專利名稱：一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息獲取與處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法。

背景技術(shù)：
層析合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)是一種新型的合成孔徑雷達(dá)三維成像技術(shù)，由A.Reigber和A.Moreira等人于20世紀(jì)末提出(A.Reigber andA.Moreira.“First demonstration of airborne SAR tomography usingmultibaseline L-band data”，Processing of IGARSS 1999，Hamburg，Germany，144-46)。如圖1所示，層析合成孔徑雷達(dá)傳感器發(fā)射具有一定帶寬的信號(hào)，并通過(guò)層析合成孔徑雷達(dá)傳感器所在平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)在Y方向運(yùn)動(dòng)形成了第一個(gè)合成孔徑；再通過(guò)沿Z方向不同高度上，對(duì)同一成像區(qū)域沿Z方向進(jìn)行多視角觀測(cè)，在Z方向上形成了異于Y方向合成孔徑的第二個(gè)合成孔徑Z方向合成孔徑，從而形成了位于OYZ平面上的層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面，實(shí)現(xiàn)對(duì)成像區(qū)域的三維分辨成像，其中，層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面不與層析合成孔徑雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的方向平行或重合，OXYZ為層析合成孔徑雷達(dá)以及成像區(qū)域所在的三維正交直角坐標(biāo)系，O為正交直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，(xn，yn，zn)為目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)在成像區(qū)域的三維空間坐標(biāo)，X0、Y0和Z0分別表示成像區(qū)域(成像區(qū)域)沿X、Y和Z方向的寬度、長(zhǎng)度和高度，Xc為直角坐標(biāo)系OXYZ中層析合成孔徑雷達(dá)的二維合成孔徑平面同成像區(qū)域中心O之間的垂直距離。
在研制層析合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的過(guò)程中，該系統(tǒng)可以通過(guò)層析合成孔徑雷達(dá)的多次飛行、天線陣列或編隊(duì)飛行實(shí)現(xiàn)，在獲得實(shí)際成像區(qū)域的層析合成孔徑雷達(dá)原始回波信號(hào)之前，需要首先開(kāi)展與實(shí)際層析合成孔徑雷達(dá)相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真與處理方法的研究，因此，迫切需要針對(duì)大范圍成像區(qū)域或復(fù)雜目標(biāo)進(jìn)行層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的仿真，也即需要通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法生成所需的成像區(qū)域的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)。
目前，國(guó)內(nèi)外就層析合成孔徑雷達(dá)三維成像處理理論與方法開(kāi)展了一些研究，最具代表性的學(xué)者是A.Reigber(A.Reigber and A.Moreira.“First demonstration of airborne SAR tomography using multibaselineL-band data”，IEEE Trans.on Geoscience and Remote Sensing，Vol.38，No.5，pp2142-2152，Sep.2000)。在層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)獲取方面，A.Reigber等人利用E-SAR開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取，但是所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有限，同時(shí)很難進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，最為重要的在于實(shí)驗(yàn)時(shí)所要求的層析合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的硬件水平較高，因此，采用實(shí)際大規(guī)模飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的方式進(jìn)行相關(guān)處理方法的驗(yàn)證不可控、不可重復(fù)，不利于三維成像處理方法前期研究工作的展開(kāi)。
目前，在合成孔徑雷達(dá)二維成像中，針對(duì)大范圍復(fù)雜面目標(biāo)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)已有相應(yīng)的硬件設(shè)備面世，而在層析合成孔徑雷達(dá)三維成像方面，主要是針對(duì)單個(gè)點(diǎn)目標(biāo)或少量單點(diǎn)目標(biāo)的仿真，根據(jù)波恩近似，層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成可以直接采用時(shí)域相干疊加的生成方式，即通過(guò) (1) 其中，s(t，u，v)表示層析合成孔徑雷達(dá)三維成像回波信號(hào)，t表示雷達(dá)視線方向的采樣時(shí)間，u表示方位向采樣，v表示高程向采樣，σn表示目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)的后向散射系數(shù)，表示目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)到層析合成孔徑雷達(dá)的距離，C表示電磁波速度，p(t)為層析合成孔徑雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)，

表示成像區(qū)域n個(gè)點(diǎn)目標(biāo)相干求和。由式(1)可以看出，針對(duì)每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)，層析合成孔徑雷達(dá)需要計(jì)算每個(gè)目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)到層析合成孔徑雷達(dá)之間距離，而后生成回波信號(hào)并與目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)的散射系數(shù)σn相乘，假定層析合成孔徑雷達(dá)沿OYZ飛行形成關(guān)于點(diǎn)目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)的二維合成孔徑平面沿Y方向和Z方向的點(diǎn)數(shù)分別為ny和nz，則需要對(duì)成像區(qū)域中的每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)重復(fù)上述過(guò)程，因此，該方法只適合開(kāi)展少量點(diǎn)目標(biāo)的回波生成，而對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)或大空間范圍內(nèi)的大量觀測(cè)目標(biāo)或場(chǎng)景，由于包含的點(diǎn)目標(biāo)數(shù)目過(guò)大，其回波生成極為耗時(shí)，同時(shí)也不利于計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備的模塊化實(shí)現(xiàn)。
2007年，孟祥欣、薛明華和王振榮開(kāi)展了與逆合成孔徑雷達(dá)三維成像相關(guān)的點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)(數(shù)據(jù))生成方法研究(孟祥欣，薛明華，王振榮，“微波三維成像離散點(diǎn)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)模擬”，電子測(cè)量技術(shù)，第30卷第8期，2007年8月)，在該逆合成孔徑雷達(dá)三維成像回波信號(hào)生成方法中，假設(shè)了發(fā)射信號(hào)是“緊縮場(chǎng)發(fā)出的平面波”，“目標(biāo)是繞著一個(gè)固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)”，不考慮“逆合成孔徑雷達(dá)與觀測(cè)目標(biāo)中心距離對(duì)回波生成的影響”，其回波的生成過(guò)程中本質(zhì)仍然是基于“反射波的矢量疊加”，也即采用時(shí)域相干疊加的生成方式，需要計(jì)算每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)相對(duì)于逆合成孔徑雷達(dá)的“方位角和俯仰角”，隨著點(diǎn)目標(biāo)數(shù)量的增大或逆合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)采集量的增大，其回波生成過(guò)程中的計(jì)算量隨著點(diǎn)目標(biāo)數(shù)量的增加而直線上升，對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)或大空間范圍內(nèi)的大量觀測(cè)目標(biāo)或場(chǎng)景，由于包含的點(diǎn)目標(biāo)數(shù)目過(guò)大，其回波生成過(guò)程將更加耗時(shí)；該方法只適用于小范圍少量點(diǎn)目標(biāo)的逆合成孔徑雷達(dá)三維成像回波信號(hào)生成，隨著成像區(qū)域范圍的增大以及系統(tǒng)分辨率的提高，發(fā)射信號(hào)為平面波的假設(shè)不再成立，從而在生成的逆合成孔徑雷達(dá)三維成像回波信號(hào)引入了較大誤差。該方法對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)或大空間范圍內(nèi)的大量觀測(cè)目標(biāo)或場(chǎng)景的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像回波信號(hào)不適合。
