[发明专利]一种双站线阵三维成像合成孔径雷达快速成像方法

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。

主权项

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平台初始位置矢量雷达发射电磁波的波数，记做K_c，接收机线阵天线各阵元相对平台中心位置，记做P_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T_p，雷达接收波门持续宽度，记做T_d，雷达接收系统的采样频率，记做f_s，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T_D；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K_c，雷达发射基带信号的信号带宽B，雷达发射信号脉冲宽度T_p，雷达接收波门持续宽度T_d，雷达接收系统的采样频率f_s，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、收平台速度矢量及初始位置矢量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D_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E_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＝{(x_i，y_j，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(x_i，y_j)，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σ_max(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(x_i，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h_p(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σ_max(x，y)，选取y＝0行的σ_max(x_i，0)，i＝0…6，分别计算这一组值的中值和方差σ_med、s_σ，利用式子β=abs(2σmed2-sσ2)/2σmed]]>得到均值幅度β，按照3dB带宽检测准则，即为分布函数的概率均值、s_σ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，h_p)进行成像，得到点(7，0，h_p)的后向散射系数σ(7，0，h_p)；当σ(7，0，h_p)＜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，h_p+Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，h_p+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，h_p+Δh)是否大于门限θ，如果σ(7，0，h_p+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，h_p+2Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，h_p+2Δh)，当σ(7，0，h_p+2Δh)＜σ(7，0，h_p+Δh)，跳出本次搜索，且取σ_max(7，0)＝σ(7，0，h_p+Δh)，h(7，0)＝h+Δh，当σ(7，0，h_p+2Δh)＞σ(7，0，h_p+Δh)，对点(7，0，h_p+3Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，h_p+3Δh)，当σ(7，0，h_p+3Δh)＜σ(7，0，h_p+2Δh)，跳出本次搜索，且取σ_max(7，0)＝σ(7，0，h_p+2Δh)，h(7，0)＝h+2Δh  ，当σ(7，0，h_p+2Δh)＜σ(7，0，h_p+Δh)，继续本次的上行操作，直至得到满足条件σ(7，0，h_p+(k-1)Δh)＜σ(7，0，h_p+kΔh)＞σ(7，0，h_p+(k+1)Δh)的k值，此时令σ_max(7，0)＝σ(7，0，h_p+kΔh)，h(7，0)＝h+kΔh；当σ(7，0，h_p+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，h_p-Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，h_p-Δh)，如果σ(7，0，h_p-Δh)＞θ，对点(7，0，h_p-2Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，h_p-2Δh)，如果σ(7，0，h_p-2Δh)＜σ(7，0，h_p-Δh)，跳出本次搜索，且令σ_max(7，0)＝σ(7，0，h_p-Δh)，h(7，0)＝h-Δh，当σ(7，0，h_p-2Δh)＞σ(7，0，h_p-Δh)，对点(7，0，h_p-3Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，h_p-3Δh)，当σ(7，0，h_p-3Δh)＜σ(7，0，h_p-2Δh)，跳出本次搜索，且取σ_max(7，0)＝σ(7，0，h_p-2Δh)，h(7，0)＝h-2Δh，当σ(7，0，h_p-3Δh)＞σ(7，0，h_p-2Δh)继续本次的下行操作，直至得到满足条件σ(7，0，h_p-(k-1)Δh)＜σ(7，0，h_p-kΔh)＞σ(7，0，h_p-(k+1)Δh)的k值，此时令σ_max(7，0)＝σ(7，0，h_p-kΔh)，h(7，0)＝h-kΔh；其中k＝2…ΔhH/2；当σ(7，0，h_p-Δh)＜θ，转入k＝2处的上行操作，当σ(7，0，h_p+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，h_p)＞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，h_p+Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，h_p+Δh)，对三维成像空间中的点(7，0，h_p-Δh)进行成像，得到该点的后向散射系数σ(7，0，h_p-Δh)，Δh意义同上；当σ(7，0，h_p-Δh)＜σ(7，0，h_p)＞σ(7，0，h_p+Δh)，跳出本次搜索，且取σ_max(7，0)＝σ(7，0，h_p)，h(7，0)＝h；当σ(7，0，h_p-Δh)＜σ(7，0，h_p)＜σ(7，0，h_p+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，h_p-Δh)＞σ(7，0，h_p)＞σ(7，0，h_p+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，h_p-Δh)＞σ(7，0，h_p)＜σ(7，0，h_p+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σ_max(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(x_i，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σ_max(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(x_i，y_j)，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σ_max(x_i，y_j)及对应的高度h(x_i，y_j)；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(x_i，y_j)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。