CN103837862B - 一种基于图像的频率步进sar距离向栅瓣抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法，其包括：步骤一：得到包含距离向栅瓣的原始SAR图像；步骤二：寻找强散射目标及其对应的栅瓣；步骤三：提取距离向数据并进行归一化处理；步骤四：找出栅瓣幅度在设定门限值之上的M对栅瓣，获取每对栅瓣的实部和虚部；步骤五：计算每对栅瓣所对应的正弦型幅度误差和相位误差；步骤六：进行距离向宽带拼接得到频域信号的幅度误差补偿项和相位误差补偿项；步骤七：进行幅度误差和相位误差的补偿；步骤八：进行距离徙动校正和方位向脉冲压缩，获得距离向栅瓣抑制后的SAR图像。本发明能够基于图像对距离向栅瓣进行抑制，具有将距离向幅度较高的栅瓣抑制到背景图像的幅度水平的效果。

Description

一种基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达成像技术领域，涉及一种基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法。

背景技术

频率步进技术可以有效获得距离向高分辨，被广泛用于高分辨雷达系统中。它发射的是瞬时窄带信号，通过后期数据处理合成宽带信号来获得距离向高分辨。采用频率步进技术的合成孔径雷达(SAR)可以很容易的实现两维超高分辨。同时，采用此技术的SAR系统对A/D的要求大大降低，使得频率步进SAR系统可以比较容易的实现。

但是，频率步进SAR的固有的问题就是在其一维高分辨距离像(HRRP)中会出现很多较高幅度的栅瓣。这是由雷达系统中的非理想因素所导致的。由于非理想因素的存在，在进行距离向宽带合成时，子带回波信号的所包含的系统误差在合成宽带信号中形成了周期性的系统误差。根据成对回波理论，频域的周期性误差会导致时域栅瓣的出现。

这些栅瓣显著的降低了SAR图像的质量。因此很多栅瓣抑制方法被提出。这些栅瓣抑制方法主要分为两种。一种是通过限定系统参数之间的关系，使得HRRP包络的零点与栅瓣位置重合，或者使得栅瓣位置处的HRRP包络的幅度小于设定的门限值，从而达到抑制栅瓣的目。这些方法在系统误差存在的情况下会失效。因为存在系统误差时，HRRP的包络会发生畸变，从而导致包络的零点与栅瓣的位置几乎无法重合。另一种方法是通过设置不同频点之间载波频率不均匀分布来打破频率步进SAR发射信号的周期性，从而使得栅瓣被打散并且栅瓣幅度被相应的降低。但是这种栅瓣抑制方法大大增加了系统的复杂度，在实际系统中很难实现。

发明内容

为了克服已有技术的缺陷，本发明提出一种基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法，其能够基于图像对距离向栅瓣进行抑制，具有将距离向幅度较高的栅瓣抑制到背景图像的幅度水平的效果，解决了频率步进SAR中距离向栅瓣的抑制问题。

本发明的基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法包括如下步骤：

步骤一：对接收的频率步进SAR回波信号利用传统成像算法进行处理，得到包含距离向栅瓣的原始SAR图像；

步骤二：在步骤一得到的原始SAR图像中寻找幅度最强的散射目标及其对应的栅瓣，所述幅度最强的散射目标称为强散射目标；

步骤三：提取步骤二寻找到的强散射目标所在距离线的距离向数据，并对该距离向数据的幅度进行归一化处理；

步骤四：从经步骤三处理后的强散射目标所在距离线中找出栅瓣幅度在设定门限值之上的M对栅瓣，获取所述M对栅瓣中每对栅瓣的实部和虚部；

步骤五：利用步骤四获取的所述M对栅瓣中每对栅瓣的实部和虚部计算每对栅瓣所对应的正弦型幅度误差和相位误差；

步骤六：利用步骤五中的M对栅瓣所对应的正弦型幅度误差和相位误差进行距离向宽带拼接，得到频域信号的幅度误差补偿项和相位误差补偿项；

步骤七：利用步骤六获得的频域信号的幅度误差补偿项和相位误差补偿项对距离向宽带拼接所得到的频域信号进行幅度误差和相位误差的补偿；

步骤八：对补偿后的频域信号进行距离徙动校正和方位向脉冲压缩，获得距离向栅瓣抑制后的SAR图像。

进一步的，所述步骤五中每对栅瓣所对应的正弦型幅度误差A_n(f_r)和相位误差θ_n(f_r)的计算公式为：

A_n(f_r)＝a_ncos(2πnc₁f_r+Ф_an)

