CN101937077B - 双基地前视、斜视合成孔径雷达多普勒中心频率的测定方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于合成孔径雷达(SAR)无模糊多普勒中心频率测定方法，包括：距离向脉冲压缩，获取初始斜率，频域、时域转换并获取序列的波形熵，确定最小波形熵，确定无模糊多普勒中心频率。该发明利用合成孔径雷达回波在距离时间、方位时间域的几何特征及移动平台本身的信息，对距离走动轨迹进行反复校正确定最小熵、以衡量其轨迹是否得到很好校正，进而通过所对应轨迹的斜率与所发射信号的波长之比得到无模糊多普勒中心频率，其测定效率较拉登变换提高了五倍以上；因而具有对双基地前视和斜视合成孔径雷达(SAR)多普勒中心频率的测定简捷、准确，处理时间短、效率高，实时性强，可为后续高精度成像、运动补偿提供准确、可靠的数据等特点。

Description

双基地前视、斜视合成孔径雷达多普勒中心频率的测定方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达(SAR)参数的测定方法，特别是涉及双基地前视及斜视SAR无模糊多普勒中心频率的测定方法，该方法也适用于单基地斜视合成孔径雷达的无模糊多普勒中心频率的测定。

背景技术

与光学传感器相比，合成孔径雷达(SAR)具有穿透性强，能全天时、全天候工作的独特优点，目前已被广泛应用在地球遥感、资源勘探、侦察、测绘、灾情预报等领域。而与常规侧视SAR相比，前视及斜视SAR在战机对地侦察打击、自主着陆、物资空投、导弹精确末制导等方面具有独特的优势，目前得到了广泛的研究。

多普勒中心频率是SAR高精度处理所需要的重要参数。一方面，其用来构造方位匹配函数或相位补偿函数；另一方面，通过其可以反推运动参数，进行运动误差补偿。而多普勒中心频率误差加大将导致图像信号的信噪比下降，方位模糊性增加，并产生目标位置的平移。从原理上讲，多普勒中心频率可以由载机速度及下视(斜视)角度信息求出，但由于载机(移动)平台往往在速度、姿态(角度)等方面存在不确定性，使得计算出的多普勒参数与实际值差别较大；而从全球定位系统(GPS)与惯性导航系统(INS)得到的航迹数据来计算多普勒中心频率，精度也不能满足要求，因此，利用雷达回波信号来对多普勒中心频率测进行精确测定就具有重大的意义。

相比于常规单基地SAR，双基地前视及斜视SAR多普勒中心频率测定面临更多的难题，比如：天线的收、发分别设置使得相位中心存在同步误差，造成回波方位功率谱不再对称，因而不能利用方位功率谱对称原理对其进行多普勒中心频率测定；前、斜配置造成来自同一散射体的回波跨越多个距离单元，又使得无法直接提取SAR方位向信号进行多普勒中心频率测定，此外还存在严重的多普勒中心频率模糊等等问题。

目前针对单基地SAR，应用比较广泛的方法是相关多普勒中心频率估计器，其本质是利用方位功率谱对称原理进行多普勒中心频率的测定，并且只能实现基带多普勒中心频率的测定，因此无法直接应用于双基地前视及斜视SAR；而在《基于最小熵DCFT的双基地SAR多普勒参数估计》(《现代雷达》2007，29(10)：P53-56)的文献中、提出采用基于离散余弦傅立叶变换(DCFT)方法进行双基地SAR多普勒参数测定，由于是直接提取方位向信号进行估计，无法实现多普勒中心频率解模糊，不适用于存在大距离走动(运动)的前视及斜视SAR；在“Comparison of Doppler centroid estimators in bistatic airborneSAR”(International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS)，2005，pp.1963-1966，Korea)及“基于Radon变换的双站SAR多普勒参数估计”(《电子与信息学报》，2008，30(6)：1331-1335)文献所记载的技术中，采用拉登(radon)变换方法进行双基地SAR多普勒中心频率的测定，此类方法首先对回波进行距离向脉冲压缩，然后选取高对比度区域的信息进行拉登变换，检测出距离走动轨迹的倾角，从而根据多普勒中心频率与距离走动轨迹倾角的关系、测定多普勒中心频率；但此类方法，由于拉登变换涉及到需在二维平面内沿不同的直线进行积分，并且需要确定变换的区域，因而存在测定方法复杂，处理时间长、实时性差，变换区域的过程需人工干预、自动调节能力差等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种双基地前视、斜视合成孔径雷达多普勒中心频率的测定方法，以克服常规多普勒中心频率测定方法无法用于双基地前视和斜视SAR，以及处理时间长、效率低等问题；达到简化双基地前视和斜视合成孔径雷达(SAR)多普勒中心频率的测定、缩短处理时间，有效提高测定的效率和测定的实时性，以及为后续高精度成像、运动补偿提供准确、可靠的数据等目的。

本发明的解决方案是根据双基地前视及斜视SAR具有大距离范围内的走动(运动)轨迹为直线、小距离轨迹为曲线的特点，且其点目标响应的走动轨迹在距离时间、方位时间域主要表现为一条斜直线。根据该几何特点，本发明将移动平台本身的速度、倾斜角度作为基本信息，通过循环(不断)校正距离范围内走动的轨迹、更新其走动轨迹的斜率，直至得到最小熵，并根据最小熵所对应走动轨迹的斜率与发射信号的波长之比、即得到该距离范围(合成孔径时间)内的无模糊多普勒中心频率。因此，本发明方法包括：

A.距离向脉冲压缩：对所获取发射信号的二维回波数据，利用常规匹配滤波方法进行距离向脉冲压缩；

B.获取初始斜率：根据移动平台本身的速度、倾斜角度信息，确定距离走动轨迹的理想斜率，并将该斜率作为初始斜率；

C.频域、时域转换并获取序列的波形熵：根据信号的时移与频移的对应关系及经步骤A压缩后的数据，利用步骤B所得初始斜率或经步骤D更新后的斜率对距离走动轨迹进行校正，然后将经轨迹校正后的数据通过逆傅立叶变换(IFFT)为距离时域、并将表示该距离时域的直线沿方位向投影，最后经计算获得沿方位向投影所得序列的波形熵，并存储所得波形熵；

D.确定最小波形熵：首先判断步骤C所得波形熵是否为第一次获得的波形熵，若是、则将该第一次获得的波形熵所对应的斜率直接更新步骤B所得的初始斜率；否则、与前一循环所存储的波形熵进行大小比较，若小于前一循环所存储的波形熵、则存储该波形熵，同时返回步骤C进行下一迭代循环，直至所得波形熵大于前一循环所得的波形熵止，此时前一循环所得波形熵即为(所测距离范围内的)最小熵；

E.确定无模糊多普勒中心频率：步骤D获得的最小熵所对应走动轨迹的斜率与所发射信号的波长之比，即为该距离范围(合成孔径时间)内的无模糊多普勒中心频率。

所述获得沿方位向投影所得序列的熵，其熵H(x)通过下式获得：

$H\left(x\right)=-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n{\mathrm{lgp}}_n$

其中：x(n)为沿方位向投影序列，n为距离向采样点数、即n＝0，1，…，N-1， $p_n=\frac{\left|x\left(n\right)\right|}{\left|\right|x\left|\right|},$ $\left|\right|x\left|\right|=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|x\left(n\right)\right|.$

而所述无模糊多普勒中心频率，其中心频率为：

$f_{\mathrm{dc}}=-\frac{1}{\mathrm{\λ}}\frac{\mathrm{dR}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{|}_{t=0}=-\frac{1}{\mathrm{\λ}}K$

