一种机载阵列天线下视三维成像方法和系统与流程

本发明涉及微波成像技术对地观测领域，特别涉及一种机载阵列天线下视三维成像方法和系统。

背景技术：

合成孔径雷达三维成像(Three-Dimensional Synthetic Aperture Radar Imaging,3D-SAR)是在常规SAR二维成像基础上发展起来的一种新型微波成像技术。目前SAR三维成像已广泛应用于山川、河谷及城市地区等复杂的观察场景中，在军事侦察、灾害预测、资源调查和地形融合等领域具有重要的应用价值和巨大的应用潜力。

机载阵列天线下视三维非插值成像方法在航迹向-跨航向平面同时采用波束形成原理，以获取航迹向-跨航向的二维分辨率，在距离向采用脉冲压缩技术以获取距离向分辨率，即可获取观测目标的三维分辨率，实现观测目标的SAR三维成像。波束形成原理是通过阵列天线，接收来自空间不同方向的信号，并对其进行加权求和，以形成指向某个空间特定方向的波束，波束的主瓣对准目标信号，波束的零瓣对准噪声及干扰信号，使输出信号的信噪比有所提高，能准确确定点目标位置，并提高图像质量。

由于跨航向阵列天线的阵元在安装、制作过程中存在的误差，以及阵元一致性不好以及等原因，造成了阵元排列不均匀，阵元间隔不完全相等，这给常规SAR三维成像算法带来了困难，难以保证成像精度。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种能够提高三维成像精度的机载阵列天线下视三维成像方法和系统。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了如下的技术方案：

一种机载阵列天线下视三维成像方法，其包括：

对三维阵列天线下的观测场景中的回波信号进行傅里叶变换，获得高程压缩信号；

对所述高程压缩信号进行去斜和相位补偿处理，以获得第一信号；

按照预设准则对所述第一信号按照阵元间隔进行排列，获得跨航向成像数据；

对所述第一信号沿跨航向进行幅度补偿；

建立成像坐标空间，对观测场景对应的图像空间离散化，得到三维斜距图像空间；

对幅度补偿后的第一信号进行滤波和相干叠加，获得三维斜距图像空间中的图像的像素值，基于所述像素值获得阵列天线下视成像三维图像。

在一优选实施例中，所述方法还包括获得三维阵列天线下的观测场景中的回波信号，其包括：

将针对观测场景下各观测目标的接收信号和发射信号进行混频处理，获取各观测目标的中频信号；

将观测场景下全部观测目标的中频信号进行加和得到三维阵列天线下的观测场景中的回波信号。

在一优选实施例中，所述对所述高程压缩信号进行去斜和相位补偿处理，以获得第一信号包括：

利用第一预设补偿函数对所述高程压缩信号进行去斜和剩余视频相位补偿，获取第一信号；

其中所述补偿函数为：

其中，K_r为信号调频率，C为电磁波传播速度，r为天线采集信号起始和终止时刻对应的观测场景距离变量，H(r)为补偿函数，exp()为以e为底的指数函数。

在一优选实施例中，所述按照预设准则对所述第一信号按照阵元间隔进行排列，获得跨航向成像数据包括：

根据跨航向阵列天线等效采样点的位置和顺序对所述第一信号按照阵元间隔进行排列，以得到跨航向成像数据。

在一优选实施例中，所述对所述第一信号沿跨航向进行幅度补偿包括：

按照第二预设补偿函数对所述第一信号沿跨航向进行幅度补偿，其中第二预设补偿函数为：

其中，P_{h_RVP_max}为P_{h_RVP}(ξ)最大功率，P_{h_RVP}(ξ_i)为等效采样点ξ_i的功率。

在一优选实施例中，所述建立成像坐标空间，对观测场景对应的图像空间离散化，得到三维斜距图像空间包括：

以预设的像素间隔分别沿跨航向、航迹向和高程向对观测场景区域进行三维离散化得到所述三维斜距图像空间。

在一优选实施例中，所述对幅度补偿后的第一信号进行滤波和相干叠加，获得三维斜距图像空间中的图像的像素值，，基于所述像素值获得阵列天线下视成像三维图像包括：

对所述幅度补偿后的第一信号按照跨航向阵元间隔进行排列，得到第二信号；

对所述第二信号进行跨行向压缩处理，获得跨航向压缩信号；

将所述跨行向压缩信号按照角度间隔进行排列，得到第三信号；

对所述第三信号进行航迹向压缩处理，获得航迹向压缩信号；

基于所述航迹向压缩信号的像素对应的数值，获得得到阵列天线下视成像三维图像。

本发明实施例还提供了一种机载阵列天线下视三维成像系统，其包括：数据处理设备，其配置为：

对三维阵列天线下的观测场景中的回波信号进行傅里叶变换，获得高程压缩信号；

对所述高程压缩信号进行去斜和相位补偿处理，以获得第一信号；

按照预设准则对所述第一信号按照阵元间隔进行排列，获得跨航向成像数据；

对所述第一信号沿跨航向进行幅度补偿；

建立成像坐标空间，对观测场景对应的图像空间离散化，得到三维斜距图像空间；

对幅度补偿后的第一信号进行滤波和相干叠加，获得三维斜距图像空间中的图像的像素值，基于所述像素值获得阵列天线下视成像三维图像。

在一优选实施例中，所述数据处理设备进一步配置为将针对一个观测目标接收信号和发射信号进行混频处理，获取该观测目标的中频信号；并将观测场景下全部观测目标的中频信号进行加和得到三维阵列天线下的观测场景中的回波信号。

在一优选实施例中，所述数据处理设备进一步配置为利用第一预设补偿函数对所述高程压缩信号进行去斜和剩余视频相位补偿，获取第一信号；

其中所述补偿函数为：

其中，K_r为信号调频率，C为电磁波传播速度，r为天线采集信号起始和终止时刻对应的观测场景距离变量，H(r)为补偿函数，exp()为以e为底的指数函数。

基于上述实施例的公开，可以获知本发明实施例具备如下的有益效果：

本发明实施例中的机载阵列天线下视三维成像方法，是对阵列天线从空间不同方向接收到的信号进行加权求和，以形成指向某个特定方向的波束，加权求和时的权矢量决定波束的指向，进而决定了波束的主瓣对准目标信号，波束的零瓣对准噪声及干扰信号，提高成像质量，其具备以下优势：

1、该方法能够满足航迹向和跨航向非均匀采样的特殊情况下场景成像，很好的解决了跨航向阵列排列不均匀、阵元一致性不好等等原因造成的阵元间隔不等的问题；

2、该方法对各阵元接收到的信号进行了幅度补偿，保证了各通道的信号强度的一致性；

3、该方法是以特定的角度形成波束，通过逐个角度进行像素叠加成像，精度比较高；

4、在满足一定精度的情况下，该方法能够很大程度提高运算效率；

5、发射信号采用FMCW波，在接收机前端完成差频处理，得到差频信号，降低了采样频率，信号处理的实际带宽大大的降低。

附图说明

图1为本发明实施例中的机载阵列天线下视三维成像方法的观测几何模型；

图2为本发明实施例中的机载阵列天线下视三维成像方法的原理流程图；

图3为本发明实施例中执行滤波与相干叠加成像处理的原理流程图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的具体实施例进行详细的描述，但不作为本发明的限定。

应理解的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。

通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本发明的这些和其它特性将会变得显而易见。

还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本发明进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本发明的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。

当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。

此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所公开的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。

本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。

下面，结合附图详细的说明本发明实施例，本发明实施例提供了一种机载阵列天线下视三维成像方法，该方法可以解决阵列排列不均匀、阵元一致性不好等等原因造成的阵元间隔不等的问题，同时还能保证各通道信号强度一致性，同时提高图像成像精度。

具体的，如图1所示，为本发明实施例中的机载阵列天线下视三维成像方法的观测几何模型，以及图2为本发明实施例中的机载阵列天线下视三维成像方法的原理流程图。

其中，本发明实施例中的机载阵列天线下视三维成像方法可以包括：

对三维阵列天线下的观测场景中的回波信号进行傅里叶变换，获得高程压缩信号；

对所述高程压缩信号进行去斜和相位补偿处理，以获得第一信号；

按照预设准则对所述第一信号按照阵元间隔进行排列，获得跨航向成像数据；

对所述第一信号沿跨航向进行幅度补偿；

建立成像坐标空间，对观测场景对应的图像空间离散化，得到三维斜距图像空间；

对幅度补偿后的第一信号进行滤波和相干叠加，获得三维斜距图像空间中的图像的像素值，基于所述像素值获得阵列天线下视成像三维图像。

具体的，基于图1观测几何模型，其中，设定(x_ξ,y_η,h)为阵列天线下视成像等效采样点P_ξ,η的位置坐标，P_n为观测场景中目标的坐标(x_n,y_n,h_n)，目标散射系数可以表示为δ_n(x_n,y_n,h_n)，发射信号S_tr(t)的函数表达式为：

其中，f_c为发射信号载频，t为距离向时间变量，且t∈[-T_r/2,T_r/2]，T_r为信号持续时间，K_r为信号调频率，信号带宽为B_r＝K_rT_r；

在航迹向时间η、跨航向时间ξ时阵列天线某一个等效采样点P_ξ,η接收到的目标P_n的回波信号S_re(t)的函数表达式可以为：

其中，(x_n,y_n,h_n)为观测场景中目标P_n的坐标，δ_n(x_n,y_n,h_n)表示目标散射系数，f_c＝C/λ_c为发射信号的载频，C为电磁波传播速度，τ_n为目标P_n到等效采样点P_ξ,η的电磁波传播时间：

其中，C为电磁波传播速度，r_n为目标P_n到等效采样点P_ξ,η的距离，y_η＝V_r*η为雷达平台在航迹向时间η时运动的位置；

为第i个天线阵元与第i+1个天线阵元之间的间隔，ξ_i为跨航向的采样点，即阵列天线的阵元位置；为阵元个数；

本发明实施例中的发射信号可以采用FMCW波，并可以预先对FMCW波进行差频处理得到差频信号，发送至接收机，从而降低了采样频率，信号处理的实际带宽大大的降低。

同时基于上述，通过将针对观测目标的接收信号与发射信号做混频，即将(2)式与(1)式共轭相乘，得到中频信号S_re(t,η,ξ)为：

式(6)相位表达式第三项K_rτ_n²/2为残余视频相位(RVP)项。由式(6)可知，对某一个特定目标P_n而言，解斜后的中频信号S_re(t,η,ξ)为一个频率为K_rτ_n的单频信号，经过解斜处理不但大大降低了信号带宽，还可以降低数字采样频率要求，同时也简化了数据处理，直接对采样后的中频信号做离散时间逆傅里叶变换则可以得到距离压缩信号；

由于观测场景中包含多个观测目标，则整个观测场景的回波信号可以表示为：

另外，本发明实施例中的阵列成像处理，具体步骤可以包括：

步骤S1：高程向逆傅里叶变换(IFT)，对观测场景中的回波信号S_{re_arc}(t,η,ξ)沿高程向进行逆傅里叶变换，获得高程压缩后的信号(高程压缩信号)S_{arc_h}(t,η,ξ)：

其中，IFT_t表示沿高程向t进行逆傅里叶变换，t定义为高程向时间；

步骤S2：去斜及相位补偿得到第一信号，即对高程压缩信号S_h(t,η,ξ)进行去斜、剩余视频相位补偿，其中具体为根据第一补偿函数为执行上述去斜处理和相位补偿处理，第一补偿函数的表达式为：

