CN102879780A - 一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法 - Google Patents
一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法,包括1:读入星载SAR滑动聚束模式回波仿真数据,2:对回波仿真数据进行处理,得到二维频域信号,3:设定多普勒三次项初值、迭代门限和迭代步长,4:获取经距离补偿后的信号,5:得到成像结果信号,6:获取一维信号的最大值及位置,7:获取一维信号主瓣左侧第一旁瓣峰值;8:获取一维信号主瓣右侧第一旁瓣峰值;9:获取左右第一旁瓣峰值之间差的绝对值;10:比较绝对值与门限Th,根据比较结果进行判断。本发明利用迭代法得到高精度的多普勒三次项,补偿高分辨率条件下传统斜距模型带来的相位误差,得到星载SAR高精度聚焦图像,从而验证了本发明的有效性和精确性。
Description
技术领域
本发明属于信号处理领域,特别涉及一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像方法。
背景技术
星载SAR是一种先进的天基信息获取的有效载荷,是取得制信息权的一种重要的手段,能克服云雾雨雪和夜暗条件的限制对地面目标成像,能实现全天时、全天候、高分辨率、大幅面对地观测,在海洋观测、精细农业、环境保护、灾害监测、资源勘查、地质测绘、政府公共决策等方面有着广泛的应用,发挥着其它空间遥感手段无法替代的作用。合成孔径概念提出已经历六十年的时间,在此期间,合成孔径雷达技术有着翻天覆地的变化,成像模式越来越多、分辨率越来越高。其中,高分辨率在目标识别、目标跟踪等众多方面具有极其重要的价值,已经成为当前星载SAR的发展趋势。
但是,随着分辨率的提高,星载SAR合成孔径时间变长,卫星飞行轨道不能简单的近似为直线轨道,采用传统的等效斜距模型将会带来高阶多普勒项残余误差,其中起主要影响作用的是多普勒三次项。此外SAR成像处理与回波信号的多普勒历程密切相关,只有准确知道回波信号的多普勒历程,才能在成像处理时精确设计与之相匹配的参考函数或补偿因子,得到高质量的图像。而当存在多普勒三次项误差时,将导致成像压缩方位向输出产生非对称性畸变,也就是右侧旁瓣电平增高,而主瓣向左侧展宽,而这种旁瓣电平的增高在强点目标情况将造成图像上目标重影,严重影响了星载SAR方位向成像质量,因此在高分辨率条件下,多普勒三次项的精确计算显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题,针对多普勒三次项误差给高分辨率星载SAR高精度成像带来的影响,基于传统的滑动聚束模式成像方法,提出了一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法。
一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法,包括以下几个步骤:
步骤一:读入星载SAR滑动聚束模式回波仿真数据S(τ,t;r)以及相应的成像参数,包括:方位向采样点数Na,距离向采样点数Nr,信号采样率fs,信号带宽Bw,脉冲宽度τ,脉冲重复频率PRF,参考斜距Rref,多普勒中心频率fd0,多普勒调频率fr0,卫星速度Pv,等效斜视角信号波长λ,信号传播速度c;
步骤二:将回波仿真数据S(τ,t;r)依次进行方位向去旋转处理、方位向傅里叶变换、调频线性变标处理、距离向傅里叶变换处理,得到二维频域信号S1(fτ,f);
步骤三:设定多普勒三次项初值fa、迭代门限Th以及迭代步长Δfa;
步骤四:在二维频域内信号S1(fτ,f)同距离补偿因子Φ1(fτ,f)相乘,得到经距离补偿后的信号S2(fτ,f),具体可以分为以下几个步骤:
(a)获取完成距离徙动校正和距离聚焦处理的补偿因子Φ11(fτ,f);
(b)获取三次相位误差补偿因子Φ12(fτ,f);
(c)获取补偿多普勒三次项fa带来相位误差后的补偿因子Φ13(fτ,f);
(d)获取最终距离补偿因子Φ1(fτ,f);
(e)利用补偿因子Φ1(fτ,f)获取经距离补偿后的信号S2(fτ,f);
步骤五:将信号S2(fτ,f)依次进行距离向傅里叶逆变换、方位补偿处理、方位向线性变标处理、方位向去斜处理得到成像结果信号S3(τ,f);
步骤六:在信号S3(τ,f)中,选取场景中心周围n×n大小的数据S4(τ,f),做插值处理到N×N大小的数据S5(τ,f),提取出S5(τ,f)中最大值所在列的一维信号g(PN),并计算该一维信号g(PN)的最大值gmax(P)及位置Pmax,具体可以分为以下几个步骤:
(a)选取场景中心周围n×n大小的数据S4(τ,f);
(b)对数据S4(τ,f)做插值处理到N×N大小的数据S5(τ,f);
(c)提取出数据S5(τ,f)中最大值所在列的一维信号g(P),信号长度为N;
(d)获取该一维信号g(P)的最大值gmax(P)及位置Pmax;
步骤七:获取一维信号g(P)主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILleft,具体可以分为以下几个步骤:
(a)令l=Pmax;
(b)比较g(l)与g(l-1),若g(l)>g(l-1),则l=l-1,并且重复此步骤,直到第一次出现g(l)≤g(l-1),进入下一步骤;
(c)记此时l=Pleft;
(d)获取一维信号g(P)在(0,Pleft)范围内的最大值gmax(P0~left),则gmax(P0~left)为主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILleft;
步骤八:获取一维信号g(P)主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILright,具体可以分为以下几个步骤:
(a)令l=Pmax;
(b)比较g(l)与g(l+1),若g(l)>g(l+1),则l=l+1,并且重复此步骤,直到第一次出现g(l)≤g(l+1),进入下一步骤;
(c)此时记l=Pright;
(d)获取一维信号g(P)在(Pright,N)范围内的最大值gmax(Pright~N),则gmax(Pright~N)为主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILright;
步骤九:获取左右第一旁瓣峰值RSILleft与RSILright之间差的绝对值ΔRSIL;
步骤十:比较ΔRSIL与门限Th,根据比较结果进行判断,具体步骤如下:
(a)比较ΔRSIL与门限Th;
(b)若ΔRSIL>Th,比较RSILleft与RSILright,若RSILleft>RSILright,则若RSILleft≤RSILright,则(其中Δfa为迭代步长),然后从步骤四重复操作;
(c)若ΔRSIL≤Th,则此时的fa即为多普勒三次项估计结果,且成像结束,得到星载合成孔径雷达的成像结果,。
本发明优点在于:
(1)精确性。本发明利用迭代法能得到高精度的多普勒三次项,而精确的多普勒三次项能很好的补偿高分辨率条件下传统斜距模型带来的相位误差,实现星载SAR高精度聚焦,得到高质量的星载SAR图像。
(2)实用性强。本发明具有很强的实用性,尤其体现在利用本方法能得到多普勒三次项,进而得到高分辨率星载SAR高质量成像结果,适应了星载SAR发展趋势与发展需求。
(3)高效性。本发明利用迭代法估计多普勒三次项,迭代法采用二分法提高迭代效率。
(4)灵活性。在实际应用中可以根据实际精度需求设置迭代中的门限,根据速度需求设置迭代步长。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明步骤四的方法流程图。
图3是本发明步骤六的方法流程图。
图4是本发明步骤七的方法流程图。
图5是本发明步骤八的方法流程图。
图6是本发明步骤十的方法流程图。
图7是仿真场景设计示意图。
图8是本发明与传统方法对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法,具体流程如图1所示,包括以下步骤:
步骤一:读入星载SAR滑动聚束模式回波仿真数据S(τ,t;r)(其中,τ为快时间、t为慢时间、r为卫星到目标的距离)以及相应的成像参数,包括:方位向采样点数Na,距离向采样点数Nr,信号采样率fs,信号带宽Bw,脉冲宽度τ,脉冲重复频率PRF,参考斜距Rref,多普勒中心频率fd0,多普勒调频率fr0,卫星速度Pv,等效斜视角信号波长λ,信号传播速度c;
步骤二:将回波仿真数据S(τ,t;r)依次进行方位向去旋转处理、方位向傅里叶变换、调频线性变标处理、距离向傅里叶变换处理,得到二维频域信号S1(fτ,f)(其中,fτ为距离向频率,f为方位向频率);
步骤三:设定多普勒三次项初值fa、迭代门限Th以及迭代步长Δfa;
步骤四:在二维频域内信号S1(fτ,f)与距离补偿因子Φ1(fτ,f)相乘,得到经距离补偿后的信号S2(fτ,f),流程如图2所示,具体可以分为以下几个步骤:
(a)获取完成距离徙动校正和距离聚焦处理的补偿因子Φ11(fτ,f);
其中,
(b)获取三次相位误差补偿因子Φ12(fτ,f);
其中,
(c)获取补偿多普勒三次项fa带来相位误差后的补偿因子Φ13(fτ,f);
(d)获取最终距离补偿因子Φ1(fτ,f);
Φ1(fτ,f)=Φ11(fτ,f)·Φ12(fτ,f)·Φ13(fτ,f) (4)
(e)利用补偿因子Φ1(fτ,f)获取经距离补偿后的信号S2(fτ,f);
S2(fτ,f)=S1(fτ,f)·Φ1(fτ,f) (5)
步骤五:将信号S2(fτ,f)依次进行距离向傅里叶逆变换、方位补偿处理、方位向线性变标处理、方位向去斜处理得到成像结果信号S3(τ,f);
步骤六:在信号S3(τ,f)中,选取场景中心周围n×n大小的数据S4(τ,f),做插值处理到N×N大小的数据S5(τ,f),提取出S5(τ,f)中最大值所在列的一维信号g(PN),并计算该一维信号g(PN)的最大值gmax(P)及位置Pmax,如图3所示,具体可以分为以下几个步骤:
(a)选取场景中心周围n×n大小的数据S4(τ,f);
(b)对数据S4(τ,f)做插值处理到N×N大小的数据S5(τ,f);
