CN105372657B - 基于回波数据的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，该算法可以直接完成运动误差的估计和补偿，不需要进行迭代，从而减少了运算量。在利用运动传感器完成粗补偿的基础上，采用本发明的运动补偿成像算法可补偿残余的相位误差，实现ViSAR高质量成像。
Description
技术领域
本发明属于目标高分辨率成像技术领域，具体涉及一种基于回波数据的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法。
背景技术
视频合成孔径雷达(Video Synthetic Aperture Radar，ViSAR)是一种工作在太赫兹频段，能够实现全天时、全天候、高精度对地面目标区域进行高帧率实时成像的雷达系统。在现代战争环境中，相比于红外/可见光成像系统而言，ViSAR具有可穿透烟雾、全天候全天时成像的优势，可有效克服红外/可见光成像系统易受天气条件和战场环境影响的缺点。相对传统微波SAR而言，ViSAR工作在波长更短的太赫兹波频段，具有成像帧率高、方向性好、分辨率高、体积小、抗干扰能力和反隐身能力强等优势，可克服常规SAR系统帧速低、动目标检测跟踪难的缺陷。ViSAR通过一帧帧清晰影像的渐变显现形成视觉活动图像，使作战指挥人员能够更加直观地感知目标区域的动态信息，有效提升了侦察能力和机动作战能力，将成为战场侦察和精确制导科学战胜敌军的重要军事手段。
在SAR技术中，运动是SAR的依据，也是产生问题的根源。为获得高质量ViSAR图像，运动补偿是必不可少的。目前，一般SAR常用的运动补偿技术主要分为基于运动传感器的补偿和基于信号处理补偿两种。前者依靠惯性导航系统(INS)或惯性测量单元(IMU)测得的数据重构运动轨迹，其测量精度影响补偿效果。后者是依据雷达自身回波的自聚焦技术，但补偿算法复杂。考虑到两种技术优点和不足，在实际应用中，一般将两种技术相结合，即利用惯导数据进行粗补偿的同时通过信号处理对回波数据精补偿，最终实现SAR高分辨率成像。由于SAR回波数据的相位对于载机的运动误差非常敏感，为满足成像质量，运动误差补偿通常需要提供比雷达工作波长小一个数量级的运动误差信息。对于工作在太赫兹波段的ViSAR系统来说，需要亚毫米级精度的惯性测量单元，目前的惯性测量单元还不能达到这样的测量精度，因此从原始数据中提取相位误差进行补偿是改善ViSAR图像质量的有效途径。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供一种基于回波数据的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，能补偿高分辨ViSAR成像中存在的运动误差，提高了图像质量。
(二)技术方案
本发明提供一种基于回波数据的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，包括：
S1，对视频合成孔径雷达的回波数据进行距离压缩，得到第一信号S1(R，x)，其中，x为雷达的方位位置，R为距离位置；
S2，对第一信号S1(R，x)进行图像粗聚焦，得到第三信号S3(R,kx)，其中，kx为方位向波数；
S3，从第三信号S3(R,kx)中选取特显点，并由特显点中提取相位误差Δφ(x)；
S4，通过将第一信号S1(R，x)与exp(-jΔφ(x))相乘，以消除相位误差Δφ(x)，获得第四信号S4(R，x)，其中，j为虚数单位；
S5、对第四信号S4(R，x)再次进行图像粗聚焦，得到最终聚焦图像。
(三)有益效果
本发明提供了一种视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，可以直接完成运动误差的估计和补偿，不需要进行迭代，从而减少了运算量。在利用运动传感器完成粗补偿的基础上，采用本发明的运动补偿成像方法可补偿残余的相位误差，实现ViSAR高质量成像。
附图说明
图1是本发明提供实施例的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法。
图2是未做相位补偿的三个角反射器二维成像结果。
图3是使用本发明方法后的三个角反射器二维成像结果。
具体实施方式
本发明提供一种视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，该算法可以直接完成运动误差的估计和补偿，不需要进行迭代，从而减少了运算量。在利用运动传感器完成粗补偿的基础上，采用本发明的运动补偿成像算法可补偿残余的相位误差，实现ViSAR高质量成像。
根据本发明的一种实施方式，视频合成孔径雷达运动补偿成像方法包括：
S1，对视频合成孔径雷达的回波数据进行距离压缩，得到第一信号S1(R，x)，其中，x为雷达的方位位置，R为距离位置；
S2，对第一信号S1(R，x)进行图像粗聚焦，得到第三信号S3(R,kx)，其中，kx为方位向波数；
S3，从第三信号S3(R,kx)中选取特显点，并由特显点中提取相位误差Δφ(x)；
S4，通过将第一信号S1(R，x)与exp(-jΔφ(x))相乘，以消除相位误差Δφ(x)，获得第四信号S4(R，x)，其中，j为虚数单位；