θ_n(f_r)＝exp{-j·b_ncos(2πnc₁f_r+Ф_bn)}

其中，n为第n对栅瓣，c₁为频率步进跳频间隔的倒数，a_n和b_n分别代表第n对栅瓣的正弦型幅度误差和相位误差的振幅，Ф_an和Ф_bn分别代表第n对栅瓣的正弦型幅度误差和相位误差的初相，f_r表示在执行所述传统成像算法时进行距离向宽带拼接所得到频域信号的频率，j为虚数单位；

且a_n和b_n的计算公式为：

$a_n=\sqrt{{({\mathrm{Real}}_{\mathrm{left}\_n}+{\mathrm{Real}}_{\mathrm{right}\_n})}^2+{({\mathrm{Imag}}_{\mathrm{left}\_n}-{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{right}\_n})}^2}$

$b_n=\sqrt{{({\mathrm{Real}}_{\mathrm{left}\_n}-{\mathrm{Real}}_{\mathrm{right}\_n})}^2+{({\mathrm{Imag}}_{\mathrm{left}\_n}+{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{right}\_n})}^2}$

其中Real_{left_n}和Imag_{left_n}分别代表第n对栅瓣中左瓣的实部和虚部，Real_{right_n}和Imag_{right_n}分别代表第n对栅瓣中右瓣的实部和虚部；

且Ф_an根据sinФ_an和cosФ_an计算得到，Ф_bn根据sinФ_bn和cosФ_bn计算得到：

$\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{an}}=\frac{{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{left}\_n}-{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{right}\_n}}{a_n}$

$\cos {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{an}}=\frac{{\mathrm{Real}}_{\mathrm{left}\_n}+{\mathrm{Real}}_{\mathrm{right}\_n}}{a_n}$

其中， $\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bn}}=\frac{{\mathrm{Real}}_{\mathrm{right}\_n}-{\mathrm{Real}}_{\mathrm{left}\_n}}{b_n}.$

$\cos {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bn}}=\frac{{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{left}\_n}+{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{right}\_n}}{b_n}$

进一步的，所述步骤六中频域信号的幅度误差补偿项A(f_r)_comp和相位误差补偿项θ(f_r)_comp的计算公式为：

$A{\left(f_r\right)}_{\mathrm{comp}}=1/[1+\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\cos (2\mathrm{\πn}{c}_1{f}_r+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{an}})]$

$\mathrm{\θ}{\left(f_r\right)}_{\mathrm{comp}}=\exp \{-j\·\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n\cos (2\mathrm{\πn}{c}_1{f}_r+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bn}})\}.$

有益效果

本发明方法，对比已有技术，基于图像对距离向栅瓣进行抑制，具有将距离向幅度较高的栅瓣抑制到背景图像的幅度水平的效果。

1.本发明摒弃了已有技术基于雷达系统的结构或参数设计对距离向栅瓣进行抑制的方法，基于SAR图像进行距离向栅瓣抑制。

2.正是因为采用了基于SAR图像进行距离向栅瓣抑制的方法，因此，无论是哪种实际系统，都是针对其相应的SAR图像进行幅度和相位误差的估计，从而进行栅瓣抑制。不会存在因系统误差导致抑制失效的情况。

3.从本发明方法的八个步骤也可以看出计算量很小、实现该抑制方法的复杂度很低。而且经过大量的计算机仿真和实测数据验证，本发明有效的将距离向栅瓣抑制到背景图像的幅度水平。

附图说明

图1为本发明的基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法栅瓣抑制前的一维高分辨距离像；

图2为本发明的基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法栅瓣抑制后的一维高分辨距离像；

图3为本发明的基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法栅瓣抑制前的SAR图像对比图；

图4为本发明的基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法栅瓣抑制后的SAR图像对比图。

具体实施方式

本发明的基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法包括如下步骤：

步骤一：对接收的频率步进SAR回波信号利用RD、CS等传统成像算法进行距离向脉冲压缩、距离徙动校正和方位向脉冲压缩等处理，得到包含距离向栅瓣的原始SAR图像；

步骤二：在步骤一得到的原始SAR图像中寻找具有明显栅瓣的强散射目标及其对应的栅瓣。步骤三：提取所述强散射目标所在距离线的距离向数据，并对该距离向数据的幅度进行归一化：