目前，國(guó)內(nèi)在層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法方面尚未開(kāi)展進(jìn)行深入研究，也尚未有與層析合成孔徑雷達(dá)回波生成方法相關(guān)的文獻(xiàn)或?qū)＠?。隨著層析合成孔徑雷達(dá)三維成像技術(shù)的發(fā)展，采用快速、高效以及易于模塊化實(shí)現(xiàn)的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成方法進(jìn)行系統(tǒng)仿真顯得十分必要。


發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題 本發(fā)明的目的在于針對(duì)復(fù)雜目標(biāo)或大空間范圍內(nèi)的大量觀測(cè)目標(biāo)或場(chǎng)景，充分發(fā)揮快速傅立葉變換在合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成中的作用，采用三維波數(shù)域生成回波的方式，縮短程序運(yùn)行時(shí)間，為此，本發(fā)明提供一種快速、高效以及易于模塊化實(shí)現(xiàn)，且適用于多種成像幾何的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成的方法。
解決的技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案 為了實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，包括步驟如下 步驟S1將正交直角坐標(biāo)系OXYZ中包含成像區(qū)域后向復(fù)散射系數(shù)的三維圖像s3D(x-xn，y-yn，z-zn)送入三維傅立葉變換單元，生成第1信號(hào)為S2(Kx，Ky，Kz)，其中，xn、yn和zn分別表示成像區(qū)域中的目標(biāo)在OXYZ中的坐標(biāo)，x、y和z分別表示三維圖像的坐標(biāo)，Kx、Ky和Kz分別為X方向波數(shù)、Y方向波數(shù)和Z方向波數(shù)； 步驟S2將第1信號(hào)送入到坐標(biāo)映射單元，根據(jù)層析合成孔徑雷達(dá)的成像幾何，將處于正交直角坐標(biāo)系中的三維波數(shù)域信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)映射為球坐標(biāo)系O2UVW中的第2信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)，其中，Kw、Ku和Kv分別為W方向、U方向和V方向的波數(shù)； 步驟S3將第2信號(hào)送入到層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖處理單元，進(jìn)行層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖函數(shù)H1(Kw，Ku，Kv)相乘，生成第3信號(hào)S3(Kw，ku，kv)； 步驟S4將第3信號(hào)送入到三維波數(shù)域?yàn)V波單元，第3信號(hào)與三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)相乘，生成第4信號(hào)S4(Kw，Ku，Kv)，從第4信號(hào)中得到層析合成孔徑雷達(dá)同成像區(qū)域之間的成像幾何關(guān)系； 步驟S5將第4信號(hào)送入到二維逆傅立葉變換單元，沿第4信號(hào)的U方向和V方向分別進(jìn)行逆傅立葉變換，生成第5信號(hào)S5(Kw，u，v)，其中，Kw、u和v分別表示W(wǎng)方向波數(shù)、U方向時(shí)間和V方向時(shí)間； 步驟S6將第5信號(hào)送入W方向?yàn)V波單元，第5信號(hào)與包含參考距離Rc在內(nèi)的參考相位函數(shù)相乘，生成第6信號(hào)S6(Kw，u，v)，得到發(fā)射信號(hào)的形式； 步驟S7第6信號(hào)沿W方向條件判斷與處理若采用的發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻脈沖信號(hào)，則沿第6信號(hào)的w方向進(jìn)行逆傅立葉變換，并乘以包含層析合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)載頻在內(nèi)的參考函數(shù)H7(fc，t，u，v)，生成初始層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)第7信號(hào)ss7(t，u，v)，其中，t表示w方向采樣時(shí)間，該信號(hào)處于w方向時(shí)域、U方向時(shí)域和V方向時(shí)域中，然后繼續(xù)執(zhí)行步驟S8；若采用的發(fā)射信號(hào)為步進(jìn)頻連續(xù)波信號(hào)或其它帶寬信號(hào)，此時(shí)第7信號(hào)等于第6信號(hào)，則直接轉(zhuǎn)到步驟S8； 步驟S8將第7信號(hào)送入信號(hào)截取與重采樣單元，對(duì)第7信號(hào)進(jìn)行截取或升采樣或抽樣，或升采樣和抽樣，或升采樣和截取，獲得成像區(qū)域的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)ss(w，u，v)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在所述層析合成孔徑雷達(dá)的成像幾何中，通過(guò)多次飛行或天線陣列或編隊(duì)飛行形成層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同一成像區(qū)域的三維成像。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述坐標(biāo)映射單元的具體步驟為 步驟S21通過(guò)正交直角坐標(biāo)系中X方向波數(shù)域值Kx、Y方向波數(shù)域值Ky和Z方向波數(shù)域值Kz計(jì)算對(duì)應(yīng)的球坐標(biāo)系中W方向波數(shù)域值Kw，U方向波數(shù)域值Ku和V方向波數(shù)域值Kv為 其中，Kw(Kx，Ky，Kz)、Ku(Kx，Ky，Kz)和Kv(Kx，Ky，Kz)分別為映射后W方向波數(shù)值、U方向波數(shù)值和V方向波數(shù)值； 步驟S22根據(jù)每一個(gè)坐標(biāo)值(Kx，Ky，Kz)上所對(duì)應(yīng)第1信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)通過(guò)插值方法生成球坐標(biāo)系中每一個(gè)坐標(biāo)值(Kw，Ku，Kv)所對(duì)應(yīng)的第2信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)與層析合成孔徑雷達(dá)成像幾何之間的關(guān)系表示為 其中，Kw表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)的波數(shù)，Ku為U方向?qū)?yīng)的波數(shù)，Kv為V方向?qū)?yīng)的波數(shù)。當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面位于O2UV平面上，且層析合成孔徑雷達(dá)沿U方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，Xc為球坐標(biāo)系O2UVW中層析合成孔徑雷達(dá)的二維合成孔徑平面O2UV同成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，Yc為Y方向上層析合成孔徑雷達(dá)波束中心穿越時(shí)刻和零多普勒時(shí)刻之間的差值所對(duì)應(yīng)的距離，Zc為Z方向上合成孔徑中心O2到成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，Rc為雷達(dá)到成像區(qū)域中心的參考距離。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述層析合成孔徑雷達(dá)三維天線方向圖函數(shù)H1(Kw，Ku，Kv)是對(duì)天線測(cè)量得到的幅度方向圖或理想的矩形窗函數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面，平行于OXY平面、OXZ平面、OYZ平面中的一個(gè)平面；或位于OXYZ坐標(biāo)系中的斜平面上。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面，沿X、Y或Z方向上的中心位于層析合成孔徑雷達(dá)成像區(qū)域中心一側(cè)或正上方。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，充分利用快速傅立葉變換工具，避免了逐點(diǎn)計(jì)算層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)而后進(jìn)行相干疊加的過(guò)程。
