[發明專利]一種星機雙基前下視陣列SAR三維稀疏成像技術

在審

• 申請號: 201910307894.1
• 申請日: 2019-04-17
• 公開（公告）號: CN110109103A
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 韋順軍;閆敏;王謀;張星月;張曉玲;師君
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90;G01S7/41
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 曾磊

1.一種星機雙基前下視陣列SAR三維稀疏成像技術，它包括以下幾個步驟：

步驟1、設置星機雙基陣列SAR的雷達衛星發射機參數：

設置星機雙基陣列SAR的雷達衛星發射機參數，包括：雷達衛星發射信號的載頻，記為f_c；雷達衛星發射信號的調制頻率，記為f_dr；雷達衛星發射信號的帶寬，記為B；雷達衛星采用正側視工作模式，雷達衛星發射機的正側視入射角，記為θ_T；電磁波在空氣中的傳播速度，記為C；雷達衛星的觀測空間設為地面三維坐標系，記為X-Y-Z，其中X表示水平面橫軸，Y表示水平面縱軸，Z表示水平垂直軸；衛星沿著Y軸平行方向進行勻速直線運動；雷達衛星發射系統的初始參考位置，記為P_T(0)；雷達衛星發射系統在第n個慢時刻的位置，記為P_T(n)；其中P_T(0)＝(x_T,y_T,z_T)，P_T(n)＝P_T(0)+V_T·n，0≤n≤N_S，其中x_T記為雷達衛星在X軸的初始位置且x_T＝H_T·tanθ_T，y_T記為雷達衛星在Y軸的初始位置，z_T記為雷達衛星在Z軸的初始位置且z_T＝H_T，H_T記為雷達衛星發射機的高度，V_T記為衛星的運動速度矢量，n記為慢時刻序號且n為自然數，N_S記為雷達衛星一個合成孔徑時間內的慢時刻總數，tan(·)表示正切值函數；

步驟2、設置星機雙基陣列SAR的飛機雷達接收機參數：

設置星機雙基陣列SAR的飛機雷達接收機參數，包括：飛機雷達接收機的觀測空間與步驟1設置相同；飛機搭載線性陣列天線進行回波信號接收，線性陣列天線沿X軸平行方向等間隔均勻分布，飛機沿Y軸平行方向進行勻速直線運動；飛機雷達接收機采用前下視工作模式，飛機雷達接收機的前下視入射角，記為θ_R；飛機雷達接收機的初始參考位置，記為P_R(0)；飛機雷達接收機中第m個線陣陣元在第n個慢時刻的位置，記為P_R(m,n)；其中，P_R(0)＝(x_R,y_R,z_R)，P_R(m,n)＝P_R(0)+V_R·n+d_R(m)，0≤n≤N_S,0≤m≤N_A，其中x_R記為飛機在X軸的初始位置且x_R＝H_R·tanθ_R，y_R記為飛機在Y軸的初始位置，z_R記為飛機在Z軸的初始位置且z_R＝H_R，H_R記為飛機雷達接收機的高度，m記為線性陣列天線的第m個陣元且m為自然數，V_R記為飛機的運動速度矢量，d_R(m)記為線性陣列天線中第m個陣元的相對位置且d_R(m)＝((m-N_A/2)L_A/N_A,0,0)，N_A記為線性陣列天線的陣元總數；線性陣列天線的總長度，記為L_A；根據星機雙基陣列SAR成像方案，本發明所需的星機雙基陣列SAR的雷達衛星發射機和飛機雷達接收機參數均為已知；

步驟3、設置星機雙基陣列SAR的觀測場景目標空間參數：

設置星機雙基陣列SAR的觀測場景目標空間參數，包括：以雷達波束照射場斜距平面Y-R和垂直于該水平面向上的水平面橫軸X所構成的空間直角坐標系X-Y-R作為星機雙基陣列SAR的觀測場景目標空間Ω₀，其中該成像空間的水平面橫軸X和縱軸Y與步驟1中觀測空間的水平面橫軸X和縱軸Y相同，R表示雷達距離向；

