的三维图像数据，然后将第1个子块的回波数据对应的三维图像数据至第N个子块的回波数据对应的三维图像数据依次进行累加，并将累加后的结果记为最终的高分辨率三维SAR图像。
本发明与现有技术相比所具有的优点：
第一，本发明不需要在每次脉冲回波都对场景所有的散射点逐点累加，可在保证成像高分辨率的条件下，快速实现圆柱扫描SAR的三维聚焦成像；第二，本发明不需要在角度方向插值，也不要求角度方向的均匀采样，对***工作模式要求更为宽泛，对***的适应性更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法流程图；
图2是本发明的一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法模型示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的仿真采用的三维人体模型图；
图3(b)是本发明实施例提供的仿真采用的圆柱扫描SAR雷达天线阵列运动轨迹模型图；
图4是本发明实施例提供的仿真中，ωK聚焦之后进行投影时的切片划分示意图；
图5(a)是本发明实施例提供的三维人体模型回波仿真成像结果左侧视角图；
图5(b)是本发明实施例提供的三维人体模型回波仿真成像结果右侧视角图；
图6(a)是本发明实施例提供的三维人体模型仿真中，圆柱扫描SAR雷达天线阵列的成像结果融合ω-K和BP算法得到的圆周轨迹成像结果图；
图6(b)是本发明实施例提供的三维人体模型仿真中，圆柱扫描SAR雷达天线阵列的成像结果融合ω-K和BP算法得到的椭圆轨迹成像结果图；
图6(c)是本发明实施例提供的三维人体模型仿真中，圆柱扫描SAR雷达天线阵列的成像结果使用三维ω-K算法得到的圆周轨迹成像结果图；
图6(d)是本发明实施例提供的三维人体模型仿真中，圆柱扫描SAR雷达天线阵列的成像结果使用三维ω-K算法得到的椭圆轨迹成像结果图；
图7(a)是本发明实施例提供的融合ω-K和BP算法实测数据成像结果图；
图7(b)是本发明实施例提供的三维ω-K算法实测数据成像结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，为本发明的一种圆柱扫描SAR三维成像的快速实现方法流程图；其中，所述圆柱扫描SAR三维成像的快速实现方法，包括以下步骤：
步骤1，圆柱扫描SAR雷达天线阵列接收原始回波信号，对原始回波信号解线频调后进行采样，并根据天线阵列的扫描周期将回波信号分为N个子块，得到分块后的回波信号。
步骤1的具体过程为：确定圆柱扫描SAR雷达天线阵列，圆柱扫描SAR雷达天线阵列包括M个阵元；设定所述圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内包括I个散射点；以圆柱扫描SAR雷达天线阵列的圆柱扫描区域的底面圆心为原点O、竖直方向为Z轴、水平方向为X轴，并根据右手定则将与X轴和Z轴垂直的方向确定为Y轴建立三维坐标系XOYZ；其中，圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描中心为Z轴。
参照图2，为本发明的一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法模型示意图，其中圆柱扫描SAR雷达天线阵列和三维坐标系XOYZ原点O连线与X轴之间的夹角，为圆柱扫描SAR雷达天线阵列的旋转角度θ；R为圆柱扫描SAR雷达天线阵列的圆柱扫描区域的底面半径，Pl为三维坐标系XOYZ中任意目标点，其位置为(xl,yl,zl)，xl表示目标点Pl的X轴坐标，yl表示目标点Pl的Y轴坐标，zl表示目标点Pl的Z轴坐标，下标l为圆柱扫描SAR雷达天线阵列检测范围内若干个目标点中任意一个。
在三维坐标系XOYZ中，沿Z轴方向将三维坐标系划分为M个二维XOY切片，相邻XOY切片之间的距离为Zres，Zres与圆柱扫描SAR雷达天线阵列的阵元间距d取值相等；每个二维XOY切片都包括W×H个网格点，W表示每个二维XOY切片沿X轴方向的网格点数，且每个二维XOY切片沿X轴方向的网格点间距为Xres，Xres＝λcosθBW，λ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号波长，
Figure BDA0001473714720000041
fc表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号载频，c表示光速，cos表示余弦函数，θBW表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束宽度；H表示每个二维XOY切片沿Y轴方向的网格点数，且每个二维XOY切片沿Y轴方向的网格点间距为Yres，
Figure BDA0001473714720000042
B表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号带宽。
每个二维XOY切片都包括W×H个网格点对应为每个二维XOY切片都包括W×H个像素点，每个二维XOY切片沿X轴方向的网格点间距Xres为每个二维XOY切片的X轴分辨率，每个二维XOY切片沿Y轴方向的网格点间距Yres为每个二维XOY切片的Y轴分辨率，相邻XOY切片之间的距离Zres对应为三维坐标系XOYZ的Z轴分辨率。
将M个二维XOY切片按照圆柱扫描SAR雷达天线阵列中的阵元顺序沿Z轴依次排列后的结果，记为圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域；圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射线性调频信号并接收原始回波信号，将所述原始回波信号与圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号进行混频，混频后的结果记为去线性调频信号srs(t,θ,z)，其表达式为：
Figure BDA0001473714720000051
其中，将圆柱扫描SAR雷达天线阵列和三维坐标系XOYZ原点O连线与X轴之间的夹角，记为圆柱扫描SAR雷达天线阵列的旋转角度θ；t表示全时间，全时间t为慢时间和快时间之和，慢时间是圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射脉冲时刻；z表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列内M个阵元的Z轴坐标，σi表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点的散射系数，rect表示矩形窗函数，
Figure BDA0001473714720000052
表示快时间，Δti表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点的时延，Tp表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号脉冲宽度；将圆柱扫描SAR雷达天线阵列与其成像区域中心点之间的距离作为参考距离Rref；RΔi表示第i个散射点到圆柱扫描SAR雷达天线阵列的斜距与参考距离Rref的差值，RΔi＝Ri-Rref，Ri表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点到圆柱扫描SAR雷达天线阵列的斜距，γ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号调频率，fc表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号载频，c表示光速，e表示指数函数，j表示虚数单位，i＝1,2,…,I；其中N、I、M分别为大于1的正整数。
对所述去线性调频信号srs(t,θ,z)按照圆柱扫描SAR雷达天线阵列的扫描周期进行划分，进而得到N个子块的回波数据，每个子块的回波数据都包括M个阵元的一次脉冲回波数据，所述M个阵元的一次脉冲回波数据为M个阵元依次发射线性调频信号脉冲并接收一次脉冲的数据。
步骤2，对第n个子块的回波数据使用ω-K算法实现竖直方向和距离向的解耦合并聚焦，进而得到第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果
Figure BDA0001473714720000061
其中，n的初值为1，n＝1,2,…,N。
步骤2的具体过程为：
2.1将第n个子块的回波数据写成距离波数域的表达形式，对第n个子块的回波数据沿着竖直方向Z轴方向进行快速傅里叶变换FFT，计算得到第n个子块的回波数据在Z轴方向与距离向的二维波数域回波数据Srn(Kr,θ,Kz)，其表达式为：
Figure BDA0001473714720000062
其中，Kr表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点到圆柱扫描SAR雷达天线阵列的斜距Ri方向的波数，
Figure BDA0001473714720000063
ΔKr表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号频率，
Figure BDA0001473714720000064
表示快时间，γ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号调频率，Kz表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列内M个阵元的Z轴坐标z傅里叶变换之后沿Z轴方向的波数；θ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列的旋转角度，σi表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点的散射系数，Tp表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号脉冲宽度，Rixy表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点在M个二维XOY切片上的对应斜距，且满足
Figure BDA0001473714720000065
z表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列内M个阵元的Z轴坐标，Ri表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点到圆柱扫描SAR雷达天线阵列的斜距，rect表示矩形窗函数，zi表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点的Z轴坐标。
