弧形陣列mimo-sar的成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種弧形陣列MIMO-SAR的成像方法，包括以下步驟：步驟S1：根據弧形陣列MIMO-SAR的信號收發(fā)工作體制，將弧形陣列MIMO-SAR成像回波信號轉化為距離頻域信號；步驟S2：對距離頻域信號進行陣列向角度域補零操作，生成補零后的距離頻域-角度時域信號；步驟S3：對距離頻域-角度時域信號進行弧形陣列向傅里葉變換，獲得二維頻域信號；步驟S4：對二維頻域信號進行成像處理，獲得觀測區(qū)域的距離-角度二維圖像。本發(fā)明的成像方法基于頻域積分能夠對弧形陣列的成像回波數據進行的高精度的成像處理，具有良好的適應性，其通過對觀測區(qū)域不同半徑上的目標進行成像獲得整個觀測區(qū)域的二維圖像。
【專利說明】弧形陣列MIMO-SAR的成像方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波成像技術對地觀測領域，具體地，涉及一種弧形陣列MIMO-SAR的 成像方法

【背景技術】
[0002] 傳統的目視、光學或紅外等措施的受地形、天氣和晝夜等因素的影響較大，不具備 全天候和全天時的工作能力，弧形陣列MIMO-SAR(Multi-I噸Ut Multi-〇u1:put Synthetic Aperture Radar,多輸入多輸出合成孔徑雷達，簡稱MIMO-SAR，即本發(fā)明的MIMO-SAR)成像 不僅能夠穿透煙、霧、云層和浮塵等，W及不受天氣和氣候影響，而且能夠對飛機前下方區(qū) 域進行實時高分辨率成像，還能為飛機的著陸、偵察、搜救和起飛提供真實的地面信息，增 強飛機的導航和運輸救援能力；此外，采用特定工作頻段，其雷達系統輕量和小型化易于實 現，增強了系統與平臺的適應性。
[0003] 與常規(guī)陣列天線前視成像相比，該系統能夠有效避免常規(guī)陣列成像觀測范圍受單 個陣元天線的波束寬度問題，能夠實現大視場范圍成像觀測；此外，采用弧形陣列構型和多 發(fā)多收構型，其陣列向分辨率不隨波束范圍增大而降低，能保持相對穩(wěn)定；其次，采用多發(fā) 多收構型，平臺相對靜止時，系統仍然可W實現對平臺周圍環(huán)境，甚至是360°全方位場景 進行微波成像感知；系統能夠對飛機周圍區(qū)域進行實時高分辨率成像，還能為飛機的著陸、 偵察、搜救和起飛提供真實的地面信息，增強飛機的導航和運輸救援能力。
[0004] 德國宇航局值LR)的Mittermayer等人最早提出了線性陣列天線前視成像機制， 隨后，DLR高頻技術研究所和德國Karlsruhe大學等合作開展用于視景增強的新型成像雷 達SIREV的研究，通過改進的ECS算法，獲得了質量良好的二維微波圖像，但由于其孔徑合 成形式為線性，因此，無法應用于弧形陣列MIMO-SAR成像處理。
[0005] 國內方面，中國科學院電子學研究所、電子科技大學、西安電子科技大學等單位研 究人員已圍繞機載線性陣列天線前視成像模式開展了二維和H維成像處理方法的研究，但 同樣只能適用于線性陣列MIMO-SAR成像，不能對弧形陣列MIMO-SAR成像回波數據進行高 精度二維成像處理，因此，無法適用于弧形陣列MIMO-SAR成像。
[0006] 綜上所述，國內外現有方法主要為W線性陣列天線為主的成像處理方法，由于成 像機制的不同，現有方法無法直接應用于弧形陣列MIMO-SAR成像。目前，國內外有針對弧 形陣列MIMO-SAR成像的二維成像處理方法。
[0007] 非專利文獻：
[0008] 非專利文獻 1 ;S. Buckreuss, G. Krieger, J. Mittermayer, et al. Final 民eport:SI民EV-Development of a Functional Model. Germany, Oberp-faffenhofen:e. DLR-Beauftragter, 2000:154.
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[0011] 非專利文獻4;杜磊.陣列天線下視合成孔徑雷達H維成像模型、方法與實驗研 究.[博±學位].中國科學院研究生院，2010.
