专利名称：一种双站线阵三维成像合成孔径雷达快速成像方法
技术领域：
本技术发明属于雷达技术领域，它特别涉及了合成孔径雷达(SAR)成像技 术领域。
背景技术：
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系统的重要 特征，由于其测绘范围广、全天候、全天时的特点，在地形测绘、环境检测、灾 害预报等方面具有广阔的应用前景。
当前有关于三维SAR的技术主要包括干涉SAR (InSAR)技术、曲线SAR技
术(CSAR)和线阵SAR (LASAR)技术。干涉技术是一种不具备第三维分辨能力 的SAR成像技术，它从理论上就不能提供精确的三维重建能力。曲线SAR必须设 定运动平台在三维空间内的飞行路径，但天线相位中心的轨迹控制精度低，这是 对三维SAR系统的一个束缚。对于目前的研究热点单站线阵SAR，由于其存在如 文献Tsz-King Chan， Yasuo Kuga， "Experimental studies on circular SAR imaging in clutter using angular correlation function technique"中所 提到的当差分距离史小于分辨率时存在的成像模糊问题，该系统也在一定程度上 受到成像地形的制约。
现有的双站线阵三维成像合成孔径雷达(BLASAR)是将发射机固定于发射平 台上，线性阵列天线固定于接收平台上，以合成接收平面阵列，并进行三维成像 的一种新型合成孔径雷达系统。双站线阵合成孔径雷达在实现对地的三维地形成 像的同时，它克服了现有三维成像SAR系统的缺点及束缚，同时继承了双站合成 孔径雷达的所有优点，例如反隐身、目标的散射信息丰富、雷达横截面积增加 等等。根据发明人了解以及已经发表的文献，例如J. Klare， A. Brenner, J. Ender， "A New Airborne Radar for 3D Imaging - Image Fromation using the ARTINO Principle - ，， E腿D， Dresden, Germany, 2006. B. D. RiglingandR丄 Moses,"Flight path strategies for 3-D scene reconstruction from bist;atic SAR，' IEE proceedings R油r So, Neivig. , vol. 151 No 3. pp. 149 - 157， June. 2004.双站线阵三维成像合成孔径雷达成像方法可以分成三 类时域三维成像方法，频域三维成像方法和降维成像处理方法。时域方法通过
7计算各散射点到发收天线单元距离，并进行相干叠加实现双站线阵三维成像合成 孔径雷达成像处理；频域方法将相干累加处理变换为频域的乘法及投影的操作， 实现双站线阵三维成像合成孔径雷达成像处理；降维成像处理方法将高维相关问 题分解为若干个一维相关处理问题，以降低处理运算量。
上述方法本质上都是将双站线阵三维成像合成孔径雷达成像问题看作三维 空间的匹配滤波问题。这种空间匹配滤波时对整个成像空间进行全空域成像，其 运算量十分巨大，据本发明人了解，当前还没又人提出一种运算量较小的三维成 像方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有三维成像合成孔径雷达成像方法的运算量大 的问题，提供了一种双站线阵三维合成孔径雷达快速成像方法，该方法把三维合 成孔径雷达的三维成像问题转化为二维成像问题，大大降低了双站线阵三维成像 合成孔径雷达的运算量，实现了对大场景的三维空间成像。
为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义
定义1、双站线阵三维成像合成孔径雷达(BLASAR)
双站线阵三维成像合成孔径雷达(BLASAR)是将发射机固定于发射平台上， 线阵接收机固定于接收平台上，以合成二维平面阵列，并进行三维成像的一种新 型合成孔径雷达系统。
定义2、合成孔径雷达标准距离压縮方法
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 以下公式生成参考信号，并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。
其中，/(o为参考函数，s为雷达发射基带信号的信号带宽，？;为雷达发射
信号脉冲宽度，,为自变量，取值范围从-發到警'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3、线阵三维成像合成孔径雷达图像空间
双站线阵三维成像合成孔径雷达图像空间是指合成孔径雷达波束照射到的场景区域。
定义4、双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法 双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法是常规合成孔径雷 达二维反向投影成像方法的拓展。该方法首先计算散射点到双站发收线阵天线各 阵元相位中心的距离历史，选择相应距离和单元的数据，并进行标准的多普勒相 位补偿以及相干累加，得到该点的散射系数。该方法流程图见专利附图。详见文 献"雷达成像技术"，保錚等编著，电子工业出版社出版。 定义5、门限检测技术
门限检测技术是指在目标的后向散射系数分布己知的情况下，按照设定的虚 警概率或检测概率对目标的后向散射系数进行监测，当后向散射系数高于检测门 限时，目标存在，否则，目标不存在。详见文献"信号检测与估计"，向敬成等编 著，电子科技大学出版社。
定义6、遍历法
按数据排列顺序，由小到大，逐个对数据进行某种操作，直至对所有数据都 执行完该操作为止。详见文献"自适应滤波"，龚耀寰编著，电子工业出版社出 版。
定义7、双站线阵三维成像合成孔径雷达理论分辨率
双站线阵三维成像合成孔径雷达理论分辨率是指根据双站线阵三维成像合 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 的线阵三维成像合成孔径雷达所能达到的最大分辨率。详见文献"双站合成孔径 雷达成像原理"，汤子跃等编著，科学出版社出版。
定义8、双站线阵三维成像合成孔径雷达指标集
双站线阵三维成像合成孔径雷达成像结果为三维空间中的曲面，可以用如下
函数表示
其中，a /)为指标集，力表示o', y)点对应的高度。
定义9、合成孔径雷达后向散射系数分布规律 合成孔径雷达后向散射系数分布规律是指合成孔径雷达的发射信号经散射 体散射后返回到波源方向的散射能量所服从的分布规律。详见文献"雷达手册"
9第ll、 12章，Merrill I. Skolnik主编，王军等译，电子工业出版社出版
本发明提供了一种基于自适应的双站线阵三维成像合成孔径雷达快速成像 方法，它包括以下歩骤
歩骤一、初始化双站线阵三维成像合成孔径雷达成像系统参数
初始化的成像系统参数包括发射平台与接收平台速度矢量^、 R，平台初
始位置矢量if 、 g，雷达发射电磁波的波数,记做^，接收机线阵天线各阵元
相对平台中心位置，记做^,，其中/为天线各阵元序号，为自然数，/ = 0,1,...,M， M为接收机线阵天线各阵元总数，雷达发射基带信号的信号带宽,记做S，雷达
发射信号脉冲宽度，记做j;，雷达接收波门持续宽度，记做K，雷达接收系统
的采样频率,记做/、.，雷达系统的脉冲重复频率，记做尸i F，及接收系统接收波 门相对于发射信号发射波门的延迟，记做&;上述参数均为双站线阵三维成像 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&，雷达发射基
带信号的信号带宽S，雷达发射信号脉冲宽度7;，雷达接收波门持续宽度7;，
雷达接收系统的采样频率/:.,雷达系统的脉冲重复频率尸i F及接收系统接收波
门相对于发射信号发射波门的延迟在双站线阵三维成像合成孔径雷达设计过程 中已经确定；其中，发、收平台速度矢量巧、g及初始位置矢量〃、g在双站
线阵三维成像合成孔径雷达观测方案设计中已经确定；
步骤二、双站线阵三维成像合成孔径雷达原始数据进行距离压縮
采用合成孔径雷达标准距离压縮方法对合成孔径雷达距离向回波数据A进 行压縮，得到距离压縮后的双站线阵三维成像合成孔径雷达数据，记做《,；
步骤三、获得双站线阵三维成像合成孔径雷达指标集内连续小区域的高度和相应
的散射系数最大值，即初始化的成像区域；
采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法，对双站线阵三 维成像合成孔径雷达图像空间中区域为7x7x// (//为成像场景的参考高度)的
区域Q。 = {(X,,力,^|/ = 0…6,_/ = 0…6,/ze[-///2,///2]}内所有点进行成像处理'得到双站线阵三维成像合成孔径雷达图像空间中区域为Q。内的所有点的后向散
射系数，也即双站线阵三维成像合成孔径雷达指标集为 三。={+ = /^,，乃),/ = 0 — 6,_/ = 0 6}内的所有点沿高度向的后向散射系数的
分布函数，记做CT(X,y,/7);
对指标集三。所对应的后向散射系数分布函数沿高度向采用遍历法进行搜索 得到分布函数沿高度向的散射系数最大值及与之对应的最大值处的高度；其中， 双站合成孔径雷达沿高度向的后向散射系数分布函数(7(X,少，/7)最大值用
股(x,》表示，而相应的高度用^(X,力表示； 步骤四、沿X向对高度进行拟合预测；
采用标准的多项式拟合方法对已知的^^0行的高度数据/z(x,，0),Z-0…6进
行多项式拟合，此处我们选择拟合的阶数为3，即进行三阶曲面拟合及预测，得 到拟合函数/^/(:0，把x^7带入拟合函数/^/(x;),得到预测高度^。，0);
歩骤五、获取检测门限；
根据合成孔径雷达的后向散射系数的分布规律，选取瑞利——贝塞尔分布； 设定虚警概率"或者检测概率^ ，根据虚警概率分布函数或检测概率分布函数及 门限检测技术计算出检测门限e;这里我们已知检测概率的分布函数即瑞利—— 贝塞尔函数，通过计算该函数的均值和方差来获取检测门限；
根据步骤三得到的后向散射系数最大值cr,腿(x,力，选取y二O行的
aJ;,0)，h0…6，分别计算这一组值的中值和方差cr^、 sCT'利用式子 ^W"2crX)/2 ,w得到均值幅度^按照3W带宽检测准则，"/V^即为
分布函数的概率均值、、为其方差；
设定检测概率为0.8，利用门限检测技术，我们得到检测门限e; 步骤六、搜索双站线阵三维成像合成孔径雷达图像点的真实高度；
采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法，对三维成像空 间中的点(7,0入)进行成像，得到点(7,0,~)的后向散射系数"(7,0,~);当(7(7,0,/^) <9，执行上行操作，上行操作定义为采用双站线阵三维成像合 成孔径雷达三维反向投影成像方法，在点(x,y,/z)已经成像的情况下，对位于成 像空间中的点(x,乂/z + ^/z),^^1进行成像；因此先对三维成像空间中的点 (7,0，~+^)进行成像，得到该点的后向散射系数0"(7,0，~+^)，其中AA为双 站线阵三维成像合成孔径雷达沿高度向的分辨率；判断a(7,0,^+^)是否大于
门限S，如果(T(7,0,^+a/z)〉P，采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向 投影成像方法，对三维成像空间中的点(7,0,^+2A/ )进行成像，得到该点的后 向散射系数(7(7,0,/^+2a/z)，当(j(7，0,、+2a。〈c7(7,0,/^+^)，跳出本次搜索，
且 取 7隨(7，0) = 0"(7，0,~+』) ' / (7，0) = / +^ ' 当
cr(7,0,、 + 2a/z) > cj(7，0,、 +A/7)，对点(7,0,、 + 3a/z)进行成像，得到该点的后向
散射系数ct(7，0，/^+3a/2)，当cr(7,0,、+3a/2)〈o"(7,0，、+ 2^)，跳出本次搜索，
且 取 7匪(7,0) = ^7,0,~+2厶/ ) '/7(7，0) = /2 + 2厶;7 ' 当
ct(7,0,、 + 2^卜"7,0, +a/2)，继续本次的上行操作，直至得到满足条件
0"(7,0，~+^-1)厶/^<0"(7，0，~+"/^>0"(7，0，~+(^: + 1)厶;^的A:值，此时令
o",(7,0) = ct(7，0,~+A:a/7)， /2(7，0) =/z + Aa/z ;当cr(7,0,~+a/z) < 6> ，进行下行
操作，下行操作定义为采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方 法，在点(x,y,/0已经成像的情况下，对位于成像空间中的点(x,;a+ A:S-1
进行成像；因此对点(7,0,、-^z)进行成像，得到该点的后向散射系数
"7,0,~-A/2)，如果o"。，0,/^-厶。>0，对点(7,0,、—2J)进行成像，得到该
点的后向散射系数"7,0,^-2a/z)'如果o"(7,0,/^-2^)<0"(7,0,~-』卜If兆出
本次搜索，且令"隨(7,0) = "7,0，~—厶/z) ，A(7，0—U ，当
(T(7,0, 、 - 2a" > ex(7，0,~ -a/7)，对点(7,0,~ - 3^)进行成像，得到该点的后向
12散射系数—7，0,~—3a/7)，当o"(7,0,^-3a/z)<ct(7,0，~-2aA)，跳出本次搜索，
且 取 ax(7,0) = o"(7,0，/zp—2厶/z) ，/7(7,0) = /7-2a/z ， 当
c7(7,0,、-3A。〉cr(7,0, -2^)继续本次的下行操作，直至得到满足条件
f7(7,0,、—(A:-l)厶/z卜cr(7,0,、—yt厶/7)X7(7,0,/2,'-(yt + l)厶;7)的yt值，此时令
°"曙(7，0) = °"(7,0,、-"^ '/ (7，0) = — ; 其中* = 2...厶/ ///2 ;当
"7，0，^一厶/ )〈P，转入* = 2处的上行操作，当(7(7,0，/^+2A/z)〈e，转入/!: = 2
处的下行操作，这样上下交替搜索，直至搜索到满足条件的后向散射系数及对应 的高度值；当没有搜索到满足条件的后向散射系数，取后向散射系数最大处的高 度值作为成像的最终高度；
当(7(7,0,/^) > 6 ，采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方
法，对点(7,0,/^+a/z)进行成像，得到该点的后向散射系数(t(7,0, +j)，对三
维成像空间中的点(7，0,、 -aA)进行成像，得到该点的后向散射系数
O"(7,0,/^-a/z) ，a/7意义同上；当O"(7,0,/Zp—a/2)<O"(7,0,/zp)>O"(7,0,/7p+a/7)， 跳出本次搜索，且取CT,nax(7，0)二CT。,0，、) ， /7(7，0) = /2 ;当
c7(7,0,/^-a/2)〈ct(7,0，^)〈o"(7，0，/^+a/ )，进入上面叙述的上行操作，直至获
得满足条件的后向散射系数及对应的高度值；当 o"(7,0,~-a^>"7,0,/^〉cr(7,0,~+a/^，进入上面叙述的下行操作，直至获
得满足条件的后向散射系数及对应的高度值；当 cr(7，0,~-a/z)>c7(7，0,/zp)<ct(7,0,~+a^)，进入全高度搜索，并取最大散射系
数及其对应的高度作为满足条件的散射系数及高度；当在执行上行操作或下行操 作时没有跳出搜索，则同样取最大散射系数及其对应的高度作为满足条件的散射 系数及高度；
在经过上述的操作步骤后，我们得到用曲线拟合及预测方法的最大后向散射 系数 ax (7,0)及对应的高度^ (7,0);
13歩骤七、基于滑窗的整行预测；
取高度值的窗长为7，即沿x向滑动得到一组新的高度值/z(x,，0)，,、1…7，
重复运用歩骤五与歩骤六相同的预测方法，得到满足条件的最大后向散射系数 ",(8,0)及对应的高度^8,0)，这样把窗位置依次进行滑动，最后得到7 = 0行
的所有满足条件的散射系数和对应的高度； 步骤八、获取全场景预测的初始数据；
按照歩骤六和步骤七的方法，获取^ = 1...6行的所有满足条件的散射系数和 对应的高度；
步骤九、进行全场景滑窗预测；
同样取高度值的窗长为7，此时取沿y向滑动得到的高度值/z(x,，^)，其中
/二0…128,y、0…128;重复运用步骤五与歩骤六相同的预测方法，得到所有满
足条件的最大后向散射系数cmax (x,, ^)及对应的高度(x,, &);
步骤十、获取双站线阵三维成像合成孔径雷达最终成像； 为了减小预测成像的误差，对经过上述步骤得到的高度值/z(x,，^)组成的矩
阵/Z进行窗为7x7的二维中值滤波，二维中值滤波在MATLAB7.0中的函数为 medfilt2()，得到双站线阵三维成像合成孔径雷达最终成像的高度矩阵结果H及 其对应的后向散射系数矩阵O;
经过上述操作，就可以得到双站线阵三维成像合成孔径雷达快速成像。
需要说明的是，根据现有的双站线阵三维成像合成孔径雷达系统方案和双站 线阵三维成像合成孔径雷达观测方案，双站线阵三维成像合成孔径雷达快速成像 方法需要的初始化成像系统参数均为已知。详见文献"双站合成孔径雷达成像原 理"，汤子跃等编著，科学出版社出版。
在上面提到的合成孔径雷达后向散射系数的分布规律中，选取了瑞利——贝 赛尔分布，对于不同场景下的其它后向散射系数分布规律，例如维布尔分布，高 斯分布等，该方法同样有效。
在实际的应用中，根据雷达实际的照射区域，三维成像场景中的包含回波的
14散射点只包含三维空间中某个特定曲面上的散射点，因此，双站线阵三维成像合 成孔径雷达的成像问题可以转化为基于某种特定曲面的曲面预测问题。
本发明的创新点在于针对实际双站线阵三维成像合成孔径雷达回波中仅包 含三维空间中某特定曲面的回波信号的特点，采用自适应曲面预测技术，只对三 维空间中的特定曲面进行成像处理，与现有的分维处理及三维空间频域处理算法 相比，该算法具有更小的运算量，从而很好的解决了双站三维成像合成孔径雷达 成像方法运算量大的问题。
本发明针对实际双站线阵三维成像合成孔径雷达回波中只包含三维空间中 某特定曲面上的散射点的回波信号这一特点，采用自适应门限检测技术，针对三 维空间中某特定曲面进行曲面预测成像处理，从而很好的解决了双站线阵三维成 像合成孔径雷达成像方法运算量大的问题。
本发明的优点在于利用较小的运算量实现了双站线阵三维成像合成孔径雷 达三维成像。与现有的三维成像合成孔径雷达成像算法相比，本发明的算法运算 量约为现有算法的十分之一。本发明可以应用于合成孔径雷达成像，地球遥感等 领域。
图1为现有双站线阵三维成像合成孔径雷达三维后向投影成像方框图
其中，通道i表示接收机线阵天线第i个天线的回波数据，/ = 1,...，M。 M表 示天线通道总数，Pi F表示雷达脉冲重复频率，n表示雷达发射脉冲数， ,,)表示发射机天线相位中心距离散射点f,, ,的距离，,,)表示线阵
接收机第i个雷达接收天线距离散射点^,的距离，(",v,w)为散射点的坐标。收
发天线相位中心可以由说明书中歩骤一的初始化参数计算。三维图像空间为定义 3描述的线阵三维成像合成孔径雷达图像空间。距离压縮为定义2描述的合成孔 径雷达标准距离压縮方法。内差/重采样以及相干累加为二维后向投影成像方法 的标准方法。
图2为现有曲面预测方法的高度矩阵图
该图表示双站线阵三维成像的高度矩阵图。X方向为切速度方向'y向为沿
速度方向。区域1为初始化的7x7小区域，区域2为通过预测搜索方法得到的沿x方向高度值的初始数据，区域3为通过预测搜索方法得到的沿y方向的全场景 高度值数据。
图3为本发明所提供方法的方框图
其中，DEM表示数字高度图，F&P&S表示"曲面拟合、预测与最大值搜索"。 图4为为本发明具体实施方式
采用的双站线阵三维成像合成孔径雷达飞行几何 关系图
其中，PRI表示脉冲重复周期，Tx表示发射机天线相位中心，Rx-APC表示 第i个接收机天线相位中心，《(";^0表示发射机天线相位中心距离散射点^的
距离，《(",/;^0表示线阵接收机第i个雷达接收天线距离散射点^的距离，
(w，v,—为散射点^的坐标系，(义,乂z)为载机平台的坐标系，R、 ^为发、收平
台速度矢量，《、《为发、收天线相位中心对散射点^的俯视角。
图5是本发明具体实施方式
采用的双站线阵三维成像合成孔径雷达系统参数表 图6是本发明的流程图
其中BLASAR表示双站线阵三维成像合成孔径雷达。
具体实施例方式
本发明主要采用仿真实验的方法进行验证，所有步骤、结论都在MATLAB7.0 上验证TH确。具体实施歩骤如下
歩骤一、初始化双站线阵三维成像合成孔径雷达成像系统参数 本具体实施方式
所采用的系统参数详见图5。
步骤二、双站线阵三维成像合成孔径雷达原始数据进行距离压縮
采用合成孔径雷达标准距离压縮方法对合成孔径雷达距离向回波数据A进 行压缩，得到距离压縮后的双站线阵三维成像合成孔径雷达数据，记做g。 步骤三、获得双站线阵三维成像合成孔径雷达指标集内连续小区域的高度和
相应的散射系数最大值，即初始化的成像区域；
采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法，对双站线阵三
维成像合成孔径雷达图像空间中区域为7x7x// (//为成像场景的参考高度)的
区域Q。 = "x,,,,/z)卜=0…6，7 = 0…6,k [-///2,///2]}内所有点进行成像处理'得到双站线阵三维成像合成孔径雷达图像空间中区域为D。内的所有点的后向散
射系数，也即双站线阵三维成像合成孔径雷达指标集为 三。=P|Z = /z(x,,_y」,/ = 0 — 6,y = () .6}内的所有点沿高度向的后向散射系数的
分布函数，记做CT(X，乂/2)。
对指标集三。所对应的后向散射系数分布函数沿高度向采用遍历法进行搜索 得到分布函数沿高度向的散射系数最大值及与之对应的最大值处的高度；其中， 双站合成孔径雷达沿高度向的后向散射系数分布函数CT(X，乂/Z)最大值用