S5、对第四信号S4(R，x)再次进行图像粗聚焦，得到最终聚焦图像。
根据本发明的一种实施方式，步骤S1包括：
根据宽频带的发射信号形式，对回波数据进行距离压缩，其中，回波数据是经过运动传感器完成粗补偿后的回波数据，在距离压缩中，可忽略距离徙动误差的影响，只考虑相位误差，得到第一信号S1(R，x)的表达式为：
其中，R0为雷达与目标的最短斜距，Rn为瞬时斜距，B为发射信号带宽，c为电磁波在自由空间的传播速度，fc为雷达中心频率，Δr为平台的运动误差。
根据本发明的一种实施方式，步骤S2包括：
S21，将第一信号S1(R，x)沿x方向做快速傅里叶变换，得到第二信号S2(R,kx)；
S22，将第二信号S2(R,kx)与匹配滤波器H(R,kx)相乘，并沿x方向做快速傅里叶逆变换，得到第三信号S3(R,kx)。
根据本发明的一种实施方式，匹配滤波器H(R,kx)的表达式为：
其中，kc为载波波数；Rm为离散化的距离位置，其是随距离而变化。
根据本发明的一种实施方式，步骤S3包括：
S31，从第三信号S3(R,kx)中提取特显点位置xn1，构建雷达与特显点的瞬时斜距表达式；
S32，根据瞬时斜距表达式，得到特显点在距离压缩域的理想回波相位φideal；
S33，将特显点所在的距离线与理想回波相位φideal共轭相乘后，取其相位，得到相位误差Δφ(x)。
根据本发明的一种实施方式，从第三信号S3(R,kx)中提取特显点的最短斜距，根据第三信号S3(R,kx)最大幅值位置来确定方位向位置，得到特显点位置。
根据本发明的一种实施方式，在步骤S31中，从第一信号S1(R，x)中提取天线方向图和相位曲线，从天线方向图和相位曲线中，寻找同时满足方向图幅值最大和相位变化最慢的坐标位置，作为特显点位置xn2，在特显点位置xn1、xn2组成的范围[xn1,xn2]中估计相位误差，选取最终目标旁瓣最低的特显点位置，以构建雷达与特显点的瞬时斜距表达式。
根据本发明的一种实施方式，相位误差Δφ(x)的表达式为：
Δφ(x)＝φr(x)-φideal，其中，φr(x)为特显点的实际相位；
φr(x)的表达式为：
其中，Rerr为实际瞬时斜距，R0为理想最近斜距，β为瞬时斜视角；
φideal的表达式为：
其中，Rn为理想瞬时斜距。
根据本发明的一种实施方式，步骤S5还包括：
将第四信号S4(R，x)在方位向通过匹配滤波方式进行脉冲压缩，得到最终聚焦图像。
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，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明实施例提供的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，如图1所示，方法包括：
S1，根据宽频带的发射信号形式，对视频合成孔径雷达的回波数据进行距离压缩，得到第一信号S1(R，x)的表达式为：
其中，R0为雷达与目标的最短斜距，Rn为瞬时斜距，B为发射信号带宽，c为电磁波在自由空间的传播速度，fc为雷达中心频率，Δr为平台的运动误差，R为距离位置。
S2，对第一信号S1(R，x)进行图像粗聚焦，得到第三信号S3(R,kx)，其中，kx为方位向波数；其中，具体包括以下步骤：
S21，将第一信号S1(R，x)沿x方向做快速傅里叶变换，得到第二信号S2(R,kx)；
S22，将第二信号S2(R,kx)与匹配滤波器H(R,kx)相乘，并沿x方向做快速傅里叶逆变换，得到第三信号S3(R,kx)。
根据本发明的一种实施方式，匹配滤波器H(R,kx)的表达式为：
其中，kc为载波波数；Rm为离散化的距离位置，其是随距离而变化。
S3，从第三信号S3(R,kx)中选取特显点，并由特显点中提取相位误差Δφ(x)；其中，具体包括以下步骤：
S31，从第三信号S3(R,kx)中提取特显点的最短斜距，根据信号最大幅值位置来确定方位向位置，得到特显点位置xn1，从第一信号S1(R，x)中提取天线方向图和相位曲线，从天线方向图和相位曲线中，寻找同时满足方向图幅值最大和相位变化最慢的坐标位置，作为特显点位置xn2，在特显点位置xn1、xn2组成的范围[xn1,xn2]中估计相位误差，选取最终目标旁瓣最低的特显点位置，以构建雷达与特显点的瞬时斜距表达式；
S32，根据瞬时斜距表达式，得到特显点在距离压缩域的理想回波相位φideal；
S33，将特显点所在的距离线与理想回波相位φideal共轭相乘后，取其相位，得到相位误差Δφ(x)，其中，相位误差Δφ(x)的表达式为：
Δφ(x)＝φr(x)-φideal，其中，φr(x)为特显点的实际相位；
φr(x)的表达式为：
其中，Rerr为实际瞬时斜距，R0为理想最近斜距，β为瞬时斜视角；
φideal的表达式为：
其中，Rn为理想瞬时斜距。
S4，通过将第一信号S1(R，x)与exp(-jΔφ(x))相乘，以消除相位误差Δφ(x)，获得第四信号S4(R，x)，其中，j为虚数单位；
S5、将第四信号S4(R，x)在方位向通过匹配滤波方式进行脉冲压缩，得到最终聚焦图像。
下面通过实测数据对本实施例进行了验证。雷达系统参数如下表1所示：
