CN102141611A - 斜视合成孔径雷达多普勒模糊数快速测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及斜视合成孔径雷达多普勒模糊数快速测定方法，包括步骤：A.获取成像目标的回波数据，并利用常规匹配滤波方法进行距离向脉冲压缩获得距离压缩后的回波数据；B.针对距离压缩后的回波数据，选取对比度高的的区域，利用Canny边缘检测算子进行边缘检测，得到含有线性特征的二值数据；C.根据惯导设备或提供的载机速度、载机斜视角度信息，得到成像目标的距离走动轨迹的倾角的粗略值，并根据其粗略值确定二值数据的Radon变换区域和Radon变换步长。本发明的有益效果：通过引入边缘检测技术，极大的减少了Radon变换的运算时间，使本发明具有测定简捷、准确、稳健，处理时间短、效率高，实时性强等优点。

Description

斜视合成孔径雷达多普勒模糊数快速测定方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)技术领域，特别是涉及斜视SAR的参数测定技术领域。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)具有穿透性、全天时和全天候工作能力的独特优点，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。

多普勒(Doppler)中心频率是SAR高精度成像处理所需要的重要参数。一方面，其用来构造成像所需的方位匹配函数或相位补偿函数；另一方面，通过其可以反推载机的运动参数，对载机进行运动误差补偿。而多普勒中心频率的误差在成像时将导致图像信号信噪比下降，方位模糊性增加和成像目标的位置平移。从原理上讲，多普勒中心频率可以由从全球定位系统(GPS)与惯性导航系统(INS)提供的载机速度和载机速度方向的法线与波束发射方向的夹角(简称载机斜视角度)信息求出，但由于载机在速度、姿态等方面存在不确定性，使得计算出的多普勒中心频率与真实值差别较大，精度也通常不能满足要求，因此，利用SAR的回波数据对多普勒中心频率进行精确测定具有重要的意义。

斜视SAR是SAR中的一种，对于斜视SAR而言，由于来自同一散射体(成像目标)的回波跨越多个距离单元，使得无法直接提取回波的方位向的信号进行多普勒中心频率测定，并且由于斜视SAR回波的方位向按脉冲重复频率采样，多普勒中心频率存在严重的模糊。多普勒中心频率由多普勒模糊数与基带多普勒中心频率两部分组成。因此，多普勒模糊数的测定对于多普勒中心频率的精确测定至关重要。

文献《SAR多普勒中心快速解模糊的新方法》(《信号处理》，2005，21(4A)：503-505)中，首先估计不同距离单元上的模糊的多普勒中心频率，然后进行线性拟合得到模糊多普勒中心频率随载机到成像目标的距离(简称载机斜距)变化的斜率，实现多普勒模糊数测定；但该方法使用传统相关多普勒估计方法获得模糊多普勒中心频率，受部分孔径照射效应影响大，仅适用于低对比度场景。文献“Adding sensitivity to the MLBF doppler centroid estimator”(IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，vol.45，no.2，pp.279-292，2007)，采用多视技术进行多普勒模糊数测定，但由于多视处理涉及到额外的傅里叶变换及逆傅里叶变换产生距离压缩的多视数据，运算量较大。文献《基于Radon变换的大前斜视SAR多普勒参数估计方法》(信号处理，2009，25(02).：210-215。)中，采用拉登(radon)变换方法进行多普勒中心频率的解模糊，此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数据进行拉登变换，检测出成像目标的距离走动轨迹的倾角，从而根据多普勒中心频率与成像目标的距离走动轨迹的倾角的关系，测定多普勒中心频率，但由于多普勒中心频率对成像目标的距离走动轨迹的倾角的检测精度非常敏感，致使测定的精度差，稳定性差，并且由于拉登变换需在二维平面内沿不同的直线进行积分，同样存在运算量大的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的计算多普勒中心频率运算量大的不足，提出了斜视合成孔径雷达多普勒模糊数快速测定方法。

本发明的技术方案是：斜视合成孔径雷达多普勒模糊数快速测定方法，包括如下步骤：

A.获取成像目标的回波数据，并利用常规匹配滤波方法进行距离向脉冲压缩获得距离压缩后的回波数据；

B.针对距离压缩后的回波数据，选取对比度高的的区域，利用Canny边缘检测算子进行边缘检测，得到含有线性特征的二值数据；

C.根据惯导设备或提供的载机速度、载机斜视角度信息，得到成像目标的距离走动轨迹的倾角的粗略值，并根据其粗略值确定二值数据的Radon变换区域和Radon变换步长；

