CN102520403B - 一种改进的基于频域频谱重建的频率步进sar成像方法 - Google Patents

Abstract

一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法，具体为：①对载波频率n点步进的频率步进SAR回波数据按信号载频分组，得到不同载波频率的n组子带回波数据(包含m条距离线的数据)；②判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱是否会发生混叠；如果发生，则对子带回波数据的距离频谱做拓展操作；③对子带回波数据做SAR成像操作；当子带回波带宽大于步进频率间隔时，在距离压缩处理时通过对距离频谱加窗来去除频谱的交叠部分；④对n幅子图像进行方位配准；⑤从每幅子图像中取出第k条距离线数据做距离频谱重建；重复m次后得到具有距离高分辨的二维图像。本发明方法使子带数据距离频谱混叠的影响被消除，保证距离频谱重建操作顺利进行。

Description

一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法

技术领域

本发明涉及一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法，属于SAR成像技术领域。

背景技术

基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法主要分为两类：①先做距离压缩和频域频谱重建，然后进行距离徙动校正和方位聚焦处理；②先进行二维聚焦处理，再做距离频域频谱重建。对于第①种方法，需要在距离频谱重建前进行距离压缩操作，但这种结构无法和一种高效的成像算法——CS类算法相结合使用，因此其适应性较第②种方法差。但第②种方法存在一个问题：在二维聚焦处理后，回波数据的距离频谱会发生扭曲，尤其是在高分辨率SAR系统中扭曲的程度增大，这很可能导致距离频谱混叠。如果这种距离频谱混叠现象发生，距离频谱重建将无法实施。在目前已有的技术中，还未发现解决该距离频谱混叠现象的方法。

发明内容

本发明的目的是针对目前先进行二维聚焦处理，再做距离频域频谱重建的频率步进SAR成像方法(背景技术中提到的第②种方法)中可能存在的距离频谱混叠问题，提出一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法。

一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法，其基本实施过程包括步骤一至步骤五，具体为：

步骤一、对载波频率n点步进的频率步进SAR回波数据按信号载波频率进行分组，得到不同载波频率的n组子带回波数据，其中n≥2且n为正整数；每组子带回波数据包含m条距离线的数据，m为正整数。

步骤二、判断步骤一所述子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱是否会发生混叠；如果会发生频谱混叠，则对子带回波数据的距离频谱进行拓展操作，然后进行步骤三的操作；否则，直接进行步骤三的操作。

所述判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱是否会发生混叠的方法具体为：如果Δf≥Δf_threshold，则判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱会发生混叠。其中，Δf为步进频率间隔；Δf_threshold为门限步进间隔，

f_s为采样率；β_A为方位波束宽度；f₀为载波频率；B_r为子带回波带宽且B_r≥Δf。如果Δf＜Δf_threshold，则判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱不会发生混叠。

所述对子带回波数据的距离频谱进行拓展操作的具体方法为：把子带回波数据通过傅里叶变换转换到距离频域，并在距离频谱的两端通过补零把距离频域范围拓展到B_{r_extendHz}；其中， $B_{r\_\mathrm{extend}}=\mathrm{\α}(\frac{1}{8}{\mathrm{\β}}_A^2{f}_0+[\frac{1}{8}{\mathrm{\β}}_A^2(n-\frac{1}{2})+\frac{1}{2}]\mathrm{\Δf}+\frac{1}{2}{B}_r),$ α为过采样系数且1＜α≤1.3；即：如果距离向的原有点数用符号N_r表示，距离频谱两端的补零点数用符号N_{r_zeros}表示，

表示向上取整。

步骤三、对步骤二得到的n组子带回波数据分别进行SAR成像操作，得到n幅子图像。当B_r＞Δf时，相邻子带频谱会出现交叠现象，为了消除子带频谱交叠对频谱重建的影响，需要在距离压缩处理时通过对距离频谱加窗来去除频谱的交叠部分。

所述SAR成像操作的步骤包括第3.1步至第3.3步，具体为：

第3.1步：对子带回波数据进行距离压缩操作，得到距离压缩操作后的子带数据；当B_r＞Δf时，相邻子带频谱出现交叠现象，为了消除子带频谱交叠对频谱重建的影响，在距离压缩处理时通过距离频谱加窗来去除频谱的交叠部分。

第3.2步：对距离压缩操作后的子带数据进行距离徙动校正，得到距离徙动校正后的子带数据。

第3.3步：对距离徙动校正后的子带数据进行方位压缩操作，得到子图像。

步骤四、对步骤三得到的n幅子图像进行方位配准，得到n幅方位配准后的子图像。

所述对n幅子图像进行方位配准的具体方法为：从n幅子图像中选取第i幅子图像作为基准图像，其中1≤i≤n且i为正整数，将其它子图像通过傅立叶变换的时移性质在方位平移个像素，其中1≤j≤n，j为正整数且j≠i。

步骤五、从步骤四得到的每幅子图像中取出第k条距离线数据，得到n条距离线数据，并对所述n条距离线数据进行距离频谱重建，其中，1≤k≤m，且k为正整数；重复进行m次操作后得到具有距离高分辨的二维图像。

所述对n条距离线数据进行距离频谱重建的具体方法包括第5.1步至第5.4步，具体为：

第5.1步：通过傅里叶变换将n条距离线数据分别变换到距离频域，得到n条距离频谱。

第5.2步：对第5.1步得到的n条距离频谱进行补零操作，得到n条补零操作后的距离频谱。

所述对n条距离频谱进行补零操作的具体方法为：

如果n条距离频谱对应的子带回波数据在步骤二中进行了距离频谱拓展，则n条距离频谱的补零位置根据公式(1)得到：

$f{p}_i=\left\{\begin{array}{cc}0.5\mathrm{\Δf}+0.5(\mathrm{\α}-1)B_{r\_\mathrm{extend}},& i=1,L,n-1\\ 0.5B_r+0.5(\mathrm{\α}-1)B_{r\_\mathrm{extend}},& i=n\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，fp_i表示第i幅子图像的第k条距离线数据的距离频谱的补零位置。

如果n条距离频谱对应的子带回波数据在步骤二中没有进行距离频谱拓展，则n条距离频谱的补零位置根据公式(2)得到：

${\mathrm{fp}}_i=\left\{\begin{array}{cc}0.5(\mathrm{\Δf}+f_s-B_{r\_\mathrm{extend}}),& i=1,L,n-1\\ 0.5(B_r+f_s-B_{r\_\mathrm{extend}}),& i=n\end{array}\right.---\left(2\right)$

第5.3步：将第5.2步得到的n条补零操作后的距离频谱进行频移，得到n条频移后的距离频谱；第i幅子图像的第k条距离线数据的频移量用符号δf_i表示，

$\mathrm{\δ}{f}_i=(i-1+\frac{1-n}{2})\mathrm{\Δf};$

第5.4步：将第5.3步得到的n条频移后的距离频谱相叠加，并进行逆傅里叶变换操作，即完成距离频谱重建，得到一条高分辨率距离线。

有益效果

本发明提出的改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法与已有基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法相比较，子带数据距离频谱混叠的影响被消除，能够保证距离频谱重建操作顺利进行。

附图说明

图1为本发明的具体实施例中关于一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法的流程示意图；

图2为本发明的具体实施例中的具有距离高分辨的二维图像中点目标的二维频谱图；

图3为本发明的具体实施例中的具有距离高分辨的二维图像中点目标等高线图；

图4为本发明的具体实施例中的具有距离高分辨的二维图像中点目标距离向归一化幅度图。

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详细描述。

一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法，其基本实施过程包括步骤一至步骤五，如图1所示，具体为：

步骤一、仿真一个点目标的频率步进SAR回波数据，仿真参数如表1所示；对载波频率4点步进的频率步进SAR回波数据按信号载波频率进行分组，得到不同载波频率的4组子带回波数据；每组子带回波数据包含3500条距离线的数据。

表1 仿真参数表

步骤二、判断步骤一所述子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱是否会发生混叠；如果会发生频谱混叠，则对子带回波数据的距离频谱进行拓展操作，然后进行步骤三的操作；否则，直接进行步骤三的操作。

所述判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱是否会发生混叠的方法具体为：如果Δf≥2.9MHz，则判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱会发生混叠。如果Δf＜2.9MHz，则判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱不会发生混叠。”本仿真参数下Δf≥2.9MHz，因此判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱会发生混叠。

