[发明专利]一种前视阵列SAR的回波稀疏获取及其三维成像方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达数据获取和信号处理领域，特别涉及到高分辨前视阵列SAR的低采样率和小数据量的信号获取和三维成像，通常适用于低空近距离平台上正前方场景的三维观测。

背景技术

在雷达三维成像领域，前视阵列SAR近年来获得了许多科研机构和学者的关注与研究。它适用于高频段(如毫米波)雷达的低空近距离对地观测，具备近实时获取平台前下方观测场景三维图像的优势，为飞行平台的地物匹配制导、自主导航和降落等应用提供了一种全新的、全天时全天候工作的方式。前视阵列SAR采用宽带发射信号的匹配滤波实现距离向的高分辨，采用跨航向天线阵列的波束形成实现跨航向的高分辨，采用沿航向多个脉冲的虚拟孔径合成实现沿航向的高分辨，实现前下方观测场景的三维成像。当前，高分辨前视阵列SAR三维成像系统面临如下问题：(1)大的信号带宽增加了系统收发组件的复杂度和成本，而且当前的硬件水平也难以满足系统超高距离分辨率的要求，如何利用瞬时小带宽的信号合成大带宽的高分辨信号？(2)若系统满足奈奎斯特采样要求，三维高分辨率导致系统的数据量十分巨大，给存储、传输和处理带来很大压力，如何利用观测场景的稀疏性降低回波数据量？

目前，已经实现前视阵列SAR系统低采样率接收的方法是调频连续波(FMCW)技术(梁毅，王虹现，张龙，保铮，基于二维Chirp-Z变换的前视FMCW雷达成像新方法，中国科学：信息科学，2010，40(5)，719-731)、(候海平，曲长文，杨俭，苏峰，改进的机载阵列调频连续波合成孔径雷达前视成像方法，电波科学学报，2011，26(5)，944-950)和(张英杰，王彦平，谭维贤，洪文，基于FMCW的机载前视阵列SAR FS成像方法，中国科学院研究生院学报，2013，30(3)，372-380)。其降低采样率的方法是去调频接收技术，即首先将接收回波与参考信号混频处理，然后以较低的采样率接收混频后的信号。该采样率取决于场景宽度和调频率，对于前视阵列SAR来说，其采样率远小于调频带宽。

以上文献主要研究利用该技术解决前视阵列SAR的二维成像，是否可以实现三维成像尚未见到公开报道。而且，由于该方法无法避开机下点回波，而机下点回波通常又比较强，抬高了系统基底噪声，甚至导致接收机饱和，系统无法正常工作。同时，由于接收机需要连续不间断的采样，该方法也无法起到降低回波数据量的效果。

另外，利用稀疏性降低回波数据量的方法主要有两种：一是使接收阵元稀疏并利用压缩感知或孔径综合技术恢复雷达图像，该方法同时降低了接收系统的成本和重量，主要文献有Wei Shunjun、Zhang Xiaoling和Shi Jun在2011年发表在Progress in Electromag-netics Research上的成果“Linear array SAR imaging via compressed sensing”。二是在沿航向和跨航向的接收阵列上二维稀疏采样，然后利用后向投影算法恢复三维图像，主要文献有Shi Jun、Zhang Xiaoling、Yang Jianyu等2010年发表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上的成果“APC trajectory design for‘One-Active’linear-array three-dimensional imaging SAR”。

由于前视阵列SAR在跨航向和沿航向上的稀疏特性与实际地面场景的散射特性、地形起伏等有关，以上两种方法都无法形成普遍适用的稀疏获取方案。而且，前视阵列SAR的最优稀疏特性并不在跨航向或沿航向上，以上两种方法的稀疏采样效果十分有限。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，结合地面散射源在三维空间中的稀疏特性，通过对收发脉冲载频、带宽和沿航向位置的优化设计，设计一种距离向频域和沿航向时域回波二维稀疏采样的方法；为重构稀疏采样后的回波数据，利用压缩感知算法实现稀疏信号的重构，并最终实现三维图像重组。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

步骤一，系统发射模式优化

确定发射小带宽脉冲信号的带宽B：

小带宽脉冲信号的带宽B满足B<C/(2×δR)，且当ΔR>δR/2时，要求B<C/(4×ΔR)；其中C表示电磁波的传播速度，δR表示距离分辨率，ΔR表示沿航向孔径合成对应的最大距离弯曲量；

确定每个脉冲的中心频率f_m：