一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达及其成像方法技术

本发明专利技术适用于雷达三维成像技术领域，涉及一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达的成像方法，包括以下步骤：S10、安装MIMO阵列天线与旋臂；S20、MIMO阵列天线对单一角度收发信号，形成一维虚拟孔径线阵；S30、对所有旋转角度重复步骤S20，对探测区域的二维扫描形成二维虚拟面阵；S40、对二维虚拟面阵的阵元雷达回波进行脉冲压缩，得到一维距离像；S50、对探测空间进行成像网络划分，计算各阵元延迟；S60、将步骤S40中某一阵元按其延迟，投影至相应的成像网格，得到该虚拟阵元对应的三维子图像；S70、将步骤S60的过程遍历所有虚拟阵元，对子图像进行相干叠加，得到三维图像。本发明专利技术能够实现在较低硬件复杂度条件下的对任意场景大范围三维成像以及形变场的提取。三维成像以及形变场的提取。三维成像以及形变场的提取。

【技术实现步骤摘要】
一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达及其成像方法


[0001]本专利技术属于雷达三维成像
，尤其涉及一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达及其成像方法。

技术介绍

[0002]地基干涉雷达是一种有效的边坡稳定监测遥感技术手段，相比星载、机载干涉合成孔雷达和三维激光、摄影测量等手段，具有远距离非接触监测、形变测量精度高、数据更新率高、不受气候光照影响等优点。其中地基干涉监测雷达根据天线形式和扫描方式，又分为直线轨道合成孔径成像、笔形波束实孔径二维扫描、扇形波束实孔径一维扫描、圆弧轨迹合成孔径(Ground
‑
based arc
‑
scanning syntheticaperture radar)成像、多输入多输出(Multiple input multiple output)等若干体制。
[0003]由于地基边坡稳定雷达的监测对象是边坡、大坝、矿山采坑等三维场景，因此能否生成三维地形数据以及获取三维场景的形变场，就显得尤为重要。而在这些工作方式中，笔形波束实孔径二维扫描雷达体制可以形成真三维图像，即雷达对监测场景进行扫描时，二维转台的方位角和俯仰角以及雷达回波距离像可以对地形直接生成三维散射和形变场数据，但这种工作方式由于天线波束只覆盖很小的角度，因此扫描整个场景时间较长，工作效率低；而其他工作方式的雷达系统，一般是通过增加高度基线，然后利用干涉合成孔径(Interferometric Synthetic Aperture Radar)算法对两个不同高度的雷达图像进行处理，估计高程信息，但这些三维地形重构都是采用InSAR进行高程估计，一方面对于地形变化剧烈的区域和相对雷达坡度接近垂直的场景重构误差很大，另一方面虽然重构了地形，但提取的形变场仍然是二维的，无法获取三维形变场。
[0004]近年来，在边坡稳定监测雷达领域，针对三维形变场的提取，国内外都进行了较多的研究，现有的三维形变场的提取一般是通过两种形式，一是通过多台雷达从不同视角监测场景，通过三角投影关系计算出PS点的三维形变量这种方式需要多部雷达共同工作，设备较多，雷达间的时钟和数据同步有一定难度，而且只是获取某PS点的三维形变，还不能进行三维地形重构和获取三维场景的形变场，此外监测场景范围有限；二是通过二维MIMO面阵对局部区域进行三维成像，并且进行形变监测，然后通过转台的二维旋转覆盖更大的区域，这种方式需要较多的发射和接收天线才能形成高分辨率所需的足够二维阵列尺寸(或阵元间隔固定时的阵元个数)，系统复杂度较高。
[0005]因此，如何提供一种能够应用于任意场景大范围三维成像以及形变场提取的三维成像雷达是本
人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达的成像方法，从而实现对任意场景大范围三维成像以及形变场提取；此外本专利技术还提供了一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达的成像方法，包括以下步骤：
[0009]S10、将MIMO阵列天线安装于一定长度的旋臂前端，且与所述旋臂垂直，所述旋臂在以所述MIMO阵列天线为法线的平面内，以一定角速度带动所述MIMO阵列天线旋转；
[0010]S20、当所述旋臂旋转至某一角度时，所述MIMO阵列天线的所有收发天线完成信号的顺序收发，形成一维虚拟孔径线阵；
[0011]S30、当所述旋臂遍历所有旋转角度，重复所述步骤S20，系统获得了对探测区域的二维扫描，即形成二维虚拟面阵；
[0012]S40、对所述步骤S30形成的所述二维虚拟面阵的阵元获得的雷达回波进行脉冲压缩，得到其对探测区域的一维距离像；
[0013]S50、对探测空间进行成像网络划分，计算每个成像网格与所述二维虚拟面阵各阵元的延迟；
[0014]S60、将所述步骤S40中某一阵元的一维距离像按照所述步骤S50对应的延迟，投影至相应的成像网格，得到该虚拟阵元对应的三维子图像；
[0015]S70、将所述步骤S60的过程遍历所有虚拟阵元，将得到的所有子图像进行相干叠加，最终得到探测区域的三维图像。
[0016]进一步的，在所述步骤S10中，当所述MIMO阵列天线水平放置时，所述旋臂在俯仰方向旋转；当所述MIMO阵列天线垂直放置时，所述旋臂在水平方向旋转。
[0017]进一步的，所述步骤S20中，所述MIMO阵列天线的电扫描与所述旋臂旋转为分时工作模式，所述MIMO阵列天线在所述旋臂旋转到某一个角度时完成电扫描形成一次虚拟孔径，从而形成一维虚拟孔径线阵。
[0018]进一步的，所述步骤S20中，所述结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达发射调频连续波信号s
T
(t)由下式表示：
[0019][0020]其中，t为快时间，T
p
为发射信号脉宽，f
c
为发射信号载频，K
r
为信号调频率；
[0021]进一步的，所述MIMO阵列天线的发射天线A
T，m
与接收天线A
R，n
对应的回波信号由下式表示：
[0022][0023]其中R
m，p
为发射天线与目标的径向距离，R
n，p
为接收天线与目标的径向距离；
[0024]R
m，p
和R
n，p
由下式表示：
[0025][0026]其中x
p
，y
p
，z
p
为目标点的三维坐标，x
T，m
，y
T，m
，z
T，m
为所述MIMO阵列天线的发射天线A
T，m
的三维坐标，x
R，n
，y
R，n
，z
R，n
为所述MIMO阵列天线的接收天线A
R，n
的三维坐标。
[0027]进一步的，所述MIMO阵列天线的发射天线A
T，m
的三维坐标由下式表示：
[0028][0029]所述MIMO阵列天线的接收天线A
R，n
的三维坐标由下式表示：
[0030][0031][0032][0033]其中L为阵列旋臂长度，为收发天线俯仰半波束角。
[0034]进一步的，所述步骤S30中，所述旋臂继续旋转至下一角度后，所述MIMO阵列天线再次进行一次电扫描，重复所述步骤S20，直至完成所有所述旋臂设定角度下的所述MIMO阵列天线电扫描，所形成的每个虚拟孔径在阵列法平面因所述旋臂转动而各自形成圆弧孔径，从而形成二维虚拟面阵。
[0035]进一步的，所述步骤S40中，一维距离像由下式表示：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S10、将MIMO阵列天线安装于一定长度的旋臂前端，且与所述旋臂垂直，所述旋臂在以所述MIMO阵列天线为法线的平面内，以一定角速度带动所述MIMO阵列天线旋转；S20、当所述旋臂旋转至某一角度时，所述MIMO阵列天线的所有收发天线完成信号的顺序收发，形成一维虚拟孔径线阵；S30、当所述旋臂遍历所有旋转角度，重复所述步骤S20，系统获得了对探测区域的二维扫描，即形成二维虚拟面阵；S40、对所述步骤S30形成的所述二维虚拟面阵的阵元获得的雷达回波进行脉冲压缩，得到其对探测区域的一维距离像；S50、对探测空间进行成像网络划分，计算每个成像网格与所述二维虚拟面阵各阵元的延迟；S60、将所述步骤S40中某一阵元的一维距离像按照所述步骤S50对应的延迟，投影至相应的成像网格，得到该虚拟阵元对应的三维子图像；S70、将所述步骤S60的过程遍历所有虚拟阵元，将得到的所有子图像进行相干叠加，最终得到探测区域的三维图像。2.根据权利要求1所述的一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达的成像方法，其特征在于，在所述步骤S10中，当所述MIMO阵列天线水平放置时，所述旋臂在俯仰方向旋转；当所述MIMO阵列天线垂直放置时，所述旋臂在水平方向旋转。3.根据权利要求1所述的一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达的成像方法，其特征在于，所述步骤S20中，所述MIMO阵列天线的电扫描与所述旋臂旋转为分时工作模式，所述MIMO阵列天线在所述旋臂旋转到某一个角度时完成电扫描形成一次虚拟孔径，从而形成一维虚拟孔径线阵。4.根据权利要求3所述的一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达的成像方法，其特征在于，所述步骤S20中，所述结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达发射调频连续波信号s
T
(t)由下式表示：其中，t为快时间，T
p
为发射信号脉宽，f
c
为发射信号载频，K
r
为信号调频率。5.根据权利要求4所述的一种结合MIMO和ArcSAR的三维成像雷达的成像方法，其特征在于，所述MIMO阵列天线的发射天线A
T，m
与接收天线A
R，n
对应的回波信号由下式表示：其中R
m，p<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏宇，宋千，
申请(专利权)人：湖南吉赫信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：