CN104931966B - 一种基于dcs算法的星载视频sar成像处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DCS算法的星载视频SAR成像处理方法，包括1：读入星载SAR聚束模式回波仿真数据及相应参数，2：确定帧图像所需要的多普勒带宽及合成孔径时间，3：确定数据划分方式，并对其进行划分，4：将帧片段数据在方位向上进行去斜处理，5：将去斜处理后的信号依次进行方位向傅里叶变换，乘以CS因子，距离向傅里叶变换，乘以距离补偿因子，6：补偿每一帧数据的中心斜距与整个回波数据的中心斜距之间的相位差，7：进行距离向傅里叶逆变换、进行方位向补偿处理、方位向傅里叶逆变换得到成像结果，8：重复步骤4到步骤7，得到所有的帧图像，9：得到视频SAR产品。本发明能够保证各帧图像分辨率的一致性。
Description
技术领域
本发明属于信号处理领域，特别涉及一种基于DCS算法的星载视频SAR(SyntheticAperture Radar)成像处理方法。
背景技术
星载SAR是一种先进的天基信息获取的有效载荷，是获取信息的一种重要手段。相比光学传感器，星载SAR能克服云雾雨雪和夜暗条件的限制对地面目标成像，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。许多情况下，能够起到其它空间遥感手段无法替代的作用。
然而，传统的星载SAR工作模式只能得到静态图像，对地面感兴趣区域内动目标的检测与跟踪以及该区域在一段时间内的变化监测上存在不足。星载视频SAR作为一种新的成像模式，天线波束中心始终指向目标区域，可以使观测者获取一段时间内的地面感兴趣区域的序列图像，通过图像后处理技术可以获取视频产品，将星载SAR成像从传统的空间域成像发展成了空间域加时间域成像，在动目标检测与跟踪、城市监测等方面都将有着更大的应用前景。
但是，星载视频SAR的成像处理与传统的星载SAR模式有着很多的不同，它不能只考虑分辨率的要求，为了满足后续视频产品画面的流畅性和一致性，还需要兼顾帧速率和各帧图像之间的配准问题。同时，随着观测时间的增长，较大的数据量也对回波数据的分块处理提出了一定的要求，根据帧速率的不同一般可将帧数据分为有重叠和无重叠两种方式来进行处理，其成像处理方法也不尽相同，因此，如何合理、高效、精确的对星载视频SAR的回波数据进行成像处理，显得尤为重要。
发明内容
本发明为了解决上述问题，针对星载视频SAR回波数据量大，帧速率高，各帧图像间配准准确等特点，基于传统的Deramp Chirp Scaling(DCS)成像算法，提出了一种星载视频SAR成像处理方法。
一种基于DCS算法的星载视频SAR成像处理方法，包括以下步骤：
步骤一：读入星载视频SAR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，具体包括：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，等效速度V，信号波长λ，光速c；
步骤二：确定方位分辨率，得到为实现相应方位向分辨率的一帧图像所需要的多普勒带宽以及合成孔径时间；
步骤三：根据每帧图像对应的合成孔径时间以及帧速率的要求，确定生成各帧图像所对应的单幅图像回波数据大小以及对回波数据采取无重叠还是有重叠方式；根据重叠率以及步骤二中确定的多普勒带宽，通过设置各帧图像回波数据的终止多普勒频率与起始多普勒频率之差等于多普勒带宽的方式将回波数据划分为相应的帧片段，对每一帧数据，以该帧数据方位向中心时刻所对应的回波数据为中心，将其方位向点数以补零的方式扩展到2的整次幂，设其值为Na'，得到每帧回波数据Si(τ,t；r)，i＝1,2,....；
步骤四：将回波仿真数据Si(τ,t；r)在方位向进行去斜处理，得到去斜处理后的信号Si'(τ,t；r)；
步骤五：将去斜处理后的回波信号Si'(τ,t；r)依次进行方位向傅立叶变换、在距离多普勒域乘以CS因子Φi1(τ,f；Rref(i))、距离向傅里叶变换处理，得到二维频域信号Si1(fτ,f)、在二维频域乘以距离补偿因子Φi2(fτ；f)，得到经距离补偿后的信号Si2(fτ,f)；
步骤六：在二维频域内信号Si2(fτ,f)与距离补偿因子Φ'i2(fτ,f)相乘，补偿每一帧数据的中心斜距Rref(i)与整个回波数据的中心斜距Rref之间的相位差，得到信号Si3(fτ,f)；
步骤七：将信号Si3(fτ,f)依次进行距离向傅里叶逆变换、在距离多普勒域乘以方位补偿因子Φi3(τ；f)、方位向傅里叶逆变换得到成像结果信号Si(τ,f)；
步骤八：重复步骤四到步骤七，依次处理步骤三中划分的所有帧数据，得到所有的帧图像；
