CN101515036B - 消除海面合成孔径雷达成像中时变模糊效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明消除海面合成孔径雷达成像中时变模糊效应的方法：用常规SAR成像算法对海面SAR回波初成像，获得带有时变模糊效应的SAR海面图像；用波浪谱反演算，在SAR海面图像中估计波浪主分量的方位向波数ε₀和距离向波数η₀；根据海面波浪色散关系计算SAR平台方位向速度修正量

和距离向速度的修正量，根据方位向和距离向修正量构造修正后的匹配滤波器；用修正后的匹配滤波器对海面回波匹配滤波，完成SAR成像，消除时变模糊效应。本发明利用海浪振动频率与波数的色散关系，对SAR的方位向匹配滤波器修正，消除因为海面随机时变特性带来的SAR图像模糊效应，提高SAR海洋图像的清晰度，从SAR图像中获取和反演更高精度的海洋信息。

Description

消除海面合成孔径雷达成像中时变模糊效应的方法

技术领域

本发明属于遥感技术领域，涉及消除海面合成孔径雷达成像中时变模糊效应的方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是一种重要的海洋遥感手段，相比其他遥感手段，SAR具有全天时、全天候、分辨率高的优势。SAR已经在海洋领域得到了很多成功的应用，从SAR图像中可以获取很多的海洋信息，例如反演海浪、海流、风场、内波甚至海底地形等，世界上第一颗SAR卫星-SeaSAT就是针对海洋应用的卫星。

海面的微波散射主要是Bragg散射效应：海面的微波散射主要取决于海面上某种特定尺度的波的波幅，该波的传播方向与电波入射面平行，其波长满足：

${\mathrm{\λ}}_b=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

其中λ为电磁波长，λ_b为Bragg波波长，θ为雷达入射角。海面后向散射为

σ₀＝8πk⁴cos4θ|Γ(θ)|²W(k_b)    (2)

其中k为电磁波波数，k_b为Bragg波数，W(k_b)为Bragg波浪谱，Γ(θ)为极化因子，

海面上的各种现象主要都是通过改变Bragg散射来反映到SAR图像上，这其中主要分为三种调制效应：

1.倾斜调制：大尺度波浪通过改变海面的倾角从而改变电磁波入射角，从而改变海面后向散射。

2.流体力学调制：海面流场不均匀会导致海面出现幅聚、幅散现象，在幅聚的区域Bragg波谱会增大，而幅散的地方Bragg波谱会减小，从而改变后向散射。

3.聚束调制：动目标在SAR图像中会产生方位向位移，其位移量与目标径向速度成正比。这样方位向传播的大尺度波会造成海面径向速度的不均匀，从而导致图像聚合和发散，从而导致图像的亮暗纹理。

倾斜调制和流体力学调制是海洋微波遥感(包括散射计、实孔径雷达、SAR等遥感手段)的基本机理，这两种调制效应对电磁波入射方向传播的波比较敏感而对方位向传播的波不敏感，这两种调制作用可以看成是线性的；而聚束调制则是SAR特有的调制效应，它对方位向传播的波比较敏感，正是由于这个特有的调制使得SAR在反演海浪谱等海洋应用中有不可替代的作用。

SAR成像原理要求目标在合成孔径时间内散射系数保持不变，但是海面是动态时变的，其时变周期与合成孔径时间相当，甚至更小，这样就会造成时变模糊特性，因此用常规的SAR成像方法难以获取清晰的海面图像，使得一些细致的海洋信息难以获取。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明的目的是获取清晰的海面图像，为此本发明提供一种消除海面合成孔径雷达成像中时变模糊效应的方法。