將目標空間Ω₀均勻劃分為大小相等的三維離散分辨單元網格，記為Ω₀(i,j,k)，其中i,j,k分別為自然數，并且i＝1,2,…,N_X，j＝1,2,…,N_Y，k＝1,2,…,N_R，i記為Ω₀(i,j,k)在水平面橫軸X的第i個單元，j記為Ω₀(i,j,k)在水平面縱軸Y的第j個單元，k記為Ω₀(i,j,k)在距離向R的第k個單元，N_X、N_Y和N_R分別記為目標空間Ω₀在水平橫軸X、水平縱軸Y和距離向R的單元網格總數，d_x，d_y和d_r分別記為單元網格在水平橫軸X、水平縱軸Y和距離向R的相鄰單元間隔，三維空間Ω₀(i,j,k)的維數為N_X×N_Y×N_R；觀測場景目標空間第k個距離向對應的水平橫軸X和水平縱軸Y所構成的平面網格，記為Ω_k(i,j)，k＝1,2,…,N_R，其中Ω_k(i,j)維數為N_X×N_Y，Ω_k(i,j)也稱為Ω₀(i,j,k)的第k個等距離切片；目標空間Ω₀的參考位置中心，記為P₀；第k個等距離切片Ω_k(i,j)的第i個橫軸、第j個縱軸對應單元網格的位置，記為P_k(i,j)，i＝1,2,…,N_X，j＝1,2,…,N_Y，k＝1,2,…,N_R；第k個等距離切片Ω_k(i,j)的第i個橫軸、第j個縱軸對應單元網格元素的散射系數，記為σ_k(i,j)，i＝1,2,…,N_X，j＝1,2,…,N_Y，k＝1,2,…,N_R；第k個等距離切片Ω_k(i,j)對應的距離向快時間，記為t_k，k＝1,2,…,N_R，t_k的維數為N_R；根據星機雙基陣列SAR成像觀測方案，本發明所需的星機雙基陣列SAR觀測場景目標空間參數均為已知；

步驟4、計算星機雙基陣列SAR的雙基距離歷史：

采用公式R_k,m,n(i,j)＝||P_T(n)-P_k(i,j)||₂+||P_R(m,n)-P_k(i,j)||₂，計算得到在第n個慢時刻，目標空間Ω₀中第k個等距離切片Ω_k(i,j)到機雙基陣列SAR雷達衛星發射機和飛機雷達接收機的雙程距離歷史，記為R_k,m,n(i,j)，i＝1,2,…,N_X，j＝1,2,…,N_Y，k＝1,2,…,N_R，m＝1,2,…,N_A，n＝1,2,…,N_S，其中P_T(n)和P_R(m,n)分別為步驟1和步驟2得到的第n個慢時刻雷達衛星發射機和飛機雷達接收機中第m個線陣陣元的位置，P_k(i,j)為步驟3得到的第k個等距離切片Ω_k(i,j)第i個橫軸和第j個縱軸對應單元網格的位置，||·||₂表示向量的L2范數運算符號；為簡單起見，本專利下文中用符號R_k,l(i,j)代替符號R_k,m,n(i,j)，l表示為第l個天線相位中心，其中l為自然數且l＝1,2,…,N_AN_S；

采用公式R₀＝||P_T(0)-P₀||₂+||P_R(0,0)-P₀||₂，計算得到初始零時刻目標空間Ω₀參考位置中心P₀到雙基陣列SAR雷達衛星發射機和飛機雷達接收機的參考距離歷史，記為R₀，其中P_T(0)和P_R(0,0)分別為步驟1和步驟2得到的雷達衛星發射機和飛機接收機的初始參考位置，P₀為步驟3得到的目標空間Ω₀的參考位置中心位置；

步驟5、構建星機雙基陣列SAR距離向回波信號的測量矩陣：

初始化星機雙基陣列SAR距離向回波信號的相關參數，包括：星機雙基陣列SAR的原始回波數據，記為s₀(t_k,l)，k＝1,2,…,N_R，l＝1,2,…,N_AN_S，其中t_k為步驟3得到的第k個等距離切片Ω_k(i,j)對應的距離向快時間，在實際觀測中星機雙基陣列SAR的原始回波數據由飛機接收機提供；第l個天線相位中心回波信號對應的目標散射系數列向量，記為q_l，l＝1,2,…,N_AN_S，q_l的維數為N_R；

采用公式A_l＝Vec[exp(1j2πf_dr(t_ka^T-at_k^T)²)]，計算得到第l個天線相位中心的回波測量矩陣，記為A_l，k＝1,2,…,N_R，l＝1,2,…,N_AN_S，其中f_dr為步驟1設置的雷達衛星發射信號的調制頻率，a為維數為N_R的單位向量，[·]^T表示向量的轉置運算，exp(·)表示以e為底數的指數運算，1j表示虛部符號，π表示圓周率，Vec[·]表示將矩陣轉換為向量的線性運算；

采用公式g_l＝Vec[s₀(t_k,l)]^T，計算得到第l個天線相位中心的回波信號向量，記為g_l，k＝1,2,…,N_R，l＝1,2,…,N_AN_S；

步驟6、星機雙基陣列SAR距離向稀疏成像：

采用標準迭代加權最小二乘方法對公式進行求解，得到第l個天線相位中心回波信號對應的目標散射系數列向量最優解，記為其中λ表示拉格朗日正則化參數，||·||₁表示向量的L1范數運算符號，g_l為步驟5得到的第l個天線相位中心的回波信號向量，A_l為步驟5得到的第l個天線相位中心的回波測量矩陣，表示括號里函數值最小時對應的q_l求解運算符；