步骤九：将处理完成后的所有帧图像，按照步骤三中确定的重合率，经过多媒体融合显示，得到视频产品。
本发明优点在于：
(1)本发明通过多普勒带宽划分的方式得到所有帧数据，可以保证各帧图像分辨率的一致性；
(2)本发明通过补偿各帧数据的中心斜距与整个回波数据的中心斜距之间的相位差，可以实现精确的配准各帧图像；
(3)本发明根据实际的需求选择不同的方位向分辨率和帧速率，可以实现自动计算重叠方式及重叠率，对回波数据进行分割及成像处理，操作简单灵活。
(4)本发明可以灵活的选择重叠方式，可以调节视频长短，以实现视频产品的快放和慢放功能，在对目标检测与跟踪、城市监测等方面有着巨大的应用意义；
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明步骤三中数据划分无重叠方式示意图。
图3是本发明步骤三中数据划分有重叠方式示意图。
图4是本发明步骤四的方法流程图。
图5是本发明步骤五的方法流程图。
图6是本发明步骤七的方法流程图。
图7是仿真场景设计示意图。
图8是星载视频SAR点目标成像处理结果。
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DCS算法的星载视频SAR成像处理方法，具体流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：读入星载视频SAR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，等效速度V，信号波长λ，光速c；
步骤二：确定方位分辨率，得到为实现相应方位向分辨率的一帧图像所需要的多普勒带宽以及合成孔径时间，具体如下：
其中，ρa为方位向分辨率，Ba为一帧图像所需要的多普勒带宽，tceil为一帧图像所需要的合成孔径时间。
步骤三：根据每帧图像对应的合成孔径时间以及帧速率的要求，确定生成各帧图像所对应的单幅图像回波数据大小以及对回波数据采取无重叠(如图2所示)还是有重叠(如图3所示，需进一步确定相邻单幅图像回波数据之间重叠率的大小)方式。根据重叠率以及步骤二中确定的多普勒带宽，通过设置各帧图像回波数据的终止多普勒频率与起始多普勒频率之差等于多普勒带宽的方式将回波数据划分为相应的帧片段，对每一帧数据，以该帧数据方位向中心时刻所对应的回波数据为中心，将其方位向点数以补零的方式扩展到2的整次幂(设其值为Na')，得到每帧回波数据Si(τ,t；r)i＝1,2,....。
步骤四：将回波仿真数据Si(τ,t；r)在方位向进行去斜处理(Deramp)，得到Deramp后的信号Si'(τ,t；r)，本步骤流程图如图4所示，具体可分为以下几步：
(a)方位向信号去调频(Dechirp)，即将第i帧回波仿真数据Si(τ,t；r)乘以Deramp参考函数：
S1ref(i)＝exp(j2πfd(i)t+jπfr(i)t2) (3)
得到方位向去调频后的信号；
(b)经过方位向去调频后的信号在方位向进行傅里叶变换，得到距离多普勒域信号；
(c)距离多普勒域信号再乘以Deramp参考函数
S2ref(i)＝exp(jπfr(i)t'2) (4)
得到方位向去斜处理后的信号Si'(τ,t；r)。
其中，fd(i)为帧数据Si(τ,t；r)所对应的多普勒中心频率，fr(i)为帧数据Si(τ,t；r)所对应的多普勒调频率，(c)中对应的采样率t'为此时对应的方位向时间；
步骤五：将Deramp后的回波信号Si'(τ,t；r)依次进行方位向傅立叶变换、在距离多普勒域乘以CS因子Φi1(τ,f；Rref(i))、距离向傅里叶变换处理，得到二维频域信号Si1(fτ,f)、在二维频域乘以距离补偿因子Φi2(fτ；f)，得到经距离补偿后的信号Si2(fτ,f)，本步骤流程图如图5所示，具体可以分为以下几个步骤：
(a)Si'(τ,t；r)在方位向进行傅立叶变换，得到距离多普勒域信号；
(b)距离多普勒域信号乘以CS因子Φi1(τ,f；Rref(i))
Φi1(τ,f；Rref(i))＝exp{-jπbr(f；Rref(i))Cs(f)[τ-τref(f)]2} (5)
得到Chirp Scaling(线性变标)后的信号。
其中，
其中，f为慢时间对应的频率，Rref(i)为帧数据Si(τ,t；r)所对应的中心斜距，为雷达与目标距离为参考斜距Rref(i)时的参考斜视角，
(c)经过Chirp Scaling后的信号在距离向进行傅里叶变换，得到二维频域信号；
(d)二维频域信号乘以距离补偿因子Φi2(fτ；f)
得到经过距离压缩后的信号。
其中：fτ为快时间对应的频率；
步骤六：在二维频域内信号Si2(fτ,f)与距离补偿因子Φ'i2(fτ,f)相乘，补偿每一帧数据的中心斜距Rref(i)与整个回波数据的中心斜距Rref之间的相位差，以确保各帧图像之间是精确配准的，得到信号Si3(fτ,f)；