(c)提取出数据S5(τ,f)中最大值所在列的一维信号g(P),信号长度为N;
(d)获取该一维信号g(P)的最大值gmax(P)及位置Pmax;
步骤七:获取一维信号g(P)主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILleft,如图4所示,具体可以分为以下几个步骤:
(a)令l=Pmax;
(b)比较g(l)与g(l-1),若g(l)>g(l-1),则l=l-1,并且重复此步骤,直到第一次出现g(l)≤g(l-1),进入下一步骤;
(c)记此时l=Pleft;
(d)获取一维信号g(P)在(0,Pleft)范围内的最大值gmax(P0~left),则gmax(P0~left)为主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILleft;
步骤八:获取一维信号主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILright,如图5所示,具体可以分为以下几个步骤:
(a)令l=Pmax;
(b)比较g(l)与g(l+1),若g(l)>g(l+1),则l=l+1,并且重复此步骤,直到第一次出现g(l)≤g(l+1),进入下一步骤;
(c)此时记l=Pright;
(d)获取一维信号g(P)在(Pright,N)范围内的最大值gmax(Pright~N),则gmax(Pright~N)为主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILright;
步骤九:获取左右第一旁瓣峰值RSILleft与RSILright之间差的绝对值ΔRSIL;
ΔRSIL=|RSILleft-RSILright| (6)
步骤十:比较ΔRSIL与门限Th,根据比较结果进行判断,如图6所示,具体步骤如下:
(a)比较ΔRSIL与门限Th;
(b)若ΔRSIL>Th,比较RSILleft与RSILright,若RSILleft>RSILright,则若RSILleft≤RSILright,则(其中Δfa为迭代步长),然后从步骤四重复操作;
(c)若ΔRSIL≤Th,则此时的fa即为多普勒三次项估计结果,且成像结束,得到星载合成孔径雷达的成像结果。
实施例:
本发明的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法,具体为:
步骤一:读入星载SAR滑动聚束模式回波仿真数据S(τ,t;r)以及相应的成像参数,包括:方位向采样点数Na=32768,距离向采样点数Nr=4096,信号采样率fs=600MHz,信号带宽Bw=500MHz,脉冲重复频率PRF=4500Hz,参考斜距Rref=837km,多普勒中心频率fd0=4.5Hz,多普勒调频率fr0=4012.4Hz/s,卫星速度Pv=7230m/s,等效斜视角信号波长λ=0.03m,信号传播速度c=3×108m/s;
步骤二:将回波仿真数据S(τ,t;r)依次进行方位向去旋转处理、方位向傅里叶变换、调频线性变标处理、距离向傅里叶变换处理,得到二维频域信号S1(fτ,f);
步骤三:设定多普勒三次项初值fa=0.0Hz/s2、迭代门限Th=0.05dB以及迭代步长Δfa=0.001Hz/s2;
步骤四:在二维频域内信号S1(fτ,f)与距离补偿因子Φ1(fτ,f)相乘,得到经距离补偿后的信号S2(fτ,f);
本步骤操作流程如图2所示,具体步骤如下:
(a)获取完成距离徙动校正和距离聚焦处理的补偿因子Φ11(fτ,f);方法如公式(1)所示:
(b)获取三次相位误差补偿因子Φ12(fτ,f);方法如公式(2)所示:
(c)获取多普勒三次项fa带来相位误差后的补偿因子Φ13(fτ,f);方法如公式(3)所示:
(d)获取距离补偿因子Φ1(fτ,f);
方法如公式(4)所示:
(e)获取经距离补偿后的信号S2(fτ,f);
方法如公式(5)所示:
步骤五:将信号S2(fτ,f)依次进行距离向傅里叶逆变换、方位向补偿处理、方位向线性变标处理、方位向去斜处理得到成像结果信号S3(τ,f);
步骤六:在信号S3(τ,f)中,选取场景中心周围n×n(n=32)大小的数据S4(τ,f),做插值处理到N×N(N=1024大小的数据S5(τ,f),提取出S5(τ,f)中最大值所在列的一维信号g(P),并计算该一维信号g(P)幅度最大值gmax(P)及位置Pmax;
具体步骤如下:
(a)在信号S3(τ,f)选取场景中心周围32×32大小的数据S4(τ,f);
(b)对数据S4(τ,f)做插值处理到1024×1024大小的数据S5(τ,f);
(c)提取出数据S5(τ,f)中最大值所在列的一维信号g(P),信号长度为1024;
(d)获取该一维信号g(P)的最大值gmax(P)及位置Pmax;
步骤七:获取一维信号g(P)主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILleft;
具体步骤如下:
(a)令l=Pmax;
(b)比较g(l)与g(l-1),若g(l)>g(l-1),则l=l-1,并且重复此步骤,直到第一次出现g(l)≤g(l-1),进入下一步骤;
