专利名称：一种超分辨线阵三维合成孔径雷达成像方法
技术领域：
本发明属于雷达成像技术领域，它特别涉及了合成孔径雷达(SAR)成像技术领域。
背景技术：
合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率的微波成像系统，它依靠雷达和目标之间的相对运动来形成合成阵列来获得横向高分辨率，利用大带宽信号实现纵向高分辨率。三维 SAR是基于常规SAR横向维和纵向维的基础之上外加切横向维，它也是依靠雷达和目标之间的相对运动来获得切横向分辨率。三维合成孔径雷达(SAR)是一种新型合成孔径雷达技术。三维成像是三维成像合成孔径雷达(SAR)区别于其他遥感成像技术的特征。当前关于三维SAR技术的相关系统主要包括干涉SARanSAR)系统、曲线SAR(CSAR)系统和线阵SAR(LASAR)系统。与hSAR三维成像技术相比，由于干涉技术基于二维SAR图像，当二维SAR图像存在混叠时，干涉技术无法提取各散射点的高度信息。与CSAR技术相比，线阵SAR技术能有效解决平台运动模式的限制，避免了因平台轨迹精度低所带来的误差。线阵三维SAR(LASAR)成像系统是一种新体制SAR系统，该系统工作在下视模式下，通过平台的运动和一线性阵列安装在载机的切航迹方向(与高度向-沿航迹方向平面垂直的方向)合成等效二维阵列，实现阵列方向的二维分辨。下视线阵SAR具备以对城区建筑物、街区和山区中的峡谷等地形变化剧烈区域成像的潜力。由于线阵SAR切航迹向分辨率由线阵SAR切航迹向天线长度决定，通过增加天线长度的方法获得切航迹向高分辨率，大大增加了系统的硬件开销，而且，由于采样点个数有限，传统的匹配滤波器方法收到瑞利限的限制，分辨率很难提高。多重信号分类(MUSIC)算法是1979年由R. 0. Schmidt提出一种超分辨谱估计算法。MUSIC算法应用到线阵SAR有两点不足(1)由于成像雷达的工作特点，雷达目标成像主要是以单帧雷达图像处理为主的。而MUSIC方法构造协方差矩阵需要回波的统计信息。 Q)MUSIC谱是利用子空间的正交性构造的，是伪谱，因此不具有目标的后向散射特性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的线阵SAR成像方法的切航迹向分辨率受到天线长度的限制，沿航迹向分辨率受到瑞利限的限制的缺点，提出了基于多重信号分类(MUSIC) 算法的一种超分辨线阵三维SAR成像方法。该方法在距离向仍然采用脉冲压缩的方法，在切航迹向和沿航迹向采用二维MUSIC算法和最小二乘法获得场景点的位置信息和后向散射信息，降低旁瓣高度和主瓣宽度，从而达到了增加分辨率的目的。为了方便描述本发明的内容，首先做以下术语定义定义1、线阵三维成像合成孔径雷达线阵三维成像合成孔径雷达是将线性阵列天线固定于运动平台上，利用平台飞行速度和线阵长度以合成二维平面阵列，可以对测绘区域进行三维成像的一种合成孔径雷达系统。定义2、线阵三维成像合成孔径雷达理论分辨率线阵三维合成孔径雷达理论分辨率是指根据线阵三维合成孔径雷达系统参数，包括发射信号带宽，合成孔径长度以及线阵天线长度决定的三维合成孔径雷达所能达到的最大分辨率。定义3、三维合成孔径雷达成像空间三维合成孔径雷达成像空间是指运用成像算法由三维合成孔径雷达数据空间所得到的三维合成孔径雷达的图像空间。定义4、三维合成孔径雷达数据空间三维合成孔径雷达数据空间是指三维合成孔径雷达回波数据所构成的回波信号空间。定义5、飞行孔径与慢时间飞行孔径是指对于测绘场景中的一个散射点从收发波束共同照射到开始到发射波束或接收波束任意一个照射不到结束收发波束中心所走过的距离。