其中，Rref(i)为帧数据Si(τ,t；r)所对应的中心斜距，Rref为帧数据Si(τ,t；r)所对应的中心斜距。
步骤七：将信号Si3(fτ,f)依次进行距离向傅里叶逆变换、在距离多普勒域乘以方位补偿因子Φi3(τ；f)、方位向傅里叶逆变换得到成像结果信号Si(τ,f)，本步骤流程图如图6所示，具体可以分为以下几个步骤：
(a)Si3(fτ,f)进行距离向傅立叶逆变换，得到距离多普勒域信号；
(b)距离多普勒域信号乘以方位补偿因子Φi3(τ；f)
得到方位压缩及相位校正后的信号。
其中
其中：为等效斜视角，即锥角；
(c)经过方位压缩及相位校正后的信号在方位向进行傅立叶逆变换，得到SAR图像域信号，即第i帧图像信号；
步骤八：重复步骤四到步骤七，依次处理步骤三中划分的所有帧数据，得到所有的帧图像。
步骤九：将处理完成后的所有帧图像，按照步骤三中确定的重合率，经过多媒体融合显示，得到视频产品。
实施例：
本发明的一种基于DCS算法的星载视频SAR成像处理方法，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＝2048，信号采样率fs＝270MHz，信号带宽Bw＝220MHz，脉冲重复频率PRF＝9000Hz，参考斜距Rref＝613.7km，多普勒中心频率fd0＝16.7Hz，多普勒调频率fr0＝21305.2Hz/s，等效速度V＝7691m/s，信号波长λ＝0.008m4，光速c＝3×108m/s；
步骤二：确定方位分辨率ρa＝2m，得到为实现相应方位向分辨率的一帧图像所需要的多普勒带宽Ba＝3165Hz，合成孔径时间为0.314s，方法如公式(1)(2)所示；
步骤三：选定帧速率为25帧每秒(普通mp4标准)，如果采用无重叠(如图2所示)方式，25帧图像所需要的总时间为7.850s，不符合要求；因此选择有重叠(如图3所示)方式，重叠率为1/25/0.314＝13％。根据多普勒带宽和重叠率，可以将回波数据划分为185个帧片段，对每一帧数据，在保证有效数据居中的前提下，将其方位向点数以补零的方式扩展到2的整次幂，此时Na'＝2048，得到每帧回波数据Si(τ,t；r)i＝1,2,....；
步骤四：将回波仿真数据S(τ,t；r)在方位向进行Deramp处理，得到Deramp后的信号S'(τ,t；r)，本步骤流程图如图4所示，具体可分为以下几步：
(a)方位向信号去调频(Dechirp)；
方法如公式(3)所示；
(b)方位向傅里叶变换；
(c)再乘以Deramp参考函数；
方法如公式(4)所示；
步骤五：将Deramp后的回波信号Si'(τ,t；r)依次进行方位向傅立叶变换、在距离多普勒域乘以CS因子Φi1(τ,f；Rref(i))、距离向傅里叶变换处理，得到二维频域信号Si1(fτ,f)、在二维频域乘以距离补偿因子Φi2(fτ；f)，得到经距离补偿后的信号Si2(fτ,f)，流程图如图5所示，具体可以分为以下几个步骤：
(a)方位向傅立叶变换；
(b)距离多普勒域乘以CS因子Φi1(τ,f；Rref(i))；
方法如公式(5)所示；
(c)距离向傅里叶变换；
(a)在二维频域乘以距离补偿因子Φi2(fτ；f)
方法如公式(6)所示；
步骤六：在二维频域内信号Si2(fτ,f)与距离补偿因子Φ'i2(fτ,f)相乘，补偿每一帧数据的中心斜距Rref(i)与整个回波数据的中心斜距Rref之间的相位差，以确保各帧图像之间是精确配准的，得到信号Si3(fτ,f)
方法如公式(7)所示；
步骤七：将信号Si3(fτ,f)依次进行距离向傅里叶逆变换、在距离多普勒域乘以方位补偿因子Φi3(τ；f)、方位向傅里叶逆变换得到成像结果信号Si(τ,f)，本步骤流程图如图6所示，具体可以分为以下几个步骤：
(a)距离向傅立叶逆变换；
(b)距离多普勒域乘以方位补偿因子Φi3(τ；f)；
方法如公式(8)所示；
(c)方位向傅立叶逆变换；
步骤八：重复步骤四到步骤七，依次处理步骤三中划分的所有帧数据，得到所有的帧图像。
步骤九：将处理完成后的所有帧图像，设置各帧图像之间的时间为1/25×0.314＝0.012569s，经过多媒体融合显示，得到视频产品。