步骤四：在所述强散射目标所在距离线中找出栅瓣幅度在设定门限值之上的M对栅瓣，取出这M对栅瓣中每对栅瓣的实部和虚部；

步骤五：利用所述M对栅瓣中每对栅瓣的实部和虚部计算每对栅瓣所对应的正弦型幅度误差A_n(f_r)和相位误差θ_n(f_r)；

步骤五中的计算公式为：

A_n(f_r)＝a_ncos(2πnc₁f_r+Ф_an)

θ_n(f_r)＝exp{-j·b_ncos(2πnc₁f_r+Ф_bn)}

其中，n为第n对栅瓣，c₁为频率步进跳频间隔的倒数，a_n和b_n分别代表第n对栅瓣的正弦型幅度误差和相位误差的振幅，Ф_an和Ф_bn分别代表第n对栅瓣的正弦型幅度误差和相位误差的初相；

且a_n和b_n的计算公式为：

$a_n=\sqrt{{({\mathrm{Real}}_{\mathrm{left}\_n}+{\mathrm{Real}}_{\mathrm{right}\_n})}^2+{({\mathrm{Imag}}_{\mathrm{left}\_n}-{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{right}\_n})}^2}$

$b_n=\sqrt{{({\mathrm{Real}}_{\mathrm{left}\_n}-{\mathrm{Real}}_{\mathrm{right}\_n})}^2+{({\mathrm{Imag}}_{\mathrm{left}\_n}+{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{right}\_n})}^2}$

其中Real_{left_n}和Imag_{left_n}分别代表第n对栅瓣中左瓣的实部和虚部，Real_{right_n}和Imag_{right_n}分别代表第n对栅瓣中右瓣的实部和虚部；

且Ф_an根据sinФ_an和cosФ_an计算得到，Ф_bn根据sinФ_bn和cosФ_bn计算得到：

${\sin \mathrm{\Φ}}_{\mathrm{an}}=\frac{{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{left}\_n}-{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{right}\_n}}{a_n}$

${\cos \mathrm{\Φ}}_{\mathrm{an}}=\frac{{\mathrm{Real}}_{\mathrm{left}\_n}+{\mathrm{Real}}_{\mathrm{right}\_n}}{a_n}$

其中， ${\sin \mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bn}}=\frac{{\mathrm{Real}}_{\mathrm{right}\_n}-{\mathrm{Real}}_{\mathrm{left}\_n}}{b_n};$

${\cos \mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bn}}=\frac{{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{left}\_n}+{\mathrm{Imag}}_{\mathrm{right}\_n}}{b_n}$

步骤六：利用步骤五中估计得到的M对栅瓣所述对应的正弦型幅度误差和相位误差，得到趴离向宽带拼接所得到的频域信号的幅度误差补偿项A(f_r)_comp和相位误差补偿项θ(f_r)_comp；

A(f_r)_comp和θ(f_r)_comp的计算公式为：

$A{\left(f_r\right)}_{\mathrm{comp}}=1/[1+\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\cos ({2\mathrm{\πnc}}_1{f}_r+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{an}})]$

$\mathrm{\θ}{\left(f_r\right)}_{\mathrm{comp}}=\exp \{-j\·\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n\cos ({2\mathrm{\πnc}}_1{f}_r+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bn}})\}$

步骤七：利用所述幅度误差补偿项和相位误差补偿项对频域宽带拼接所得到的频域信号进行幅度误差和相位误差的补偿；

步骤八：对补偿后的频域信号进行距离徙动校正和方位向脉冲压缩，获得距离向栅瓣抑制后的SAR图像。

为了验证本发明给出的基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法的有效性，我们对实测频率步进SAR回波数据进行了处理。不进行栅瓣抑制的一维高分辨距离像如图1所示，其中标注了4对幅度较高的栅瓣。栅瓣抑制后的一维高分辨距离像如图2所示。对比图1和图2可以发现，一维高分辨距离像中幅度较高的栅瓣都在栅瓣抑制之后都被抑制到旁瓣水平。对比图3和图4可以发现，栅瓣抑制后的距离向栅瓣被抑制到图像的背景水平。

虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法，其特征在于，包括：

步骤一：对接收的频率步进SAR回波信号利用RD、CS成像算法进行处理，得到包含距离向栅瓣的原始SAR图像；

步骤二：在步骤一得到的原始SAR图像中寻找幅度最强的散射目标及其对应的栅瓣，所述幅度最强的散射目标称为强散射目标；

步骤三：提取步骤二寻找到的强散射目标所在距离线的距离向数据，并对该距离向数据的幅度进行归一化处理；

步骤四：从经步骤三处理后的强散射目标所在距离线中找出栅瓣幅度在设定门限值之上的M对栅瓣，获取所述M对栅瓣中每对栅瓣的实部和虚部；

步骤五：利用步骤四获取的所述M对栅瓣中每对栅瓣的实部和虚部计算每对栅瓣所对应的正弦型幅度误差和相位误差；

步骤六：利用步骤五中的M对栅瓣所对应的正弦型幅度误差和相位误差进行距离向宽带拼接，得到频域信号的幅度误差补偿项和相位误差补偿项；

步骤七：利用步骤六获得的频域信号的幅度误差补偿项和相位误差补偿项对距离向宽带拼接所得到的频域信号进行幅度误差和相位误差的补偿；

步骤八：对补偿后的频域信号进行距离徙动校正和方位向脉冲压缩，获得距离向栅瓣抑制后的SAR图像。

2.如权利要求1所述的基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法，其特征在于，所述步骤五中每对栅瓣所对应的正弦型幅度误差A_n(f_r)和相位误差θ_n(f_r)的计算公式为：

A_n(f_r)＝a_ncos(2πnc₁f_r+Φ_an)

θ_n(f_r)＝exp{-j·b_ncos(2πnc₁f_r+Φ_bn)}

其中，n为第n对栅瓣，c₁为频率步进跳频间隔的倒数，a_n和b_n分别代表第n对栅瓣的正弦型幅度误差和相位误差的振幅，Φ_an和Φ_bn分别代表第n对栅瓣的正弦型幅度误差和相位误差的初相，f_r表示在执行所述RD、CS成像算法时进行距离向宽带拼接所得到频域信号的频率，j为虚数单位；

且a_n和b_n的计算公式为：

$a_n=\sqrt{{({\mathrm{Real}}_{left\_n}+{\mathrm{Real}}_{right\_n})}^2+{({\mathrm{Imag}}_{left\_n}-{\mathrm{Imag}}_{right\_n})}^2}$

$b_n=\sqrt{{({\mathrm{Real}}_{left\_n}-{\mathrm{Real}}_{right\_n})}^2+{({\mathrm{Imag}}_{left\_n}+{\mathrm{Imag}}_{right\_n})}^2}$

其中Real_{left_n}和Imag_{left_n}分别代表第n对栅瓣中左瓣的实部和虚部，Real_{right_n}和Imag_{right_n}分别代表第n对栅瓣中右瓣的实部和虚部；

且Φ_an根据sinΦ_an和cosΦ_an计算得到，Φ_bn根据sinΦ_bn和cosΦ_bn计算得到：

${\mathrm{sin\Φ}}_{an}=\frac{{\mathrm{Imag}}_{left\_n}-{\mathrm{Imag}}_{right\_n}}{a_n}$

${\mathrm{cos\Φ}}_{an}=\frac{{\mathrm{Real}}_{left\_n}+{\mathrm{Real}}_{right\_n}}{a_n}$

${\mathrm{sin\Φ}}_{bn}=\frac{{\mathrm{Real}}_{right\_n}-{\mathrm{Real}}_{left\_n}}{b_n}$

其中， ${\mathrm{cos\Φ}}_{bn}=\frac{{\mathrm{Imag}}_{left\_n}+{\mathrm{Imag}}_{right\_n}}{b_n}.$

3.如权利要求2所述的基于图像的频率步进SAR距离向栅瓣抑制方法，其特征在于，所述步骤六中频域信号的幅度误差补偿项A(f_r)_comp和相位误差补偿项θ(f_r)_comp的计算公式为：

$A{\left(f_r\right)}_{comp}=1/\[1+\underset{n=1}{\overset{M}{\Σ}}{a}_{n}cos(2{\mathrm{\πnc}}_1{f}_r+{\mathrm{\Φ}}_{an})\]$

$\mathrm{\θ}{\left(f_r\right)}_{comp}=\exp \{-j\·\underset{n=1}{\overset{M}{\Σ}}{b}_{n}cos(2{\mathrm{\πnc}}_1{f}_r+{\mathrm{\Φ}}_{bn})\}.$