慢时间是指收发平台飞过一个飞行孔径所需要的时间，由于雷达以一定的重复周期 ；发射接收脉冲，在慢时刻η可以表示为一个离散化的时间变量ts = nl；，η = 0，1，L， N，其中η是自然数。定义6、延迟时间延迟时间是发射机发射信号到接收机接收到信号这一段时间，记为τ，它由观测区域到该系统的距离R决定，τ = OR)/C，其中，C为光速。定义7、合成孔径雷达标准距离压缩方法合成孔径雷达标准距离压缩方法是指利用合成孔径雷达发射信号参数，采用匹配滤波技术对合成孔径雷达的距离向信号进行滤波的过程。详见文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。定义8、去调频方法去调频方法又称为STRETCH处理法、宽带压缩法或时频转换法，是针对线性调频信号提出的一种信号处理方法，在接收端设置一个参考函数，以场景中心为参考点，将参考函数与接收信号在时域共轭相乘，实现去调频。定义8、多重信号分类算法(MUSIC)MUSIC算法是一种基于矩阵特征空间分解的方法。从几何角度讲，信号处理的观测空间可以分解为信号子空间和噪声子空间，显然这两个空间是正交的。信号子空间由阵列接收到的数据协方差矩阵中与信号对应的特征向量组成，噪声子空间则由协方差矩阵中所有最小特征值(噪声方差)对应的特征向量组成。MUSIC算法就是利用这两个互补空间之间的正交特性来估计空间信号的方位。噪声子空间的所有向量被用来构造谱，所有空间方位谱中的峰值位置对应信号的来波方位。MUSIC算法大大提高了测向分辨率，同时适应于任意形状的天线阵列，但是原型MUSIC算法要求来波信号是不相干的，MUSIC算法的详细流程参见文献“现代数字信号处理及其应用，何子述等著”。定义9、最小二乘法
最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。定义10、空间平滑算法空间平滑算法由Evans等人首先提出，利用各子阵间的互相关矩阵，构造协方差矩阵，是一种常用的处理相干源的预处理方法，具体步骤参见文献“An Improved Spatial Smoothing Technique for Bearing Estimation in a Multipath Environment，，。定义11、滑动窗口方法一般情况下，滑动窗口方法应用与二维图像(矩阵)空间滤波，可以根据实际需要自行选定窗口的大�。�5*5，7*7等，该方窗在整幅图像上滑动，从而计算出每个像素点滤波后的输出值。具体步骤参见文献“合成孔径雷达成像原理，皮亦鸣等著”。定义12、合成孔径雷达发射机合成孔径雷达发射机是指目前合成孔径雷达采用的向观测区域发射电磁信号的系统，主要包括信号发生器、混频器、放大器等�？�。定义13、合成孔径雷达接收机合成孔径雷达接收机是指目前合成孔径雷达采用的接收观测区域回波的系统，主要包括混频器、放大器、模/数转换器、存储设备等。定义14、三维合成孔径雷达成像空间三维合成孔径雷达成像空间是指运用成像算法由三维合成孔径雷达数据空间所得到的三维合成孔径雷达的图像空间。定义15、MatlabMatlab是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。具体用法详见文献“MATLAB 5手册”，Eva Part-Enander等编著，机械工业出版社出版。本发明提供了基于多重信号分类(MUSIC)算法的一种超分辨线阵三维合成孔径雷达成像方法，它包括以下几个步骤，如附图
