CN103744081A - 一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法，该方法的步骤包括：步骤S1：从原始回波数据中提取圆迹合成孔径雷达子孔径分层粗图像；步骤S2：通过选取圆迹合成孔径雷达子孔径分层粗图像中的特显点，估计特显点的高度，对特显点重新成像，并对特显点图像加窗，获得圆迹合成孔径雷达加窗后的特显点图像；步骤S3：将圆迹合成孔径雷达加窗后的特显点图像生成回波数据，对回波数据进行估计，得到圆迹合成孔径雷达360°全孔径的相位误差；步骤S4：将相位误差补偿至原始回波数据，得到相位补偿后的信号，利用相位补偿后的信号重新对场景进行成像，从而提高圆迹合成孔径雷达的成像质量。

Description

一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理领域，尤其涉及一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法，用于提高圆迹合成孔径雷达成像质量，解决由于导航系统定位误差引起的图像散焦问题。

背景技术

从20世纪90年代开始圆迹合成孔径雷达这种合成孔径雷达工作模式的提出，其在合成孔径雷达领域就引起了人们广泛的兴趣，和直线合成孔径雷达不同，其通过控制合成孔径雷达航迹在空中为一个圆形，并控制波束使波束中心始终指向同一场景中心，来实现对目标区域进行360°全方位观测。与传统直线合成孔径雷达相比，圆迹合成孔径雷达对目标的观测具有更大的相干积累角，能够实现更高的分辨率，对于相干累积角达360°的目标可达到波长量级的平面分辨率；且不同于传统直线合成孔径雷达斜平面成像几何，得益于圆迹合成孔径雷达方位视角的变化，圆迹合成孔径雷达能够获取目标在高程向的散射特性，具有三维层析成像的能力；此外，圆迹合成孔径雷达的全方位观测能够有效减小常规合成孔径雷达固有的阴影现象，并且对于获取目标随方位角变化的后向散射信息具有重要意义。

圆迹合成孔径雷达能够获取目标随方位角变化的全部信息，在相干累积角内目标具有稳定的方位散射特性，将这些角度内的合成孔径雷达信号相干叠加可达到目标的最大分辨率，因此相比于直线合成孔径雷达较小的累积角，相同的硬件条件下，圆迹合成孔径雷达能够得到更高的平面分辨率。相干累积角增大也会带来问题，合成孔径雷达信号的累积需要补偿目标到合成孔径雷达双程斜距引起的相位函数，只保留目标本身的相位，累积角越大，对于相位误差的控制精度要求越高，由于导航系统记录的合成孔径雷达平台绝对位置精度有限，其定位误差引起的相位误差对圆迹合成孔径雷达成像影响很大，因此对于一些高波段圆迹合成孔径雷达，目前的导航系统精度不能满足需求，导致成像质量的下降甚至散焦，需要通过信号处理的手段来估计相位误差并补偿。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法，能够解决机载圆迹合成孔径雷达因导航系统定位精度不够引起图像质量下降的问题，利用特显点图像进行回波生成，估计360°全孔径内的相位误差并补偿，提高圆迹合成孔径雷达成像质量。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法的步骤包括：

步骤S1：从原始回波数据中提取圆迹合成孔径雷达子孔径分层粗图像；

步骤S2：通过选取圆迹合成孔径雷达子孔径分层粗图像中的特显点，估计特显点的高度，对特显点重新成像，并对特显点图像加窗，提取特显点平面位置，获得圆迹合成孔径雷达加窗后的特显点图像；

步骤S3：将圆迹合成孔径雷达加窗后的特显点图像生成回波数据，对回波数据进行估计，得到圆迹合成孔径雷达360°全孔径的相位误差；

步骤S4：将相位误差补偿至原始回波数据，得到相位补偿后的信号，利用相位补偿后的信号重新对场景进行成像，从而提高圆迹合成孔径雷达的成像质量。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：针对圆迹合成孔径雷达由于导航系统定位精度有限，导致成像质量降低问题，提出了子孔径分层粗成像提取特显点，估计特显点高度，利用特显点图像生成回波数据，并对回波数据估计相位误差，最终补偿相位误差到原始回波的方法。利用多个特显点之间方位角重叠的特性，能够实现对360°全孔径的相位误差进行补偿，能够有效显著提高圆迹合成孔径雷达成像质量，为研究高分辨率圆迹合成孔径雷达目标识别和目标随方位角变化的后向散射特性提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明中机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法的总流程图