其中：f_dc为无模糊多普勒中心频率，λ为载波波长，R(t)为发射站到目标再到接收站的瞬时距离，t为方位时间，t＝0为波束中心通过目标的时刻，K为斜率。

发明效果

本发明利用合成孔径雷达回波在距离时间、方位时间域的几何特征及移动平台本身的信息，对距离走动轨迹进行反复校正确定最小熵、以衡量距离走动轨迹是否得到很好校正，进而通过该项最小熵所对应走动轨迹的斜率与所发射信号的波长之比，即得拟测无模糊多普勒中心频率；本发明方法不但可对双基地前视及斜视合成孔径雷达无模糊多普勒中心频率进行测定，且由于利用了移动平台的信息，与拉登变换相比，其测定效率(速度)提高了五倍以上，节省了大量的处理时间；同时，因无须人工确定变换区域，自动处理能力更强；因而，本发明具有对双基地前视和斜视合成孔径雷达(SAR)多普勒中心频率的测定简捷、准确，处理时间短、效率高，实时性强，可为后续高精度成像、运动补偿提供准确、可靠的数据等特点。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图(方框图)；

图2为本实施方式双基地前视SAR几何配置示意图；

图3为本实施方式取得最小波形熵时所对应的走动轨迹校正结果示意图(坐标图)；

图4为走动轨迹校正后往距离向投影所得序列波形示意图(坐标图)。

具体实施方式

图2为本实施方式双基地前视SAR几何配置示意图，

发射机固定，通过雷达发射机发射信号波长为λ＝0.03125m的线性调频信号，调频斜率为K_r＝8×10¹²Hz/s；接收机速度为v＝100m/s、本实施方式仿真中速度误差设为+0.5m/s，下视角为

双基地前视SAR点目标回波信号经相干解调后，表示为：

$S(t,\mathrm{\π})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}R\left(t\right)\}\·\exp \left\{\mathrm{j\π}{K}_r{[\mathrm{\τ}-\frac{1}{c}R\left(t\right)]}^2\right\}---\left(1\right)$

其中：τ表示距离快时间，变化范围由发射机到目标再到接收机的距离和决定，t为方位时间，变化范围为[0  2]秒，其中t＝1秒为波束中心照射目标的时间，R(t)为发射机到目标再到接收机的距离，有：

其中：R_t＝201km、R_r＝20km分别为合成孔径中心时刻，发射机、接收机到目标的距离；

本实施方式的具体测定方法为：

A.首先对回波进行距离向FFT，然后通过距离向乘以匹配滤波器匹配函数H₁(f_r)，实现距离向脉冲压缩，

$H_1\left(f_r\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{f_r}{B}\right)\exp (-\mathrm{j\π}\frac{f_r^2}{K_r})---\left(3\right)$

其中：f_r为距离向频率，变化范围为[-40  40]MHz，B＝40MHz为发射信号带宽；

B.根据移动平台本身的速度、倾斜角信息，确定距离走动轨迹的理想斜率K₀，并将该斜率作为初始斜率：

代入相应参数后，本实施方式的初始斜率为：K₀＝-86.60m/s；

C.然后针对距离向脉冲压缩后的数据，在距离频率、方位时间域乘以一个利用距离走动轨迹斜率表示的线性相位因子H₂(f_r，t)，进行距离走动轨迹校正，

$H_2(f_r,t)=\exp (j2\mathrm{\π}\·f_r\·\frac{K\·t}{c})---\left(5\right)$

其中：c为光速，K为距离走动轨迹斜率(初始斜率为-86.60m/s)；

熵：指的是体系的混乱程度，它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用。本发明用其衡量距离走动轨迹是否得到很好的校正。

将距离走动轨迹校正后的数据沿方位向投影得到序列x(n)，n＝0，1，…，1023计算序列的波形熵，并存储波形熵：

$H\left(x\right)=-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n{\mathrm{lgp}}_n---\left(6\right)$

其中 $p_n=\frac{\left|x\left(n\right)\right|}{\left|\right|x\left|\right|},$ $\left|\right|x\left|\right|=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|x\left(n\right)\right|;$

D.判断是否为第一次获得的波形熵，若是、则将该波形熵所对应的斜率直接更新步骤B所得初始斜率，本实施方式中更新步长为0.01m/s；否则、与所存储的波形熵进行大小比较，若小于所存储的波形熵，则存储该波形熵、更新距离走动斜率，并返回步骤C进行下一迭代循环，本实施方式经过43次迭代，即获得最小波形熵；图3所示，即为得到该最小波形熵时所对应的距离走动轨迹校正结果示意图；图4为距离走动轨迹校正后往距离向的投影所得序列波形示意图；

E.根据步骤D所得最小波形熵所对应走动轨迹的斜率K＝-87.03m/s与所发射信号的波长λ＝0.03125m之比：

$f_{\mathrm{dc}}=-\frac{1}{\mathrm{\λ}}\frac{\mathrm{dR}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{|}_{t=1}=-\frac{1}{\mathrm{\λ}}K=2785.04\mathrm{Hz}---\left(7\right)$

即为本实施方式在该距离范围(合成孔径时间)内的无模糊多普勒中心频率；其误差在理论范围内。

在相同条件下采用本实施方式与拉登变换处理方法相比：本实施方式对无模糊多普勒中心频率的测定仅需1.42秒，而采用拉登变换处理本实施方式则需7.89秒；本实施方式相对于拉登变换方法，效率提高了5.6倍。

Claims (3)

1.一种双基地前视、斜视合成孔径雷达多普勒中心频率的测定方法，包括：

步骤A.距离向脉冲压缩：对所获取发射信号的二维回波数据，利用常规匹配滤波方法进行距离向脉冲压缩；

步骤B.获取初始斜率：根据移动平台本身的速度、倾斜角度信息，确定距离走动轨迹的理想斜率，并将该斜率作为初始斜率；

步骤C.频域、时域转换并获取序列的波形熵：根据信号的时移与频移的对应关系及经步骤A压缩后的数据，利用步骤B所得初始斜率或经步骤D更新后的斜率对距离走动轨迹进行校正，即针对距离向脉冲压缩后的数据，在距离频率、方位时间域乘以一个利用距离走动轨迹斜率表示的线性相位因子H₂(f_r，t)，进行距离走动轨迹校正，

其中：c为光速，K为距离走动轨迹斜率；

然后将经轨迹校正后的数据通过逆傅立叶变换为距离时域、并将表示该距离时域的直线沿方位向投影，最后经计算获得沿方位向投影所得序列的波形熵，并存储所得波形熵；

步骤D.确定最小波形熵：首先判断步骤C所得波形熵是否为第一次获得的波形熵，若是、则将该第一次获得的波形熵所对应的斜率直接更新步骤B所得的初始斜率；否则、与前一循环所存储的波形熵进行大小比较，若小于前一循环所存储的波形熵、则存储该波形熵，同时返回步骤C进行下一迭代循环，直至所得波形熵大于前一循环所得的波形熵止，此时前一循环所得波形熵即为最小熵；

步骤E.确定无模糊多普勒中心频率：步骤D获得的最小熵所对应走动轨迹的斜率与所发射信号的波长之比，即为该距离范围内的无模糊多普勒中心频率。

2.按权利要求1所述双基地前视、斜视合成孔径雷达多普勒中心频率的测定方法，其特征在于所述沿方位向投影所得序列的波形熵，其波形熵H(x)通过下式获得：

其中：x(n)为沿方位向投影序列，n为距离向采样点数、即n＝0，1，…，N-1， 

3.按权利要求1所述双基地前视、斜视合成孔径雷达多普勒中心频率的测定方法， 其特征在于所述无模糊多普勒中心频率为：

其中：f_dc为无模糊多普勒中心频率，λ为载波波长，R(t)为发射站到目标再到接收站的瞬时距离，t为方位时间，t＝0为波束中心通过目标的时刻，K为斜率。 

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