文摘

三维(3 d)基于天线阵列的成像技术是最重要的一个3 d合成孔径雷达(SAR)高分辨率成像模式。本文提出了一种新的3 d成像方法对机载SAR眼朝下稀疏阵列基于成像几何和回波信号的特点。该算法的关键是引入一个特殊斜视模式交叉跟踪处理获得精确聚焦。在这个特殊的斜视模型中,点目标航迹位置不同有不同的斜视角度相同的距离分辨单元,这是与传统的斜视SAR不同。然而,经过理论分析和公式推导,成像过程可以与统一引用函数,处理和相位补偿因子和算法实现过程中演示了细节。方法只需要傅里叶变换和乘法,因此避免了篡改,它是计算效率。模拟与散射点是用来验证方法。

1。介绍

传统的合成孔径雷达(SAR)利用脉冲压缩和合成孔径技术,形成高分辨率的二维(2 d)观察到的图像区域与天气独立和全天的操作能力(1,2]。然而,传统的二维SAR在侧视或斜视模式下工作,不能获得场景的三维信息。与二维SAR相比,三维SAR地面地形和森林中有着独特的优势高度估计和求解停留效应在自然或城市地区。Multibaseline SAR层析成像是一种先进的3 d SAR成像模式,它利用Multibaseline自然允许区分多个散射在同一方位距离分辨单元内不同高度。因此,它允许测量散射分布在3 d空间。目前SAR层析成象,不幸的是,它几乎是不可能避免repeat-pass数据采集的轨道不均匀分布,也就是高度的强劲歧义的主要原因(3,4]。

眼朝下阵SAR是一种创新的成像模式,它在1999年首次引入Gierull [5]。眼朝下阵SAR, 3 d决议获得通过应用脉冲压缩技术方向,虚拟在方位方向孔径合成原理和线性阵列孔径合成航迹方向(6- - - - - -8]。眼朝下阵SAR可以克服限制的阴影和躺在侧视SAR,也避免影响SAR层析成象的高度歧义问题造成的轨道分布不均匀。然而,眼朝下阵SAR需要更多的A / D采样设备和数据采集设备比传统SAR回波记录。因此,稀疏线性阵列与多输入多输出(MIMO)模式通常用于眼朝下SAR数组,这有助于降低系统的复杂性(9,10]。

由于其先进的性能,眼朝下阵SAR已经吸引了广泛关注。两个机载眼朝下阵SAR系统,驱动(11]和ARTINO [6),分别在那里和FGANFHR正在开发。克莱尔(6)改变了双基地配置单站一个基于等效相位中心原则,提出了3 d成像算法交叉跟踪成像使用波束成型操作。然而,细胞迁移范围并不考虑。杜et al。12)做了一个改善的方法6]。他们加入了距离迁移校正成像处理扩大成像场景航迹方向的宽度。然而,本文中使用的数字波束形成技术需要逐点计算和插入的点扩散函数集中仰角。因此,这种方法患有严重的计算复杂度。Giret et al。13对双平方根)做了一些简化与菲涅耳近似和提出了一个算法来源于单站的配置。算法的缺点是菲涅耳近似引起的测距误差。随后,一个精确的3 d聚焦算法基于范围迁移算法(RMA)提出了在7),但需要3 d stolt插值。在最近的一次工作,基于压缩感知(CS)的一些方法被应用于SAR成像阵列(14,15),提供一种改进的交叉跟踪方向分辨率。然而,这些方法遭受严重的计算负荷和难以实现实时成像。

本文的主题是介绍一个准确和高效的三维眼朝下稀疏阵SAR成像算法。根据空间几何和分析回波信号模型,特别介绍了斜视模式交叉跟踪关注。相位补偿因子和算法实现过程中演示了细节。

剩下的纸是组织如下。部分2介绍了几何和机载眼朝下稀疏阵SAR系统的原则。节3,一种新颖的三维成像算法眼朝下稀疏阵SAR详细描述。方法调查部分的性能4。最后,部分5简要的结论。

2。机载SAR眼朝下稀疏阵列的几何模型

图1显示了眼朝下稀疏阵列的几何SAR (15]。表示方位的方向,十字架表示跟踪方向,表示高度方向。雷达平台的速度飞行高度沿着设在与速度。稀疏线性阵列安装在航迹方向沿着机翼和设计基于ARTINO阵列分布。这是因为ARTINO阵列分布非常便于硬件实现(16]。稀疏线性数组组成发射天线元素和接收天线元素和工作时间划分模式。每一次,只有一个发射天线元素传递信号,同时接收回波的接收天线元素(6]。发射天线元素工作顺序和获得一个孔径合成周期,直到所有发射天线元素已经工作了一次。

根据等效相位中心的原则,形成的稀疏线性阵列ARTINO阵列分布可以相当于一个虚拟的均匀线性阵列(6,10]。虚拟天线阵列组成虚拟元素和每个虚拟元素本身传输和接收。这些虚拟天线元素均匀分布在翅膀和集中设在。每个虚拟天线元素的平均位置位于一个真正的单一传输元素和一个真正的单一接收元素。图2显示每个天线的发射和接收订单眼朝下稀疏阵SAR的元素。目标在成像场景,与表示发射天线元素,与表示接收天线元素。如图2,发射天线元素按顺序工作。天线元素传输信号,同时接收回波的接收天线元素。然后天线元素传输信号,循环这个过程,直到整个发射天线元素做了一次,然后获得一个孔径合成期。

3所示。三维成像算法的机载SAR眼朝下稀疏的数组

基于等效相位中心的原则,时间分割模式形成的稀疏线性阵列等于一个虚拟线性数组,每个虚拟天线元素传输和接收信号本身。

3.1。等效相位误差补偿

考虑图中所示的数据采集1。在缓慢的时间,发射和接收天线元素的位置是由()和(),分别。然后发送和接收路径和的点散射体定位在()是由 在哪里表示方位和位置和十字架表示跟踪的位置发射天线元素和th接收天线元素,分别。

然后发送和接收路径之和的点散射体包含两个根,这将导致复杂的计算下列成像过程。当发射和接收天线元素之间的距离远小于观测距离的雷达,上面的完整路径旅行可以等于双回波路径从虚拟天线元素位于点散射体基于等效相位中心的原则(6]。和等效回声路径可以写成 然后,虚拟天线之间的相位差和现实天线元素应该得到补偿 在哪里是波长,。

3.2。运动补偿

此外,机载SAR眼朝下稀疏阵列在时间划分工作模式;虚拟天线元素获得不同脉冲重复周期并不在一条直线的运动平台。因此,为了获得一个完全分布式虚拟均匀线性阵列,应该实现运动补偿。造成的补偿阶段超越或滞后阶段由于位置不同的天线是由元素 在哪里方位样本数量和吗移动间距吗th和第一个发射天线元素在方位方向。是平台的速度和脉冲重复频率脉冲重复频率。

3.3。回波信号

在上述过程中,机载SAR眼朝下稀疏阵列的收集的数据可以被视为由完全分布式虚拟线性阵列接收。对于一个任意点散射体的位置,之间的距离th虚拟天线散射体是由元素和点 在哪里方位和时间吗。收到的回波信号虚拟天线元素可以写成 在哪里表示时间快,表示的交叉跟踪位置th虚拟天线元素,的方位时间点散射体,光的速度,频率范围,是矩形窗函数范围内方向,是矩形窗函数在方位方向。

3.4。方位和距离压缩

所接收到的信号中每个虚拟天线元素机载SAR眼朝下稀疏阵列可视为在侧视模式下接收到的回波数据,经典的二维成像方法可以用于处理接收到的数据通过每个虚拟天线元素,可以发现在17,18]。

因此,SAR图像对应th虚拟天线元素,它是获得方位和距离方向聚焦后,可以表示为17,18] 在哪里集中的振幅点目标,带宽范围,方位的带宽。

3.5。交叉跟踪压缩

假设每个虚拟天线收到的信号元素已经被range-Doppler聚焦算法,然后二维SAR图像可以获得交叉跟踪方向,如图3。在这里是虚拟天线元素的数量。如果所有的SAR图像已经coregistered第一,然后,在成像区域,每个点的方位位置目标SAR图像是不变的,而只有虚拟天线元素之间的距离和点目标随虚拟天线元素的位置。因此,range-cross追踪部分对应于一个方位位置可以聚焦。机载眼朝下的三维图像数组SAR可以处理所有获得的部分相同的过程。

然后range-cross跟踪部分对应方位可以写成 在哪里。作为对成像过程没有影响,它将被忽略在以下分析。之间的倾斜范围th虚拟天线元素和点目标定位在在这一节中给出了

从(8)我们可以得到目标响应sinc函数,与峰值的位置分布沿航迹方向的轨迹。为了简化进一步分析,我们重画横track-height截面的几何关系图4。可以看出真正的天线阵列长度远小于成像大小交叉跟踪方向,对点目标位于同一高度位置,轨迹和扫描角度范围是不同的。不同于SAR在斜视模式下工作的特点,作为重点目标位于同一高度位置有相同的轨迹和扫描角度范围为传统的斜视SAR。因此,我们介绍一个特殊的交叉斜视模型跟踪成像在机载SAR眼朝下数组。在这个特殊的斜视模型中,目标点之间的距离和天线阵的中心被定义为等效斜视的范围,和相应的扫描角斜视角的定义是等价的。然后,从图4,我们可以得到的点目标不同的航迹位置有不同的斜视角度和斜视范围这个特殊的斜视模型中在相同的高度。和之间的倾斜范围th虚拟天线元素和点目标定位在)也可以写成 在哪里

作为目标的响应分布沿航迹方向的轨迹。为了集中精力去实现航迹方向的聚焦,工作只有沿着这个轨迹。然而,目标指向不同高度的范围轨迹交错,和十字架跟踪聚焦在时域很难实现。转换表达的信号(8)到range-cross追踪二维频域通过固定相的方法。然后,我们有 在哪里频率范围,是交叉跟踪频率,频率范围改变来自哪里来在频域交叉跟踪依赖交叉跟踪频率和范围 和相位函数表示为

有助于进一步分析,展开成泰勒级数 在哪里 在(15),第一项代表航迹方向的调制,确定航迹压缩;第二项包含范围的信息迁移,反映出目标位置的方向;第三和第四项二级压缩项目范围,显示范围和交叉耦合的跟踪信号频谱;其他高阶术语(力量大于3)非常小,因此可忽略的。

从(15)我们可以得到范围迁移和二级压缩项目范围取决于等效斜视的范围和斜视角度点目标,和等效斜视的范围和斜视角度随目标的位置点。然而,从图4我们可以得到,当目标定位在相同的高度,这个词是一个常数,这是无关紧要的目标位置和等于最短的距离从目标到天线阵列。因此,迁移和二次范围压缩项目范围可以补偿均匀,可由目标位置的独立。

从(15),距离迁移校正的参考函数可以写成 和次要的参考函数范围压缩可以写成 从(17)和(18),我们得到的距离迁移校正项和二次范围压缩项依赖于目标的高度。在现实情况下,我们使用倾斜范围更换范围()的成像处理时,现场宽度相对小于平台和目标之间的距离。

距离迁移校正和二次范围压缩后,每个点的轨迹范围目标将纠正一行约。将信号转换为time-cross跟踪频域范围,并给出压缩信号范围

下一步是进行交叉跟踪关注。变换信号(19)到range-cross跟踪2 d时域 在第一阶段(20.)代表一个二次失真,可以补偿由deramp处理。和二次相交叉引用函数跟踪deramp处理 然后交叉跟踪方向进行傅里叶变换在每个门实现交叉跟踪范围压缩,和集中range-cross跟踪图像可以表达的 在哪里的有效孔径航迹方向。

从(22),可以看出,在频域交叉跟踪解决

此外,基于SAR回波信号的多普勒特性分析(19),交叉跟踪频率之间的关系和交叉的轨道位置点目标可以写成

因此,从(23)和(24),交叉跟踪决议可以计算

从(25)我们可以得到交叉跟踪决议并不是一个常数,它随平台和目标之间的垂直距离。

当所有的range-cross跟踪部分对应于每个方位位置处理上述过程后,空中的三维图像眼朝下SAR可以实现数组。从(8)和(22),我们得到的三维点扩散函数机载眼朝下SAR可以表示为数组

4所示。仿真结果

在本节中,点目标仿真进行验证了成像算法的有效性。用于仿真的主要参数表中列出1。

在这里,我们假设有9个点位于现场的目标。9点目标的位置参数如表所示2。图5显示了方位和距离中心天线元素的二维成像结果。因为重点目标位于对称的飞行方向分辨率成像在一个细胞,可以看出,只有5点目标,如图5聚焦后的方位和范围。

3 d成像处理利用该算法本文最后的3 d图像的表面在−30 dB在图绘制6。正如所料,重建图像在三维空间中,和9点的位置目标与实际情况在表一致2。从图6我们可以得到的左/右歧义造成的点目标对称区间距离两边的飞行方向交叉跟踪成像处理后可以解决。

为了反映成像结果的详细特征,重点目标位于(8,500)提取个人分析。图7显示了等高线提取的点目标的成像结果。图7(一)显示的2 d图像目标指向range-cross跟踪部分。图7 (b)显示的2 d图像目标指向azimuth-cross跟踪部分。图7 (c)显示的2 d图像点目标方位-距离部分。从图7,很明显,常规的形状轮廓图,主要叶和侧叶明显分歧,表明关键目标是集中。

然后,图像质量的参数,即峰值旁瓣比(PSLR)和积分旁瓣比(ISLR),用于测试该方法的性能和集中质量。以点目标位于(8,500)作为一个例子,图8显示了配置文件的方位、范围、和交叉跟踪压缩。从上面的仿真结果,我们可以得到压缩结果所有sinc函数的形状。表3给点目标的性能参数。PSLR和ISLR接近理想值。

5。结论

眼朝下阵SAR可以重建3 d图像观察区域和克服限制的阴影和躺在侧视SAR的影响。因此,眼朝下阵SAR具有挑战性的三维数字地图的潜力,复杂的地形测绘,等等。在本文中,一种新颖的三维能够聚焦眼朝下SAR数据的成像算法。方法背后的原理是基于一个特殊的斜视模式交叉跟踪处理获得精确聚焦。和相位补偿因子和算法实现过程中演示了细节。此外,该方法只需要傅里叶变换和乘法,使它适合于实际应用。眼朝下稀疏阵列的SAR原始数据模拟和三维图像。模拟数据的结果证实了该方法的有效性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金支持下授予61201390和61201389,基础研究基金资助下的河南省高校2014 ywqq10,和河南科技大学青年骨干教师计划。