图2是本发明的圆迹合成孔径雷达特显点选取、成像、位置提取的流程图；

图3是本发明的圆迹合成孔径雷达生成回波和估计相位误差流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明中一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法的总流程图，如图1所示，该方法具体实现步骤如下：

步骤S1：将圆迹合成孔径雷达360°全孔径平均划分成N个子孔径，子孔径序号为n，1≤n≤N，其中10≤N≤100，对每个子孔径进行高度向分层成像，共得到N×M个子孔径分层粗图像，N为平均划分的子孔径个，分层总数为M，

ΔH是场景的估计地形起伏，ceil函数代表向上取整，每层高度为

其中z₀是场景的平均高度，dz为圆迹合成孔径雷达理论高程分辨率，由发射信号带宽和波束入射角决定，m为高度向层数序号，共得到M*N个子孔径分层粗图像；从原始回波数据中提取圆迹合成孔径雷达子孔径分层粗图像。所述原始回波函数表示为S₀(θ)，得到相位补偿后的信号表示为S_b(θ)，其中θ为圆迹合成孔径雷达的方位角，0≤θ≤2π，b表示补偿后的信号的下标记。

如图2示出本发明的圆迹合成孔径雷达特显点选取、成像、位置提取的流程图，步骤S2：通过选取圆迹合成孔径雷达子孔径分层粗图像中的多个特显点，估算特显点高度，对各个特显点重新成像，并对特显点图像加窗，以去除杂波和邻近目标的干扰，获得圆迹合成孔径雷达加窗后的特显点图像，并提取特显点平面位置。如图2所示，分为以下四个步骤：

从步骤S1中的子孔径分层粗图像中选取特显点，按照以下要求选取：特显点序号为i，1≤i≤I，I为特显点总数。特显点i需在子孔径序号[N_i,min，N_i,max]、层数序号[M_i,min，M_i,max]的粗图像内均能被识别，其中子孔径序号[N_i,min，N_i,max]应满足：

$N_{i,\max }-N_{i,\min }>\frac{30}{360}*2\mathrm{\π}*N,$

下标min和max分别表示序号的起始和终止；[N_i,min，N_i,max]相邻特显点子孔径序号[N_i,min，N_i,max]和[N_i+1,min，N_i+1,max]之间有一段重合可见子孔径，即N_i,max＞N_i+1,min，所有特显点可见子孔径集合覆盖360°全孔径，即：

表示为可见子孔径序号[N_i,min，N_i,max]的并集，N为平均划分的子孔径个数。特显点是人造目标或自然地物，人造目标是角反射器或龙伯球，所述自然地物是具有散射强度的自然地物。

其中估算各个特显点的高度的步骤包括：

步骤S21：特显点i在第n个子孔径、第m层粗图像中的位置为(x_i(m，n)，y_i(m，n))，估算特显点高度所在层数m_0,i表示如下：

$m_{0,i}=\underset{M_{i,\min }\≤m\≤M_{i,\max }}{\arg }\left\{\min \right[\underset{n=N_{i,\min }}{\overset{N_{i,\max }}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i(m,n)-\underset{n}{E}\left(x_i(m,n)\right))}^2+{(y_i(m,n)-\underset{n}{E}\left(y_i(m,n)\right))}^2\left]\right\}$

其中：设

代表在相邻特征点的子孔径序号[M_i,min，M_i,max]范围内选择使X(m)最小的高度向分层序号m；

$\left[X\left(m\right)\right]=[\underset{n=N_{i,\min }}{\overset{N_{i,\max }}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i(m,n)-\underset{n}{E}\left(x_i(m,n)\right))}^2+{(y_i(m,n)-\underset{n}{E}\left(y_i(m,n)\right))}^2];$

第i个特显点在第n个子孔径、第m层粗图像中的位置(x_i(m，n)，y_i(m，n))的均值 $\underset{n}{E}\left(x_i(m,n)\right),\underset{n}{E}\left(y_i(m,n)\right)$ 表示如下：

$\underset{n}{E}\left(x_i(m,n)\right)=\frac{1}{N_{i,\max }-N_{i,\min }+1}\underset{n=N_{i,\min }}{\overset{N_{i,\max }}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i(m,n)$

$\underset{n}{E}\left(y_i(m,n)\right)=\frac{1}{N_{i,\max }-N_{i,\min }+1}\underset{n=N_{i,\min }}{\overset{N_{i,\max }}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i(m,n)$

n∈[N_i,min，N_i,max]，m∈[M_i,min，M_i,max]。

该方法是对每层特显点的子孔径图像，计算特显点位置偏离平均位置的位移量，从中选出使该位移量最小的一层，作为特显点的估计高度z_0,i。

步骤S22：对各个特显点i在其估计高度z_0,i、将第m_0,i层、相邻特显点的子孔径序号[N_i,min，N_i,max]范围内所有子孔径粗图像相加，得到特显点i的子孔径图像g_i(x，y)，x，y为所有图像的平面直角坐标系的坐标轴；

步骤S23：对步骤S22得到的各个特显点子孔径图像g_i(x,y)进行加窗，减少杂波和邻近目标的干扰，得到加窗后图像

并计算如下：

$g_{h_i}(x,y)=g_i(x,y)\×H(x-x_{0,i},y-y_{0,i})$

下标h_i表示特显点i的图像经过加窗处理，x，y为所有图像的平面直角坐标系的坐标轴；H(x，y)为窗函数，(x_0,i,y_0,i)是特显点在第m_0,i层各个子孔径图像位置的平均值，h₀是第一层成像平面的高度，dz是相邻两层成像平面的高度间隔，M是分层总数，

代表以特显点位置为中心，加一个宽度为10个分辨率的矩形窗。

其中特显点在m_0,i层各个子孔径图像位置的平均值x_0,i,y_0,i表示如下：

$x_{0,i}=\underset{n\∈[N_{i,\min },N_{i,\max }]}{\mathrm{mean}}(\left(x_i(m_{0,i},n)\right),y_{0.i}=\underset{n\∈[N_{i,\min },N_{i,\max }]}{\mathrm{mean}}\left(y_i(m_{0,i},n)\right)$

估计的特显点高度z_0,i表示如下：

z_0,i=h₀+dz*M／2

窗函数H(x，y)表示如下：

$H(x,y)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{10\×\mathrm{dx}}\right)\×\mathrm{rect}\left(\frac{y}{10\×\mathrm{dy}}\right),$

H(x，y)代表以特显点位置为中心加一个宽度为10个分辨率的矩形窗；

rect为矩形窗函数，其中dx，dy为圆迹合成孔径雷达的平面分辨率。

步骤S24：在加窗后图像

中提取特显点i的平面位置，把加窗后图像

中的幅度峰值点位置作为特显点i的平面坐标(x_max,i，y_max,i)。

图3示出本发明的圆迹合成孔径雷达生成回波和估计相位误差流程图，步骤S3：根据圆迹合成孔径雷达加窗后的特显点加窗后的图像生成回波数据，对回波数据进行估计，得到圆迹合成孔径雷达360°全孔径的相位误差，如图3所示，需要以下四个步骤：

步骤S31：对各特显点子孔径加窗后图像

在中心波数K_e处生成的回波信号S_ri(θ)表示如下：

$S_{\mathrm{ri}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{x,y}{\∫\∫}{g}_{h\_i}(x,y)\exp (-j2K_c{R}_{\mathrm{xy},i}\left(\mathrm{\θ}\right))\mathrm{dxdy}$

$\mathrm{\θ}\∈\frac{2\mathrm{\π}}{N}*[N_{i,\min },N_{i,\max }]$

其中，θ为圆迹合成孔径雷达的方位角0≤θ≤2π，x，y为平面直角坐标系的坐标轴；exp(.)为指数函数，j为虚数，中心波数

f是雷达信号的中心频率，c是光速。载机飞行一周时θ变化范围为[0，2π]。R_xy,i(θ)为合成孔径雷达在方位角θ处的位置(x_p(θ)，y_p(θ)，z_p(θ))到坐标(x，y，z_0,i)的距离，z_0，i为第m_0，i层的高度；dx、dy为圆迹合成孔径雷达的平面分辨率。

步骤S32：将单频回波信号S_ri(θ)与特显点图像峰值处的距离历程相位参考函数H_ri(θ)=exp(-j2K_cR_ri(θ))共轭相乘，得到残余误差函数S_ai(θ)表示如下：

$S_{\mathrm{ai}}\left(\mathrm{\θ}\right)={H_{\mathrm{ri}}}^{*}\left(\mathrm{\θ}\right)\×S_{\mathrm{ri}}\left(\mathrm{\θ}\right)(\mathrm{\θ}\∈\frac{2\mathrm{\π}}{N}*[N_{i,\min },N_{i,\max }\left]\right)$

其中R_ri(θ)是合成孔径雷达在方位角θ处的位置(x_p(θ)，y_p(θ)，z_p(θ))到特显点位置(x_max,i，y_max,i，z_0,i)的距离。H_ri ^*(θ)代表信号H_ri(θ)的复共轭；

步骤S33：根据各个特显点的残余误差函数S_ai(θ)，计算各个特显点的相位误差梯度函数

表示如下：

dθ为合成孔径雷达角向采样间隔；θ为圆迹合成孔径雷达的方位角，0≤θ≤2π;

步骤S34：计算360°全孔径内的相位误差梯度函数当某个方位角θ上有多个特显点时，对特显点得到的相位梯度函数取平均，即：

对360°全孔径的相位梯度函数

做累加得到360°全孔径的相位误差函数表示如下：

步骤S4：补偿相位误差函数

至原始回波函数S₀(θ)，得到

利用相位补偿后的信号S_b(θ)重新对场景成像，从而提高成像质量。

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。

Claims (7)

1.一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

步骤S1：从原始回波数据中提取圆迹合成孔径雷达子孔径分层粗图像；

步骤S2：通过选取圆迹合成孔径雷达子孔径分层粗图像中的特显点，估计特显点的高度，对特显点重新成像，并对特显点图像加窗，提取特显点平面位置，获得圆迹合成孔径雷达加窗后的特显点图像；

步骤S3：将圆迹合成孔径雷达加窗后的特显点图像生成回波数据，对回波数据进行估计，得到圆迹合成孔径雷达360°全孔径的相位误差；

步骤S4：将相位误差补偿至原始回波数据，得到相位补偿后的信号，利用相位补偿后的信号重新对场景进行成像，从而提高圆迹合成孔径雷达的成像质量。

2.根据权利要求1所述的机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法，其特征在于，将所述圆迹合成孔径雷达360°全孔径平均划分子孔径，对每个子孔径进行高度向分层成像，共得到N×M个子孔径分层粗图像，N为平均划分的子孔径个数，M为分层总数。

3.根据权利要求1所述的机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法，其特征在于，原始回波函数表示为S₀(θ)，得到相位补偿后的信号表示为S_b(θ)，其中θ为圆迹合成孔径雷达的方位角，0≤θ≤2π，b表示补偿后的信号的下标记。

4.根据权利要求1所述的机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法，其特征在于，所述选取特显点的步骤包括：特显点需在子孔径序号[N_i,min，N_i,max]、层数序号[M_i,min，M_i,max]的图像内均能被识别，其中子孔径序号[N_i,min，N_i,max]应满足

i为特显点序号，1≤i≤I，I为特显点总数；N为平均划分的子孔径个数；下标min和max分别表示序号的起始和终止；相邻特显点的子孔径序号[N_i,min，N_i,max]和[N_i+1,min，N_i+1,max]之间有一段重合可见子孔径，即子孔径序号N_i,max＞N_i+1,min，所有特显点能看见可见子孔径集合覆盖360°全孔径即：

表示为可见子孔径序号[N_i,min，N_i,max]的并集。

5.根据权利要求1所述的机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法，其特征在于，所述特显点是人造目标或自然地物，人造目标是角反射器或龙伯球，所述自然地物是具有散射强度的自然地物。

6.根据权利要求1所述的机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法，其特征在于，所述估计特显点的高度的步骤包括：

步骤S21：利用特显点i在第n个子孔径、第m层粗图像中的位置(x_i(m，n)，y_i(m，n))，估算特显点高度所在层数m_0,i表示如下：

$m_{0,i}=\underset{M_{i,\min }\≤m\≤M_{i,\max }}{\arg }\left\{\min \right[\underset{n=N_{i,\min }}{\overset{N_{i,\max }}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i(m,n)-\underset{n}{E}\left(x_i(m,n)\right))}^2+{(y_i(m,n)-\underset{n}{E}\left(y_i(m,n)\right))}^2\left]\right\}$

其中：i为特显点序号，1≤i≤I，I为特显点总数；

代表在相邻特显点的子孔径序号[M_i,min，M_i,max]范围内选择使X(m)最小的高度向分层序号m；

设 $\left[X\left(m\right)\right]=[\underset{n=N_{i,\min }}{\overset{N_{i,\max }}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i(m,n)-\underset{n}{E}\left(x_i(m,n)\right))}^2+{(y_i(m,n)-\underset{n}{E}\left(y_i(m,n)\right))}^2]$

m为高度向分层序号，n为子孔径序号，1≤n≤N，1≤m≤M；

第i个特显点在第n个子孔径、第m层粗图像中的位置(x_i(m，n)，y_i(m，n))的均值 $\underset{n}{E}\left(x_i(m,n)\right),\underset{n}{E}\left(y_i(m,n)\right)$ 表示如下：

$\underset{n}{E}\left(x_i(m,n)\right)=\frac{1}{N_{i,\max }-N_{i,\min }+1}\underset{n=N_{i,\min }}{\overset{N_{i,\max }}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i(m,n)$

$\underset{n}{E}\left(y_i(m,n)\right)=\frac{1}{N_{i,\max }-N_{i,\min }+1}\underset{n=N_{i,\min }}{\overset{N_{i,\max }}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i(m,n);$

步骤S22：将第m_0，i层、相邻特显点的子孔径序号[N_i,min，N_i,max]范围内所有子孔径粗图像相加，得到特显点i的子孔径图像g_i(x，y)，x，y为所有图像的平面直角坐标系的坐标轴；

步骤S23：对子孔径图像g_i(x，y)进行加窗，减少杂波和邻近目标的干扰，获得加窗后图像

表示如下：

$g_{h_i}(x,y)=g_i(x,y)\×H(x-x_{0,i},y-y_{0,i})$

下标h_i表示特显点i的图像经过加窗处理，x，y为所有图像的平面直角坐标系的坐标轴；H(x，y)为窗函数，x_0,i,y_0，i是特显点在第m_0，i层各个子孔径图像位置的平均值，m_0,i是第i个特显点的估计高度所在层数，特显点在第m_0,i层各个子孔径图像位置的平均值x_0,i,y_0,i表示如下：

$x_{0,i}=\underset{n\∈[N_{i,\min },N_{i,\max }]}{\mathrm{mean}}(\left(x_i(m_{0,i},n)\right),y_{0.i}=\underset{n\∈[N_{i,\min },N_{i,\max }]}{\mathrm{mean}}\left(y_i(m_{0,i},n)\right)$

窗函数H(x,y)表示如下：

$H(x,y)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{10\×\mathrm{dx}}\right)\×\mathrm{rect}\left(\frac{y}{10\×\mathrm{dy}}\right)$

H(x，y)代表以特显点位置为中心加一个宽度为10个分辨率的矩形窗；

rect为矩形窗函数，其中dx、dy为圆迹合成孔径雷达的平面分辨率；

步骤S24：把加窗后图像

中的幅度峰值点位置作为特显点i的平面坐标(x_max,i，y_max,i)。

7.根据权利要求1所述的机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿的方法，其特征在于，估计圆迹合成孔径雷达360°全孔径的相位误差，包括以下步骤：

步骤S31：对加窗后图像在中心波数K处生成的回波信号S_ri(θ)表示如下：

$S_{\mathrm{ri}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{x,y}{\∫\∫}{g}_{h_i}(x,y)\exp (-j2K\·R_{\mathrm{xy},i}\left(\mathrm{\θ}\right))\mathrm{dxdy}$

其中，θ为圆迹合成孔径雷达的方位角0≤θ≤2π，x，y为平面直角坐标系的坐标轴；exp(.)为指数函数，j为虚数，中心波数K=2πf／c，f是雷达信号的中心频率，c是光速，R_xy，i(θ)为合成孔径雷达在方位角θ处的位置(x_p(θ)，y_p(θ)，z_p(θ))到坐标(x，y，z_0，i)的距离，z_0，i为第i个特显点的高度；dx、dy为圆迹合成孔径雷达的平面分辨率；

步骤S32：将回波信号S_ri(θ)与相位参考函数H_ri(θ)=exp(-j2KR_ri(θ))共轭相乘，得到残余误差函数S_ai(θ)；相位参考函数代表加窗后特显点图像峰值处的距离历程，R_ri(θ)是合成孔径雷达在方位角θ处的位置(x_p(θ)，y_p(θ)，z_p(θ))到特显点位置(x_max,i，y_max,i，z_0，i)的距离；

步骤S33：根据各个特显点的残余误差函数S_ai(θ)，计算各个特显点的相位误差梯度函数表示如下：

其中dθ为合成孔径雷达角向采样间隔；θ为圆迹合成孔径雷达的方位角，0≤θ≤2π；

步骤S34：计算360°全孔径内的相位误差梯度函数

当某个方位角θ上有多个特显点时，对特显点得到的相位梯度函数取平均，即：

θ∈[0，2π]，对360°全孔径的相位梯度函数

做累加得到360°全孔径的相位误差函数

表示如下：

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