采用公式s(t_k,l)＝g_l(k)，計算得到星機雙基陣列SAR距離向稀疏成像后的第k個等距離切片回波數據，記為s(t_k,l)，k＝1,2,…,N_R，l＝1,2,…,N_AN_S；

步驟7、構建星機雙基陣列SAR等距離切片的測量矩陣：

采用公式τ_k,l(i,j)＝(R_k,l(i,j)-R₀)/C，計算得到目標空間Ω₀中第k個等距離切片Ω_k(i,j)到星機雙基陣列SAR雷達衛星發射機和飛機接收機的相對回波時延，記為τ_k,l(i,j)，i＝1,2,…,N_X，j＝1,2,…,N_Y，k＝1,2,…,N_R，l＝1,2,…,N_AN_S，其中R_k,l(i,j)為步驟4得到的目標空間Ω₀第k個等距離切片Ω_k(i,j)到星機雙基陣列SAR雷達衛星發射機和飛機雷達接收機的雙程距離歷史的雙程距離歷史，R₀為步驟4得到的初始零時刻目標空間Ω₀參考位置中心P₀到星機雙基陣列SAR雷達衛星發射機和飛機雷達接收機的參考距離歷史，C為步驟1初始化得到的電磁波在空氣中傳播速度；

采用公式f_k＝Vec[σ_k(i,j)]，計算得到距離向稀疏成像后第k個等距離切片Ω_k(i,j)的目標散射系數向量，記為f_k，i＝1,2,…,N_X，j＝1,2,…,N_Y，k＝1,2,…,N_R，其中σ_k(i,j)為步驟3得到的第k個等距離切片Ω_k(i,j)的第i個橫軸、第j個縱軸對應單元網格元素的散射系數，Vec[·]表示將矩陣轉換為向量的線性運算；

采用公式B_k＝Vec[exp(-1j2πf_cτ_k,l(i,j))]^T，計算得到第k個等距離切片Ω_k(i,j)的回波測量矩陣，記為B_k，l＝1,2,…,N_AN_S，i＝1,2,…,N_X，j＝1,2,…,N_Y，k＝1,2,…,N_R，其中f_c為步驟1設置的雷達衛星發射信號載頻，[·]^T表示向量的轉置運算，exp(·)表示以e為底數的指數運算，1j表示虛部符號，π表示圓周率；

采用公式y_k＝Vec[s(t_k,l)]，計算得到第k個等距離切片Ω_k(i,j)的回波信號向量，記為y_k，k＝1,2,…,N_R，l＝1,2,…,N_AN_S，其中s(t_k,l)為步驟6得到的星機雙基陣列SAR距離向稀疏成像后的第k個等距離切片回波數據；

步驟8、星機雙基陣列SAR等距離切片稀疏成像：

采用標準迭代加權最小二乘方法對公式進行求解，得到第k個等距離切片Ω_k(i,j)的目標散射系數向量最優解，記為其中λ表示拉格朗日正則化參數，||·||₁表示向量的L1范數運算符號，y_k為步驟7得到的第k個等距離切片Ω_k(i,j)的回波信號向量，A_k為步驟7得到的第k個等距離切片Ω_k(i,j)的回波測量矩陣，表示括號里函數值最小時對應的f_k求解運算符；將得到的最優解按照行列序號變換成二維矩陣，獲得第k個等距離切片Ω_k(i,j)的稀疏成像結果，記為U_k(i,j)，i＝1,2,…,N_X，j＝1,2,…,N_Y，k＝1,2,…,N_R，U_k(i,j)的維度大小為N_X×N_Y；

步驟9、獲取星機雙基陣列SAR三維稀疏成像：

采用公式計算得到三維稀疏成像結果，記為B，矩陣B的維度大小為N_X×N_Y×N_R；矩陣B即為星機雙基陣列SAR得到的觀測場景目標空間Ω₀稀疏三維成像結果；

步驟10、星機雙基陣列SAR三維成像幾何畸變校正：

根據步驟1至步驟3得到位置P_T(n)、P_R(m,n)、P_k(i,j)及步驟4得到的雙程距離歷史R_k,_m,n(i,j)，采用標準SAR影像幾何畸變校正方法對步驟9得到的星機雙基陣列SAR稀疏三維成像結果B進行幾何畸變校正，得到星機雙基陣列SAR三維成像幾何畸變校正后的三維成像結果，記為Q，矩陣Q的維度大小為N_X×N_Y×N_R；Q即為最終得到的星機雙基陣列SAR稀疏三維成像結果。