为了说明该方法的有效性，进行如下仿真实验，场景设置为1×3点阵如图7所示，设置点目标A有一个距离向速度5m/s，点目标B是一个静止目标，点目标C有一个方位向速度10m/s。成像参数如表1所示。利用本文的方法进行成像处理并得到最终的视频产品，选取其中的三帧图像进行分析并对成像质量进行评估。帧图像如图8所示，其中垂直方向为方位向，水平方向为距离向，从对比图中可以看出，相比于传统SAR工作模式，星载视频SAR能够以视频的方式对场景的信息动态的重现，使得动目标的检测与跟踪变得相对来说更加容易。表2详细的给出了点目标所在的位置以及方位向分辨率信息，由点目标的方位向分辨率可知，该方法可以保证各帧图像分辨率的一致性；通过静止目标B点的坐标位置可知，该方法可以精确的配准各帧图像。综上所述，成像处理结果证明了利用本发明的方法可以得到满足要求的SAR视频，从而验证可本发明的有效性和准确性。
表1成像参数
| 成像参数 | 符号 | 所选参数值 |
| 方位向采样点数 | Na | 32768 |
| 距离向采样点数 | Nr | 4096 |
| 信号采样率 | fs | 270MHz |
| 信号带宽 | Bw | 220MHz |
| 脉冲宽度 | τ | 11us |
| 脉冲重复频率 | PRF | 9000Hz |
| 参考斜距 | Rref | 613.7km |
| 多普勒中心频率 | fd0 | 16.7Hz |
| 多普勒调频率 | fr0 | 21305.2Hz/s |
| 等效速度 | V | 7690.7m/s |
| 信号波长 | λ | 0.0084m |
| 光速 | c | 3×108m/s |
表2点目标位置及方位向分辨率
本发明提供了一种基于DCS算法的星载视频SAR成像处理方法。该方法主要用于星载视频SAR模式，针对其SAR回波数据量较大，帧速率较高，各帧图像间配准准确等特点，基于传统的Deramp Chirp Scaling成像算法，提出了一种星载视频SAR成像处理方法。
Claims (5)
1.一种基于DCS算法的星载视频SAR成像处理方法，包括以下步骤：
步骤一：读入星载视频SAR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，具体包括：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Tτ，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，等效速度V，信号波长λ，光速c；
步骤二：确定方位分辨率，得到为实现相应方位向分辨率的一帧图像所需要的多普勒带宽以及合成孔径时间，具体为：
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<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，ρa为方位向分辨率，Ba为一帧图像所需要的多普勒带宽，tceil为一帧图像所需要的合成孔径时间；
步骤三：根据每帧图像对应的合成孔径时间以及帧速率的要求，确定生成各帧图像所对应的单幅图像回波数据大小以及对回波数据采取无重叠还是有重叠方式；根据重叠率以及步骤二中确定的多普勒带宽，通过设置各帧图像回波数据的终止多普勒频率与起始多普勒频率之差等于多普勒带宽的方式将回波数据划分为相应的帧片段，对每一帧数据，以该帧数据方位向中心时刻所对应的回波数据为中心，将其方位向点数以补零的方式扩展到2的整次幂，设其值为Na'，得到每帧回波数据Si(τ，t；r)，i＝1，2，....；
步骤四：将回波仿真数据Si(τ，t；r)在方位向进行去斜处理，得到去斜处理后的信号Si'(τ，t；r)；
步骤五：将去斜处理后的回波信号Si'(τ，t；r)依次进行方位向傅立叶变换、在距离多普勒域乘以CS因子Φi1(τ,f；Rref(i))、距离向傅里叶变换处理，得到二维频域信号Si1(fτ，f)、在二维频域乘以距离补偿因子Φi2(fτ；f)，得到经距离补偿后的信号Si2(fτ，f)，其中f为慢时间对应的频率，fτ为快时间对应的频率；
步骤六：在二维频域内信号Si2(fτ，f)与距离补偿因子Φ'i2(fτ，f)相乘，补偿每一帧数据的中心斜距Rref(i)与整个回波数据的中心斜距Rref之间的相位差，得到信号Si3(fτ，f)；
步骤七：将信号Si3(fτ，f)依次进行距离向傅里叶逆变换、在距离多普勒域乘以方位补偿因子Φi3(τ；f)、方位向傅里叶逆变换得到成像结果信号Si(τ，f)；
步骤八：重复步骤四到步骤七，依次处理步骤三中划分的所有帧数据，得到所有的帧图像；
步骤九：将处理完成后的所有帧图像，按照步骤三中确定的重合率，经过多媒体融合显示，得到视频产品。
2.根据权利要求1所述的一种基于DCS算法的星载视频SAR成像处理方法，所述的步骤四具体为：
(a)方位向信号去调频，即将第i帧回波仿真数据Si(τ，t；r)乘以去斜处理参考函数：
S1ref(i)＝exp(j2πfd(i)t+jπfr(i)t2) (3)
得到方位向去调频后的信号；
(b)经过方位向去调频后的信号在方位向进行傅里叶变换，得到距离多普勒域信号；
