CN105974376A - 一种sar射频干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种SAR射频干扰抑制方法。技术方案是：以SAR数据的一条距离线回波信号为输入，根据回波信号构建相空间矩阵，利用子空间投影方法得到参考信号的相空间矩阵；采用对角平均化方法，从参考信号相空间矩阵中恢复出一维的参考信号；根据参考信号，确定干扰信号的判别门限；根据确定的干扰判别门限，确定回波中存在的干扰频点，并用参考信号的幅度均值作为替换，完成该条距离线的射频干扰抑制。本发明可以有效提升干扰抑制后的SAR图像质量。

Description

一种SAR射频干扰抑制方法

技术领域

本发明属于航天和微波遥感的交叉技术领域，特别涉及一种SAR(SyntheticAperture Radar，合成孔径雷达)数据中RFI(Radio Frequency Interference，射频干扰)抑制方法。

背景技术

SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)通过主动发射电磁波来获取目标信息，是一种全天候、全天时的高分辨率成像系统，在目标侦察和地球遥感应用中具有巨大的潜力。然而，SAR(尤其是低波段SAR)在复杂的电磁环境中容易受到RFI的影响，进而降低图像质量，影响图像识别和应用。

SAR系统由于其良好的穿透特性，在隐蔽目标侦察以及森林植被测绘方面有着独特的优势，但其工作频段内存在大量的广播、电视信号以及地面警戒雷达发射的信号。这些干扰信号会导致SAR图像性能严重恶化。

陷波法和子空间投影法是当前广泛使用的RFI抑制方法，但传统的陷波法容易造成有用信息的损失，而子空间投影法的局限性在于过分依赖于子空间的正交性，当干扰信号功率较大时，会造成子空间误判，在图像中未受干扰区域引入虚警。针对这一现状，提出了一种基于联合滤波的RFI抑制方法，该方法综合了陷波法和子空间投影法的优点，在保证干扰抑制效果的前提下最大限度地保留了有用信号，且性能稳健。

发明内容

本发明的目的是：提出了一种基于联合滤波的RFI抑制方法，该方法是一种非参数方法，充分结合了子空间投影法和陷波法在干扰抑制方面的优点，具有更好的干扰抑制效果，且性能稳健。

本发明技术方案的思路是：首先构建回波的相空间矩阵，利用子空间投影法将回波的相空间矩阵投影到目标信号子空间，获得参考信号，并依据该参考信号，确定干扰信号的判别门限，然后，进行干扰检测、陷波和赋值处理，即可将干扰信号抑制掉。

本发明技术方案是：

假设x(n),1≤n≤N_r表示某一慢时刻SAR接收的回波信号，其中N_r表示距离向采样点数。

第一步：提取参考信号

(1)将雷达接收的回波信号x(n)按照时延嵌套构造成相空间矩阵S。

式中，L的大小取决于射频干扰的个数，且M＝N_r+1-L。L过小则特征分解不充分，L过大则计算量过大，并且成像质量也不一定得到提升，通常根据实际情况确定。本发明的具体实施例中L取32。令协方差矩阵R＝SS^H。

(2)对协方差矩阵R进行特征值分解

R＝UΛU^H

其中Λ＝diag[λ₁,λ₂,…,λ_L]，λ₁≥λ₂≥…≥λ_L是一个L×L的对角矩阵，λ_i,1≤i≤L为特征值，对应的特征矢量为U＝[u₁,u₂,…,u_L]。

将前k个特征值所对应的特征矢量提取出，组成参考子空间U_k＝[u₁,u₂,…,u_k]，根据实际情况确定，或根据文献“郑慧芳，杨淋，冯锦.SAR窄带干扰抑制的子带子空间滤波技术研究[J].电子与信息学报，2013，35(12)：2836-2842”。以表示参考信号相空间矩阵。

(3)采用对角平均化方法从参考信号相空间矩阵S_k中恢复出1维参考信号序列x_k(n),1≤n≤N_r。该过程可以看作是嵌套的逆过程，只需要计算S_k的每条与逆对角线平行的副逆对角线的均值，该N_r个均值就构成了1×N_r维参考信号x_k(n),1≤n≤N_r。其公式为

$x_k\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_k(i,n-i+1),& 1\≤n\≤M-1\\ \frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{S}_k(i,n-i+1),& M\≤n\≤L\\ \frac{1}{N_r-n+1}\underset{i=n-N_r+M}{\overset{M}{\Σ}}{S}_k(i,n-i+1),& L+1\≤n\≤N_r\end{array}\right.$

第二步，对回波信号进行滤波

将回波信号x(n)和参考信号x_k(n)分别进行FFT变换到频域

X＝[X(1),X(2),…,X(N_r)]

X_k＝[X_k(1),X_k(2),…,X_k(N_r)]

利用下式计算判别门限γ：

$\mathrm{\γ}=|{\stackrel{\‾}{X}}_k+3\mathrm{\δ}|$

${\stackrel{\‾}{X}}_k=\frac{1}{N_r}\underset{i=1}{\overset{N_r}{\Σ}}{X}_k\left(i\right)$

${\mathrm{\δ}}^2=\frac{1}{N_r}\underset{i=1}{\overset{N_r}{\Σ}}{\left(X_k\right(i)-{\stackrel{\‾}{X}}_k)}^2$

利用下式对回波信号进行滤波，得到射频干扰抑制后的回波信号

$\hat{X}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\left|{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k\right|,\left|X\left(n\right)\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&gamma;}\\ X\left(n\right),\left|X\left(n\right)\right|<\mathrm{\&gamma;}\end{array}\right.,1\&le;n\&le;N_r$

针对SAR的每个慢时刻的回波信号重复上述操作，即可达到抑制干扰的目的。

采用本发明可取得以下技术效果：

本发明提出的基于联合滤波的SAR射频干扰抑制方法，利用获得的参考信号确定干扰判别门限，并通过滤波去除干扰，根据参考信号对回波信号重新赋值。相比现有的方法，本方法在确定参考信号时利用子空间投影法可以更好地去除干扰的影响，得到更优的干扰判别门限，从而更准确地找到干扰的位置。根据参考信号对回波信号重新赋值时，对干扰频点的赋值更准确，进而实现更好的干扰抑制效果，并且性能稳健。

附图说明

图1为本发明提供的星载SAR射频干扰抑制方法的原理流程图；

图2是仿真实验中使用的点目标的成像结果；

图3是对图2添加射频干扰后点目标的成像结果；

图4为采用陷波法对图3进行干扰抑制后成像结果；

图5为采用子空间投影法对图3进行干扰抑制后成像结果；

图6为采用本文发明提供的方法对图3进行干扰抑制后成像结果；

图7是仿真实验中使用的实测数据的成像结果；

图8是对图7添加射频干扰后数据的成像结果；

图9是利用陷波法对图8进行干扰抑制后的成像结果；

图10是利用子空间投影法对图8进行干扰抑制后的成像结果；

图11是利用本发明提供的方法对图8进行干扰抑制后的成像结果。

具体实施方式

图1为本发明提供的星载SAR射频干扰抑制方法的原理流程图。整个流程包括：以SAR数据的一条距离线回波信号为输入，根据回波信号构建相空间矩阵，利用子空间投影方法得到参考信号的相空间矩阵；采用对角平均化方法，从参考信号相空间矩阵中恢复出一维的参考信号；根据参考信号，确定干扰信号的判别门限；根据确定的干扰判别门限，确定回波中存在的干扰频点，并用参考信号的幅度均值作为替换，完成该条距离线的射频干扰抑制。

