[发明专利]一种圆迹合成孔径雷达的大场景极坐标格式三维成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，特别是一种将大场景极坐标格式算法应用于圆迹合成孔径雷达的成像方法。

背景技术

近年来，圆迹合成孔径雷达(circular synthetic aperture radar，CSAR)因其具有全方位观测和高分辨三维成像能力开始受到人们的广泛关注。2004年，法国宇航实验室(ONERA)在瑞典开展了第一次的L波段和P波段的机载CSAR实验，2006年该实验室又在法国和德国进行了X波段的机载CSAR实验，得到了分辨率为0.15m的全方位观测图像。

CSAR通过在方位向形成的圆形合成孔径，对目标区域进行360°全方位观测，其波束始终指向同一目标区域。它独具的大合成孔径角使其能够达到工作波长量级的平面分辨率，这是传统直线合成孔径雷达(以下简称为线性SAR)：条带模式SAR和聚束模式SAR所达不到的；发射信号为宽带信号的条件下，二维合成孔径又决定了CSAR系统具有三维分辨能力。单次圆周飞行即可得到高分辨三维图像的特点使CSAR系统在军事应用领域中非常具有实际意义。

现有的CSAR成像算法主要分两类：参数化方法和非参数化方法。参数化方法是指应用现代普估计的方法提取散射点的幅度信息和位置信息，基于RELEX的三维目标特征提取方法是目前比较常用的。非参数化方法是通过聚焦的方法重建目标函数，主要有：后向投影(Back projection，BP)算法，共焦成像算法，基于格林函数傅里叶分析的三维成像算法等。BP算法首先计算图像中每个象素点对应的积分路径，然后对该路径插值并积分，完成该象素点的聚焦。共焦成像算法与BP算法原理类似，也要先计算每个象素点的路径，然后通过空变滤波得到聚焦图像。这两种算法都需要对图像中每个象素点逐一操作，计算量比较大。基于格林函数傅里叶分析的三维成像算法，采用逐高度平面成像的方法，通过格林函数的分解，对回波进行统一操作即可重建目标函数，较前两种CSAR成像算法效率更高，但是该算法中的求逆系统核以及反卷积等逆运算增大了算法的复杂性，而且算法对雷达平台的运动稳定性要求较高。

在现有圆迹合成孔径的暗室或机载实验中，由于雷达平台运动控制的难度，多采用BP算法以得到较精确的成像结果，但是在高分辨或大场景的实际应用条件下，BP算法的效率将成为主要问题。随着CSAR研究工作的不断开展和深入，迫切需要一种适用于CSAR的适应性强、高效、简洁、准确的成像算法。

极坐标格式算法(Polar Format Algorithm，PFA)是聚束模式信号处理的经典算法，最早是作为一种有效的旋转目标成像方法提出的，但很快就被成功用于聚束模式SAR成像中，PFA算法以其简单、高效、计算量小和适用性好等优点，一直被广泛应用于聚束模式成像领域。

极坐标格式算法利用解线频调(Dechirp)技术以场景中心的回波信号作为参考信号，对回波信号解调和相位补偿。解调后场景中心的越距离单元徙动(range cell migration，RCM)项被完全消除，场景中其余点还存在剩余RCM。然后通过极坐标系到直角坐标系的插值操作，去除残余RCM中的一次项。

PFA算法存的主要问题是它的平面波假设，而实际发射微波为球面波，平面波假设将造成距离弯曲，他对图像质量的影响主要有两个方面：一次相位误差造成图像的几何失真，二次两位误差造成散焦。这限制了PFA算法在大场景成像中的应用。2004年由Walter G.Carrara等人提出的对信号相位历史的沿航迹方向校正和格式化算法(along-track alignment andformatting system，ATAFS)就很好的解决了聚束SAR中的这一问题。将ATAFS算法与PFA算法相结合的大场景极坐标格式算法(Widefield PolarFormat Algorithm，WPFA)可以获得较高的图像质量，且对场景大小没有限制。

CSAR波束始终指向同一场景区域，可以被认为是一种特殊的聚束模式SAR，因此PFA算法在CSAR成像领域应该具有一定的可移植性，但目前并未见相关报道。