2.2采用Stolt插值的方法对第n个子块的回波数据在Z轴方向与距离向的二维波数域回波数据Srn(Kr,θ,Kz)进行距离向与竖直方向去耦合，计算得到去耦合后第n个子块的回波数据波数域信号
Figure BDA0001473714720000066
其表达式为：
Figure BDA0001473714720000067
其中，Kixy表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点在M个二维XOY切片上的对应斜距Rixy方向的波数，Rixy表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点在M个二维XOY切片上的对应斜距。
2.3对去耦合后第n个子块的回波数据波数域信号
Figure BDA0001473714720000071
进行距离向逆快速傅里叶变换IFFT，得到脉冲压缩后第n个子块的一维距离向回波数据
Figure BDA0001473714720000072
fr表示第i个散射点到圆柱扫描SAR雷达天线阵列的斜距与参考距离Rref的差值RΔi的频域形式，以实现脉冲压缩得到一维距离像；fr＝γRΔi，γ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号调频率。
2.4对脉冲压缩后第n个子块的一维距离向回波数据
Figure BDA0001473714720000073
沿着Z轴方向进行逆快速傅里叶变换IFFT，用以在Z轴方向实现聚焦，进而得到第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果
Figure BDA0001473714720000074
所述二维成像结果
Figure BDA0001473714720000075
为Nrn×M维，Nrn表示原始回波信号的距离向采样点数，M表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列包含的阵元个数。
步骤3，对于圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域中的第m个二维XOY切片，对应选取第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果
Figure BDA0001473714720000076
中第m列数据
Figure BDA0001473714720000077
并将距离维的二维成像结果
Figure BDA0001473714720000078
中第m列数据
Figure BDA0001473714720000079
按照BP算法投影到第m个二维XOY切片上，进而得到第n个子块的回波数据对应的第m个二维XOY切片的成像结果。
步骤3的具体过程为：
3.1选取第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果
Figure BDA00014737147200000710
中第m列数据
Figure BDA00014737147200000711
并将所述第m列数据
Figure BDA00014737147200000712
投影到圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域中的第m个二维XOY切片上，计算得到第m个二维XOY切片上第w行第h列网格点到第m个阵元的斜距Rmwh(θ)，其表达式为：
Figure BDA00014737147200000713
其中，Xcm表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列中第m个阵元的X轴坐标，Ycm表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列中第m个阵元的Y轴坐标，xw表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域中第m个二维XOY切片上第w行第h列网格点的X轴坐标，yh表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域中第m个二维XOY切片上第w行第h列网格点的Y轴坐标，w＝1,2,…,W，h＝1,2,…,H，Xcm＝Rm cosθ，Ycm＝Rm sinθ，θ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列的旋转角度，Rm表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列中第m个阵元的旋转半径，其大小等于圆柱扫描SAR雷达天线阵列的圆柱扫描区域的底面半径R，因此圆柱扫描SAR雷达天线阵列中第1个阵元的旋转半径R1、圆柱扫描SAR雷达天线阵列中第2个阵元的旋转半径R2、…、圆柱扫描SAR雷达天线阵列中第M个阵元的旋转半径RM取值相等；sin表示正弦函数，cos表示余弦函数。
使用线性插值的方法根据第m个二维XOY切片上第w行第h列网格点到第m个阵元的斜距Rmwh(θ)对第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果
Figure BDA0001473714720000081
进行插值，并将插值后得到的结果乘以第w行第h列网格点斜距对应的相位补偿项
Figure BDA0001473714720000082
得到第w行第h列网格点相位补偿后的成像数据fn(xw,yh,z)，其表达式为：
Figure BDA0001473714720000083
其中z表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列内M个阵元的Z轴坐标，fc表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号载频，c表示光速，e表示指数函数，j表示虚数单位。
3.2令h的值分别取1至H，重复执行3.1，进而分别得到第w行第1列网格点相位补偿后的成像数据至第w行第H列网格点相位补偿后的成像数据，并将第w行第1列网格点相位补偿后的成像数据至第w行第H列网格点相位补偿后的成像数据，记为第w行H列列网格点相位补偿后的成像数据，然后将h的值初始化为1。
3.3令w的值分别取1至W，重复执行3.1和3.2，进而分别得到第1行H列列网格点相位补偿后的成像数据至第W行H列列网格点相位补偿后的成像数据，并将第1行H列列网格点相位补偿后的成像数据至第W行H列列网格点相位补偿后的成像数据，记为第n个子块的回波数据对应的第m个二维XOY切片的成像结果，即距离维的二维成像结果
Figure BDA0001473714720000084
中第m列数据
Figure BDA0001473714720000085
投影到圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域中的第m个二维XOY切片的投影结果，所述投影结果为第n个子块的回波数据对应的第m个二维XOY切片的成像结果，然后将h和w的值分别初始化为1。
步骤4，令m的值分别取1至M，重复执行步骤3，进而分别得到第n个子块的回波数据对应的第1个二维XOY切片的成像结果至第n个子块的回波数据对应的第M个二维XOY切片的成像结果，将第n个子块的回波数据对应的第1个二维XOY切片的成像结果至第n个子块的回波数据对应的第M个二维XOY切片的成像结果按照圆柱扫描SAR雷达天线阵列中的阵元顺序沿Z轴依次排列，并将排列结果记为第n个子块的回波数据对应的三维图像数据，然后将h、w、m的值分别初始化为1。
步骤4的具体情况为，沿Z轴方向对M个二维XOY切片进行步骤3所述的BP投影，由于M个二维XOY切片按照圆柱扫描SAR雷达天线阵列中的阵元顺序沿Z轴依次排列的结果就是三维成像网格，因此经过步骤4之后就得到了初步的三维成像结果，但由于三维成像结果分辨率较低，所以需要进行后续的合成孔径操作。
步骤5，令n的值分别取1至N，重复执行步骤2至步骤4，进而分别得到第1个子块的回波数据对应的三维图像数据至第N个子块的回波数据对应的三维图像数据，然后将第1个子块的回波数据对应的三维图像数据至第N个子块的回波数据对应的三维图像数据在旋转角度θ方向上依次进行累加，并将累加后的结果记为最终的高分辨率三维SAR图像。
步骤5的具体情况为，经过步骤4得到低分辨的三维图像，然后按照步骤5对合成孔径长度内的三维图像数据逐点积累，即对每个子块的回波数据对应的三维图像数据沿旋转角度θ方向进行积分以形成合成孔径，由于是补偿相位为进行累加，因此属于相干累加，根据BP成像算法的相关性原理：
Figure BDA0001473714720000091
f(xw,yh,zm)表示第m个二维XOY切片上第w行第h列网格点对应的像素值。
将N个子块的回波数据的二维成像结果
Figure BDA0001473714720000092
按照上述方式积分后并依次进行累加，即可重建三维成像区域的场景，并得到具有高分辨的三维场景成像结果，即最终的高分辨率三维SAR图像。
通过以下仿真实验对本发明的效果作进一步验证说明。
(一)仿真条件：
本发明三维人体模型仿真参数如表1所示：
表1三维人体模型仿真参数
Figure BDA0001473714720000093
Figure BDA0001473714720000101
图3(a)是本发明实施例提供的仿真采用的三维人体模型图，图3(b)是本发明实施例提供的仿真采用的圆柱扫描SAR雷达天线阵列运动轨迹模型图；其中圆柱扫描SAR雷达天线阵列运动模式为先匀加速后匀减速的模式，扫描方式为从第一个天线始，各个阵元依次发射接收一次回波，M个阵元发射接收一次称为一个扫描周期。
成像网格参数如表2所示：
表2成像网格参数
Figure BDA0001473714720000102
沿Z方向将成像三维网格分为380个投影切片，每个投影切片的像素点数为280*16，用于ω-K聚焦之后投影累加，将所有切片沿着角度方向投影相干累加之后即得到三维成像结果，如图4所示。
(二)仿真内容及结果：
仿真1：按照上述仿真条件，将天线阵列运动轨迹设为半径为1m的圆周，进行回波仿真获取回波，使用本发明方法进行多角度成像，成像结果如图5(a)和图5(b)所示，本发明所述方法较好地完成了三维人体模型的多角度成像。
仿真2：按照上述仿真条件，分别将天线阵列运动轨迹设为半径为1m的圆周和长轴为1m，短轴为0.8m的椭圆轨迹，进行回波仿真获取回波；分别使用本发明方法、三维ω-K算法进行成像，对比在圆周轨迹运动和椭圆轨迹运动条件下的成像结果，如图6(a)、图6(b)、图6(c)和图6(d)所示，在天线阵列圆周轨迹运动条件下，本发明方法和三维ω-K算法均能较好地完成三维成像；但在天线阵列椭圆轨迹运动条件下，三维ω-K算法由于插值不够准确等原因导致图像散焦甚至出现了镜像的情况，而本发明方法依然能够完成精确聚焦，如图7(a)和图7(b)所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定圆柱扫描SAR雷达天线阵列，圆柱扫描SAR雷达天线阵列包括M个阵元；建立三维坐标系XOYZ，并得到M个二维XOY切片；
获取去线性调频信号，对所述去线性调频信号进行划分，得到N个子块的回波数据，每个子块的回波数据都包括M个阵元的一次脉冲回波数据；其中，N和M分别为大于1的正整数；
步骤2，对第n个子块的回波数据进行解耦合并聚焦，得到第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果；其中，n的初值为1，n＝1,2,…,N；
步骤3，对于第m个二维XOY切片，对应选取第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果中第m列数据，并将所述第m列数据投影到第m个二维XOY切片上，进而得到第n个子块的回波数据对应的第m个二维XOY切片的成像结果；其中，m的初值为1，m＝1,2,…,M；
步骤4，令m的值分别取1至M，重复执行步骤3，进而分别得到第n个子块的回波数据对应的第1个二维XOY切片的成像结果至第n个子块的回波数据对应的第M个二维XOY切片的成像结果，将第n个子块的回波数据对应的第1个二维XOY切片的成像结果至第n个子块的回波数据对应的第M个二维XOY切片的成像结果按照圆柱扫描SAR雷达天线阵列中的阵元顺序沿Z轴依次排列，并将排列结果记为第n个子块的回波数据对应的三维图像数据；
步骤5，令n的值分别取1至N，重复执行步骤2至步骤4，进而分别得到第1个子块的回波数据对应的三维图像数据至第N个子块的回波数据对应的三维图像数据，然后将第1个子块的回波数据对应的三维图像数据至第N个子块的回波数据对应的三维图像数据依次进行累加，并将累加后的结果记为最终的高分辨率三维SAR图像。
2.如权利要求1所述的一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，其特征在于，在步骤1中，所述三维坐标系XOYZ，其建立过程为：
以圆柱扫描SAR雷达天线阵列的圆柱扫描区域的底面圆心为原点O、竖直方向为Z轴、水平方向为X轴，并根据右手定则将与X轴和Z轴垂直的方向确定为Y轴建立三维坐标系XOYZ；其中，圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描中心为Z轴；
所述M个二维XOY切片，还包括：
在三维坐标系XOYZ中，沿Z轴方向将三维坐标系划分为M个二维XOY切片，相邻XOY切片之间的距离为Zres，Zres与圆柱扫描SAR雷达天线阵列的阵元间距d取值相等；每个二维XOY切片都包括W×H个网格点，W表示每个二维XOY切片沿X轴方向的网格点数，且每个二维XOY切片沿X轴方向的网格点间距为Xres，Xres＝λcosθBW，λ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号波长，
Figure FDA0001473714710000021
fc表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号载频，c表示光速，cos表示余弦函数，θBW表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束宽度；H表示每个二维XOY切片沿Y轴方向的网格点数，且每个二维XOY切片沿Y轴方向的网格点间距为Yres，
Figure FDA0001473714710000022
B表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号带宽；
每个二维XOY切片都包括W×H个网格点对应为每个二维XOY切片都包括W×H个像素点，每个二维XOY切片沿X轴方向的网格点间距Xres为每个二维XOY切片的X轴分辨率，每个二维XOY切片沿Y轴方向的网格点间距Yres为每个二维XOY切片的Y轴分辨率，相邻XOY切片之间的距离Zres对应为三维坐标系XOYZ的Z轴分辨率。
3.如权利要求2所述的一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，其特征在于，在步骤1中，所述去线性调频信号，其得到过程为：
设定所述圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内包括I个散射点；圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射线性调频信号并接收原始回波信号，将所述原始回波信号与圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号进行混频，混频后的结果记为去线性调频信号srs(t,θ,z)，其表达式为：
Figure FDA0001473714710000023
其中，将圆柱扫描SAR雷达天线阵列和三维坐标系XOYZ原点O连线与X轴之间的夹角，记为圆柱扫描SAR雷达天线阵列的旋转角度θ；t表示全时间，全时间t为慢时间和快时间之和，慢时间是圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射脉冲时刻；z表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列内M个阵元的Z轴坐标，σi表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点的散射系数，rect表示矩形窗函数，
Figure FDA0001473714710000024
表示快时间，△ti表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点的时延，Tp表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号脉冲宽度；将圆柱扫描SAR雷达天线阵列与其成像区域中心点之间的距离作为参考距离Rref；R△i表示第i个散射点到圆柱扫描SAR雷达天线阵列的斜距与参考距离Rref的差值，R△i＝Ri-Rref，Ri表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点到圆柱扫描SAR雷达天线阵列的斜距，γ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号调频率，fc表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号载频，c表示光速，e表示指数函数，j表示虚数单位，i＝1,2,…,I；其中I为大于1的正整数。
4.如权利要求3所述的一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，其特征在于，在步骤2中，所述第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果为
Figure FDA0001473714710000031
其得到过程为：
2.1对第n个子块的回波数据沿着Z轴方向进行快速傅里叶变换，计算得到第n个子块的回波数据在Z轴方向与距离向的二维波数域回波数据Srn(Kr,θ,Kz)，其表达式为：
Figure FDA0001473714710000032
其中，Kr表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点到圆柱扫描SAR雷达天线阵列的斜距Ri方向的波数，
Figure FDA0001473714710000033
△Kr表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号频率，
Figure FDA0001473714710000034
Figure FDA0001473714710000035
表示快时间，γ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号调频率，Kz表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列内M个阵元的Z轴坐标z傅里叶变换之后沿Z轴方向的波数；θ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列的旋转角度，σi表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点的散射系数，Tp表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号脉冲宽度，Rixy表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点在M个二维XOY切片上的对应斜距，且满足
Figure FDA0001473714710000036
z表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列内M个阵元的Z轴坐标，Ri表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点到圆柱扫描SAR雷达天线阵列的斜距，rect表示矩形窗函数，zi表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点的Z轴坐标；
2.2对第n个子块的回波数据在Z轴方向与距离向的二维波数域回波数据Srn(Kr,θ,Kz)进行去耦合，计算得到去耦合后第n个子块的回波数据波数域信号
Figure FDA0001473714710000041
其表达式为：
Figure FDA0001473714710000042
其中，Kixy表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点在M个二维XOY切片上的对应斜距Rixy方向的波数，Rixy表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列波束扫描区域内第i个散射点在M个二维XOY切片上的对应斜距；
2.3对去耦合后第n个子块的回波数据波数域信号
Figure FDA0001473714710000043
进行距离向逆快速傅里叶变换，得到脉冲压缩后第n个子块的一维距离向回波数据
Figure FDA0001473714710000044
其中，fr表示第i个散射点到圆柱扫描SAR雷达天线阵列的斜距与参考距离Rref的差值R△i的频域形式，fr＝γR△i，γ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号调频率；
2.4对脉冲压缩后第n个子块的一维距离向回波数据
