[发明专利]一种连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像方法

说明书

技术领域

本发明属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)技术领域，具体涉及一种基于连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像方法，特别是利用机载平台实现交轨向较大间隔空间稀疏采样和侧视三维成像。

背景技术

在常规SAR实现了对观测场景的二维高分辨率成像之后，如何获得观测对象的高程信息成为近年来SAR领域研究的热点。干涉SAR通过多个接收天线或多次飞行获取同一目标的多幅SAR图像，对其进行干涉相位处理用于数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)反演。合成孔径雷达三维成像技术(Three-Dimensional Synthetic Aperture Radar，3D-SAR)是可以获得具有三维分辨能力的图像的一种新型微波成像技术，3D-SAR不仅可以实现对观测场景的二维高分辨率成像和高程测量技术，还可以将对观测场景的描述从二维平面提高到三维空间，极大地拓展了SAR成像技术的性能和发展空间。

3D-SAR与2D-SAR有相同的顺轨向分辨率，且其高程向分辨率近似等于2D-SAR的距离向分辨率，即3D-SAR利用传统2D-SAR成像技术可以获得高的顺轨向和高程向分辨率。而3D-SAR的交轨向分辨率与交轨向阵列尺寸直接相关，为了增大交轨向分辨率需要有足够大的交轨向孔径，而交轨向孔径尺寸的增大直接导致子阵增多、系统复杂以及数据量增大，为了避免上述问题，交轨向阵列可采用稀疏阵列。

成像雷达阵列天线的稀疏，为了确保图像质量，不仅要求系统的脉冲响应有较低的峰值旁瓣比，而且要求有较低的积分旁瓣比。目前的阵列稀疏化方案主要有最小冗余线列阵、对旁瓣电平有约束的稀疏阵、方向图乘积降低栅瓣稀疏阵和能获得满阵相位中心的稀疏阵。由于在接收等效相位中心原理下可以产生新的相位中心，从而可以考虑采用模拟退火算法优化稀疏阵列天线的位置，使在各子阵天线在多发多收条件下，所产生的相位中心分布情况和满阵天线相同时，采用的真实子阵天线最少，且可以避免稀疏阵列天线峰值旁瓣比和积分旁瓣比较高的问题。

上述阵列优化算法的缺点在于虽然对实际存在的子阵数目进行了优化稀疏，但是获得的等效相位中心仍需要和满阵天线相同。实际上，由于场景是连续变化的，应具有可压缩性，而分辨单元的尺寸远远大于波长的事实导致每个分辨单元随机初相位的产生，这使得连续场景的可压缩性难以体现，传统的单孔径SAR难以实现空间降采样。采用交轨阵列天线SAR形成的多天线观测结构，有可能消除不同分辨单元散射点的随机初始相位影响，还原连续变化地物场景的可压缩性，降低复图像带宽。复图像带宽的减少就意味着空间采样率可以降低，该概念不仅可用于二维成像的空间降采样，也可考虑转入交轨稀疏阵列三维成像空间采样过程，并在交轨向实现空间降采样，使得交轨向阵列等效相位中心可以不必与满阵天线相同。

侧视三维成像是3D-SAR的一种重要的工作模式，研究交轨向较大间隔空间稀疏采样方法，对实现侧视三维成像具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用信号重构方法去除分辨单元散射点的随机初相位，降低信号带宽，以较大间隔的空间稀疏采样，实现对连续场景的侧视三维成像。

为解决上述问题，本发明提出一种连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像方法。该方法主要包括以下步骤：回波信号三维成像、信号重构、低通滤波、重新成像、坐标转换。

根据本发明的优选实施方式，回波信号三维成像算法是先采用二维ωK成像算法对每个子阵的回波信号进行二维成像，然后对第三维高度方向成像。回波信号三维成像的坐标系建立在以顺轨向x，距离向r和与顺轨、距离平面垂直的高度方向s为坐标轴的斜平面直角坐标系，该方案可以避免交轨向和距离向的耦合影响。

根据本发明的优选实施方式，信号重构方法是用全阵三维复图像S₁的相位减去参考三维复图像S₂的相位以去除分辨单元散射点随机初相位的影响，然后将得到的新复图像信号变换至回波域。

根据本发明的优选实施方式，交轨向稀疏阵型的选择需要满足中间设计有三个连续子阵的条件。

根据本发明的优选实施方式，坐标转换过程是将成像于斜平面直角坐标系的三维图像转换到以顺轨向x，交轨向y和高程向z为坐标轴的传统直角坐标系中，但交轨向的坐标值用斜距代替地距来表示。