表1雷达系统参数
图2为未做相位补偿的三个角反射器二维成像结果，图3为使用本发明的相位误差提取方法，结合相位补偿自聚焦和二维成像算法重建后的目标二维成像结果。可见使用本发明处理的结果峰值旁瓣对比明显，设定的目标与旁瓣对比清晰，图像中三个角反射器可分辨，而未使用该方法处理结果效果不理想。说明使用本方法能有效补偿由于雷达的运动误差带来的相位误差。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于回波数据的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，其特征在于，包括：
S1，对视频合成孔径雷达的回波数据进行距离压缩，得到第一信号S1(R，x)，其中，x为雷达的方位位置，R为距离位置；
S2，对所述第一信号S1(R，x)进行图像粗聚焦，得到第三信号S3(R,kx)，其中，kx为方位向波数；
S3，从所述第三信号S3(R,kx)中选取特显点，并由特显点中提取相位误差Δφ(x)；
S4，通过将所述第一信号S1(R，x)与exp(-jΔφ(x))相乘，以消除所述相位误差Δφ(x)，获得第四信号S4(R，x)，其中，j为虚数单位；
S5、对所述第四信号S4(R，x)再次进行图像粗聚焦，得到最终聚焦图像，
所述步骤S1包括：
根据宽频带的发射信号形式，对所述回波数据进行距离压缩，其中，所述回波数据是经过运动传感器完成粗补偿后的回波数据，得到的第一信号S1(R，x)的表达式为：
<mrow>
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<mo>)</mo>
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<mi>c</mi>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，R0为雷达与目标的最短斜距，Rn为瞬时斜距，B为发射信号带宽，c为电磁波在自由空间的传播速度，fc为雷达中心频率，Δr为平台的运动误差，
所述步骤S2包括：
S21，将所述第一信号S1(R，x)沿x方向做快速傅里叶变换，得到第二信号S2(R,kx)；
S22，将所述第二信号S2(R,kx)与匹配滤波器H(R,kx)相乘，并沿x方向做快速傅里叶逆变换，得到第三信号S3(R,kx)，
所述匹配滤波器H(R,kx)的表达式为：
<mrow>
<mi>H</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mn>2</mn>
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<msub>
<mi>R</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，kc为载波波数；Rm为离散化的距离位置，其是随距离而变化。
2.根据权利要求1所述的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31，从所述第三信号S3(R,kx)中提取特显点位置xn1，构建雷达与特显点的瞬时斜距表达式；
S32，根据所述瞬时斜距表达式，得到特显点在距离压缩域的理想回波相位φideal；
S33，将所述特显点所在的距离线与所述理想回波相位φideal共轭相乘后，取其相位，得到相位误差Δφ(x)。
3.根据权利要求2所述的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，其特征在于，从所述第三信号S3(R,kx)中提取特显点的最短斜距，根据所述第三信号S3(R,kx)最大幅值位置来确定方位向位置，得到特显点位置。
4.根据权利要求2所述的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，其特征在于，在所述步骤S31中，从所述第一信号S1(R，x)中提取天线方向图和相位曲线，从天线方向图和相位曲线中，寻找同时满足方向图幅值最大和相位变化最慢的坐标位置，作为特显点位置xn2，在特显点位置xn1、xn2组成的范围[xn1,xn2]中估计相位误差，选取最终目标旁瓣最低的特显点位置，以构建雷达与特显点的瞬时斜距表达式。
5.根据权利要求2所述的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，其特征在于，相位误差Δφ(x)的表达式为：
Δφ(x)＝φr(x)-φideal，其中，φr(x)为特显点的实际相位；
φr(x)的表达式为：
其中，Rerr为实际瞬时斜距，R0为理想最近斜距，β为瞬时斜视角；
φideal的表达式为：
其中，Rn为理想瞬时斜距。
6.根据权利要求1所述的视频合成孔径雷达运动补偿成像方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：
将所述第四信号S4(R，x)在方位向通过匹配滤波方式进行脉冲压缩，得到最终聚焦图像。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |