CN105549010B - 频域合成孔径雷达成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种频域合成孔径雷达成像方法，该频域合成孔径雷达成像方法包括：步骤A，对合成孔径雷达接收的回波信号依次进行下变频和解调后，采样得到信号s(ta，tr)，对信号s(ta，tr)进行两维傅里叶变换，得到S(fa，fr)；步骤B，将信号S(fa，fr)与雷达系统工作参考信号HRF(fa，fr)相乘，得到信号S1(fa，fr)；步骤C，将信号S1(fa，fr)按照设定的插值算法进行stolt变换，得到信号S2(fa，f′r)，其中，f′r为新的距离频率变量；以及步骤D：将信号S2(fa，f′r)进行二维逆傅里叶变换后，与设定的插值算法对应的插值误差补偿函数相乘，得到高精度合成孔径雷达图像sI(ta，tr)。本发明可以满足频率合成孔径雷达成像对降低计算复杂性、降低运算量、提高成像精度等要求。
Description
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达技术领域，尤其一种频域合成孔径雷达成像方法。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)是一种工作于主动探测方式的微波成像遥感设备。SAR装载在飞机、卫星等运动平台上，随着平台的移动发射探测信号并接收目标的回波信号，通过将一系列接收到的信号进行综合处理使其等效于一个大孔径天线发射和接收到的信号的方式来实现高分辨率的目标探测，这一技术称为孔径合成技术。
合成孔径雷达具有探测距离远、成像区域宽、分辨率高，可全天候昼夜工作。在资源普查、测绘、海洋环境调查、灾害监测、军事侦察等领域具有广泛的应用。
雷达发射的电磁波为球面波，在低精度成像时，可近似为平面波进行成像处理。而在高精度成像时，不能忽略电磁波存在的波前弯曲。在波束指向偏离正侧视时也会存在波前与平台运动方向不平行的问题，上述问题统称为距离迁移。
通常，为了保证雷达的高精度成像性能，需要在成像处理中加进距离迁移校正(RCMC)处理。目前，主要的成像方法包括距离多普勒域成像方法(RD方法)、波数域成像方法(ω-k方法)、Chirp Scaling方法(CS方法)。RD以及ω-k等方法具有处理简单、精度高等特点，然而由于在处理的过程中需要进行插值，带来了插值误差，为了减少插值带来的误差则需要采用更复杂的插值算法，又带来了运算量增加的问题。因此，在高精度的SAR成像处理中，通常采样CS方法。CS方法避免了插值运算，但是带来了处理步骤增多、需要多次转置存储、处理模型存在近似误差等问题，增加了处理的复杂性和局限性。
在不断的实践过程中，申请发现目前已有的SAR成像方法中，存在着或者精度低，或者运算处理复杂、运算量大等问题。因此，本领域存在对进一步简化处理和提高精度的SAR成像方法的需要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种频域合成孔径雷达成像，以满足对降低计算复杂性、降低运算量、提高成像精度等要求。
(二)技术方案
本发明频域合成孔径雷达成像包括：步骤A，对合成孔径雷达接收的回波信号依次进行下变频和解调后，采样得到信号s(ta，tr)，对信号s(ta，tr)进行两维傅里叶变换，得到S(fa，fr)，其中，ta为方位向变量，tr为距离向变量，fa为方位向变量对应的频率变量；fr为距离向变量对应的频率变量；步骤B，将信号S(fa，fr)与雷达系统工作参考信号HRF(fa，fr)相乘，得到信号S1(fa，fr)；步骤C，将信号S1(fa，fr)按照设定的插值算法进行stolt变换，得到信号S2(fa，fr′)，其中，fr′为新的距离频率变量；以及步骤D：将信号S2(fa，fr′)进行二维逆傅里叶变换后，与设定的插值算法对应的插值误差补偿函数相乘，得到高精度合成孔径雷达图像sI(ta，tr)。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明频率合成孔径雷达成像具有以下有益效果：
(1)采用频域精确、无误差的成像算法，计算过程中的插值运算带来的误差采用插值误差补偿方法加以控制，可避免插值计算误差对SAR成像的影响，实现高精度成像；
(2)插值误差补偿函数由插值算法确定，可以选用便于实现的插值算法，大大简化了插值运算量；
(3)实现SAR成像的处理算法及流程简单，可大量节省转置处理的时间和对转置存储器的需求，降低了成像算法实现的复杂性。
从上述特点中可以看出，本发明给出的SAR高精度成像方法，对处理误差进行了有针对性的补偿、成像精度高，计算简单、运算量少，简化了处理流程、占用的转置处理时间和存储空间少，具有适合于计算机通过数值计算软件来实现、以及采用数字信号处理器(DSP)以及FPGA芯片硬件电路实现等优势，具有较好的应用前景。
附图说明
图1是根据本发明实施频域合成孔径雷达成像方法的流程图。
具体实施方式
本发明采用频域精确、无误差的成像算法，计算过程中的插值运算带来的误差采用插值误差补偿方法加以控制，以降低计算复杂性、降低运算量和成像精度。
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。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种频域合成孔径雷达成像方法。如图1所示，本实施例频域合成孔径雷达成像方法包括：
步骤A：对合成孔径雷达接收的回波信号依次进行下变频和解调后，采样得到信号s(ta，tr)，在距离向补零后进行两维傅里叶变换，得到S(fa，fr)；
假设合成孔径雷达发射的线性调频信号为：
其中：tr表示距离时间变量，w(·)表示发射信号的包络，f0是发射信号的载频，Kr是发射信号的线性调频率，其中j为虚数单位，
雷达接收到的回波信号经过下变频、解调后的信号为s(ta，tr)，其中ta为方位向变量，tr为距离向变量。
为了避免后续频域插值引起模糊，将信号s(ta，tr)在距离向补零至原来信号长度的2～4倍以上，之后进行距离向和方位向二维傅里叶变换，得到信号S(fa，fr)，其中，fa为方位向变量对应的频率变量；fr为距离向变量对应的频率变量。
步骤B：将信号S(fa，fr)与雷达系统工作参考信号HRF(fa，fr)相乘，得到信号S1(fa，fr)；
雷达系统工作参考信号为：
上式(2)中，c为光速，v为雷达平台的运动速度，rref为进行成像处理的参考距离，通常选为雷达成像观测区域距离向中心位置与雷达所在位置的距离。
将S(fa，fr)与参考函数相乘，得到如下结果：
S1(fa，fr)＝S(fa，fr)·HRF(fa，fr) (3)
步骤C：将信号S1(fa，fr)按照设定的插值算法进行stolt变换，得到信号S2(fa，fr′)，其中，fr′为新的距离频率变量；
进行stolt变换，将原来的距离频率变量fr映射为新的距离频率变量fr′，如下所示：
或者：
在通过数字信号处理方式进行上式的stolt变换时，会遇到计算的信号取值在离散采样点之间的问题，需要对信号进行插值。
设定的插值算法是：首先在信号采样点之间插入m-1个零值点(相当于m倍增采样)，之后用插值算法对应的卷积函数与插入零值点的信号进行卷积运算从而完成插值。其中，最邻域插值算法对应长度为m的方波卷积函数，线性插值算法对应长度为2m-1的三角波卷积函数，其他的插值算也有相应的卷积函数。m为用户设定的插值点数，一般情况下，取大于或等于2的整数。
为了避免增加过多的运算量一般采用最邻域插值、线性插值等比较简单的插值方法。
信号S1(fa，fr)按照设定的插值算法经过stolt变换，得到S2(fa，fr′)。
步骤D：将信号S2(fa，fr′)进行二维逆傅里叶变换后，与设定的插值算法对应的插值误差补偿函数相乘，得到高精度合成孔径雷达图像sI(ta，tr)。
将步骤C中计算出的信号S2(fa，fr′)进行距离向和方位向的二维傅里叶逆变换得到信号s2(ta，tr)。
基于步骤C中的插值算法，在频域信号之间插入零值相当于信号在时域周期延拓，在频域卷积相当于插值函数在时域与雷达信号相乘。为了去掉插值卷积运算带来的影响，结合SAR成像处理步骤，本发明提出插值误差补偿的方法。
设定的插值算法对应的卷积函数Q(fr)，其傅里叶逆变换为q(r)，以其倒数作为插值误差补偿函数，将该插值误差补偿函数与信号s2(ta，tr)相乘，得到完成距离向和方位向成像处理的雷达图像信号sI(ta，tr)。