其中，K_r为信号调频率，C为电磁波传播速度，r为天线采集信号起始和终止时刻对应的观测场景距离变量；H(r)为补偿函数，exp()为以e为底的指数函数。

经过去斜及剩余视频相位补偿的第一信号S_{IFT_RVP}(r,η,ξ)为：

对τ_n进行泰勒展开，近似可以得到：

其中，τ'_n＝2(ηsin(θ_η)+ξsin(θ_ξ)+R₀)/C；

步骤S3：幅值计算，根据跨航向阵列天线等效采样点位置和顺序对第一信号S_{h_RVP}(t,η,ξ)按照阵元间隔进行排列，得到跨航向成像数据：

其中，()'表示转置；对于高程压缩后的信号S_{h_RVP}(t,η,ξ)，沿跨航向计算在各等效采样点ξ_i即阵元处的功率，

则功率P_{h_RVP}(ξ)的最大值，

P_{h_RVP_max}＝max(P_{h_RVP}(ξ)) (14)

步骤S4：幅度补偿，对第一信号S_{h_RVP}(t,η,ξ)沿跨航向进行幅度补偿，具体为根据第二补偿函数进行幅度补偿，其中第二补偿函数的表达式为：

其中，P_{h_RVP_max}为P_{h_RVP}(ξ)最大功率，P_{h_RVP}(ξ_i)为等效采样点ξ_i的功率。

经过幅度补偿后的信号S_{h_RVP_AC}(ξ)为，

S_{h_RVP_AC}(ξ)＝S_{h_RVP}(ξ)A_{ξ_AC}(ξ) (16)

步骤S5：建立成像坐标空间，观测场景对应的图像空间离散化，具体为，

以Δθ_x、Δθ_y和Δh的像素间隔分别沿跨航向、航迹向和高程向对观测场景区域进行三维离散化得到三维斜距图像空间I(n_rxΔθ_x,n_ryΔθ_y,n_hΔh)，n_rx＝1,…,N_rx，n_ry＝1,…,N_ry，n_h＝1,…,N_h，N_rx、N_ry和N_h分别为沿跨航向、航迹向和高程向离散化后的像素点数；

步骤S6：滤波与相干叠加成像处理，对幅度补偿后的第一信号进行滤波和相干叠加，获得三维斜距图像空间中的图像的像素值，基于所述像素值获得阵列天线下视成像三维图像。

进一步如图3所示，为本发明实施例中执行滤波与相干叠加成像处理的原理流程图。其中，通过对步骤S4幅度补偿后的信号S_{h_RVP_AC}(t,η,ξ)进行滤波和相干叠加，求解图像的每个像素值；

具体为：

步骤S61：令n_rx＝1，n_ry＝1，n_h＝1，其中n_rx、n_ry和n_h表示像素计数序号；

步骤S62：生成跨航向匹配滤波器，计算等效采样点P(x_ξ,y_η,h)到图像I(n_rxΔθ_x,n_ryΔθ_y,n_hΔh)中第(n_rx,n_ry,n_h)像素对应坐标位置(n_rxΔθ_x,n_ryΔθ_y,n_hΔh)的跨航向观察角θ_ξ，并生成匹配函数，

并按照角度间隔进行排列，得到：

信号S_{h_RVP_AC}(ξ)按照跨航向阵元间隔进行排列，得到第二信号：

步骤S63：跨航向压缩，将信号S_{h_RVP_AC}(t,ξ)乘以跨航向匹配滤波函数H(ξ；n_rxΔθ_x)并沿跨航向叠加，可以获得跨航向压缩后的信号I_ξ(n_rxΔθ_x,n_hΔh)，

其中，ξ_i是跨航向等效采样点，∑_i*表示沿ξ方向进行相干求和，

步骤S64：生成航迹向匹配滤波器，计算等效采样点P(x_ξ,y_η,h)到图像I(n_rxΔθ_x,n_ryΔθ_y,n_hΔh)中第(n_rx,n_ry,n_h)像素对应坐标位置(n_rxΔθ_x,n_ryΔθ_y,n_hΔh)的航迹向观察角θ_η，并生成匹配函数，

并按照角度间隔进行排列，得到：

跨航向压缩后的信号I_ξ(n_rxΔθ_x,η,n_hΔh)，按照航迹向采样间隔进行排列，得到第三信号：

步骤S65：航迹向压缩，对于跨航向压缩后的信号I_ξ(n_rxΔθ_x,η,n_hΔh)，在航迹向求解图像的第(n_rx,n_ry,n_h)个像素对应的数值，具体的：

其中，η_j分别是航迹向的等效采样点，∑_j*表示沿η方向进行相干求和；

步骤S66：令n_h加1，若n_h≤N_h，返回至步骤62；若n_h＞N_h，继续执行步骤S67；

步骤S67：令n_rx加1，若n_rx≤N_rx，返回至步骤62；若n_rx＞N_rx，继续执行步骤S68；

步骤S68：令n_ry加1，若n_ry≤N_ry，返回至步骤62；若n_ry＞N_ry，继续执行；

步骤S69：幅度图输出，|*|表示取“*”的幅度值，令I(n_rxΔθ_x,n_ryΔθ_y,n_hΔh)＝|I(n_rxΔθ_x,n_ryΔθ_y,n_hΔh)|，得到阵列天线下视成像三维图像I(n_rxΔθ_x,n_ryΔθ_y,n_hΔh)。

通过上述配置，本发明实施例中的机载阵列天线下视三维成像方法，采用非插值成像方法对阵列天线从空间不同方向接收到的信号进行加权求和，以形成指向某个特定方向的波束，加权求和时的权矢量决定波束的指向，进而决定了波束的主瓣对准目标信号，波束的零瓣对准噪声及干扰信号，提高成像质量，其具备以下优势：首先，本发明实施例能够满足航迹向和跨航向非均匀采样的特殊情况下场景成像，很好的解决了跨航向阵列排列不均匀、阵元一致性不好等等原因造成的阵元间隔不等的问题；另外还可以对各阵元接收到的信号进行了幅度补偿，保证了各通道的信号强度的一致性；以及还可以按照特定的角度形成波束，通过逐个角度进行像素叠加成像，精度比较高；并且在满足一定精度的情况下，本发明实施例能够很大程度提高运算效率；另外，本发明实施例中的发射信号可以采用FMCW波，在接收机前端完成差频处理，得到差频信号，降低了采样频率，信号处理的实际带宽大大的降低。

另外，本发明实施例还可以提供一种机载阵列天线下视三维成像系统，其应用如上述实施例所述的机载阵列天线下视三维成像方法，并且该系统可以包括：数据处理设备，并且该数据处理设备可以配置为：对三维阵列天线下的观测场景中的回波信号进行傅里叶变换，获得高程压缩信号；对所述高程压缩信号进行去斜和相位补偿处理，以获得第一信号；按照预设准则对所述第一信号按照阵元间隔进行排列，获得跨航向成像数据；对所述第一信号沿跨航向进行幅度补偿；建立成像坐标空间，对观测场景对应的图像空间离散化，得到三维斜距图像空间；对幅度补偿后的第一信号进行滤波和相干叠加，获得三维斜距图像空间中的图像的像素值，基于所述像素值获得阵列天线下视成像三维图像。

其中，所述数据处理设备进一步配置为将针对一个观测目标接收信号和发射信号进行混频处理，获取该观测目标的中频信号；并将观测场景下全部观测目标的中频信号进行加和得到三维阵列天线下的观测场景中的回波信号。

其中，所述数据处理设备进一步配置为利用第一预设补偿函数对所述高程压缩信号进行去斜和剩余视频相位补偿，获取第一信号；其中所述补偿函数为：

其中，K_r为信号调频率，C为电磁波传播速度，r为天线采集信号起始和终止时刻对应的观测场景距离变量，H(r)为补偿函数，exp()为以e为底的指数函数。

本发明实施例中的数据处理设备可以执行如上述方法的配置，具体在此不再赘述，可以参照上述方法实施例。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的数据处理方法所应用于的电子设备，可以参考前述产品实施例中的对应描述，在此不再赘述。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。