[0012] 非專利文獻5 ;張英杰.機載前視陣列成像模型與方法研究.[碩±學位].北京： 中國科學院大學，2013.
[0013] 非專利文獻6 ;Y. J. Siang, W. X. Tan, Y. P. Wang, W. Hong, Analysis and correction of the doppler frequency shift of forward looking array FMCW SAR, IET Radar Conference2013.
[0014] 非專利文獻7 ;楊曉琳.線陣成像雷達系統設計及幅相誤差一致性校正方法研 究.[博±學位].中國科學院研究生院，2014.
[00巧]非專利文獻8 ;師君.雙基地SAR與線陣SAR原理及成像技術研究.[博±論 文].電子科技大學，2009.
[0016] 非專利文獻 9 ;J.化i, X. L Siang, J. Y. Yang. Radix-N Resolution-Fusion for LASAR via Orthogonal Complement Decomposition.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2009, 6(I):147-151.
[0017] 非專利文獻10 ;梁毅，井偉，邢孟道.一種下視H維FMCW SAR成像的新方法.自 然科學進展，2009, 19巧）：575-584.
[0018] 現有技術的最主要技術缺陷在于；現有的成像處理方法主要針對線性陣列 MIMO-SAR成像回波數據，由于線性陣列為直線孔徑，而弧形陣列為弧線孔徑，相應的成像處 理方法無法應用；現有方法在陣列成像中通常采用二次化ilor展開，忽略了高次相位的影 響，不利于實現近距離高精度成像處理。


【發(fā)明內容】

[0019] 本發(fā)明所要解決的問題是現有成像處理方法主要針對線性陣列MIMO-SAR成 像回波數據，無法適用于對弧形陣列的成像回波數據進行成像處理，提供一種弧形陣列 MIMO-SAR的成像方法。
[0020] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種弧形陣列MIMO-SAR的成像方法，包括W下步 驟：
[002。 步驟Sl ;根據弧形陣列MIMO-SAR的信號收發(fā)工作體制，將弧形陣列MIMO-SAR成 像回波信號轉化為距離頻域信號；
[0022] 步驟S2 ;對距離頻域信號進行陣列向角度域補零操作，生成補零后的距離頻 域-角度時域信號；
[0023] 步驟S3 ;對距離頻域-角度時域信號進行弧形陣列向傅里葉變換，獲得二維頻域 信號；
[0024] 步驟S4 ;對二維頻域信號進行成像處理，獲得觀測區(qū)域的距離-角度二維圖像。 [00巧]作為優(yōu)選，步驟Sl進一步包括：
[0026] 步驟Sll ;在弧形陣列MIMO-SAR采用調頻連續(xù)波工作體制的情況下，通過逆傅里 葉變換、剩余視頻相位補償和傅里葉變換獲取距離頻域信號。
[0027] 作為優(yōu)選，步驟Sll進一步包括：
[002引步驟Slll ;通過式（1)對弧形陣列MIMO-SAR的成像回波信號Sp"(t，0 )沿距離 向進行逆傅里葉變換W獲取距離域信號Sp"(rr，0 )，則采用調頻連續(xù)波工作體制情況下 的距離域信號SpMcw(rr，0 )為：
[002引 8剛"(巧白）=/*5剛"(1:，白）6又口0231；0壯 （1)
[0030] 其中，t表示距離向波傳播時間變量，rr表示對應距離向波傳播時間變量t的距離 變量，0表示弧形陣列天線等效采樣點，f表示對應距離向波傳播時間變量t的頻域變量， f與t之間的關系為f = ft+Kft，Kf為信號調頻率，f。為系統工作頻率，j為復數標志； [003。 步驟S112 ;通過式似對距離頻域信號S?(rr，0 )進行剩余視頻相位補償，獲得 距離域信號Sp"_c?(rr，0)，其中，
[0032] Sp腳-Com (rr,日）-5。勵(rr,日）(rr)似
[0033] 其中，He。。(rr)為剩余視頻相位補償函數，W式（3)表示剩余視頻相位補償函數 Hcom (rr)?

【權利要求】
1. 一種弧形陣列MMO-SAR的成像方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟Sl:根據所述弧形陣列MMO-SAR的信號收發(fā)工作體制，將弧形陣列MMO-SAR成 像回波信號轉化為距離頻域信號； 步驟S2:對所述距離頻域信號進行陣列向角度域補零操作，生成補零后的距離頻 域-角度時域信號； 步驟S3 :對所述距離頻域-角度時域信號進行弧形陣列向傅里葉變換，獲得二維頻域 信號； 步驟S4 :對所述二維頻域信號進行成像處理，獲得觀測區(qū)域的距離-角度二維圖像。
2. 根據權利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述步驟Sl進一步包括： 步驟Sll:在弧形陣列MIMO-SAR采用調頻連續(xù)波工作體制的情況下，通過逆傅里葉變 換、剩余視頻相位補償和傅里葉變換獲取所述距離頻域信號。
3. 根據權利要求2所述的成像方法，其特征在于，所述步驟Sll進一步包括： 步驟Slll:通過式（1)對所述弧形陣列MMO-SAR的成像回波信號SFM(t，Θ)沿距離 向進行逆傅里葉變換以獲取所述距離域信號SFM"(rr，Θ)，則采用所述調頻連續(xù)波工作體 制情況下的所述距離域信號SFM"(rr，Θ)為： Sfmcw(rr，Θ)=/tSFMCW(t,Θ)exp(j2πf)df(I) 其中，t表示距離向波傳播時間變量，rr表示對應距離向波傳播時間變量t的距離變 量，Θ表示弧形陣列天線等效采樣點，f表示對應距離向波傳播時間變量t的頻域變量，f 與t之間的關系為f= K1^為信號調頻率，f。為系統工作頻率，j為復數標志； 步驟S112:通過式（2)對所述距離頻域信號SFM(rr，Θ)進行剩余視頻相位補償，獲得 距離域信號Sfkwcmi(rr,Θ)，其中， Sfmcw-com(rr，9 ) -Sfmcw (rr,θ)Hcom (rr) (2) 其中，Η?！?rr)為剩余視頻相位補償函數，以式⑶表示所述剩余視頻相位補償函數Hcom (rr),
其中，C為電磁波傳播速度； 步驟S113:對所述距離域信號SFM&)m(rr，Θ)進行傅里葉變換，獲得補償后的所述距 離頻域信號Sm(f，Θ)，
其中，rn為目標Pn到弧形陣列天線等效采樣點的距離（Θ，Rm。，hj，η為自定義整數變 量，Pn為第η個目標。
4. 根據權利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述步驟Sl進一步包括： 步驟S12 :在弧形陣列MIMO-SAR采用調頻脈沖工作體制的情況下，通過傅里葉變換和 匹配濾波獲取所述距離頻域信號。
5. 根據權利要求4所述的成像方法，其特征在于，所述步驟S12進一步包括： 步驟S121 :通過式（5)對所述弧形陣列MIMO-SAR的成像回波信號SFM(t，Θ)沿距離向 進行傅里葉變換以獲取所述距離頻域信號Sfm (f，Θ)，采用所述調頻脈沖工作體制情況下的 所述距離域信號Sfm (rr，Θ)為：
其中，t表示距離向波傳播時間變量，f表示對應距離向波傳播時間變量t的頻域變量，f與t之間的關系為f=f；+K,t，f。=C/λ。為系統工作頻率，K,為信號調頻率，θ表示弧 形陣列天線等效采樣點，C為電磁波傳播速度，rn為目標到弧形陣列天線等效采樣點的距 離（Θ，Rarc,Iitl)，ft表示對應距離向波傳播時間變量t的頻域變量； 步驟S122:通過式（6)獲得匹配濾波后的距離頻域信號SM(f，Θ)，
其中，HMat(ft)為匹配濾波函數，ft表示對應距離向波傳播時間變量t的頻域變量，Θ表示弧形陣列天線等效采樣點，f= (f；+ft)表示距離頻域變量，所述匹配濾波函數HMat(ft) 為式⑵所示，
6. 根據權利要求3或5所述的成像方法，其特征在于，所述步驟Sl進一步包括： 步驟13 :將所述式⑷或式（6)重寫為式（8)
其中，Rm。為弧形陣列MMO-SAR成像等效采樣點半徑。
7. 根據權利要求6所述的成像方法，其特征在于，所述步驟S2進一步包括： 步驟S21:對所述距離頻域信號SM(f，Θ)所述距離頻域信號沿角度Θ方向在數據兩端 進行分別補充隊/2個"0"，生成所述距離頻域-角度時域信號，式（9)為補零總數目Ntl,
其中，ΘΑ為弧形發(fā)射陣列天線和弧形接收陣列天線獨立天線陣元的波束寬度， △0Inteval為所述弧形接收陣列天線任意相鄰獨立天線陣元口面幾何中心之間的水平角度 間距。
8. 根據權利要求7所述的成像方法，其特征在于，所述步驟S4進一步包括： 步驟S41 :通過式（10)根據成像觀測水平面最近距離和成像觀測水平面最遠距離，生 成不同觀測區(qū)域不同半徑上的弧形陣列向匹配函數h(f，Θ，Γ)，
其中，
其中，和分別為成像觀測水平面最近距離和成像觀測水平面最遠距離，hQ為 弧形陣列天線高度，zMf表示設定的觀測區(qū)域參考高度，03表示待成像區(qū)域對應的弧形陣 列角度采樣值，θηΜ?表示目標參考角度，通過式（15)表達
弧形陣列天線的孔徑角大小為Stl,Pg表示地距分辨率，0in。表示發(fā)射陣列天線和弧 形接收陣列天線的入射角，為信號帶寬； 步驟S42 :對所述弧形陣列向匹配函數h(f，Θs，r)沿陣列向進行傅里葉變換，得到二 維頻域弧形陣列向匹配函數H(f，fe，r); 步驟S43 :通過將步驟S3獲得的所述二維頻域信號SM(f，fΘs)乘以步驟S42所獲得的 所述二維頻域弧形陣列向匹配函數的共軛，從而進行共軛匹配濾波，以獲得匹 配濾波后的二維頻域信號￠/,; 步驟S44 :對步驟S43獲得的所述匹配濾波后的二維頻域信號SM/ ￠/,.4,r)沿f方 向進行積分獲得8λ_〔/；·;ι，ιγ); 步驟S45 :陣列向逆傅里葉變換,對步驟S44獲得的移歸(雇,r)沿我方向進行逆傅里 葉變換，獲得觀測區(qū)域的距離-角度二維圖像e (Θs，r)。
9.根據權利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述成像方法進一步包括： 步驟S5 :對所述距離-角度二維圖像進行坐標變換，該步驟進一步包括步驟S51 :通過 式（16)設定圖像插值采樣間距，
步驟S52 :根據觀測區(qū)域生成觀測區(qū)域的圖像幾何空間位置坐標（xms，yms)，并根據式 (17)選定插值核長度Ninto和半插值核長度為Nmnte,
Ninter為插值核長度，Ninter取5?17中的任一個奇數；半插值核長度為 步驟S53 :令初始時，msx= 1，msy= 1 ; 步驟S55:通過式（19)計算待插值點（xmsx，ymsy)的角度-距離坐標（Θsms，r_s)，
步驟S56 :通過式（20)確定待插值距離-角度二維圖像Id(ΘsintOT，rsintOT)，
其中，θ min = _( θ Cl+ θ A)/2 ; 貝Ij相應的可以獲得NintwXNinte大小的圖像用于進行（xms，yj坐標處的圖像值求解； 步驟S57 :通過式（21)和（22)根據步驟S54的得到的距離-角度二維圖像Ι?θ (Θs inter，rsintJ進行插值計算，
步驟S58 :若msyKMxY，令msy加1，繼續(xù)執(zhí)行步驟S55 ;若msy彡Mxy，繼續(xù)執(zhí)行步驟S59 ; 步驟S59 :若msxCMxY，令msx加1，繼續(xù)執(zhí)行步驟S54 ;若msx彡Mxy,則進行圖像輸出。 10.根據權利要求9所述的成像方法，其特征在于，所述步驟S59進一步包括： 進行幅度圖像輸出；和/或 進行單視復圖像輸出。
【文檔編號】G01S13/90GK104237888SQ201410556864
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權日:2014年10月20日
【發(fā)明者】黃平平, 譚維賢, 洪文 申請人:內蒙古工業(yè)大學