所述对子带回波数据的距离频谱进行拓展操作的具体方法为：把子带回波数据通过傅里叶变换转换到距离频域，并在距离频谱的两端通过补零把距离频域范围拓展到18.1Hz，这里取α＝1.2；由于距离向原有152点，则需要距离频谱两端分别补零39点。

步骤三、对步骤二得到的n组子带回波数据分别进行SAR成像操作，得到4幅子图像。由于B_r＞Δf，相邻子带频谱会出现交叠现象，为了消除子带频谱交叠对频谱重建的影响，需要在距离压缩处理时通过对距离频谱加窗来去除频谱的交叠部分。

所述SAR成像操作的具体步骤为：

第3.1步：对子带回波数据进行距离压缩操作，得到距离压缩操作后的子带数据；由于B_r＞Δf，相邻子带频谱出现交叠现象，为了消除子带频谱交叠对频谱重建的影响，在距离压缩处理时通过距离频谱加窗来去除频谱的交叠部分。

第3.2步：对距离压缩操作后的子带数据进行距离徙动校正，得到距离徙动校正后的子带数据。

第3.3步：对距离徙动校正后的子带数据进行方位压缩操作，得到子图像。

步骤四、对步骤三得到的4幅子图像进行方位配准，得到4幅方位配准后的子图像。

所述对4幅子图像进行方位配准的具体方法为：从4幅子图像中选取第i幅子图像作为基准图像，其中1≤i≤4且i为正整数，将其它子图像通过傅立叶变换的时移性质在方位平移

个像素，其中1≤j≤4，j为正整数且j≠i。

步骤五、从步骤四得到的每幅子图像中取出第k条距离线数据，得到4条距离线数据，并对这4条距离线数据进行距离频谱重建，其中，1≤k≤3500，且k为正整数；重复进行3500次操作后得到具有距离高分辨的二维图像。

所述对4条距离线数据进行距离频谱重建的具体方法为：

第5.1步：通过傅里叶变换将4条距离线数据分别变换到距离频域，得到4条距离频谱。

第5.2步：对第5.1步得到的4条距离频谱进行补零操作，得到4条补零操作后的距离频谱。

所述对4条距离频谱进行补零操作的具体方法为：

如果4条距离频谱对应的子带回波数据在步骤二中进行了距离频谱拓展，则4条距离频谱的补零位置根据公式(1)得到：

$f{p}_i=\left\{\begin{array}{cc}0.5\mathrm{\Δf}+0.5(\mathrm{\α}-1)B_{r\_\mathrm{extend}},& i=1,\mathrm{2,3}\\ 0.5B_r+0.5(\mathrm{\α}-1)B_{r\_\mathrm{extend}},& i=4\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，fp_i表示第i幅子图像的第k条距离线数据的距离频谱的补零位置。

如果4条距离频谱对应的子带回波数据在步骤二中没有进行距离频谱拓展，则4条距离频谱的补零位置根据公式(2)得到：

${\mathrm{fp}}_i=\left\{\begin{array}{cc}0.5(\mathrm{\Δf}+f_s-B_{r\_\mathrm{extend}}),& i=1,\mathrm{2,3}\\ 0.5(B_r+f_s-B_{r\_\mathrm{extend}}),& i=4\end{array}\right.---\left(2\right)$

在本仿真参数下，4条距离频谱对应的子带回波数据在步骤二中进行了距离频谱拓展，因此这4条距离频谱的补零位置由公式(1)得到，分别为6.31MHz，6.31MHz，6.31MHz，6.81MHz。

第5.3步：将第5.2步得到的4条补零操作后的距离频谱进行频移，得到4条频移后的距离频谱；第i幅子图像的第k条距离线数据的频移量用符号δf_i表示， $\mathrm{\δ}{f}_i=(i-\frac{5}{2})\×9\mathrm{MHz};$