(c)距离多普勒域信号再乘以去斜处理参考函数
S2ref(i)＝exp(jπfr(i)t'2) (4)
得到方位向去斜处理后的信号Si'(τ，t；r)；
其中，fd(i)为帧数据Si(τ，t；r)所对应的多普勒中心频率，fr(i)为帧数据Si(τ，t；r)所对应的多普勒调频率，(c)中对应的采样率t'为此时对应的方位向时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于DCS算法的星载视频SAR成像处理方法，所述的步骤五具体为：
(a)Si'(τ，t；r)在方位向进行傅立叶变换，得到距离多普勒域信号；
(b)距离多普勒域信号乘以CS因子Φi1(τ，f；Rref(i))
Φi1(τ，f；Rref(i))＝exp{-jπbr(f；Rref(i))Cs(f)[τ-τref(f)]2} (5)
得到线性变标后的信号；
其中，
<mrow>
<mi>b</mi>
<mo>=</mo>
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<mi>B</mi>
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<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
其中，f为慢时间对应的频率，fτ为快时间对应的频率，Bw为信号带宽，Rref(i)为帧数据Si(τ，t；r)所对应的中心斜距，为雷达与目标距离为参考斜距Rref(i)时的参考斜视角，fd(i)为帧数据Si(τ,t；r)所对应的多普勒中心频率；
(c)经过线性变标后的信号在距离向进行傅里叶变换，得到二维频域信号；
(d)二维频域信号乘以距离补偿因子Φi2(fτ；f)
<mrow>
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<mi>i</mi>
<mn>2</mn>
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<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
得到经过距离压缩后的信号；其中：fτ为快时间对应的频率。
4.根据权利要求1所述的一种基于DCS算法的星载视频SAR成像处理方法，所述的步骤六中，距离补偿因子Φ'i2(fτ，f)为：
<mrow>
<msubsup>
<mi>&Phi;</mi>
<mn>2</mn>
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<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Rref(i)为帧数据Si(τ，t；r)所对应的中心斜距，Rref为帧数据Si(τ，t；r)所对应的中心斜距，f为慢时间对应的频率，fτ为快时间对应的频率。
5.根据权利要求1所述的一种基于DCS算法的星载视频SAR成像处理方法，所述的步骤七具体包括：
(a)Si3(fτ，f)进行距离向傅立叶逆变换，得到距离多普勒域信号；
(b)距离多普勒域信号乘以方位补偿因子Φi3(τ；f)
<mrow>
<msub>
<mi>&Phi;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mn>3</mn>
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<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
得到方位压缩及相位校正后的信号；
其中
<mrow>
<mi>b</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>B</mi>
<mi>w</mi>
</mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>&tau;</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
其中：为等效斜视角，即锥角，fr(i)为帧数据Si(τ,t；r)所对应的多普勒调频率，f为慢时间对应的频率，fτ为快时间对应的频率，为雷达与目标距离为参考斜距Rref(i)时的参考斜视角；(c)经过方位压缩及相位校正后的信号在方位向进行傅立叶逆变换，得到SAR图像域信号，即第i帧图像信号。
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