CN110275164B - 一种用于多发多收合成孔径雷达的三维成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多发多收合成孔径雷达的三维成像方法，包括以下步骤：对每一个扫描位置处的多发多收阵列采集的回波数据进行二维成像；将经过处理后得到的每一个扫描位置处对应的二维成像结果分别投影至三维空间；将经过处理后得到的所有扫描位置处对应的三维投影结果相加。本发明能避免计算多发多收合成孔径雷达成像***测量数据沿扫描方向的傅里叶变换，可以在多发多收阵列扫描的同时进行成像处理，适用于多发多收阵列扫描轨迹为直线或曲线（即等效天线孔径为平面或曲面）的多发多收合成孔径雷达成像***，降低了运算量并且有利于并行处理。

Description

一种用于多发多收合成孔径雷达的三维成像方法
技术领域
本发明属于雷达成像方法领域，特别涉及一种用于多发多收合成孔径雷达的三维成像方法。
背景技术
多发多收合成孔径雷达利用多发多收阵列扫描形成二维等效天线孔径，并利用宽带信号实现对目标的三维成像，阵列的扫描轨迹是不定的，可以是直线，也可以是曲线。多发多收阵列扫描形成的面为多发多收合成孔径雷达的等效天线孔径。当多发多收阵列的扫描轨迹为直线时，形成的等效天线孔径是一个平面；当多发多收阵列的扫描轨迹为圆形时，形成的等效天线孔径是一个柱面。
现有的用于多发多收合成孔径雷达的三维成像方法主要包括：距离迁徙算法、后向投影算法和基于近似的算法。
距离迁徙算法首先利用三维傅里叶变换将测量数据变换至空间波数域进行补偿，对补偿后的数据进行插值和降维累加，最后利用三维逆傅里叶变换得到成像结果。距离迁徙算法具有如下缺点：需要计算测量数据沿扫描向的傅里叶变换，因此只能在测量数据沿扫描向采集完成之后开始成像处理；只能用于多发多收阵列扫描轨迹为直线时的多发多收合成孔径雷达成像***，即仅适用于等效天线孔径为平面的***，不利于并行处理。
后向投影算法首先利用逆傅里叶变换得到不同收发阵元对对应的一维距离像，然后将不同收发阵元对对应的一维距离像分别投影至三维目标空间，最后将不同收发阵元对对应的所有三维投影结果累加得到成像结果。后向投影算法的缺点是运算量较大，用于多发多收合成孔径雷达三维成像时耗时较长。
基于近似的方法建立在一些近似假设成立的基础上。如基于等效相位中心原理的近似方法，该方法首先将多发多收阵列的测量数据根据近似关系转换成单发单收阵列的测量数据，然后再采用单发单收阵列的成像方法进行成像处理。基于近似的方法会导致成像结果的精度下降，如部分成像位置出现散焦、位置偏移等，不能用于短距离精确成像。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述三种现有多收多发合成孔径雷达三维成像方法的不足，提供一种新的多发多收合成孔径雷达三维成像方法，能避免计算多发多收合成孔径雷达成像***测量数据沿扫描方向的傅里叶变换，可以在多发多收阵列扫描的同时进行成像处理，适用于扫描轨迹为直线或曲线(即等效天线孔径为平面或曲面)的多发多收合成孔径雷达成像***，降低了运算量并且有利于并行处理。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种用于多发多收合成孔径雷达的三维成像方法，包括以下步骤：
步骤S1.对每一个扫描位置处的多发多收阵列采集的回波数据进行二维成像；
步骤S2.将经过步骤S1处理后得到的每一个扫描位置处对应的二维成像结果分别投影至三维空间；
步骤S3.将经过步骤S2处理后得到的所有扫描位置处对应的三维投影结果相加。
作为一种优选方式，所述步骤S1中对每一个扫描位置处的多发多收阵列采集的回波数据分别进行二维成像的方法包括以下步骤：
步骤S11.计算多发多收阵列采集的测量数据S0(u,v,k；p)沿u向和v向的二维傅里叶变换，得到数据S1(ku,kv,k；p)，其中u为发射域，v为接收域，k＝2πf/c，f为频率，c为电磁波的传播速度，ku为发射方位波数且是对应于u的傅里叶变量，kv为接收方位波数且是对应于v的傅里叶变量，向量p为多发多收阵列的位置；
步骤S12.对数据S1(ku,kv,k；p)在k域进行插值，得到在kr域等间隔采样的数据S2(ku,kv,kr；p)，其中kr为斜距波数且
Figure BDA0001595792910000021
步骤S13.将数据S2(ku,kv,kr；p)从ku-kv-kr域变换至kx-kr域，得到数据S3(kx,kr；p)，其中kx为方位波数且kx＝ku+kv；
步骤S14.计算数据S3(kx,kr；p)沿kx向和kr向的二维逆傅里叶变换，得到二维成像结果。