2所示步骤1、初始化线阵三维成像合成孔径雷达成像系统参数初始化成像系统参数包括平台速度矢量，记做P，平台初始位置矢量，记做，雷达发射电磁波的波数，记做K。，线阵天线各阵元相对平台中心的位置，记做I，其中m为天线各阵元序号，为自然数，m = 0，1，. . .，M，M为线阵天线各阵元总数，雷达发射基带信号的信号带宽，记做B，雷达发射信号脉冲宽度，记做TP，雷达接收波束持续宽度，记做Τ。，雷达接收系统的采样频率，记做fs，雷达系统的脉冲重复频率，记做PRF，雷达接收系统接收波门相对于发射信号发散波门的延迟，记做TD，线性阵列天线长度，记做L，雷达的合成孔径长度，记做1 ；上述参数均为线阵三维成像合成孔径雷达系统的标准参数，其中，雷达发射电磁波的波数K。，雷达发射基带信号的信号带宽B，雷达发射信号脉冲宽度TP，雷达接收波门持续宽度Τ。，雷达接收系统的采样频率fs，线性阵列天线长度L，雷达的合成孔径长度1，雷达系统的脉冲重复频率PRF及接收系统接收波门相对于发射信号发散波门的延迟在线阵三维成像合成孔径雷达设计过程中已经确定；其中，平台速度矢量P及平台初始位置矢量在线阵三维成像合成孔径雷达观测方案设计中已经确定；根据已有的线阵三维成像合成孔径雷达系统和线阵三维成像合成孔径雷达观测方案，线阵三维合成孔径雷达成像方法需要的初始化成像系统参数均为已知。步骤2、线阵三维成像合成孔径雷达原始数据进行距离压缩采用传统的合成孔径雷达标准距离压缩方法对合成孔径雷达距离向回波数据A 进行压缩，得到距离压缩后的线阵三维成像合成孔径雷达数据，记做互，距离压缩后的线阵三维成像合成孔径雷达数据互是一个三维数组，包括距离维、沿航迹维、切航迹维；步骤3、获取线阵三维成像合成孔径雷达图像空间的距离切片将步骤2中得到的距离压缩后的线阵三维成像合成孔径雷达数据瓦中距离维上序号为1的二维矩阵提取出，得到第一个距离切片，记作瓦，第一个距离切片瓦是二维矩阵，第一个距离切片瓦的行数为线阵阵元个数M，第一个距离切片瓦的列数为方位向采样点数N;同理，将步骤2中得到的距离压缩后的线阵三维成像合成孔径雷达数据瓦中距离维上序号为2的二维矩阵提取出，得到第二个距离切片，记作，第二个距离切片是二维矩阵，第二个距离切片的行数为线阵阵元个数Μ，第二个距离切片的列数为方位向采样点数N;同理，将步骤2中得到的距离压缩后的线阵三维成像合成孔径雷达数据瓦中距离维上序号为i的二维矩阵提取出，得到第i个距离切片，记作历，第i个距离切片历是二维矩阵，第i个距离切片历的行数为线阵阵元个数M，第i个距离切片历的列数为方位向采样点数N，i是1 R之间的任意一个距离切片的序号，R为距离向采样个数，即距离切片数；步骤4、获得第一个距离切片瓦的成像结果对步骤3中获得第一个距离切片瓦进行成像处理，具体方法(1)采用去调频方法预处理第一个距离切片瓦采用传统的去调频方法补偿距离切片瓦相位中的二次项，具体方法是首先，第一个距离切片瓦中元素的表示形式为
权利要求
1. 一种超分辨线阵三维合成孔径雷达成像方法，它包括以下几个步骤 步骤1、初始化线阵三维成像合成孔径雷达成像系统参数初始化成像系统参数包括平台速度矢量，记做P，平台初始位置矢量，记做，雷达发射电磁波的波数，记做K。，线阵天线各阵元相对平台中心的位置，记做I，其中m为天线各阵元序号，为自然数，m = 0，1，. . .，M，M为线阵天线各阵元总数，雷达发射基带信号的信号带宽，记做B，雷达发射信号脉冲宽度，记做Tp，雷达接收波束持续宽度，记做Τ。，雷达接收系统的采样频率，记做fs，雷达系统的脉冲重复频率，记做PRF，雷达接收系统接收波门相对于发射信号发散波门的延迟，记做TD，线性阵列天线长度，记做L，雷达的合成孔径长度，记做1 ； 上述参数均为线阵三维成像合成孔径雷达系统的标准参数，其中，雷达发射电磁波的波数 K。