图2～图6是进行点目标仿真实验结果。仿真了单个点目标回波，在此回波中添加了带宽为0.5MHz，1.0MHz和1.5MHz的射频干扰信号，干信比为20dB。图2为原始点目标回波成像结果，从图像中可以看出，点目标聚焦效果良好。图3是在图2中添加射频干扰后回波的成像结果，可以看到点目标已经被干扰信号湮没。图4是采用陷波法对图3进行干扰抑制后的成像结果，从图像中可以看出，干扰聚焦良好，但仍有较多的干扰残留。图5是采用子空间投影法对图3进行干扰抑制后的成像结果，点目标不仅不能良好聚焦，图像还残留较多的干扰。图6是采用本发明提供的方法进行干扰抑制后的成像结果，可以看到，点目标聚焦良好，且干扰残留较少。

图7～图11是进行面目标仿真实验的结果。仿真实验选取了一幅无干扰的RadarSat-1回波实测数据，在此数据中添加了带宽为0.5MHz，1.0MHz和1.5MHz的射频干扰信号，干信比为20dB。

图7是仿真实验中使用的原始数据的成像结果。从图中可以看出，图像清晰，对比度高。图8是对图7添加射频干扰后数据的成像结果。从图中可以看出，由于干扰的存在，图像目标信息被覆盖，图像对比度下降。图9和图10分别是利用陷波法和子空间投影法对图8进行干扰抑制后的成像结果，干扰抑制后，图像质量得到提升，不过仍有较多干扰残留，细节信息不明显。图11是利用本发明提供的方法对图8进行干扰抑制后的成像结果，干扰抑制后，图像质量明显提升，细节信息恢复较为明显，图像对比度有明显提高。

以上仿真实验说明了本发明方法可以有效地弥补现有方法在干扰抑制方面的不足，有效提升干扰抑制后的SAR图像质量。

Claims (1)

1.一种SAR射频干扰抑制方法，SAR是指合成孔径雷达，假设x(n),1≤n≤N_r，表示某一慢时刻SAR接收的回波信号，其中N_r表示距离向采样点数，其特征在于，包括下述步骤：

第一步：提取参考信号：

将雷达接收的回波信号x(n)按照时延嵌套构造成相空间矩阵S：

上式中M＝N_r+1-L，L根据实际情况确定；

令协方差矩阵R＝SS^H，对协方差矩阵R进行特征值分解：

R＝UΛU^H

其中Λ＝diag[λ₁,λ₂,…,λ_L]是一个L×L的对角矩阵，对应的特征矢量矩阵为U＝[u₁,u₂,…,u_L]，并且λ₁≥λ₂≥…≥λ_L，λ_i为特征值，i＝1,2，…L；上标H表示求矩阵的共轭转置；

将前k个特征值所对应的特征矢量提取出，组成参考子空间U_k＝[u₁,u₂,…,u_k]，k的取值根据实际情况确定；

令参考信号相空间矩阵采用对角平均化方法从参考信号相空间矩阵S_k中恢复出1维参考信号序列x_k(n)；

第二步，对回波信号进行滤波

将回波信号x(n)和参考信号x_k(n)分别进行快速傅里叶变换得到X和X_k：

X＝[X(1),X(2),…,X(N_r)]

X_k＝[X_k(1),X_k(2),…,X_k(N_r)]

利用下式计算判别门限γ：

$\mathrm{\&gamma;}=|{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k+3\mathrm{\&delta;}|$

${\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k=\frac{1}{N_r}\underset{i=1}{\overset{N_r}{\&Sigma;}}{X}_k\left(i\right)$

${\mathrm{\&delta;}}^2=\frac{1}{N_r}\underset{i=1}{\overset{N_r}{\&Sigma;}}{\left(X_k\right(i)-{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k)}^2$

利用下式对回波信号进行滤波，得到射频干扰抑制后的回波信号

$\hat{X}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\left|{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k\right|,\left|X\right(n\left)\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&gamma;}\\ X\left(n\right),\left|X\right(n\left)\right|<\mathrm{\&gamma;}\end{array}\right.$

针对SAR的每个慢时刻回波信号重复上述两个步骤。