与现有技术相比，本发明能避免计算多发多收合成孔径雷达成像***测量数据沿扫描方向的傅里叶变换，可以在多发多收阵列扫描的同时进行成像处理，适用于扫描轨迹为直线或曲线(即等效天线孔径为平面或曲面)的多发多收合成孔径雷达成像***，降低了运算量并且有利于并行处理。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为多发多收阵列沿直线扫描时的几何关系图。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的实例，对本发明作进一步的描述。
图1为本发明方法的流程图。图2为多发多收阵列沿直线扫描时的几何关系图。O表示坐标原点，x轴表示方位向，y轴表示距离向，z轴表示高度向。多发多收阵列平行于x轴，在距离原点y0处沿z轴扫描，多发多收阵列的z轴坐标为h。发射阵元的坐标为(u,y0,h)，接收阵元的坐标为(v,y0,h)，目标上任意一点的坐标为(x,y,z)。假设发射信号为步进频信号，此时多发多收合成孔径雷达成像***的测量数据为S0(u,v,k,h)，其中k＝2πf/c，f为频率，c为电磁波的传播速度。
如图1所示，本发明所述用于多发多收合成孔径雷达的三维成像方法，包括以下步骤：
步骤S1.对每一个扫描位置处的多发多收阵列采集的回波数据进行二维成像。
所述步骤S1中对每一个扫描位置处的多发多收阵列采集的回波数据进行二维成像的方法包括以下步骤：
步骤S11.计算多发多收阵列采集的测量数据S0(u,v,k；p)(在本实施例中，测量数据为S0(u,v,k,h))沿u向和v向的二维傅里叶变换，得到数据S1(ku,kv,k；p)(在本实施例中，得到数据S1(ku,kv,k,h))，其中u为发射域，v为接收域，k＝2πf/c，f为频率，c为电磁波的传播速度，ku为发射方位波数且是对应于u的傅里叶变量，kv为接收方位波数且是对应于v的傅里叶变量，向量p为多发多收阵列的位置(即多发多收阵列在不同扫描处的位置，在本实施例中p为h)。
步骤S11计算得到的数据S1(ku,kv,k；p)具有如下特征：数据S1(ku,kv,k；p)(在本实施例中为S1(ku,kv,k,h))在ku域和kv域中是均匀采样的且采样间隔相等；数据S1(ku,kv,k,h)在ku域和kv域中的分布范围由目标和多发多收阵列共同确定。在本实施例中，
Figure BDA0001595792910000041
步骤S12.对数据S1(ku,kv,k；p)(在本实施例中为S1(ku,kv,k,h))在k域进行插值，得到在kr域等间隔采样的数据S2(ku,kv,kr；p)(在本实施例中为S2(ku,kv,kr,h))，其中kr为斜距波数且
Figure BDA0001595792910000042
数据S2(ku,kv,kr；p)与数据S1(ku,kv,k；p)之间的关系为：
Figure BDA0001595792910000043
在本实施例中，数据S2(ku,kv,kr,h)与数据S1(ku,kv,k,h)之间的关系为：
Figure BDA0001595792910000044
步骤S12中的插值方法是一种公知技术，有多种公知技术可以得到相同的结果。插值的目标是为了得到在kr域内等间隔采样的数据。
步骤S13.将数据S2(ku,kv,kr；p)(在本实施例中为S2(ku,kv,kr,h))从ku-kv-kr域变换至kx-kr域，得到数据S3(kx,kr；p)(在本实施例中为S3(kx,kr,h))，其中kx为方位波数且kx＝ku+kv。
数据S3(kx,kr；p)与数据S2(ku,kv,kr；p)的关系为：
Figure BDA0001595792910000045
在本实施例中，数据S3(kx,kr,h)与数据S2(ku,kv,kr,h)的关系为：
Figure BDA0001595792910000046
可见，步骤S13将数据S2(ku,kv,kr；p)(在本实施例中为S2(ku,kv,kr,h))进行累加，将数据S2(ku,kv,kr；p)中满足关系kx＝ku+kv的数据进行相加得到数据S3(kx,kr；p)(在本实施例中为S3(kx,kr,h))。
步骤S14.计算数据S3(kx,kr；p)(在本实施例中为S3(kx,kr,h))沿kx向和kr向的二维逆傅里叶变换，得到二维成像结果S4(x,r；p)(在本实施例中为S4(x,r,h))。
步骤S14得到的数据S4(x,r；p)在r域的采样间隔越小越好。
步骤S11至步骤S14对每一个扫描位置p处的多发多收阵列的测量数据的处理是相同的。