(c)记此时l=Pleft;
(d)获取一维信号g(P)在(0,Pleft)范围内的最大值gmax(P0~left),则gmax(P0~left)为主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILleft;
步骤八:一维信号g(P)主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILright;
具体步骤如下:
(a)令l=Pmax;
(b)比较g(l)与g(l+1),若g(l)>g(l+1),则l=l+1,并且重复此步骤,直到第一次出现g(l)≤g(l+1),进入下一步骤;
(c)此时记l=Pright;
(d)获取一维信号g(P)在(Pright,1024)范围内的最大值gmax(Pright~1024),则gmax(Pright~1024)为主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILright;
步骤九:获取左右第一旁瓣峰值RSILleft与RSILright之间差的绝对值ΔRSIL;方法如公式(6)
步骤十:比较ΔRSIL与门限Th,根据比较结果进行判断,具体步骤如下:
(a)比较ΔRSIL与门限Th;
(c)若ΔRSIL≤Th,则此时的fa即为多普勒三次项估计结果,且成像结束,得到星载合成孔径雷达的成像结果,。
为了说明该方法的有效性,进行如下仿真实验,场景设置为3×3点阵如图7,成像参数如表1所示。首先利用传统的滑动聚束成像算法得到成像结果,并对场景中各点方位向成像质量进行评估;然后利用本发明所述的多普勒三次项估计方法得到多普勒三次项,同时得到补偿多普勒三次项带来的相位误差后的星载SAR成像结果,并对场景中各点方位向成像质量进行评估。两个方法所得评估成像指标结果如表2与图8。对比图8(a)与图8(b)可以发现,利用本发明的方法可以得到星载SAR高质量成像结果,从而验证可本发明的有效性和精确性。
表1成像参数
表2两种方法的方位向成像质量对比
本发明提供了一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法。该方法考虑到多普勒三次项误差主要影响方位向左右旁瓣不对称,提出了以左右旁瓣峰值之差的绝对值是否小于门限为标准,利用迭代法不断更新多普勒三次项,并在成像过程中补偿多普勒三次项带来相位误差,从而最终实现多普勒三次项估计,得到星载SAR高精度成像结果。
Claims (6)
1.一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:读入星载SAR滑动聚束模式回波仿真数据S(τ,t;r)以及相应的成像参数,其中,τ为快时间、t为慢时间、r为卫星到目标的距离,包括:方位向采样点数Na,距离向采样点数Nr,信号采样率fs,信号带宽Bw,脉冲宽度τ,脉冲重复频率PRF,参考斜距Rref,多普勒中心频率fd0,多普勒调频率fr0,卫星速度Pv,等效斜视角信号波长λ,信号传播速度c;
步骤二:将回波仿真数据S(τ,t;r)依次进行方位向去旋转处理、方位向傅里叶变换、调频线性变标处理、距离向傅里叶变换处理,得到二维频域信号S1(fτ,f),其中,fτ为距离向频率,f为方位向频率;
步骤三:设定多普勒三次项初值fa、迭代门限Th以及迭代步长Δfa;
步骤四:在二维频域内信号S1(fτ,f)与距离补偿因子Φ1(fτ,f)相乘,得到经距离补偿后的信号S2(fτ,f);
步骤五:将信号S2(fτ,f)依次进行距离向傅里叶逆变换、方位补偿处理、方位向线性变标处理、方位向去斜处理得到成像结果信号S3(τ,f);
步骤六:在信号S3(τ,f)中,选取场景中心周围n×n大小的数据S4(τ,f),做插值处理到N×N大小的数据S5(τ,f),提取出S5(τ,f)中最大值所在列的一维信号g(PN),并计算该一维信号g(PN)的最大值gmax(P)及位置Pmax;
步骤七:获取一维信号g(P)主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILleft;
步骤八:获取一维信号g(P)主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILright;
步骤九:获取左右第一旁瓣峰值RSILleft与RSILright之间差的绝对值ΔRSIL;
步骤十:比较ΔRSIL与门限Th,根据比较结果进行判断,具体步骤如下:
(a)比较ΔRSIL与门限Th;
(b)若ΔRSIL>Th,比较RSILleft与RSILright,若RSILleft>RSILright,则若RSILleft≤RSILright,则其中Δfa为迭代步长,然后从步骤四重复操作;
(c)若ΔRSIL≤Th,则此时的fa即为多普勒三次项估计结果,且成像结束,得到星载合成孔径雷达的成像结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法,其特征在于,所述的步骤四,具体包括以下步骤:
(a)获取完成距离徙动校正和距离聚焦处理的补偿因子Φ11(fτ,f);
其中,
(b)获取三次相位误差补偿因子Φ12(fτ,f);
其中,
(c)获取补偿多普勒三次项fa带来相位误差后的补偿因子Φ13(fτ,f);
(d)获取最终距离补偿因子Φ1(fτ,f);
Φ1(fτ,f)=Φ11(fτ,f)·Φ12(fτ,f)·Φ13(fτ,f) (4)
(e)利用补偿因子Φ1(fτ,f)获取经距离补偿后的信号S2(fτ,f);
S2(fτ,f)=S1(fτ,f)·Φ1(fτ,f) (5)
。
3.根据权利要求1所述的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法,其特征在于,所述的步骤六,具体包括以下步骤:
(a)选取场景中心周围n×n大小的数据S4(τ,f);
(b)对数据S4(τ,f)做插值处理到N×N大小的数据S5(τ,f);
(c)提取出数据S5(τ,f)中最大值所在列的一维信号g(P),信号长度为N;
(d)获取该一维信号g(P)的最大值gmax(P)及位置Pmax。
4.根据权利要求1所述的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法,其特征在于,所述的步骤七,具体包括以下步骤:
(a)令l=Pmax;
(b)比较g(l)与g(l-1),若g(l)>g(l-1),则l=l-1,并且重复此步骤,直到第一次出现g(l)≤g(l-1),进入下一步骤;
(c)记此时l=Pleft;
(d)获取一维信号g(P)在(0,Pleft)范围内的最大值gmax(P0~left),则gmax(P0~left)为主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILleft。
5.根据权利要求1所述的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法,其特征在于,所述的步骤八,具体包括以下步骤:
(a)令l=Pmax;
(b)比较g(l)与g(l+1),若g(l)>g(l+1),则l=l+1,并且重复此步骤,直到第一次出现g(l)≤g(l+1),进入下一步骤;
(c)此时记l=Pright;
(d)获取一维信号g(P)在(Pright,N)范围内的最大值gmax(Pright~N),则gmax(Pright~N)为主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILright。
6.根据权利要求1所述的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法,其特征在于,所述的步骤九中绝对值ΔRSIL具体为:
ΔRSIL=|RSILleft-RSILright| (6)
。
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《IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING》 19850131 FUK-KWOK LI et al. "Doppler Parameter Estimation for Spaceborne Synthetic-Aperture Radars" 第47-56页 1-6 第GE-23卷, 第1期 * |
《宇航学报》 20051031 顾毅 等 "高分辨率星载聚束式SAR成像处理实现方法" 第87-92页 1-6 第26卷, * |
FUK-KWOK LI ET AL.: ""Doppler Parameter Estimation for Spaceborne Synthetic-Aperture Radars"", 《IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING》, vol. 23, no. 1, 31 January 1985 (1985-01-31), pages 47 - 56, XP011158852 * |
顾毅 等: ""高分辨率星载聚束式SAR成像处理实现方法"", 《宇航学报》, vol. 26, 31 October 2005 (2005-10-31), pages 87 - 92 * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108399607A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-08-14 | 北京航空航天大学 | 图像处理方法、装置、设备及计算机可读存储介质 |
CN108399607B (zh) * | 2017-11-21 | 2021-08-17 | 北京航空航天大学 | 抑制图像方位模糊的方法、装置、设备及计算机可读存储介质 |
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CN102879780B (zh) | 2014-01-22 |
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