Figure FDA0001473714710000045
沿着Z轴方向进行逆快速傅里叶变换，进而得到第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果
Figure FDA0001473714710000046
所述二维成像结果
Figure FDA0001473714710000047
为Nrn×M维，Nrn表示原始回波信号的距离向采样点数，M表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列包含的阵元个数。
5.如权利要求4所述的一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，其特征在于，步骤3的子步骤为：
3.1选取第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果
Figure FDA0001473714710000048
中第m列数据
Figure FDA0001473714710000049
并将所述第m列数据
Figure FDA00014737147100000410
投影到圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域中的第m个二维XOY切片上，计算得到第m个二维XOY切片上第w行第h列网格点到第m个阵元的斜距Rmwh(θ)，其表达式为：
Figure FDA0001473714710000051
其中，Xcm表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列中第m个阵元的X轴坐标，Ycm表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列中第m个阵元的Y轴坐标，xw表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域中第m个二维XOY切片上第w行第h列网格点的X轴坐标，yh表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域中第m个二维XOY切片上第w行第h列网格点的Y轴坐标，w＝1,2,…,W，h＝1,2,…,H，Xcm＝Rmcosθ，Ycm＝Rmsinθ，θ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列的旋转角度，Rm表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列中第m个阵元的旋转半径，sin表示正弦函数，cos表示余弦函数；
根据第m个二维XOY切片上第w行第h列网格点到第m个阵元的斜距Rmwh(θ)对第n个子块的回波数据对应的Z轴方向与距离维的二维成像结果
Figure FDA0001473714710000052
进行插值，并将插值后得到的结果乘以第w行第h列网格点斜距对应的相位补偿项
Figure FDA0001473714710000053
得到第w行第h列网格点相位补偿后的成像数据fn(xw,yh,z)，其表达式为：
Figure FDA0001473714710000054
其中，z表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列内M个阵元的Z轴坐标，fc表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列发射的线性调频信号载频，c表示光速，e表示指数函数，j表示虚数单位；
3.2令h的值分别取1至H，重复执行3.1，进而分别得到第w行第1列网格点相位补偿后的成像数据至第w行第H列网格点相位补偿后的成像数据，并将第w行第1列网格点相位补偿后的成像数据至第w行第H列网格点相位补偿后的成像数据，记为第w行H列网格点相位补偿后的成像数据，然后将h的值初始化为1；
3.3令w的值分别取1至W，重复执行3.1和3.2，进而分别得到第1行H列网格点相位补偿后的成像数据至第W行H列网格点相位补偿后的成像数据，并将第1行H列网格点相位补偿后的成像数据至第W行H列网格点相位补偿后的成像数据，记为第n个子块的回波数据对应的第m个二维XOY切片的成像结果，然后将h和w的值分别初始化为1。
6.如权利要求5所述的一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，其特征在于，在3.1中，所述第m列数据
Figure FDA0001473714710000055
投影到圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域中的第m个二维XOY切片上，其中圆柱扫描SAR雷达天线阵列成像区域，是将M个二维XOY切片按照圆柱扫描SAR雷达天线阵列中的阵元顺序沿Z轴依次排列后的结果。
7.如权利要求1所述的一种圆柱扫描SAR三维成像快速实现方法，其特征在于，在步骤5中，所述将第1个子块的回波数据对应的三维图像数据至第N个子块的回波数据对应的三维图像数据依次进行累加，具体是将第1个子块的回波数据对应的三维图像数据至第N个子块的回波数据对应的三维图像数据在旋转角度θ方向上依次进行累加；其中，θ表示圆柱扫描SAR雷达天线阵列的旋转角度。
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