第5.4步：将第5.3步得到的4条频移后的距离频谱相叠加，并进行逆傅里叶变换操作，即完成距离频谱重建，得到一条高分辨率距离线。

最终得到的具有距离高分辨的二维图像中，点目标的二维频谱图如图2所示；图2中的横坐标为方位频率(采样点)；纵坐标为距离频率(采样点)；从图2中可以看出子带数据距离频谱混叠的影响被消除。图3为该点目标等高线图，图3中的横坐标为方位向(采样点)；纵坐标为距离向(采样点)；图4为该点目标距离向归一化幅度图，图4中的横坐标为方位向(采样点)；纵坐标为归一化幅度；图3和图4表明点目标聚焦效果良好。图2，图3和图4验证了改进的基于频域频域重建的频率步进SAR成像算法的正确性和有效性。

以上结合具体实施例对本发明的技术方案作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法，其特征在于：其基本实施过程包括步骤一至步骤五，具体为：

步骤一、对载波频率n点步进的频率步进SAR回波数据按信号载波频率进行分组，得到不同载波频率的n组子带回波数据，其中n≥2且n为正整数；每组子带回波数据包含m条距离线的数据，m为正整数；

步骤二、判断步骤一所述子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱是否会发生混叠；如果会发生频谱混叠，则对子带回波数据的距离频谱进行拓展操作，然后进行步骤三的操作；否则，直接进行步骤三的操作；

步骤三、对步骤二得到的n组子带回波数据分别进行SAR成像操作，得到n幅子图像；当B_r>△f时，相邻子带频谱会出现交叠现象，为了消除子带频谱交叠对频谱重建的影响，需要在距离压缩处理时通过对距离频谱加窗来去除频谱的交叠部分；其中，B_r为子带回波带宽且B_r≥△f，△f为步进频率间隔；

步骤四、对步骤三得到的n幅子图像进行方位配准，得到n幅方位配准后的子图像；

步骤五、从步骤四得到的每幅子图像中取出第k条距离线数据，得到n条距离线数据，并对所述n条距离线数据进行距离频谱重建，其中，1≤k≤m，且k为正整数；重复进行m次操作后得到具有距离高分辨的二维图像。

2.如权利要求1所述的一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法，其特征在于：其步骤二中所述判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱是否会发生混叠的方法具体为：如果△f≥△f_threshold，则判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱会发生混叠；其中，△f_threshold为门限步进间隔，

f_s为采样率；β_A为方位波束宽度；f₀为载波频率；如果△f<△f_threshold，则判断子带回波数据在做二维聚焦处理后，其距离频谱不会发生混叠。

3.如权利要求2所述的一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法，其特征在于：其步骤二中所述对子带回波数据的距离频谱进行拓展操作的具体方法为：把子带回波数据通过傅里叶变换转换到距离频域，并在距离频谱的两端通过补零把距离频域范围拓展到B_{r_extend}Hz；其中， $B_{r\_\mathrm{extend}}=\mathrm{\&alpha;}(\frac{1}{8}{\mathrm{\&beta;}}_A^2{f}_0+\&lsqb;\frac{1}{8}{\mathrm{\&beta;}}_A^2(n-\frac{1}{2})+\frac{1}{2}\&rsqb;\mathrm{\&Delta;f}+\frac{1}{2}{B}_r),$ α为过采样系数且1<α≤1.3；即：如果距离向的原有点数用符号N_r表示，距离频谱两端的补零点数用符号N_{r_zeros}表示，表示向上取整。

4.如权利要求1所述的一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法，其特征在于：其步骤三中所述SAR成像操作的步骤包括第3.1步至第3.3步，具体为：

第3.1步：对子带回波数据进行距离压缩操作，得到距离压缩操作后的子带数据；当B_r>△f时，相邻子带频谱出现交叠现象，为了消除子带频谱交叠对频谱重建的影响，在距离压缩处理时通过距离频谱加窗来去除频谱的交叠部分；

第3.2步：对距离压缩操作后的子带数据进行距离徙动校正，得到距离徙动校正后的子带数据；

第3.3步：对距离徙动校正后的子带数据进行方位压缩操作，得到子图像。

5.如权利要求1所述的一种改进的基于频域频谱重建的频率步进SAR成像方法，其特征在于：其步骤四中所述对n幅子图像进行方位配准的具体方法为：从n幅子图像中选取第i幅子图像作为基准图像，其中1≤i≤n且i为正整数，将其它子图像通过傅立叶变换的时移性质在方位平移个像素，其中1≤j≤n，j为正整数且j≠i。

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