为了所述目的，本发明消除海面合成孔径雷达成像中时变模糊效应的方法的技术方案如下：

步骤1：采用常规SAR成像方法对海面SAR回波进行初成像，获得带有时变模糊效应的海面SAR图像；

步骤2：采用波浪谱反演算法，在SAR海面图像中估计波浪主分量的方位向ε₀和距离向波数η₀；

步骤3：根据海面波浪色散关系计算SAR平台方位向速度修正量

和距离向速度修正量

步骤4：根据方位向和距离向速度修正量构造修正后的匹配滤波器；

步骤5：用修正后的匹配滤波器对海面SAR回波信号波进行匹配滤波，完成去除时变模糊效应的SAR海面成像。

所述的构造方位向匹配滤波器g′(x，r)为：

$g^{\′}(x,r)=\exp (-j[\frac{{2\mathrm{\πx}}^2}{{\mathrm{xr}}_c}{(1+\frac{1}{2v}\sqrt{g}{\mathrm{\ϵ}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}})}^2-\frac{1}{2v}\sqrt{g}{\mathrm{\η}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}}x\left]\right),$

式中x表示方位向坐标，r表示斜距坐标， $j=\sqrt{-1},$ λ为电磁波长，r_c为距离块内中心斜距，v为SAR平台速度，g为重力加速度。

所述修正匹配滤波器在物理意义上是将所述SAR平台的方位向速度由v修正为

SAR平台的径向速度由0修正为

本发明巧妙利用了海浪振动频率与波数的色散关系，对SAR的方位向匹配滤波器进行修正，在相当程度上可以消除因为海面随机时变特性带来的SAR图像模糊效应，提高了海洋SAR图像的清晰度，从而能从SAR图像中获取和反演更高精度的海洋信息。

附图说明

图1是本发明的流程图，也是摘要附图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

在本发明中提出一种算法，可以去除海面时变模糊效应的SAR数据处理方法的步骤如下：

1、将海面SAR回波信号输入常规算法程序，按常规成像方法对海面SAR回波信号进行初成像，获得带有时变模糊效应的海面SAR图像；在本发明中，采用matlab语言编写了常规SAR成像的CS算法程序对海面SAR回波进行成像，获取了有时变模糊效应的海面SAR图像。

2、采用目前成熟的波浪谱反演算法，在SAR海面图像中估计波浪主分量的方位向ε₀和距离向波数η₀。在本发明中，采用matlab语言编写了国际上较成熟的Hasselmann波浪谱反演算法程序，从海面SAR图像中反演了波浪谱，估算了波浪主分量的方位向和距离向波束。

3、根据海面波浪色散关系计算SAR平台方位向速度修正量

和距离向速度修正量；

其中g为重力加速度；

4、利用方位向速度修正量和距离向速度修正量，根据公式

$g^{\′}(x,r)=\exp (-j[\frac{{2\mathrm{\πx}}^2}{{\mathrm{xr}}_c}{(1+\frac{1}{2v}\sqrt{g}{\mathrm{\ϵ}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}})}^2-\frac{1}{2v}\sqrt{g}{\mathrm{\η}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}}x\left]\right)$

构造修正后的方位向匹配滤波器g′(x，r)；

5、将海面SAR回波信号输入修正算法程序，用修正后的方位向匹配滤波器对海面SAR回波进行成像，消除海面SAR图像的时变模糊效应。在本发明中采用matlab语言，按照修正的方位向滤波器，编写了修正后的CS成像算法程序，对海面SAR回波重新成像，得到了消除时变模糊效应的海面SAR图像。

其流程图如图1所示。

根据上面叙述，下面对本发明进行详细的说明分析：首先，海面SAR回波可以写成如下形式：

$s(x^{\′},r^{\′})=\∫\∫\mathrm{dxdrdt\γ}(x,r,t)p\left(\frac{2}{c}(r^{\′}-R(x,x^{\′},r))\right)\exp (-j\frac{4\mathrm{\πR}(x,x^{\′},r)}{\mathrm{\λ}})\mathrm{\δ}(t-\frac{x^{\′}}{v})---\left(4\right)$

其中γ(x，r，t)为海面时变后向散射系数，x表示方位向坐标，r表示斜距坐标；x′，r′分别表示SAR平台位置的方位和斜距采样坐标，t为时间， $j=\sqrt{-1},$ δ为冲击函数。p(τ)为发射脉冲的调制形式，c为光速，R(x，x′，r)为目标位置到SAR平台的斜距，λ为电磁波长，v为SAR平台方位向速度。

斜距R(x，x′，r)可以近似为：

$R(x,x^{\′},r)\≈r+\frac{{(x^{\′}-x)}^2}{2r}---\left(5\right)$

在一个脉冲时间内，海面可以近似为不动，所以对海面距离向压缩等同于对静止目标距离向压缩，这样距离向压缩后海面回波为：

$s(x^{\′},r^{\′})=\∫\∫\mathrm{dxdrdt\γ}(x,r,t)\sin c\left\{\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_r}\right[r^{\′}-R(x,x^{\′},r)\left]\right\}---\left(6\right)$

$\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[r+\frac{{(x^{\′}-x)}^2}{2r}\left]\right\}\mathrm{\δ}(t-\frac{x^{\′}}{v})$

其中δ_r为斜距分辨率。

将距离向进行分块，使得每个距离块内满足：

$\frac{{(x-x^{\′})}^2}{2r_c}\≈\frac{{(x-x^{\′})}^2}{2r}---\left(7\right)$

其中r_c为距离块内中心斜距。这样回波可以看成海面散射和一个二维滤波器卷积的形式为：

$s(x^{\′},r^{\′})=\∫\∫\mathrm{dxdrdt\γ}(x,r,t)\exp (-j\frac{4\mathrm{\πr}}{\mathrm{\λ}})g-(x-x^{\′},r-r^{\′},t-\frac{x^{\′}}{v})--\left(8\right)$

其中，g(x，r)为点目标SAR冲激响应函数为：

$g(x,r,t)=\sin c\left(\frac{r}{\mathrm{\δ}}\right)\exp (-j\frac{{2\mathrm{\πx}}^2}{{\mathrm{\λr}}_c})\mathrm{\δ}\left(t\right)---\left(9\right)$

把(8)表示为傅立叶域形式为：

$s(x^{\′},r^{\′})=\frac{1}{8{\mathrm{\π}}^3}\∫\∫\mathrm{d\ϵd\ηd\ω\Γ}(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η}+\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}},\mathrm{\ω})G(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})\exp \left[j({\mathrm{\ϵx}}^{\′}+\mathrm{\η}{r}^{\′}+\mathrm{\ω}\frac{x^{\′}}{v})\right]---\left(10\right)$

其中ε、η分别为方位向和距离向波数，Γ(ε，η，ω)为海面散射系数的空间、时间谱，G(ε，η)为点目标SAR冲激响应函数的空间谱为：

$G(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})=\frac{1}{{4\mathrm{\π}}^2}\∫\∫\mathrm{dxdr}\sin c\left(\frac{r}{\mathrm{\δ}}\right)\exp (-j\frac{{2\mathrm{\πx}}^2}{{\mathrm{\λr}}_c})\exp \left[j(\mathrm{\ϵx}+\mathrm{\ηr})\right]---\left(11\right)$

散射系数谱Γ(ε，η，ω)与海面波高谱满足一定的线性关系为：

$\mathrm{\Γ}(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η},\mathrm{\ω})=H(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}-\sqrt{g\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}})K(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})={\mathrm{\Γ}}^{\′}(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}-\sqrt{g\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}})---\left(12\right)$

其中 $\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}-\sqrt{g\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}})$ 表示海面波浪的色散关系，K(ε，η)为包含倾斜调制和波流调制效应的比例常数，H(ε，η)为海面波高谱。

这样：

$s(x^{\′},r^{\′})=\frac{1}{{4\mathrm{\π}}^2}\mathrm{d\ϵd\η}{\mathrm{\Γ}}^{\′}(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η}+\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}})G(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})\exp \left\{j\right[{\mathrm{\ϵx}}^{\′}+{\mathrm{\ηr}}^{\′}+d(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})\frac{x^{\′}}{v}\left]\right\}---\left(13\right)$

其中 $d(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})=\sqrt{g\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}}$ 为海浪振动色散关系，g为重力加速度。将色散关系在(ε₀，η₀)处泰勒展开并忽略二次项

$d(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})\≈d({\mathrm{\ϵ}}_0,{\mathrm{\η}}_0)+(\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_0)\frac{\∂d}{\∂\mathrm{\ϵ}}+(\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_0)\frac{\∂d}{\∂\mathrm{\η}}$

$=\sqrt{g\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2}}+\frac{1}{2}(\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_0)\sqrt{g}{\mathrm{\ϵ}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}}+\frac{1}{2}(\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_0)\sqrt{g}{\mathrm{\η}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}}---\left(14\right)$

(14)代入(13)并化简可得

其中

$x^{\′\′}=x^{\′}(1+\frac{1}{2v}\sqrt{g}{\mathrm{\ϵ}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}}),$ $r^{\′\′}=r^{\′}+\frac{1}{2v}\sqrt{g}{\mathrm{\η}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}}{x}^{\′}$

这样(15)式中就消除了时变项。对回波做变量代换

s′(x″，r″)＝s(x′，r′)    (16)

然后对回波s′(x″，r″)进行常规SAR信号处理就可以得到去除时变模糊效应的SAR海面图像。

(16)式变量代换的物理意义是：将SAR平台的方位向速度由v变为

，SAR平台的径向速度由0变为

。因此可以等效地将方位向匹配滤波器修正为：

$g^{\′}(x,r)=\exp (-j[\frac{{2\mathrm{\πx}}^2}{{\mathrm{xr}}_c}{(1+\frac{1}{2v}\sqrt{g}{\mathrm{\ϵ}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}})}^2-\frac{1}{2v}\sqrt{g}{\mathrm{\η}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}}x\left]\right)---\left(17\right)$

以此匹配滤波器对回波s(x′，r′)进行匹配滤波，完成SAR成像。

本发明的实施例：按照以上的详细分析和实施步骤，在普通PC机上，基于windows平台，编写了matlab语言程序，得到消除海面合成孔径雷达成像中时变模糊效应，实现了本发明合成孔径雷达海面成像方法。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.消除海面合成孔径雷达成像中时变模糊效应的方法，包括如下步骤：

步骤1：采用常规成像算法对海面SAR回波信号进行初成像，获得带有时变模糊效应的SAR海面图像；

步骤2：采用波浪谱反演算法，在SAR海面图像中估计波浪主分量的方位向波数ε₀和距离向波数η₀；

步骤3：根据海面波浪色散关系计算SAR平台方位向速度修正量

和距离向速度修正量

其中g为重力加速度；

步骤4：根据方位向速度修正量和距离向速度修正量构造修正后的匹配滤波器g′(x，r)为：

$g^{\′}(x,r)=\exp {(-j[\frac{{2\mathrm{\πx}}^2}{\mathrm{\λ}{r}_c}(1+\frac{1}{2v}\sqrt{g}{\mathrm{\ϵ}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}})}^2-\frac{1}{2v}\sqrt{g}{\mathrm{\η}}_0{({\mathrm{\ϵ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2)}^{-\frac{3}{4}}x\left]\right)$

式中x表示方位向坐标，r表示斜距坐标，

λ为电磁波长，r_c为距离块内中心斜距，v为SAR平台方位向速度；所述修正匹配滤波器是将所述SAR平台的方位向速度由v修正为

SAR平台的距离向速度由0修正为

步骤5：用修正后的匹配滤波器对海面SAR回波信号进行匹配滤波，完成去除时变模糊效应的SAR海面成像。