，雷达发射基带信号的信号带宽B，雷达发射信号脉冲宽度TP，雷达接收波门持续宽度Τ。， 雷达接收系统的采样频率fs，线性阵列天线长度L，雷达的合成孔径长度1，雷达系统的脉冲重复频率PRF及接收系统接收波门相对于发射信号发散波门的延迟在线阵三维成像合成孔径雷达设计过程中已经确定；其中，平台速度矢量P及平台初始位置矢量在线阵三维成像合成孔径雷达观测方案设计中已经确定；根据已有的线阵三维成像合成孔径雷达系统和线阵三维成像合成孔径雷达观测方案，线阵三维合成孔径雷达成像方法需要的初始化成像系统参数均为已知；步骤2、线阵三维成像合成孔径雷达原始数据进行距离压缩采用传统的合成孔径雷达标准距离压缩方法对合成孔径雷达距离向回波数据A进行压缩，得到距离压缩后的线阵三维成像合成孔径雷达数据，记做互，距离压缩后的线阵三维成像合成孔径雷达数据互是一个三维数组，包括距离维、沿航迹维、切航迹维； 步骤3、获取线阵三维成像合成孔径雷达图像空间的距离切片将步骤2中得到的距离压缩后的线阵三维成像合成孔径雷达数据瓦中距离维上序号为 1的二维矩阵提取出，得到第一个距离切片，记作瓦，第一个距离切片瓦是二维矩阵，第一个距离切片瓦的行数为线阵阵元个数M，第一个距离切片瓦的列数为方位向采样点数N ；同理，将步骤2中得到的距离压缩后的线阵三维成像合成孔径雷达数据互中距离维上序号为2的二维矩阵提取出，得到第二个距离切片，记作扔，第二个距离切片扔是二维矩阵，第二个距离切片的行数为线阵阵元个数M，第二个距离切片的列数为方位向采样点数N;同理，将步骤2中得到的距离压缩后的线阵三维成像合成孔径雷达数据互中距离维上序号为i的二维矩阵提取出，得到第i个距离切片，记作历，第i个距离切片历是二维矩阵， 第i个距离切片历的行数为线阵阵元个数M，第i个距离切片历的列数为方位向采样点数N， i是1 R之间的任意一个距离切片的序号，R为距离向采样个数，即距离切片数； 步骤4、获得第一个距离切片瓦的成像结果对步骤3中获得第一个距离切片瓦进行成像处理，具体方法 (1)采用去调频方法预处理第一个距离切片瓦采用传统的去调频方法补偿距离切片瓦相位中的二次项，具体方法是 首先，第一个距离切片瓦中元素的表示形式为s( ,m) = ^ap exp(-j · IKc -R(n,m; ρ))χκ(π - 2R(n,m;ρ)),其中，P为第P个目标点，Op为第P个目标点的后向散射系数，j为虚数单位，K。为雷达发射电磁波的波数，η为第η个慢时刻，为自然数，η的取值范围为1，2，L，N，m为第m个阵元，为自然数，m的取值范围为1，2，L，M,巧为第一个距离切片瓦在距离向的值，xK为距离�：琑(n, m;p)为目标点ρ在慢时刻η到第m阵元的距离，表示为
全文摘要
本发明公开一种基于MUSIC算法的线阵三维合成孔径雷达成像方法；首先采用脉冲压缩处理距离向数据，然后对每一个距离切面采用MUSIC算法聚焦场景信息，采用LS算法获得场景点的后向散射信息，最后对处理完的距离切面进行整合并显示出来，就得到了三维重建图。与传统的成像方法如BP算法、MF算法相比，本发明克服了瑞利限和天线长度有限的问题，在不提高天线的长度的同时，利用MUSIC方法来实现旁瓣的减弱，减少了旁瓣串扰对成像质量的影响，提高分辨率，实现了三维成像并提高了成像质量。
文档编号G01S13/90GK102323583SQ20111026996
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者张晓玲, 成晨 申请人:电子科技大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