^,^,"表示，而相应的高度用/Kx,y)表示； 歩骤四、沿X向对高度进行拟合预测；
采用标准的多项式拟合方法对已知的J^O行的高度数据/2(X,，0),Z、0…6进 行多项式拟合，此处我们选择拟合的阶数为3，即进行三阶曲面拟合及预测，得
到拟合函数/^/(JC)，把^7带入拟合函数"/(x)，得到预测高度、。,Oh 歩骤五、获取检测门限；
根据合成孔径雷达的后向散射系数的分布规律，选取瑞利——贝塞尔分布。
设定虚警概率a或者检测概率^ ，根据虚警概率分布函数或检测概率分布函数及 门限检测技术计算出检测门限^。这里我们已知检测概率的分布函数即瑞利—— 贝塞尔函数，通过计算该函数的均值和方差来获取检测门限。
根据歩骤三得到的后向散射系数最大值c7,0c，力，选取^ = 0行的
ax(^0),z、0…6，分别计算这一组值的中值和方差a^、、，利用式子
/ = afo(2a2 -^)/2(j^得到均值幅度-，按照3必带宽检测准则，"/V^即为
分布函数的概率均值、、为其方差。
设定检测概率为0.8，利用门限检测技术，我们得到检测门限e; 歩骤六、搜索双站线阵三维成像合成孔径雷达图像点的真实高度； 采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法，对三维成像空 间中的点(7,0，/^)进行成像，得到点(7,0,、)的后向散射系数cr(7，0,^)。
17当^(7,0，~)<6>，执行上行操作，上行操作定义为采用双站线阵三维成像合 成孔径雷达三维反向投影成像方法，在点(xj,/0已经成像的情况下，对位于成 像空间中的点(x,y,/2 + h/7),A: 2 1进行成像。因此先对三维成像空间中的点 (7,0,~+^)进行成像，得到该点的后向散射系数(T(7,0,/^+^)，其中^为双
站线阵三维成像合成孔径雷达沿高度向的分辨率。判断^7(7，0，^+a/7)是否大于
门限6>，如果fT(7,0,、+a/ )〉e，采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向 投影成像方法，对三维成像空间中的点(7,0,、 + 2A/z)进行成像，得到该点的后 向散射系数(t(7,0,^ + 2a/z)，当"7,0,、 + 2^)<(7(7,0,、 +^)，跳出本次搜索， 且 取 "歸(7，0) = "7,0,~+厶/7) ' /2(7，0) = /z+a/z ， 当 o"(7，0， ~ + 2a/z) > o"(7，0, ~ +a/z)，对点。，0，~ + 3^)进行成像，得到该点的后向 散射系数c7(7,0,/^+3a/z)，当tr(7,0,、+3^)〈c7(7,0,/^ + 2^)，跳出本次搜索，
且 取 °"max(7,0) = cr(7,0，~+2A/ ) ， /z(7,0) = / + 2aA ， 当 "7，0,~+2^)<"7，0，~+^)，继续本次的上行操作，直至得到满足条件 (t(7,0,、 + (A; —1)厶/7)〈cr(7,0,、+A:a"〉cr(7,0,/^+(A: + l)a/z)的A;值，此时令 ct隱(7，0卜o"(7,0,、+A:a/2)， //(7,0) =/z +Aa/z ;当o"(7,0,~< 6 ，进行下行 操作，下行操作定义为采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方
法，在点(x,乂/7)已经成像的情况下，对位于成像空间中的点(x,乂/2 + "/7)，"-1 进行成像。因此对点(7,0，/2p-a/z)进行成像，得到该点的后向散射系数
"7,0,~-a。，如果0"(7,0,~-厶/7)>^，对点(7,0,~-2a。迸行成像'得到该 点的后向散射系数"7,0,~—2a/z)'如果(t(7,0,、—2^)<o"(7,0,~—』卜跳出 本次搜索，且令 狄(7,0) = (7(7,0,~-厶"，/ (7,0) = U ，当 o"(7,0,~ - 2a/z) > ct(7,0, 、 一a/z)，对点(7,0,~ -3^)进行成像，得到该点的后向
18散射系数"7,0，、一3J"当o"(7,0,^-3a/z卜o"(7,0，^—2a"，跳出本次搜索， 且 取 "隨(7，0卜o"(7，0,/^-2厶/z) ' / (7，0) = /z —2厶/z ' 当 "7,0,、-3^X7，0，/^-2A"继续本次的下行操作，直至得到满足条件 cr^O,/ ,,—(々—1)^)<0"(7,0,~—yt厶/ ho"(7,0，/z〃一(/t + l)a/z)的A值，此时令 o"隨(7,0卜ct(7，0，/2p—yt』)，/2(7，0) = /2 —h/z ; 其中A二2…a/z///2 ;当 cr(7，0,、—厶/ )<6，转入& = 2处的上行操作，当0"(7，0,~ + 2厶/ )<6>，转入* = 2
处的下行操作，这样上下交替搜索，直至搜索到满足条件的后向散射系数及对应 的高度值；当没有搜索到满足条件的后向散射系数，取后向散射系数最大处的高 度值作为成像的最终高度。
当7(7，0,~)>^，采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方
法，对点(7，0, +J)进行成像，得到该点的后向散射系数c7(7,0,、+^)，对三
维成像空间中的点(7,0,、 i。进行成像，得到该点的后向散射系数
cr(7，0,^—， a/2意文同上；当o"(7,0,、一a/7pcr(7,0,、)〉fT(7，0,/^+厶//)，