步骤S2.将经过步骤S1处理后得到的每一个扫描位置处对应的二维成像结果分别投影至三维空间。
步骤S2具体处理过程为：将数据S4(x,r；p)(在本实施例中为S4(x,r,h))进行投影，得到数据S5(x,y,z；p)(在本实施例中为S5(x,y,z,h))。本实施例中，数据S5(x,y,z,h)与数据S4(x,r,h)的关系为：
Figure BDA0001595792910000051
投影是将不同多发多收阵列位置p处的数据S4(x,r；p)从x-r域投影至x-y-z域。投影前后的数据有如下特征：在垂直于多发多收阵列平面(即y-z平面)内，与多发多收阵列间的距离为r的位置处的数据S5(x,y,z；p)与数据S4(x,r；p)是相同的。
步骤S2中的投影首先需要将成像场景沿y轴和z轴进行离散。
步骤S2中的投影通过插值实现。这是因为数据S4(x,r；p)和数据S5(x,y,z；p)是离散的。要得到的数据S5(x,y,z；p)不可能直接从数据S4(x,r；p)中读取，因此要通过插值得到想要的坐标(x,y,z)上的数据S5(x,y,z；p)。
步骤S2中的插值与步骤S12中的插值是同一技术。
步骤S3.将经过步骤S2处理后得到的所有扫描位置处对应的三维投影结果S5(x,y,z；p)相累加(在本实施例中为将数据S5(x,y,z,h)沿h向进行累加)，得到成像结果S6(x,y,z)。本步骤中的累加是指对于坐标(x,y,z)处，将不同扫描位置处对应的投影结果在该坐标处的值相加。
数据S6(x,y,z)与数据S5(x,y,z；p)有如下关系：
Figure BDA0001595792910000061
本发明方法对多发多收合成孔径雷达成像***的测量数据在扫描向采用后向投影技术，在多发多收阵列向采用距离迁徙技术。
本实施例中，仅给出本发明方法用于多发多收合成孔径雷达的等效天线孔径为平面时的具体成像步骤。应当理解，本发明方法也可以用于多发多收合成孔径雷达的等效天线孔径为曲面时的成像处理。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于多发多收合成孔径雷达的三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：对每一个扫描位置处的多发多收阵列采集的回波数据进行二维成像，并能在多发多收阵列扫描的同时进行成像处理，
所述步骤S1中对每一个扫描位置处的多发多收阵列采集的回波数据进行二维成像的方法包括以下步骤：
步骤S11：计算多发多收阵列采集的测量数据S0(u,v,k；p)沿u向和v向的二维傅里叶变换，得到数据S1(ku,kv,k；p)，其中u为发射域，v为接收域，k＝2πf/c，f为频率，c为电磁波的传播速度，ku为发射方位波数且是对应于u的傅里叶变量，kv为接收方位波数且是对应于v的傅里叶变量，向量p为多发多收阵列的位置；
步骤S12：对数据S1(ku,kv,k；p)在k域进行插值，得到在kr域等间隔采样的数据S2(ku,kv,kr；p)，其中kr为斜距波数且
Figure FDA0003360635580000011
步骤S13：将数据S2(ku,kv,kr；p)从ku-kv-kr域变换至kx-kr域，得到数据S3(kx,kr；p)，其中kx为方位波数且kx＝ku+kv；
步骤S14：计算数据S3(kx,kr；p)沿kx向和kr向的二维逆傅里叶变换，得到二维成像结果S4(l,r；p)，其中l为对应于kx的逆傅里叶变量，表示成像结果沿阵列向的坐标位置；r为对应于kr的逆傅里叶变量，表示成像结果沿垂直于阵列向的坐标位置；
步骤S2：将经过步骤S1处理后得到的每一个扫描位置处对应的二维成像结果S4(l,r；p)分别投影至三维空间得到S5(x,y,z；p)，
所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：取定三维空间(x,y,z)内的成像点位置；
步骤S22：对于三维空间(x,y,z)内的成像点位置，任意一个扫描位置处对应的二维成像结果S4(l,r；p)在该成像点位置处的投影结果为S5(x,y,z；p)，所述投影结果S5(x,y,z；p)与所述二维成像结果S4(l,r；p)满足关系：当三维空间(x,y,z)内的成像点在步骤S1所述多发多收阵列上的投影位置为l且与步骤S1所述多发多收阵列的距离为r时，S5(x,y,z；p)＝S4(l,r；p)；
步骤S3：将经过步骤S2处理后得到的所有扫描位置处对应的三维投影结果相加。
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