D.根据步骤C设定的Radon变换区域和Radon变换步长，对步骤B得到的二值数据进行Radon变换，得到成像目标的距离走动轨迹的倾角的精确值；

E.根据Radon变换得到的成像目标的距离走动轨迹的倾角的精确值，结合斜视SAR的发射信号波长、距离向采样频率及脉冲重复频率，计算得到多普勒中心频率的粗略值；

F.根据测得的多普勒中心频率的粗略值，结合斜视SAR的脉冲重复频率，计算得到多普勒模糊数。

本发明的有益效果：通过引入边缘检测技术，将灰度数据转化为了二值数据，因二值数据具有稀疏特性，极大的减少了Radon变换的运算时间；另外通过利用惯导设备提供的载机速度、载机斜视角度信息，粗略确定Radon变换的区域，避免了Radon变换在整个二维平面进行搜索，从而能够快速高效的测定成像目标的距离走动轨迹的倾角，进而测定出多普勒中心频率的粗略值，并结合脉冲重复频率，快速实现多普勒模糊数测定。与直接采用拉登变换方法相比，其测定效率(速度)得到了明显提高，节省了大量的处理时间，并且相比于直接测量多普勒中心频率，对多普勒模糊数的测定更加稳健、可靠。所以本发明具有测定简捷、准确、稳健，处理时间短、效率高，实时性强等优点。

附图说明

图1是多普勒中心频率模糊数测定流程图。

图2是斜视SAR几何配置示意图。

图3为本发明成像目标距离压缩后的回波数据的仿真图。

图4为本发明成像目标距离压缩后的回波数据的边缘检测结果仿真图。

图5为本发明回波数据的边缘检测结果的拉登变换检测结果仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例中斜视SAR的几何配置如图2所示，在一个xyz空间坐标系中，O表示坐标系的原点，P表示成像目标，载机速度v＝200m/s，载机斜视角度θ＝59°；斜视SAR的发射信号波长为λ＝0.03125m，发射信号调频斜率为K_r＝8×10¹²Hz/s，斜视SAR的成像目标的回波信号经相干解调后的回波信号表示为：

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

其中：τ表示回波信号的距离向时间，变化范围为[2.70×10^-4 2.73×10^-4]秒，t为回波信号的方位向时间，变化范围为[02]秒，其中t＝1秒为波束中心照射目标的时间，exp(*)表示以e为底的自然函数，j表示虚部，c表示光速，R(t)为斜视SAR天线到成像目标的距离，其具体公式为：

$R\left(t\right)=\sqrt{R_0^2+{\left(\mathrm{vt}\right)}^2-2R_0\mathrm{vt}\cos \mathrm{\θ}}\≈R_0-\mathrm{vt}\sin \mathrm{\θ}+\frac{v^2\mathrm{co}{s}^2\mathrm{\θ}}{2R_0}{t}^2---\left(2\right)$

其中：R₀表示波束中心照射成像目标时，成像目标与斜视SAR天线之间的距离为22.824km。

斜视合成孔径雷达多普勒模糊数快速测定方法，如图1所示，包括如下步骤：

A.获取成像目标的回波数据，并利用常规匹配滤波方法进行距离向脉冲压缩获得距离压缩后的回波数据；

首先对回波数据进行距离向FFT(傅立叶变换)，然后通过距离向乘以常规的匹配滤波器匹配函数H₁(f_r)，获得距离压缩后的回波数据，匹配函数H₁(f_r)的具体公式如下：

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

其中：f_r为距离向频率，变化范围为[-4040]MHz，B为斜视合成孔径雷达的发射信号带宽，本式中取B＝40MHz，rect(*)和exp(*)分别表示矩形函数和以e为底的指数函数，由于这两个函数是本技术领域中的公知常识，因此不再详细介绍。

然后对距离向信号进行IFFT(逆傅立叶变换)，得到距离压缩后的回波数据的信号时域表达式：

$S_r(t,\mathrm{\τ})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}R\left(t\right)\}\·\sin c\left\{\mathrm{\πB}\right[\mathrm{\τ}-\frac{R\left(t\right)}{c}\left]\right\}---\left(4\right)$

式中，sinc(*)表示sinc函数，由于该函数是本技术领域中的公知常识，因此不再详细介绍。

如图3所示，横坐标表示一定时间范围内载机运动时回波数据的方位向采样点数，纵坐标表示距离向采样点数，成像目标选取5个点，从图中可以看出，成像目标的每个点的距离压缩后的回波数据呈现的距离走动轨迹表现为倾斜的直线。

B.针对距离压缩后的回波数据，选取对比度高的的区域，利用图像处理中的Canny边缘检测算子进行边缘检测，得到含有线性特征的二值数据；

如图4所示，横坐标表示一定时间范围内载机运动时回波数据的方位向采样点数，纵坐标表示距离向采样点数，成像目标选取5个点，从图中可以看出，经过边缘检测后的回波数据，仍然保留了数据中的线性特征，同时距离压缩后的回波灰度数据转化成了二值数据。

C.根据惯导设备(如GPS或INS)或提供的载机速度、载机斜视角度θ信息，得到成像目标的距离走动轨迹的倾角α的粗略值，并根据其粗略值确定二值数据的拉登(Radon)变换区域和拉登(Radon)变换步长；

利用惯导设备提供的载机速度、载机斜视角度信息，本实施例中速度v＝200m/s，载机斜视角度θ＝59°，波长λ＝0.03125m，依据多普勒中心频率与载机斜视角度的倾角存在如下关系，

$f_{\mathrm{dc}}=-\frac{1}{\mathrm{\λ}}\frac{\mathrm{dR}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{|}_{t=1}=-\frac{1}{\mathrm{\λ}}\stackrel{o}{K}=\frac{2v}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ}---\left(5\right)$

式中，f_dc表示多普勒中心频率，

表示成像目标的距离走动轨迹的倾角的斜率(简称距离走动斜率)，其中t＝1s为波束中心通过目标的时刻。可得多普勒中心频率为10970Hz。

通过单位转换，距离走动斜率

可以转化为无量纲的直线斜率K，

$\stackrel{o}{K}=K\·\frac{c\·\mathrm{PRF}}{f_s}=\tan \mathrm{\α}\·\frac{c\·\mathrm{PRF}}{f_s}---\left(6\right)$

式中，α表示成像目标的距离走动轨迹的倾角，f_s为距离向采样频率，这里为80MHz；c为光速；PRF为脉冲重复频率，这里为200Hz。

根据(5)和(6)，我们可以得到多普勒中心频率

$f_{\mathrm{dc}}=-\tan \mathrm{\α}\·\frac{c\·\mathrm{PRF}}{\mathrm{\λ}\·f_s}---\left(7\right)$

结合(5)和(7)可得成像目标的距离走动轨迹的倾角α的粗略值

这样，计算得到本实施例中成像目标的距离走动轨迹的倾角α的粗略值为155°，并根据粗略值确定二值数据的拉登(Radon)变换区域的变化范围β为±10°，拉登(Radon)变换步长Δα＝0.1°；

D.根据步骤C设定的Radon变换区域和Radon变换步长，对步骤B得到的二值数据进行Radon变换，得到成像目标的距离走动轨迹的倾角α的精确值；

本实施例中，对步骤B得到的二值数据进行Radon变换即沿不同角度、不同距离的直线进行积分，并搜索最大值，从而得到成像目标的距离走动轨迹的倾角α的精确值

如图5所示，横坐标表示成像目标的距离走动轨迹的倾角α，纵坐标表示距离向采样点数，成像目标选取5个点，从图中可以看出，成像目标中5个点的距离走动轨迹具有相同的倾角，并且该倾角可以通过搜索Radon变换检测结果的最大值得到。

E.根据Radon变换得到的成像目标的距离走动轨迹的倾角的精确值，结合斜视SAR的发射信号波长、距离向采样频率及脉冲重复频率，计算得到多普勒中心频率的粗略值；

本实施例中，根据多普勒中心频率与距离走动斜率之间的关系，如式(5)，结合Radon变换检测得到的成像目标的距离走动轨迹的倾角α的精确值发射信号波长λ＝0.03125m、距离向采样频率为80MHz及脉冲重复频率为200Hz，由式(7)，可计算得到多普勒中心频率的粗略值为10988Hz；

F.根据测得的多普勒中心频率的粗略值，结合斜视SAR的脉冲重复频率，计算得到多普勒模糊数。

本实施例中，根据E步骤得到的多普勒中心频率的粗略值10988Hz，结合脉冲重复频率为200Hz，由公式(9)实现多普勒模糊数m的测定，得到m＝55，

$m=\mathrm{round}\left(\frac{f_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{PRF}}\right)---\left(9\right)$

式中，round(*)表示向上取整函数，由于该函数是本技术领域中的公知常识，因此不再详细介绍。

采用本实施例的多普勒模糊数m的快速测定方法，在相同条件下采用本实施方式与直接采用拉登变换处理方法相比：本实施方式对多普勒模糊数的测定仅需0.475秒，而直接采用拉登变换处理本实施方式则需12.174秒；本实施方式相对于直接采用拉登变换方法，效率提高了25.6倍。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.斜视合成孔径雷达多普勒模糊数快速测定方法，包括如下步骤：

A.获取成像目标的回波数据，并利用常规匹配滤波方法进行距离向脉冲压缩获得距离压缩后的回波数据；

B.针对距离压缩后的回波数据，选取对比度高的的区域，利用Canny边缘检测算子进行边缘检测，得到含有线性特征的二值数据；

C.根据惯导设备或提供的载机速度、载机斜视角度信息，得到成像目标的距离走动轨迹的倾角的粗略值，并根据其粗略值确定二值数据的Radon变换区域和Radon变换步长；

D.根据步骤C设定的Radon变换区域和Radon变换步长，对步骤B得到的二值数据进行Radon变换，得到成像目标的距离走动轨迹的倾角的精确值；

E.根据Radon变换得到的成像目标的距离走动轨迹的倾角的精确值，结合斜视SAR的发射信号波长、距离向采样频率及脉冲重复频率，计算得到多普勒中心频率的粗略值；

F.根据测得的多普勒中心频率的粗略值，结合斜视SAR的脉冲重复频率，计算得到多普勒模糊数。

2.根据权利要求1所述的斜视合成孔径雷达多普勒模糊数快速测定方法，其特征在于，上述步骤C中成像目标的距离走动轨迹的倾角的粗略值的计算公式为：

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