跳出本次搜索，且取^匪(7,0) = "7,0,、) ，/z(7,0) = /z ;当
(7(7，0,~-a/z)<o"(7,0,/zp)<ct(7,0，~+a/2)，进入上面叙述的上行操作，直至获
得满足条件的后向散射系数及对应的高度值；当 ct(7,0,~-^)〉o"(7,0，~)〉o"(7,0，、+a/7)，进入上面叙述的下行操作，直至获
得满足条件的后向散射系数及对应的高度值；当
"7，0,~-a/2)〉C7(7,0，/^)〈(J(7,(Up+a/7)，进入全高度搜索，并取最大散射系
数及其对应的高度作为满足条件的散射系数及高度；当在执行上行操作或下行操 作时没有跳出搜索，则同样取最大散射系数及其对应的高度作为满足条件的散射 系数及高度。
在经过上述的操作步骤后，我们得到用曲线拟合及预测方法的最大后向散射 系数^, (7,0)及对应的高度/z(7,0);
19歩骤七、基于滑窗的整行预测；
取高度值的窗长为7，即沿x向滑动得到一组新的高度值/7(x,，0),/^1…7，
重复运用歩骤五与歩骤六相同的预测方法，得到满足条件的最大后向散射系数 》(8,0)及对应的高度/ (8,0)，这样把窗位置依次进行滑动，最后得到^ = 0行
的所有满足条件的散射系数和对应的高度； 歩骤八、获取全场景预测的初始数据；
按照歩骤六和歩骤七的方法，获取^ = 1...6行的所有满足条件的散射系数和
对应的高度。
歩骤九、进行全场景滑窗预测；
同样取高度值的窗长为7，此时取沿y向滑动得到的高度值/^x,,^)，其中
/ = 0 — 128,乂 = 0 — 128;重复运用步骤五与歩骤六相同的预测方法，得到所有满
足条件的最大后向散射系数c,(x,，^)及对应的高度/z(x,，少,)；
歩骤十、获取双站线阵三维成像合成孔径雷达最终成像； 为了减小预测成像的误差，对经过上述歩骤得到的高度值^、,>^组成的矩
阵/Z进行窗为7x7的二维中值滤波，得到双站线阵三维成像合成孔径雷达最终 成像的高度矩阵结果H及其对应的后向散射系数矩阵O。
在具体实施方式
中，通过将本发明技术方案的仿真及仿真结果的测试可知，
本发明所提供的双站线阵三维成像合成孔径雷达成像方法能够实现了双站线阵 三维成像合成孔径雷达成像，与现有的三维成像合成孔径雷达分维处理及三维空 间频域处理成像算法相比，本发明仅用一个二维处理就完成了成像，具有更小的 运算量。
权利要求
1、一种双站线阵三维成像合成孔径雷达快速成像方法，它包括以下步骤步骤一、初始化双站线阵三维成像合成孔径雷达成像系统参数初始化的成像系统参数包括发射平台与接收平台速度矢量 id="icf0001" file="A2008100442270002C1.tif" wi="13" he="4" top= "45" left = "143" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>平台初始位置矢量 id="icf0002" file="A2008100442270002C2.tif" wi="16" he="4" top= "55" left = "35" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>雷达发射电磁波的波数，记做Kc，接收机线阵天线各阵元相对平台中心位置，记做<overscore>P</overscore>ri，其中i为天线各阵元序号，为自然数，i＝0，1，...，M，M为接收机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，雷达接收波门持续宽度，记做Td，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，及接收系统接收波门相对于发射信号发射波门的延迟，记做TD；上述参数均为双站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Kc，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Td，雷达接收系统的采样频率fs，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射波门的延迟在双站线阵三维成像合成孔径雷达设计过程中已经确定；其中，发、收平台速度矢量 id="icf0003" file="A2008100442270002C3.tif" wi="11" he="4" top= "147" left = "128" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>及初始位置矢量 id="icf0004" file="A2008100442270002C4.tif" wi="6" he="4" top= "147" left = "172" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0005" file="A2008100442270002C5.tif" wi="4" he="4" top= "158" left = "22" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>在双站线阵三维成像合成孔径雷达观测方案设计中已经确定；步骤二、双站线阵三维成像合成孔径雷达原始数据进行距离压缩采用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<overscore>D</overscore>e进行压缩，得到距离压缩后的双站线阵三维成像合成孔径雷达数据，记做<overscore>E</overscore>c；步骤三、获得双站线阵三维成像合成孔径雷达指标集内连续小区域的高度和相应的散射系数最大值，即初始化的成像区域；采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法，对双站线阵三维成像合成孔径雷达图像空间中区域为7×7×H(H为成像场景的参考高度)的区域Ω0＝{(xi，yj，h)|i＝0…6，j＝0…6，h∈[-H/2，H/2]}内所有点进行成像处理，得到双站线阵三维成像合成孔径雷达图像空间中区域为Ω0内的所有点的后向散射系数，也即双站线阵三维成像合成孔径雷达指标集为Ξ0＝{z|z＝h(xi，yj)，i＝0…6，j＝0…6}内的所有点沿高度向的后向散射系数的分布函数，记做σ(x，y，h)；对指标集Ξ0所对应的后向散射系数分布函数沿高度向采用遍历法进行搜索得到分布函数沿高度向的散射系数最大值及与之对应的最大值处的高度；其中，双站合成孔径雷达沿高度向的后向散射系数分布函数σ(x，y，h)最大值用σmax(x，y)表示，而相应的高度用h(x，y)表示；步骤四、沿x向对高度进行拟合预测；采用标准的多项式拟合方法对已知的y＝0行的高度数据h(xi，0)，i＝0…6进行多项式拟合，此处我们选择拟合的阶数为3，即进行三阶曲面拟合及预测，得到拟合函数h＝f(x)，把x＝7带入拟合函数h＝f(x)，得到预测高度hp(7，0)；步骤五、获取检测门限；根据合成孔径雷达的后向散射系数的分布规律，选取瑞利——贝塞尔分布；设定虚警概率α或者检测概率δ，根据虚警概率分布函数或检测概率分布函数及门限检测技术计算出检测门限θ；这里我们已知检测概率的分布函数即瑞利——贝塞尔函数，通过计算该函数的均值和方差来获取检测门限；根据步骤三得到的后向散射系数最大值σmax(x，y)，选取y＝0行的σmax(xi，0)，i＝0…6，分别计算这一组值的中值和方差σmed、sσ，利用式子<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mi>abs</mi><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mrow> <mn>2</mn> <mi>σ</mi></mrow><mi>med</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup><mi>s</mi><mi>σ</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn><msub> <mi>σ</mi> <mi>med</mi></msub> </mrow>]]></math> id="icf0006" file="A2008100442270003C1.tif" wi="45" he="6" top= "171" left = "22" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>得到均值幅度β，按照3dB带宽检测准则， id="icf0007" file="A2008100442270003C2.tif" wi="10" he="5" top= "171" left = "152" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>即为分布函数的概率均值、sσ为其方差；设定检测概率为0.8，利用门限检测技术，我们得到检测门限θ；步骤六、搜索双站线阵三维成像合成孔径雷达图像点的真实高度；采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法，对三维成像空间中的点(7，0，hp)进行成像，得到点(7，0，hp)的后向散射系数σ(7，0，hp)；当σ(7，0，hp)＜θ，执行上行操作，上行操作定义为采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法，在点(x，y，h)已经成像的情况下，对位于成像空间中的点(x，y，h+kΔh)，k≥1进行成像；因此先对三维成像空间中的点(7，0，hp+Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，hp+Δh)，其中Δh为双站线阵三维成像合成孔径雷达沿高度向的分辨率；判断σ(7，0，hp+Δh)是否大于门限θ，如果σ(7，0，hp+Δh)＞θ，采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法，对三维成像空间中的点(7，0，hp+2Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，hp+2Δh)，当σ(7，0，hp+2Δh)＜σ(7，0，hp+Δh)，跳出本次搜索，且取σmax(7，0)＝σ(7，0，hp+Δh)，h(7，0)＝h+Δh，当σ(7，0，hp+2Δh)＞σ(7，0，hp+Δh)，对点(7，0，hp+3Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，hp+3Δh)，当σ(7，0，hp+3Δh)＜σ(7，0，hp+2Δh)，跳出本次搜索，且取σmax(7，0)＝σ(7，0，hp+2Δh)，h(7，0)＝h+2Δh ，当σ(7，0，hp+2Δh)＜σ(7，0，hp+Δh)，继续本次的上行操作，直至得到满足条件σ(7，0，hp+(k-1)Δh)＜σ(7，0，hp+kΔh)＞σ(7，0，hp+(k+1)Δh)的k值，此时令σmax(7，0)＝σ(7，0，hp+kΔh)，h(7，0)＝h+kΔh；当σ(7，0，hp+Δh)＜θ，进行下行操作，下行操作定义为采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法，在点(x，y，h)已经成像的情况下，对位于成像空间中的点(x，y，h+kΔh)，k≤-1进行成像；因此对点(7，0，hp-Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，hp-Δh)，如果σ(7，0，hp-Δh)＞θ，对点(7，0，hp-2Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，hp-2Δh)，如果σ(7，0，hp-2Δh)＜σ(7，0，hp-Δh)，跳出本次搜索，且令σmax(7，0)＝σ(7，0，hp-Δh)，h(7，0)＝h-Δh，当σ(7，0，hp-2Δh)＞σ(7，0，hp-Δh)，对点(7，0，hp-3Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，hp-3Δh)，当σ(7，0，hp-3Δh)＜σ(7，0，hp-2Δh)，跳出本次搜索，且取σmax(7，0)＝σ(7，0，hp-2Δh)，h(7，0)＝h-2Δh，当σ(7，0，hp-3Δh)＞σ(7，0，hp-2Δh)继续本次的下行操作，直至得到满足条件σ(7，0，hp-(k-1)Δh)＜σ(7，0，hp-kΔh)＞σ(7，0，hp-(k+1)Δh)的k值，此时令σmax(7，0)＝σ(7，0，hp-kΔh)，h(7，0)＝h-kΔh；其中k＝2…ΔhH/2；当σ(7，0，hp-Δh)＜θ，转入k＝2处的上行操作，当σ(7，0，hp+2Δh)＜θ，转入k＝2处的下行操作，这样上下交替搜索，直至搜索到满足条件的后向散射系数及对应的高度值；当没有搜索到满足条件的后向散射系数，取后向散射系数最大处的高度值作为成像的最终高度；当σ(7，0，hp)＞θ，采用双站线阵三维成像合成孔径雷达三维反向投影成像方法，对点(7，0，hp+Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，hp+Δh)，对三维成像空间中的点(7，0，hp-Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，hp-Δh)，Δh意义同上；当σ(7，0，hp-Δh)＜σ(7，0，hp)＞σ(7，0，hp+Δh)，跳出本次搜索，且取σmax(7，0)＝σ(7，0，hp)，h(7，0)＝h；当σ(7，0，hp-Δh)＜σ(7，0，hp)＜σ(7，0，hp+Δh)，进入上面叙述的上行操作，直至获得满足条件的后向散射系数及对应的高度值；当σ(7，0，hp-Δh)＞σ(7，0，hp)＞σ(7，0，hp+Δh)，进入上面叙述的下行操作，直至获得满足条件的后向散射系数及对应的高度值；当σ(7，0，hp-Δh)＞σ(7，0，hp)＜σ(7，0，hp+Δh)，进入全高度搜索，并取最大散射系数及其对应的高度作为满足条件的散射系数及高度；当在执行上行操作或下行操作时没有跳出搜索，则同样取最大散射系数及其对应的高度作为满足条件的散射系数及高度；在经过上述的操作步骤后，我们得到用曲线拟合及预测方法的最大后向散射系数σmax(7，0)及对应的高度h(7，0)；步骤七、基于滑窗的整行预测；取高度值的窗长为7，即沿x向滑动得到一组新的高度值h(xi，0)，i＝1…7，重复运用步骤五与步骤六相同的预测方法，得到满足条件的最大后向散射系数σmax(8，0)及对应的高度h(8，0)，这样把窗位置依次进行滑动，最后得到y＝0行的所有满足条件的散射系数和对应的高度；步骤八、获取全场景预测的初始数据；按照步骤六和步骤七的方法，获取y＝1…6行的所有满足条件的散射系数和对应的高度；步骤九、进行全场景滑窗预测；同样取高度值的窗长为7，此时取沿y向滑动得到的高度值h(xi，yj)，其中i＝0…128，j＝0…128；重复运用步骤五与步骤六相同的预测方法，得到所有满足条件的最大后向散射系数σmax(xi，yj)及对应的高度h(xi，yj)；步骤十、获取双站线阵三维成像合成孔径雷达最终成像；为了减小预测成像的误差，对经过上述步骤得到的高度值h(xi，yj)组成的矩阵H进行窗为7×7的二维中值滤波，二维中值滤波在MATLAB7.0中的函数为medfilt2()，得到双站线阵三维成像合成孔径雷达最终成像的高度矩阵结果H及其对应的后向散射系数矩阵σ；经过上述操作，就可以得到双站线阵三维成像合成孔径雷达快速成像。
全文摘要
本发明提供一种基于自适应的双站线阵三维成像合成孔径雷达快速成像方法，它是针对实际双站线阵三维成像合成孔径雷达回波中仅包含三维空间中某特定曲面的回波信号的特点，采用自适应曲面预测技术，针对三维空间中某特定曲面进行曲面预测成像处理，从而很好的解决了现有双站线阵三维成像合成孔径雷达成像方法运算量大的问题。本发明可以应用于合成孔径雷达成像、地球遥感、地质测绘等领域。
文档编号G01S13/90GK101561503SQ20081004422
公开日2009年10月21日 申请日期2008年4月17日 优先权日2008年4月17日
发明者君 师, 张晓玲, 李伟华, 王银波 申请人:电子科技大学