本發(fā)明進(jìn)行正交直角坐標(biāo)系中信號(hào)到球坐標(biāo)系中信號(hào)的映射，從而在層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)中引入目標(biāo)和層析合成孔徑雷達(dá)之間的距離耦合現(xiàn)象。
本發(fā)明進(jìn)行了精確的正交直角坐標(biāo)系中信號(hào)到球坐標(biāo)系中信號(hào)的映射，因此，層析合成孔徑雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為平面波或球面波信號(hào)，不需要假設(shè)發(fā)射信號(hào)只為平面。
本發(fā)明引入三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)，從而引入了成像區(qū)域與層析合成孔徑雷達(dá)之間的成像幾何關(guān)系，當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面平行于OXY平面，且Yc＝0，Xc＝0時(shí)，可用于下視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成；當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面平行于OXY平面，且Yc＝0，|Xc|＞0時(shí)，可用于下側(cè)視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成；當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面平行于OXY平面，且Xc＝0時(shí)，當(dāng)Yc＞0可用于前視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成，當(dāng)Yc＜0可用于后視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成；當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面平行于OYZ平面或OXZ時(shí)，可用于側(cè)視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成。也即通過(guò)選擇二維合成孔徑平面以及使用包含Xc、Yc、Zc和Rc在內(nèi)的三維波數(shù)域?yàn)V波函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同成像幾何下的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成。
本發(fā)明采用波數(shù)域回波數(shù)據(jù)生成的方式，即考慮了實(shí)際中可能存在天線方向圖的影響，又考慮了層析合成孔徑雷達(dá)三維成像中的嚴(yán)重的距離耦合現(xiàn)象，從而能夠高精度地生成層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)。
本發(fā)明步驟清晰簡(jiǎn)潔，模塊化強(qiáng)，且實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單有效等特點(diǎn)，有利于計(jì)算機(jī)或其它專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)。



圖1是已有技術(shù)的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像幾何示意圖。
圖2是本發(fā)明采用的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像幾何示意圖。
圖3是本發(fā)明的下視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像幾何示意圖。
圖4是本發(fā)明的下側(cè)視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像幾何示意圖。
圖5是本發(fā)明的前/后視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像幾何示意圖。
圖6是本發(fā)明的層析合成孔徑雷達(dá)原始回波信號(hào)生成方法流程圖。
圖7是本發(fā)明的坐標(biāo)映射單元處理流程圖。
圖8是本發(fā)明的計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備處理流程圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案中所涉及的各個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題。應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
針對(duì)圖1所示已有技術(shù)的層析合成孔徑雷達(dá)的三維成像幾何示意圖，尚未考慮層析合成孔徑雷達(dá)的二維合成孔徑平面中心與成像區(qū)域之間的關(guān)系。本發(fā)明給出了包含多種成像幾何關(guān)系的層析合成孔徑雷達(dá)的三維成像幾何示意圖，該成像幾何示意圖中包含了兩個(gè)坐標(biāo)系OXYZ和O2UVW，OXYZ表示需要生成成像區(qū)域的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的三維圖像空間，O2UVW表示層析合成孔徑雷達(dá)成像幾何空間，如圖2所示 在正交直角坐標(biāo)系OXYZ的成像區(qū)域(圖像空間)中，(xn，yn，zn)為目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)三維空間坐標(biāo)，O為正交直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)(圖像的中心點(diǎn))，x0、Y0和Z0分別表示成像區(qū)域(成像區(qū)域)沿X、Y和Z方向的寬度、長(zhǎng)度和高度； O2UVW為層析合成孔徑雷達(dá)的坐標(biāo)系，由于后續(xù)生成回波需要變換到波數(shù)域空間，Kw、Ku和Kv分別為對(duì)應(yīng)的波數(shù)域空間，在波數(shù)域空間中Ku、Kv和Kw所占的空間呈球形，因此，O2UVW又稱為球坐標(biāo)系O2UVW，其中，U坐標(biāo)軸平行于Y坐標(biāo)軸，V坐標(biāo)軸平行于Z坐標(biāo)軸，W坐標(biāo)軸由合成孔徑平面中心O2指向三維圖像即成像區(qū)域中心O，W方向?yàn)閷游龊铣煽讖嚼走_(dá)沿V方向觀測(cè)的平均視線方向。層析合成孔徑雷達(dá)所在的飛行平臺(tái)沿U方向運(yùn)動(dòng)多次飛行或攜帶天線陣列或編隊(duì)飛行形成的二維合成孔徑平面位于O2UV平面上，O2UV平行于平面OYZ，Xc為球坐標(biāo)系O2UVW中層析合成孔徑雷達(dá)的二維合成孔徑平面O2UV同成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，Yc為Y方向上層析合成孔徑雷達(dá)波束中心穿越時(shí)刻和零多普勒時(shí)刻之間的差值所對(duì)應(yīng)的距離，Zc為Z方向上合成孔徑中心O2到成像區(qū)域中心O之間的垂直距離。
空間域的三維理想目標(biāo)函數(shù)定義為 其中，xn、yn和zn分別表示成像區(qū)域中的目標(biāo)在OXYZ中的坐標(biāo)，x、y和z分別表示三維圖像的坐標(biāo)，|xn|≤0.5X0，|yn|≤0.5Y0，且|Zn|≤0.5Z0。三維圖像s3D(x-xn，y-yn，z-zn)沿X方向、Y方向和Z方向上像素之間的間隔分別為Δx、Δy和Δz。則整個(gè)圖像的沿X方向、Y方向和Z方向上的點(diǎn)數(shù)為MX、MY和MZ， 空間域的三維理想目標(biāo)函數(shù)定義為對(duì)于層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成，其步驟如圖5和圖8所示，其中，輸入正交直角坐標(biāo)系中包含成像區(qū)域后向復(fù)散射系數(shù)的三維圖像s3D(x-xn，y-yn，z-zn)。
在生成層析合成孔徑雷達(dá)原始回波信號(hào)之前，需要先確定層析合成孔徑雷達(dá)發(fā)射信號(hào)形式及其帶寬B，Y方向上層析合成孔徑雷達(dá)波束中心穿越時(shí)刻和零多普勒時(shí)刻之間的差值所對(duì)應(yīng)的距離Yc，Z方向上合成孔徑中心O2到成像區(qū)域中心O之間的垂直距離Zc，層析合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)沿U方向、V方向和W方向的三維分辨率ρU、ρV和ρW，其中，三維分辨率ρU、ρV和ρW同圖像的象素間隔Δx、Δy和Δz之間需滿足條件“Δx＞ρW；Δy＞ρU；Δz＞ρV”，若不滿足該條件，則需要對(duì)包含成像區(qū)域后向復(fù)散射系數(shù)的三維圖像進(jìn)行抽樣，使“Δx＞ρW；Δy＞ρU；Δz＞ρV”成立，得到待輸入的三維圖像s3D(x-xn，y-yn，z-zn)。通過(guò)層析合成孔徑雷達(dá)原始回波信號(hào)生成方法可獲得觀測(cè)區(qū)域的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)，實(shí)施步驟如圖6所示，具體實(shí)施過(guò)程如下 步驟S1將正交直角坐標(biāo)系OXYZ中包含成像區(qū)域后向復(fù)散射系數(shù)的三維圖像s3D(x-xn，y-yn，z-zn)送入三維傅立葉變換單元，生成第1信號(hào)為S1(Kx，Ky Kz)，其中，xn、yn和zn分別表示成像區(qū)域中的目標(biāo)在OXYZ中的坐標(biāo)，x、y和z分別表示三維圖像的坐標(biāo)，Kx、Ky和Kz分別為X方向波數(shù)、Y方向波數(shù)和Z方向波數(shù)，實(shí)施過(guò)程為 將正交直角坐標(biāo)系OXYZ中包含成像區(qū)域后向復(fù)散射系數(shù)的三維圖像s3D(x-xn，y-yn，z-zn)送入三維傅立葉變換單元，沿三維圖像s3D(x-xn，y-yn，z-zn)的X方向、Y方向和Z方向分別進(jìn)行傅立葉變換，生成第1信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)為 (4) 其中，|xn|≤0.5X0，|yn|≤0.5Y0，且|zn|≤0.5Z0，F(xiàn)Tx，y，z表示沿X方向、Y方向和Z方向分別進(jìn)行傅立葉變換，σn為目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)的后向復(fù)散射系數(shù)，Kx、Ky和Kz分別為X方向波數(shù)、Y方向波數(shù)和Z方向波數(shù)，ΔKx、ΔKy和ΔKz分別為傅立葉變換后Kx、Ky和Kz的采樣間隔 經(jīng)過(guò)三維傅立葉變換后，第1信號(hào)處于正交直角坐標(biāo)系下X方向波數(shù)域、Y方向波數(shù)域和Z方向波數(shù)域的三維波數(shù)域中，此時(shí)得到的第1信號(hào)處于圖像的波數(shù)域空間中； 步驟S2將第1信號(hào)送入到坐標(biāo)映射單元，根據(jù)層析合成孔徑雷達(dá)的成像幾何，將處于正交直角坐標(biāo)系中的三維波數(shù)域信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)映射為球坐標(biāo)系O2UVW中的第2信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)，其中，Kw、Ku和Kv分別為W方向、U方向和V方向的波數(shù)，如圖7所示，具體實(shí)施步驟為 步驟S21通過(guò)正交直角坐標(biāo)系中X方向波數(shù)域值Kx、Y方向波數(shù)域值Ky和Z方向波數(shù)域值Kz計(jì)算對(duì)應(yīng)的球坐標(biāo)系中W方向波數(shù)域值Kw，U方向波數(shù)域值Ku和V方向波數(shù)域值Kv為 其中，Kw(Kx，Ky，Kz)、Ku(Kx，Ky，Kz)和Kv(Kx，Ky，Kz)分別為映射后W方向波數(shù)值、U方向波數(shù)值和V方向波數(shù)值，式(6)實(shí)際上進(jìn)行坐標(biāo)波數(shù)值的映射，通過(guò)式(6)計(jì)算出來(lái)的坐標(biāo)值并不是均勻分布的，因此該映射為非線性映射，為了便于傅立葉分析和處理，則需要獲得均勻分布在Kw、Ku和Kv方向上的第2信號(hào)，為此，需要進(jìn)行下面步驟S22的處理； 步驟S22根據(jù)每一個(gè)坐標(biāo)值(Kx，Ky，Kz)上所對(duì)應(yīng)第1信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)通過(guò)插值方法生成球坐標(biāo)系中每一個(gè)坐標(biāo)值(Kw，Ku，Kv)所對(duì)應(yīng)的第2信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)。具體地是通過(guò)均勻分布在(Kx，Ky，Kz)上的第1信號(hào)通過(guò)插值獲得由于式 其中，

表示插值，其插值方法為一次一維sinc函數(shù)、一次二維sinc函數(shù)或多項(xiàng)式插值方法。
具體地，讓Ku和Kv方向的波數(shù)值均勻變化，采樣間隔設(shè)為ΔKy和ΔKz，由于坐標(biāo)映射中采用了式(6)中

進(jìn)行計(jì)算，因此Kw的呈現(xiàn)出非線性變化，則需要通過(guò)插值方法獲得沿Kw方向均勻分布的第2信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)。層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成中，將沿Ku和Kv方向插值間隔ΔKu和ΔKv分別設(shè)為ΔKy和ΔKz，則沿Kx方向通過(guò)一次sinc函數(shù)插值即可獲得對(duì)應(yīng)的沿Kw方向均勻分布的第2信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)為 其中，ΔKw為插值后沿W方向的波數(shù)域采樣間隔，需滿足如下條件 該條件能夠保證生成的回波信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)距離模糊現(xiàn)象，式(9)給出了三維成像原始回波信號(hào)生成中避免距離模糊時(shí)所需要滿足的基本條件。對(duì)應(yīng)到發(fā)射信號(hào)頻率與采樣間隔中，有如式(10)所示的關(guān)系存在 C表示電磁波速度，Δf表示需要生成層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)沿W方向的波數(shù)域采樣間隔，W坐標(biāo)軸由合成孔徑平面中心O2指向三維圖像即成像區(qū)域中心O，W方向?yàn)閷游龊铣煽讖嚼走_(dá)沿V方向觀測(cè)的平均視線方向，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)，n為序號(hào)，NW為插值時(shí)所需要沿X方向以點(diǎn)S1(Kx，Ky，Kz)為中心取第1信號(hào)左右兩端的點(diǎn)數(shù)，整個(gè)插值過(guò)程中所用到的第1信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)的點(diǎn)數(shù)為(2NW+1)，一般情況下，NW取為8已能滿足高精度聚焦的要求。
上述方法沿Ku和Kv方向插值間隔ΔKu和ΔKv分別設(shè)為ΔKy和ΔKz時(shí)的插值過(guò)程，當(dāng)沿Ku方向插值間隔ΔKu小于ΔKy或沿Kv方向插值間隔ΔKu小于ΔKz時(shí)，則需要進(jìn)行二維sinc函數(shù)插值，則第1信號(hào)經(jīng)過(guò)插值后變?yōu)榈?信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)，式(11-12)和式(13-14)分別給出了這種情形下的插值過(guò)程 或 l、m和n為序號(hào)，NW為插值時(shí)所需要沿X方向以點(diǎn)S1(Kx，Ky，Kz)為中心取第1信號(hào)左右兩端的點(diǎn)數(shù)，整個(gè)插值過(guò)程中所用到的第1信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)的點(diǎn)數(shù)為(2NW+1)，一般情況下，NW取為8已能滿足高精度聚焦的要求；NU為插值時(shí)所需要沿Y方向以點(diǎn)S1(Kx，Ky，Kz)為中心取第1信號(hào)左右兩端的點(diǎn)數(shù)，整個(gè)插值過(guò)程中所用到的第1信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)的點(diǎn)數(shù)為(2NU+1)，一般情況下，NW取為8已能滿足高精度聚焦的要求；NV為插值時(shí)所需要沿Z方向以點(diǎn)S1(Kx，Ky，Kz)為中心取第1信號(hào)左右兩端的點(diǎn)數(shù)，整個(gè)插值過(guò)程中所用到的第1信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)的點(diǎn)數(shù)為(2NV+1)，一般情況下，NV取為8已能滿足高精度聚焦的要求。
當(dāng)沿Ku方向插值間隔ΔKu小于ΔKy和沿Kv方向插值間隔ΔKu小于ΔKz時(shí)，則需要進(jìn)行三維sinc函數(shù)插值，則第1信號(hào)經(jīng)過(guò)插值后變?yōu)榈?信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)， 由于成像區(qū)域沿X、Y和Z方向的寬度、長(zhǎng)度和高度分別為X0、Y0和Z0，因此，沿Ku方向插值間隔ΔKu不能大于ΔKy，沿Kv方向插值間隔ΔKu不能大于ΔKz。
上述為通過(guò)一維sinc函數(shù)、二維sinc函數(shù)和三維sinc函數(shù)的插值過(guò)程，通過(guò)多項(xiàng)式插值方法也能獲得對(duì)應(yīng)的第2信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)。
通過(guò)上述插值方法，獲得的第2信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)為 經(jīng)過(guò)坐標(biāo)映射后生成的第2信號(hào)S2(Kw，ku，Kv)處于球坐標(biāo)系O2UVW的W方向、U方向和V方向三維波數(shù)域中，也即轉(zhuǎn)換到層析合成孔徑雷達(dá)坐標(biāo)系中，此時(shí)，信號(hào)的各方向之間不再保持相互正交的關(guān)系，而是引入了目標(biāo)和層析合成孔徑雷達(dá)之間的距離耦合現(xiàn)象，從而呈現(xiàn)出非正交的關(guān)系。
本步驟中，能夠精確的實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)映射，對(duì)后面步驟S6中發(fā)射信號(hào)的形式?jīng)]有限定，因此層析合成孔徑雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為平面波或球面波信號(hào)，不需要假設(shè)發(fā)射信號(hào)只為平面； 步驟S3將第2信號(hào)送入到層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖處理單元，進(jìn)行層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖函數(shù)H1(Kw，Ku，Kv)相乘，生成第3信號(hào)S3(Kw，Ku，Kv)，具體實(shí)施過(guò)程為 將得到的處于球坐標(biāo)系O2UVW三維波數(shù)域中的第2信號(hào)送入到層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖處理單元，進(jìn)行層析合成孔徑雷達(dá)三維天線方向圖函數(shù)H1(Kw，Ku，Kv)相乘，引入層析合成孔徑雷達(dá)三維天線方向圖，生成第3信號(hào)S3(Kw，Ku，Kv)，引入天線方向圖的第3信號(hào)處于球坐標(biāo)系W方向、U方向和V方向三維波數(shù)域中。具體地，先確定需要引入的層析合成孔徑雷達(dá)三維天線方向圖H1(Kw，Ku，Kv) H1(Kw，Ku，Kv)＝AT(Kw，Ku，Kv)AR(Kw，Ku，Kv)(18) 其中，AT(Kw，Ku，Kv)和AR(Kw，Ku，Kv)分別層析合成孔徑雷達(dá)發(fā)射天線幅度方向圖和接收天線幅度方向圖，兩者相等或不等。根據(jù)需要，H1(Kw，Ku，Kv)取實(shí)際天線的三維幅度方向圖或理想的矩形窗函數(shù)。若AT(Kw，Ku，Kv)和AR(Kw，Ku，Kv)取實(shí)際天線的三維幅度方向圖，則需要在針對(duì)層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的處理中考慮天線方向圖的影響；若取理想的矩形窗函數(shù)則不需要在針對(duì)層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的處理中考慮天線方向圖的影響。
因此，層析合成孔徑雷達(dá)三維天線方向圖函數(shù)H1(Kw，Ku，Kv)是對(duì)天線測(cè)量得到的幅度方向圖或理想的矩形窗函數(shù)； 經(jīng)過(guò)天線方向圖處理單元后的第3信號(hào)S3(Kw，Ku，Kv)為 S3(Kw，Ku，Kv)＝S2(Kw，Ku，Kv)H1(Kw，Ku，Kv)(19) 根據(jù)式(17)可得第3信號(hào)S3(Kw，Ku，Kv)為 該信號(hào)處于球坐標(biāo)系W方向、U方向和V方向三維波數(shù)域中； 步驟S4將第3信號(hào)送入到三維波數(shù)域?yàn)V波單元，第3信號(hào)與三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)相乘，生成第4信號(hào)S4(Kw，Ku，Kv)，從第4信號(hào)中得到層析合成孔徑雷達(dá)同成像區(qū)域之間的成像幾何關(guān)系，具體實(shí)施過(guò)程為 將得到的處于球坐標(biāo)系O2UVW的W方向、U方向和V方向三維波數(shù)域中的第3信號(hào)送入到三維波數(shù)域?yàn)V波單元，進(jìn)行三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，kv)相乘，引入層析合成孔徑雷達(dá)同成像區(qū)域之間的成像幾何關(guān)系，生成第4信號(hào)為S4(Kw，Ku，Kv)，該信號(hào)處于球坐標(biāo)系O2UVW的W方向、U方向和V方向的三維波數(shù)域中。
三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)與層析合成孔徑雷達(dá)成像幾何之間的關(guān)系表示為 (21) 其中，Kw表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)的波數(shù)，Ku為U方向?qū)?yīng)的波數(shù)，Kv為V方向?qū)?yīng)的波數(shù)。當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面位于O2UV平面上，且層析合成孔徑雷達(dá)沿U方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，Xc為球坐標(biāo)系O2UVW中層析合成孔徑雷達(dá)的二維合成孔徑平面O2UV同成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，Yc為Y方向上層析合成孔徑雷達(dá)波束中心穿越時(shí)刻和零多普勒時(shí)刻之間的差值所對(duì)應(yīng)的距離，Zc為Z方向上合成孔徑中心O2到成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，Rc為雷達(dá)到成像區(qū)域中心的參考距離。
當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面平行于OYZ平面或OXZ時(shí)，可用于側(cè)視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成。采用三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)中不同的Xc、Yc、Zc和Rc在內(nèi)的變量能夠?qū)崿F(xiàn)不同成像幾何下的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成。
圖3、圖4和圖5分別給出了幾種特殊的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像幾何 如圖3所示，正交直角坐標(biāo)系OXYZ的成像區(qū)域(圖像空間)中，(xn，yn，zn)為目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)三維空間坐標(biāo)，O為正交直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)(圖像的中心點(diǎn))，X0、Y0和Z0分別表示成像區(qū)域(成像區(qū)域)沿X、Y和Z方向的寬度、長(zhǎng)度和高度，O2UVW為層析合成孔徑雷達(dá)的坐標(biāo)系，U坐標(biāo)軸平行于Y坐標(biāo)軸，V坐標(biāo)軸平行于X坐標(biāo)軸，W坐標(biāo)軸由合成孔徑平面中心O2指向三維圖像即成像區(qū)域中心O，W方向?yàn)閷游龊铣煽讖嚼走_(dá)沿V方向觀測(cè)的平均視線方向，也即層析合成孔徑雷達(dá)沿Y方向飛行，并沿V方向?qū)τ^測(cè)區(qū)域進(jìn)行多角度觀測(cè)，Zc為O2UVW中層析合成孔徑雷達(dá)的二維合成孔徑平面O2UV同成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，Yc為Y方向上層析合成孔徑雷達(dá)波束中心穿越時(shí)刻和零多普勒時(shí)刻之間的差值所對(duì)應(yīng)的距離，Xc為Z方向上合成孔徑中心O2到成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面O2UV平行于OXY平面，且Yc＝0，Xc＝0時(shí)，為下視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像幾何，該方法可用于下視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成，具體地，在回波生成中，需要將實(shí)施例中沿X方向的執(zhí)行步驟變換到沿Z方向執(zhí)行，沿Z方向的執(zhí)行步驟變換到沿X方向執(zhí)行，對(duì)應(yīng)X方向的變量變換為Z方向的變量，對(duì)應(yīng)Z方向的變量變換為X方向的變量，其它沿各方向的執(zhí)行步驟和變量維持不變。
如圖4所示，正交直角坐標(biāo)系OXYZ的成像區(qū)域(圖像空間)中，(xn，yn，zn)為目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)三維空間坐標(biāo)，O為正交直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)(圖像的中心點(diǎn))，X0、Y0和Z0分別表示成像區(qū)域(成像區(qū)域)沿X、Y和Z方向的寬度、長(zhǎng)度和高度，O2UVW為層析合成孔徑雷達(dá)的坐標(biāo)系，U坐標(biāo)軸平行于Y坐標(biāo)軸，V坐標(biāo)軸平行于X坐標(biāo)軸，W坐標(biāo)軸由合成孔徑平面中心O2指向三維圖像即成像區(qū)域中心O，W方向?yàn)閷游龊铣煽讖嚼走_(dá)沿V方向觀測(cè)的平均視線方向，也即層析合成孔徑雷達(dá)沿Y方向飛行，并沿V方向?qū)τ^測(cè)區(qū)域進(jìn)行多角度觀測(cè)，Zc為O2UVW中層析合成孔徑雷達(dá)的二維合成孔徑平面O2UV同成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，Yc為Y方向上層析合成孔徑雷達(dá)波束中心穿越時(shí)刻和零多普勒時(shí)刻之間的差值所對(duì)應(yīng)的距離，Xc為Z方向上合成孔徑中心O2到成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面O2UV平行于OXY平面，且Yc＝0，|Xc|＞0時(shí)，為下側(cè)視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像幾何，該方法可用于下側(cè)視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成，具體地，在回波生成中，需要將實(shí)施例中沿X方向的執(zhí)行步驟變換到沿Z方向執(zhí)行，沿Z方向的執(zhí)行步驟變換到沿X方向執(zhí)行，對(duì)應(yīng)X方向的變量變換為Z方向的變量，對(duì)應(yīng)Z方向的變量變換為X方向的變量，其它沿各方向的執(zhí)行步驟和變量維持不變。
如圖5所示，正交直角坐標(biāo)系OXYZ的成像區(qū)域(圖像空間)中，(xn，yn，zn)為目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)三維空間坐標(biāo)，O為正交直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)(圖像的中心點(diǎn))，X0、Y0和Z0分別表示成像區(qū)域(成像區(qū)域)沿X、Y和Z方向的寬度、長(zhǎng)度和高度，O2UVW為層析合成孔徑雷達(dá)的坐標(biāo)系，U坐標(biāo)軸平行于Y坐標(biāo)軸，V坐標(biāo)軸平行于X坐標(biāo)軸，W坐標(biāo)軸由合成孔徑平面中心O2指向三維圖像即成像區(qū)域中心O，W方向?yàn)閷游龊铣煽讖嚼走_(dá)沿U方向觀測(cè)的平均視線方向，也即層析合成孔徑雷達(dá)沿Y方向飛行，并沿V方向?qū)τ^測(cè)區(qū)域進(jìn)行多角度觀測(cè)，Zc為O2UVW中層析合成孔徑雷達(dá)的二維合成孔徑平面O2UV同成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，Yc為Y方向上層析合成孔徑雷達(dá)波束中心穿越時(shí)刻和零多普勒時(shí)刻之間的差值所對(duì)應(yīng)的距離，Xc為Z方向上合成孔徑中心O2到成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面O2UV平行于OXY平面，且Xc＝0時(shí)，當(dāng)Yc＞0時(shí)為前視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成，當(dāng)Yc＜0時(shí)為后視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成，該方法可用于前/后視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成，具體地，在回波生成中，需要將實(shí)施例中沿X方向的執(zhí)行步驟變換到沿Y方向執(zhí)行，沿Y方向的執(zhí)行步驟變換到沿Z方向執(zhí)行，沿Z方向的執(zhí)行步驟變換到沿Z方向執(zhí)行，對(duì)應(yīng)X方向的變量變換為Y方向的變量，對(duì)應(yīng)Y方向的變量變換為Z方向的變量，對(duì)應(yīng)Z方向的變量變換為X方向的變量，其它沿各方向的執(zhí)行步驟和變量維持不變。
因此，通過(guò)選擇二維合成孔徑平面以及使用三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)中不同的Xc、Yc、Zc和Rc在內(nèi)的變量，能夠引入層析合成孔徑雷達(dá)同成像區(qū)域之間的成像幾何關(guān)系，實(shí)現(xiàn)不同成像幾何下的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成。
通過(guò)三維濾波函數(shù)相乘生成后的第4信號(hào)為 S4(Kw，Ku，Kv)＝S3(Kw，Ku，Kv)H2(Kw，Ku，kv)(22) 根據(jù)式(20)和式(22)可得 從而引入成像區(qū)域與層析合成孔徑雷達(dá)之間的成像幾何關(guān)系，生成包含成像幾何信息在內(nèi)的球坐標(biāo)域中的波數(shù)域信號(hào)，即該信號(hào)處于球坐標(biāo)域中W方向、U方向和V方向的三維波數(shù)域中； 步驟S5將第4信號(hào)送入到二維逆傅立葉變換單元，沿第4信號(hào)的U方向和V方向分別進(jìn)行逆傅立葉變換，生成第5信號(hào)S5(Kw，u，v)，其中，Kw、u和v分別表示W(wǎng)方向波數(shù)、U方向時(shí)間和V方向時(shí)間，具體實(shí)施過(guò)程為 將得到的處于球坐標(biāo)系O2UVW的W方向、U方向和V方向的三維波數(shù)域中的第4信號(hào)送入到二維逆傅立葉變換單元，沿U方向和V方向分別進(jìn)行逆傅立葉變換后，生成第5信號(hào)為 根據(jù)式(23)可得，由于AT(Kw，Ku，Kv)AR(Kw，Ku，Kv)為層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖，為緩變函數(shù)，可以從式(23)中分離出來(lái)，因此 (25) 其中，

表示沿Ku和Kv方向進(jìn)行二維逆傅立葉變換，對(duì)于層析合成孔徑雷達(dá)的U方向和V方向時(shí)域方向圖aT(Kw，u，v)aR(Kw，u，v)為 步驟S6將第5信號(hào)送入W方向?yàn)V波單元，第5信號(hào)與包含參考距離Rc在內(nèi)的參考相位函數(shù)相乘，生成第6信號(hào)S6(Kw，u，v)，得到發(fā)射信號(hào)的形式，具體實(shí)施過(guò)程為 若采用的發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻脈沖信號(hào)時(shí)，參考相位函數(shù)H4(Kw，u，v)為 其中，F(xiàn)Tt表示對(duì)脈沖信號(hào)p(t)沿W方向上的時(shí)間變量t進(jìn)行傅立葉變換，β為脈沖信號(hào)調(diào)頻率，β＝2πB/T，B為發(fā)射信號(hào)帶寬，T為發(fā)射信號(hào)脈沖時(shí)間寬度。則，生成第6信號(hào)為 S6(Kw，u，v)＝S5(Kw，u，v)H4(Kw，u，v)(27) 根據(jù)式(25)，則 若采用的發(fā)射信號(hào)為步進(jìn)頻連續(xù)波信號(hào)時(shí)，參考相位函數(shù)H5(Kw，u，v)為 H5(Hw，u，v)＝exp(-j2KwRc)(29) 則，生成第6信號(hào)為 S6(Kw，u，v)＝S5(Kw，u，v)H5(Kw，u，v)(30) 同上，根據(jù)式(25)，則 步驟S7第6信號(hào)沿W方向條件判斷與處理若采用的發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻脈沖信號(hào)，則沿第6信號(hào)的W方向進(jìn)行逆傅立葉變換，并乘以包含層析合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)載頻在內(nèi)的參考函數(shù)H7(fc，t，u，v)，生成初始層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)第7信號(hào)ss7(t，u，v)，其中，t表示W(wǎng)方向采樣時(shí)間，該信號(hào)處于W方向時(shí)域、U方向時(shí)域和V方向時(shí)域中，然后繼續(xù)執(zhí)行步驟S8；若采用的發(fā)射信號(hào)為步進(jìn)頻連續(xù)波信號(hào)或其它帶寬信號(hào)，此時(shí)第7信號(hào)等于第6信號(hào)，則直接轉(zhuǎn)到步驟S8，具體實(shí)施過(guò)程為 若發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻脈沖信號(hào)，則進(jìn)行W方向逆傅立葉變換后的信號(hào)為 其中，為層析合成孔徑雷達(dá)到目標(biāo)Pn(xn，yn，zn)的距離，β為脈沖信號(hào)調(diào)頻率，(t，u，v)為O2UVW坐標(biāo)系中回波的坐標(biāo)，而后乘以包含雷達(dá)載頻fc在內(nèi)的因子 H7(fc，t，u，v)＝exp(j2πfct)(33) 則 ss7(t，u，v)＝ss7(t，u，v)H7(fc，t，u，v)(34)

表示成像區(qū)域個(gè)n點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行相干疊加。
本步驟中，層析合成孔徑雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)為平面波或球面波信號(hào)； 若需采用的發(fā)射信號(hào)為步進(jìn)頻連續(xù)波信號(hào)或其它帶寬信號(hào)，此時(shí)第7信號(hào)等于第6信號(hào)， ss7(t，u，v)←S6(Kw，u，v)(35) 直接轉(zhuǎn)到步驟S8； 步驟S8將第7信號(hào)送入信號(hào)截取與重采樣單元，對(duì)第7信號(hào)進(jìn)行截取或升采樣或抽樣，或升采樣和抽樣，或升采樣和截取，獲得成像區(qū)域的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)ss(w，u，v)，具體實(shí)施過(guò)程為 實(shí)際層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成中，為了驗(yàn)證各處理方法的有效性以及對(duì)層析合成孔徑雷達(dá)三維成像幾何中U、V和W方向采樣間隔的依賴性，為了實(shí)現(xiàn)快速高效的回波生成，在本發(fā)明中，采用統(tǒng)一方式的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成，由于獲得的初始原始回波信號(hào)第7信號(hào)在W、U和V三個(gè)方向均滿足奈虧斯特采樣定理，因此，若需要生成的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)中沿U、V和W方向采樣間隔大于生成的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)沿U、V和W方向采樣間隔，則需要對(duì)本發(fā)明方法生成的回波信號(hào)進(jìn)行升采樣、抽樣生成需要的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)； 若需要生成的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)中沿U、V和W方向采樣間隔小于生成的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)沿U、V和W方向采樣間隔，則需要對(duì)本發(fā)明方法生成的回波信號(hào)進(jìn)行升采樣生成需要的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)； 若需要生成的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)中沿U、V或W方向的有效長(zhǎng)度小于生成的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)沿U、V和W方向的有效長(zhǎng)度，則需要對(duì)本發(fā)明方法生成的回波信號(hào)進(jìn)行截取生成需要的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)； 若需要生成的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)存在其它采樣和信號(hào)表示的有效長(zhǎng)度與生成的回波信號(hào)不一致，都可以對(duì)本發(fā)明方法生成的回波信號(hào)進(jìn)行升采樣、抽樣和截取的不同組合式操作來(lái)獲得需要的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)。
本發(fā)明方法不能生成層析合成孔徑雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)軌跡不處于同一平面的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)。
本發(fā)明提供一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，充分利用快速傅立葉變換工具，避免了逐點(diǎn)計(jì)算層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)而后進(jìn)行相干疊加的過(guò)程。
本發(fā)明進(jìn)行正交直角坐標(biāo)系中信號(hào)到球坐標(biāo)系中信號(hào)的映射，從而在層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)中引入目標(biāo)和層析合成孔徑雷達(dá)之間的距離耦合現(xiàn)象。
本發(fā)明進(jìn)行了精確的正交直角坐標(biāo)系中信號(hào)到球坐標(biāo)系中信號(hào)的映射，因此，層析合成孔徑雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為平面波或球面波信號(hào)，不需要假設(shè)發(fā)射信號(hào)只為平面。
本發(fā)明引入三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)，從而引入了成像區(qū)域與層析合成孔徑雷達(dá)之間的成像幾何關(guān)系，當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面平行于OXY平面，且Yc＝0，Xc＝0時(shí)，可用于下視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成；當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面平行于OXY平面，且Yc＝0，|Xc|＞0時(shí)，可用于下側(cè)視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成；當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面平行于OXY平面，且Xc＝0時(shí)，當(dāng)Yc＞0可用于前視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成，當(dāng)Yc＜0可用于后視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成；當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面平行于OYZ平面或OXZ時(shí)，可用于側(cè)視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成。因此通過(guò)選擇二維合成孔徑平面以及使用包含Xc、Yc、Zc和Rc在內(nèi)的三維波數(shù)域?yàn)V波函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同成像幾何下的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成。
本發(fā)明采用波數(shù)域回波數(shù)據(jù)生成的方式，即考慮了實(shí)際中可能存在天線方向圖的影響，又考慮了層析合成孔徑雷達(dá)三維成像中的嚴(yán)重的距離耦合現(xiàn)象，從而能夠高精度地生成層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)。
本發(fā)明步驟清晰簡(jiǎn)潔，模塊化強(qiáng)，且實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單有效等特點(diǎn)，有利于計(jì)算機(jī)或其它專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明上述的方法在計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備上主要通過(guò)7個(gè)程序單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖8所示，三維傅立葉變換處理單元、坐標(biāo)映射單元、層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖處理模塊、三維波數(shù)域?yàn)V波處理單元、二維逆傅立葉變換單元、W方向?yàn)V波單元、W方向條件判斷與處理單元、信號(hào)截取與重采樣單元分別完成步驟S1、步驟S2、步驟S3、步驟S4、步驟S5、步驟S6、步驟S7和步驟S8的功能。
三維傅立葉變換處理單元，輸入為正交直角坐標(biāo)系OXYZ中包含成像區(qū)域后向復(fù)散射系數(shù)的三維圖像，輸出為處于X方向波數(shù)域、Y方向波數(shù)域和Z方向波數(shù)域的第1信號(hào)； 坐標(biāo)映射處理模塊，輸入為第1信號(hào)，輸出為處于W方向、U方向和V方向波數(shù)域，即球坐標(biāo)系O2UVW波數(shù)域中的第2信號(hào)； 層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖處理單元，輸入為第2信號(hào)，輸出為經(jīng)過(guò)層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖函數(shù)相乘后的第3信號(hào)； 三維波數(shù)域?yàn)V波處理單元，輸入為第3信號(hào)，輸出為包含層析合成孔徑雷達(dá)同成像區(qū)域之間的成像幾何關(guān)系的第4信號(hào)； 二維逆傅立葉變換處理單元，輸入為第4信號(hào)，輸出為沿第4信號(hào)的U方向和V方向分別進(jìn)行逆傅立葉變換后的第5信號(hào)； W方向?yàn)V波單元，輸入為第5信號(hào)，輸出為經(jīng)過(guò)參考相位函數(shù)相乘的第6信號(hào)； W方向條件判斷與處理單元，輸入為第6信號(hào)，輸出為第8信號(hào)； 信號(hào)截取與重采樣處理單元，輸入為第7信號(hào)，輸出為經(jīng)過(guò)截取或升采樣或抽樣，或升采樣和抽樣，或升采樣和截取后的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)； 本發(fā)明上述的方法，已得到驗(yàn)證，生成的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)已用于層析合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)仿真和數(shù)據(jù)處理方法的驗(yàn)證，本發(fā)明方法的有效性得到了驗(yàn)證。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，其特征在于，包括步驟如下
步驟S1將正交直角坐標(biāo)系OXYZ中包含成像區(qū)域后向復(fù)散射系數(shù)的三維圖像s3D(x-xn，y-yn，z-zn)送入三維傅立葉變換單元，生成第1信號(hào)為S1(Kx，Ky，Kz)，其中，xn、yn和zn分別表示成像區(qū)域中的目標(biāo)在OXYZ中的坐標(biāo)，x、y和z分別表示三維圖像的坐標(biāo)，Kx、Ky和Kz分別為X方向波數(shù)、Y方向波數(shù)和Z方向波數(shù)；
步驟S2將第1信號(hào)送入到坐標(biāo)映射單元，根據(jù)層析合成孔徑雷達(dá)的成像幾何，將處于正交直角坐標(biāo)系中的三維波數(shù)域信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)映射為球坐標(biāo)系O2UVW中的第2信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)，其中，Kw、Ku和Kv分別為W方向、U方向和V方向的波數(shù)；
步驟S3將第2信號(hào)送入到層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖處理單元，進(jìn)行層析合成孔徑雷達(dá)天線方向圖函數(shù)H1(Kw，Ku，Kv)相乘，生成第3信號(hào)S3(Kw，Ku，Kv)；
步驟S4將第3信號(hào)送入到三維波數(shù)域?yàn)V波單元，第3信號(hào)與三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)相乘，生成第4信號(hào)S4(Kw，Ku，Kv)，從第4信號(hào)中得到層析合成孔徑雷達(dá)同成像區(qū)域之間的成像幾何關(guān)系；
步驟S5將第4信號(hào)送入到二維逆傅立葉變換單元，沿第4信號(hào)的U方向和V方向分別進(jìn)行逆傅立葉變換，生成第5信號(hào)S5(Kw，u，v)，其中，Kw、u和v分別表示W(wǎng)方向波數(shù)、U方向時(shí)間和V方向時(shí)間；
步驟S6將第5信號(hào)送入W方向?yàn)V波單元，第5信號(hào)與包含參考距離Rc在內(nèi)的參考相位函數(shù)相乘，生成第6信號(hào)S6(Kw，u，v)，得到發(fā)射信號(hào)的形式；
步驟S7第6信號(hào)沿W方向條件判斷與處理若采用的發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻脈沖信號(hào)，則沿第6信號(hào)的W方向進(jìn)行逆傅立葉變換，并乘以包含層析合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)載頻在內(nèi)的參考函數(shù)H7(fc，t，u，v)，生成初始層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)第7信號(hào)ss7(t，u，v)，其中，t表示W(wǎng)方向采樣時(shí)間，該信號(hào)處于W方向時(shí)域、U方向時(shí)域和V方向時(shí)域中，然后繼續(xù)執(zhí)行步驟S8；若采用的發(fā)射信號(hào)為步進(jìn)頻連續(xù)波信號(hào)或其它帶寬信號(hào)，此時(shí)第7信號(hào)等于第6信號(hào)，則直接轉(zhuǎn)到步驟S8；
步驟S8將第7信號(hào)送入信號(hào)截取與重采樣單元，對(duì)第7信號(hào)進(jìn)行截取或升采樣或抽樣，或升采樣和抽樣，或升采樣和截取，獲得成像區(qū)域的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)ss(w，u，v)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，其特征在于，在所述層析合成孔徑雷達(dá)的成像幾何中，通過(guò)多次飛行或天線陣列或編隊(duì)飛行形成層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同一成像區(qū)域的三維成像。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，其特征在于，所述坐標(biāo)映射單元的具體步驟為
步驟S21通過(guò)正交直角坐標(biāo)系中X方向波數(shù)域值Kx、Y方向波數(shù)域值Ky和Z方向波數(shù)域值Kz計(jì)算對(duì)應(yīng)的球坐標(biāo)系中W方向波數(shù)域值Kw，U方向波數(shù)域值Ku和V方向波數(shù)域值Kv為
其中，Kw(Kx，Ky，Kz)、Ku(Kx，Ky，Kz)和Kv(Kx，Ky，Kz)分別為映射后W方向波數(shù)值、U方向波數(shù)值和V方向波數(shù)值；
步驟S22根據(jù)每一個(gè)坐標(biāo)值(Kx，Ky，Kz)上所對(duì)應(yīng)第1信號(hào)S1(Kx，Ky，Kz)通過(guò)插值方法生成球坐標(biāo)系中每一個(gè)坐標(biāo)值(Kw，Ku，Kv)所對(duì)應(yīng)的第2信號(hào)S2(Kw，Ku，Kv)。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，其特征在于，所述三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)與層析合成孔徑雷達(dá)成像幾何之間的關(guān)系表示為
其中，Kw表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)的波數(shù)，Ku為U方向?qū)?yīng)的波數(shù)，Kv為V方向?qū)?yīng)的波數(shù)。當(dāng)層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面位于O2UV平面上，且層析合成孔徑雷達(dá)沿U方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，Xc為球坐標(biāo)系O2UVW中層析合成孔徑雷達(dá)的二維合成孔徑平面O2UV同成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，Yc為Y方向上層析合成孔徑雷達(dá)波束中心穿越時(shí)刻和零多普勒時(shí)刻之間的差值所對(duì)應(yīng)的距離，Zc為Z方向上合成孔徑中心O2到成像區(qū)域中心O之間的垂直距離，Rc為雷達(dá)到成像區(qū)域中心的參考距離。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，其特征在于，所述層析合成孔徑雷達(dá)三維天線方向圖函數(shù)H1(Kw，Ku，Kv)是對(duì)天線測(cè)量得到的幅度方向圖或理想的矩形窗函數(shù)。
6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，其特征在于，所述層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面，平行于OXY平面、OXZ平面、OYZ平面中的一個(gè)平面；或位于OXYZ坐標(biāo)系中的斜平面上。
7、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，其特征在于，所述層析合成孔徑雷達(dá)二維合成孔徑平面，沿X、Y或Z方向上的中心位于層析合成孔徑雷達(dá)成像區(qū)域中心一側(cè)或正上方。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)生成方法，以直角坐標(biāo)系OXYZ中包含成像區(qū)域目標(biāo)后向復(fù)散射系數(shù)的三維圖像作為輸入，對(duì)該三維圖像進(jìn)行三維傅立葉變換，將圖像信號(hào)變換到直角坐標(biāo)系波數(shù)域中；通過(guò)直角坐標(biāo)系到球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法將(Kx，Ky，Kz)域中的信號(hào)變換到(Kw，Ku，Kv)域中的信號(hào)；通過(guò)三維濾波函數(shù)H2(Kw，Ku，Kv)相乘，引入層析合成孔徑雷達(dá)同成像區(qū)域之間的成像幾何關(guān)系；通過(guò)二維逆傅立葉變換和參考相位函數(shù)相乘，引入發(fā)射信號(hào)的形式；最后通過(guò)W方向處理及其它操作獲得包含載頻在內(nèi)的層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)。該方法能夠用于側(cè)視、下視、前視、后視和下側(cè)視層析合成孔徑雷達(dá)三維成像原始回波信號(hào)的生成，且回波生成效率高、易于模塊化實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G01S7/02GK101581779SQ20081010654
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月14日
發(fā)明者譚維賢, 文 洪, 王彥平, 吳一戎 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所