经过上述步骤，就可以实现高精度SAR成像。
应当注意，为了使本实施例更容易理解，上面的描述省略了对于本领域的技术人员来说是公知的、并且对于本实施例的实现可能是必需的更具体的一些技术细节。例如，上面的描述省略了对雷达系统工作参考函数等的一般性描述。应该理解，根据本发明的实施例的成像方法仅仅是示意性的而不是限制性的。
此外，需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
综上所述，本发明给出的SAR高精度成像方法，对处理误差进行了有针对性的补偿、成像精度高，计算简单、运算量少，简化了处理流程、占用的转置处理时间和存储空间少，具有适合于计算机通过数值计算软件来实现、以及采用数字信号处理器(DSP)以及FPGA芯片硬件电路实现等优势，具有较好的应用前景。
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 (7)
1.一种频域合成孔径雷达成像方法，其特征在于，包括：
步骤A：对合成孔径雷达接收的回波信号依次进行下变频和解调后，采样得到信号s(ta,tr)，对信号s(ta,tr)进行两维傅里叶变换，得到S(fa,fr)，其中，ta为方位向变量，tr为距离向变量，fa为方位向变量对应的频率变量；fr为距离向变量对应的频率变量；
步骤B：将信号S(fa,fr)与雷达系统工作参考信号HRF(fa,fr)相乘，得到信号S1(fa,fr)；
步骤C：将信号S1(fa,fr)按照设定的插值算法进行stolt变换，得到信号S2(fa,f′r)，其中，f′r为新的距离频率变量，其中：
所述设定的插值算法是：首先在信号采样点之间插入m-1个零值点，之后用插值算法对应的卷积函数Q(fr)与插入零值点的信号进行卷积运算从而完成插值，所述卷积函数Q(fr)的傅里叶逆变换为q(r)；
新的距离频率变量f′r的表达式为：或者：其中，c为光速，f0是发射信号的载频，v为雷达平台的运动速度；以及
步骤D：将信号S2(fa,f′r)进行二维逆傅里叶变换后，与设定的插值算法对应的插值误差补偿函数相乘，得到高精度合成孔径雷达图像sI(ta,tr)，其中，所述插值误差补偿函数为卷积函数傅里叶逆变换的倒数
2.根据权利要求1所述的频域合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述步骤A中，对信号s(ta,tr)进行两维傅里叶变换之前还包括：
将信号s(ta,tr)在距离向补零至原来信号长度的2～4倍以上。
3.根据权利要求1所述的频域合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述步骤A之前，合成孔径雷达发射的线性调频信号为：
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其中：w(·)表示发射信号的包络，f0是发射信号的载频，Kr是发射信号的线性调频率，其中j为虚数单位，
4.根据权利要求1所述的频域合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述步骤B中，雷达系统工作参考信号为：
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其中，c为光速，f0是发射信号的载频，v为雷达平台的运动速度，rref为进行成像处理的参考距离。
5.根据权利要求4所述的频域合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述rref取雷达成像观测区域距离向中心位置与雷达所在位置的距离。
6.根据权利要求1所述的频域合成孔径雷达成像方法，其特征在于，m为用户设定的插值点数，取大于或等于2的整数。
7.根据权利要求6所述的频域合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述插值算法为最邻域插值算法，其对应的卷积函数为长度为m的方波卷积函数；或所述插值算法为线性插值算法，其对应的卷积函数为长度为2m-1的三角波卷积函数。
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