基于Keystone变换的地基合成孔径雷达三维成像方法技术

本发明专利技术提供一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达三维成像方法，基于三维GB‑SAR系统回波信号模型特点，利用Keystone变换校正回波中的线性分量来实现三维回波信号的距离徙动校正；在横向聚焦方面，为解决不同角度下目标横向调制不同的问题，通过对三维数据进行横向多视划分，对各子块数据采用子块内对应的参考函数实现去调频，从而完成不同角度下目标的聚焦处理；在本方法的处理过程中，仅用到线性插值、FFT运算和复数乘法运算，大大节省了运算量，可满足系统三维场景的实时成像要求。

【技术实现步骤摘要】
基于Keystone变换的地基合成孔径雷达三维成像方法
本专利技术涉及雷达成像
，尤其涉及一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达三维成像方法。
技术介绍
地基合成孔径雷达(Ground-basedSyntheticApertureRadar,GB-SAR)系统是一种新型的合成孔径雷达技术，可实现全天时全天候下的大区域范围内监测成像，且具有精度高、数据获取时间短等优点，将星载SAR中的差分干涉技术应用于GB-SAR系统来进行形变测量，可达到毫米级甚至亚毫米级的精度，被广泛用于对露天矿，滑坡，建筑物及结构，冰川雪山的形变监测等。传统的GB-SAR成像系统所获取的二维图像，实际是三维空间内分布的散射目标在斜距-方位向的二维平面上的投影，因此，为了获取监测场景中的目标散射体在高度维的分布信息，解决信息缺失的问题，三维GB-SAR系统被采用，其通过天线的运动获得方位向和俯仰向上的两维大孔径，来实现横向两维分辨，配合发射大时宽带宽积信号，可以实现真正的三维成像，同时将差分干涉技术应用于三维GB-SAR系统，来实时获取场景的三维形变量，可以实现灾害预测、地质结构监测等功能。成像技术是三维GB-SAR成像系统研究的关键问题。三维GB-SAR回波数据需要经过回波信号处理生成三维SAR图像，因此信号处理的时间开销直接影响系统实时监测性能。目前已有多种GB-SAR成像算法被提出：BPA(BackProjectionAlgorithm，后向投影算法)，该算法具有精确度高、分辨性能好的特点，可以用任何数据采集几何关系下的SAR信号成像处理，但其运算量很大，尤其是对于成像区域较大、方位积累点数多的GB-SAR数据，其实时处理能力较差，不利于系统对形变目标的实时监测；。在伪极坐标下成像的FPFA(Far-fieldPseudopolarFormatAlgorithm，远场伪极坐标格式算法)，核心是通过对目标距离史进行线性近似，来实现高效率地聚焦，但该算法仅适用于远场范围内目标成像，近场目标则会出现散焦现象。三维安检系统中常用的波数域成像算法RMA(RangeMigrationAlgorithm，又称为距离徙动算法)，其利用目标的散射函数与其空间谱支撑域满足傅里叶变换的关系，从回波数据中获得目标空间谱分布信息，结合空间谱变形、填充等处理，最终获得关于观测目标特征的成像结果，然而其对stolt插值精度要求较高，运算量仍旧较大，不适用于实时成像系统。因此，为了实现大场景宽视角范围内的三维场景快速成像，需要提出一种高效、准确的三维成像算法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达三维成像方法(ThreeDimensionalKeystoneformattingandSubblockDechirp,3D-KSD)，能够使三维GB-SAR成像系统实现在大场景宽角度范围内快速聚焦。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达三维成像方法，包括：步骤一、对地基合成孔径雷达回波信号进行距离向脉冲压缩，得到三维基带信号；步骤二、对所述三维基带信号进行距离向傅里叶变换，通过Keystone变换进行距离徙动校正，对距离徙动校正后的三维信号进行距离向逆傅里叶变换得到三维时域信号；步骤三、将所述三维时域信号进行横向二维傅里叶变换到距离多普勒域；按照设定划分方式对信号进行子块划分；步骤四、将每个子块进行二维逆傅里叶变换到时域，然后在时域内将各子块与对应的参考信号进行去调频Dechirp处理；将各子块的去调频Dechirp处理结果相加，然后经横向二维傅里叶变换，得到在距离多普勒域(ρ,sinθ,sinφ)内采样的三维成像结果。可选的，所述步骤一中对地基合成孔径雷达回波信号进行距离向脉冲压缩包括：对地基合成孔径雷达回波信号进行下变频到基带信号，然后通过匹配滤波实现距离向脉冲压缩处理。可选的，所述步骤三包括：将所述三维时域信号进行横向二维傅里叶变换，得到距离多普勒域三维信号S(ρ,sinθ,sinφ；ρ0,θ0,φ0)；子块划分时以Dechiring操作残余误差小于π/8为边界条件，得到横向子块划分长度上限Δ'(ρ)；设定划分方式包括：a)对距离单元ρ，计算“常规块”的方位向点数n(ρ)为：所述“常规块”表示距离单元中点数相同的各块；υsinθ表示数字离散信号在sinθ域的采样间隔；表示向下取整运算；b)计算距离单元ρ的方位向分块数m(ρ)为：Na表示sinθ域的采样点数；c)若Na可以被n(ρ)整除，则将距离单元ρ内的Na个点均匀划分为m(ρ)个方位向点数为n(ρ)的子块；d)若Na/n(ρ)有余数rem(Na/n(ρ))，则该距离单元ρ仍然划分为m(ρ)块，其中包括m(ρ)-2个等长的、点数为n(ρ)的子块，排列在sinθ轴中间；其余两子块的点数分别为n1(ρ)和n2(ρ)，满足n1(ρ)+n2(ρ)＝n(ρ)+rem(Na/n(ρ))，两者分别排列在sinθ轴的两端；按照上述步骤a)～d)，即可得到各距离单元的方位向分块结果；俯仰向分块同样可参照上述步骤a)～d)实现，俯仰向分块数为p(ρ)。可选的，所述步骤四包括：将每个子块进行二维逆傅里叶变换到(xm,yj)域得到：其中，表示方位向第i子块内信号在xm域能量的中心，表示方位支撑域宽度，表示俯仰向第k子块内信号在yj域能量的中心，表示俯仰支撑域宽度；在(ρ,xm,yj)域内各子块与各自对应的参考信号相乘完成去调频Dechirp处理；各子块参考信号fd(xm,yj；ρ；i,k)以子块中心正弦(sinθi，sinφk)和距离ρ为参考构造如下：式(3)与式(4)相乘完成第(i,k)子块去调频Dechirp处理，将距离单元ρ内的所有子块处理结果相加，得到该距离单元去调频Dechirp结果为：然后经横向二维傅里叶变换，得到在距离多普勒域(ρ,sinθ,sinφ)内采样的三维成像结果。本专利技术的有益效果是：本专利技术针对三维GB-SAR成像系统中在大场景宽视角场景下成像运算量过大的问题，提供一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达三维成像方法——3D-KSD，基于三维GB-SAR系统回波信号模型特点，得出一种基于Keystone变换的多视聚焦三维成像算法，其利用Keystone变换校正回波中的线性分量来实现三维回波信号的距离徙动校正；在横向聚焦方面，为解决不同角度下目标横向调制不同的问题，通过对三维数据进行横向多视划分，对各子块数据采用子块内对应的参考函数实现去调频，从而完成不同角度下目标的聚焦处理；在本方法的处理过程中，仅用到线性插值、FFT运算和复数乘法运算，大大节省了运算量，可满足系统三维场景的实时成像要求。该方法适用于包括近场区域在内的三维GB-SAR成像系统应用场合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，包括：/n步骤一、对地基合成孔径雷达回波信号进行距离向脉冲压缩，得到三维基带信号；/n步骤二、对所述三维基带信号进行距离向傅里叶变换，通过Keystone变换进行距离徙动校正，对距离徙动校正后的三维信号进行距离向逆傅里叶变换得到三维时域信号；/n步骤三、将所述三维时域信号进行横向二维傅里叶变换到距离多普勒域；按照设定划分方式对信号进行子块划分；/n步骤四、将每个子块进行二维逆傅里叶变换到时域，然后在时域内将各子块与对应的参考信号进行去调频dechirp处理；将各子块的去调频dechirp处理结果相加，然后经横向二维傅里叶变换，得到在距离多普勒域(ρ,sinθ,sinφ)内采样的三维成像结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，包括：
步骤一、对地基合成孔径雷达回波信号进行距离向脉冲压缩，得到三维基带信号；
步骤二、对所述三维基带信号进行距离向傅里叶变换，通过Keystone变换进行距离徙动校正，对距离徙动校正后的三维信号进行距离向逆傅里叶变换得到三维时域信号；
步骤三、将所述三维时域信号进行横向二维傅里叶变换到距离多普勒域；按照设定划分方式对信号进行子块划分；
步骤四、将每个子块进行二维逆傅里叶变换到时域，然后在时域内将各子块与对应的参考信号进行去调频dechirp处理；将各子块的去调频dechirp处理结果相加，然后经横向二维傅里叶变换，得到在距离多普勒域(ρ,sinθ,sinφ)内采样的三维成像结果。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中对地基合成孔径雷达回波信号进行距离向脉冲压缩包括：
对地基合成孔径雷达回波信号进行下变频到基带信号，然后通过匹配滤波实现距离向脉冲压缩处理。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三包括：
将所述三维时域信号进行横向二维傅里叶变换，得到距离多普勒域三维信号S(ρ,sinθ,sinφ；ρ0,θ0,φ0)；子块划分时以Dechiring操作残余误差小于π/8为边界条件，得到横向子块划分长度上限Δ'(ρ)；设定划分方式包括：
a)对距离单元ρ，计算“常规段”的方位向点数n(ρ)为：



所述“常规段”表示距离单元中点数相同的各段；υsinθ表示数字离散信号在sinθ域的采样间隔；表示向下取整运算；
b)计算距离单...

【专利技术属性】
技术研发人员：田卫明，杨文雨，胡程，曾涛，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50