CN106597437B - 高频机载调频连续波sar运动补偿及成像处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高频机载调频连续波SAR运动补偿及成像处理方法，通过改进传统的距离多普勒成像算法，补偿了调频连续波的脉内距离走动，RVP和斜置项，并进一步将成像算法和调频连续波SAR运动补偿相结合，实现基于无人机平台的调频连续波SAR成像方法。本发明结合实际载机飞行条件，提出适合调频连续波模式下的运动补偿方法并与改进的成像算法相结合，在载机运动误差的情况下实现了FMCW SAR高分辨率成像。

Description

高频机载调频连续波SAR运动补偿及成像处理方法
技术领域
本发明所涉及的是一种机载调频连续波SAR运动补偿及成像方法，适用于采用调频连续波体制的小型化SAR系统。
背景技术
高度小型化的FMCW(调频连续波)SAR(合成孔径雷达)具备结构简单、价格低廉、功耗低、截获概率低等一系列优点，非常适合目前发展迅速应用广泛的小型无人机平台。高频段(Ka)的SAR系统具有高分辨及与地物可见光表征相近的特点也越来越多的应用于搜索救援、区域监测、灾害监视与控制等民用方面，以及小型无人机对地侦察等军事领域。
目前，针对无人机载高频调频连续波成像技术如下：(1)无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统(CN104698458A)，该发明专利采用调频连续波SAR系统，设备简单，复杂度低，采用去调频处理方式，数据量小，能够进行实时成像，得到比其它低频段更精细的图像，目标棱角特征明显，更利于目标识别。(2)双通道调频连续波SAR系统的动目标检测成像方法(CN103744068A)，该专利通过对回波数据进行去除残余视频相位处理，进而对数据进行多普勒频移补偿，同时对二通道变换数据进行相位偏差补偿，并对两通道数据进行消减处理；对杂波相消后的图像进行徙动校正及方位去斜处理，实现目标粗成像，检测运动目标并逐个提取；将提取的目标反变换到原始数据域，估计运动参数来构造动目标精确的方位去斜函数，进行去除残余视频相位处理及方位精确去斜处理及距离徙动校正，构造模糊函数进行补偿，然后进行Keystone变换，完成动目标的精确成像。该方法可以解决连续波体制下运动参数未知时的快速动目标成像问题，提高信杂噪比和目标检测概率。(3)基于调频连续波的SAR实时成像方法(CN102590812A)，该发明主要解决现有方法不能处理调频连续波实时回波数据的问题。其实现步骤是：对原始数据进行预滤波；对预滤波后的数据进行多普勒中心估计、走动校正和多普勒中心平移；对中心平移后的数据沿距离向做逆傅里叶变换IFFT；对IFFT后的数据进行多普勒调频率估计，得到调频率值；根据调频率值计算载机的运动误差参数；根据运动误差参数，对预滤波后的数据作运动补偿；对运动补偿后的数据进行走动校正、多普勒中心平移和弯曲校正；对弯曲校正后的数据进行调频率估计，根据得到的调频率值，对数据沿方位向进行聚焦成像，得到SAR图像。
上述检索的专利及相关公开文献包括“FMCW SAR信号处理关键技术”，“线性调频连续波合成孔径雷达成像算法”，“FM-CW SAR距离多普勒算法研究”等，都是推导了调频连续波SAR信号模型后提出了改进的成像算法。
与SAR运动补偿技术相关的发明专利共3项，分别为：一种SAR运动补偿用SINS/GPS组合导航自适应降维滤波方法(CN100498373C)；一种双基地前视SAR运动补偿方法(CN105182340A)；基于改进相位梯度自聚焦的双基SAR运动补偿方法(CN103885061A)。上述相关专利主要讲述了脉冲体制下SAR成像运动补偿算法，并未涉及到高频调频连续波体制下SAR运动补偿技术。
发明内容
本发明提供一种高频机载调频连续波SAR运动补偿及成像处理方法，针对调频连续波SAR信号处理与传统脉冲模式的不同，对成像算法相应地予以改进，以实现对FMCW SAR点目标的精确成像。并结合实际载机飞行条件，提出适合调频连续波模式下的运动补偿方法并与改进的成像算法相结合，在载机运动误差的情况下实现了FMCW SAR高分辨率成像。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种高频机载调频连续波SAR运动补偿及成像处理方法，包含以下过程：
S1、对原始差频数据做一阶视线向运动补偿，进行相对场景中心线处的相位补偿；计算SAR载机平台在视线方向的偏航误差rRI(tm,Rref)和对应的相位误差
rRI(tm,Rref)＝zs(tm)cosθref+ys(tm)sinθref
其中，Rref为参考斜距，zs和ys分别为载机在Z方向和Y方向的位移；θref为视线向与Z方向的夹角，所述视线向指向场景中心线处；tm为离散时间，λ为波长；
S2、进行距离压缩，并消除斜置项与RVP；在距离向进行一次傅里叶变换，完成脉冲压缩，得到差频域的表达式：
其中，Tp为脉宽，fc为中心频率，kr为调频斜率，A为脉冲压缩后能量，c为光速，R为距离，fr为频域轴；三个相位项中第一项为多普勒项，第二项为RVP项，第三项为回波包络斜置项；
在距离频域乘以补偿式对斜置项和RVP进行综合补偿；
S3、进行二阶视线向运动补偿；完成距离压缩后，在距离频域对运动误差项中与距离变化有关的分量进行次级运动补偿，相位误差表达式如下：
rRII(tm,R)＝zs(tm)cosθ+ys(tm)sinθ
在距离频域采用相位相乘的方式，对残余的二阶视线向相位误差进行补偿；
S4、进行航迹向运动补偿；根据载机在飞行过程中的实际航速V(tm)和平均速度计算实际的多普勒调频率γ(tm)与平均的多普勒调频率获得需补偿的多普勒调频率差Δγ(tm)：
对Δγ(tm)作二重积分，得到所需补偿的相位：RB为理想航迹下的中心斜距；
S5、进行基于RCMC的距离迁移矫正；完成运动补偿后，在方位向进行一次傅里叶变化，通过在多普勒域进行RCMC插值频域距离走动和距离弯曲校正；对于距离R上的点目标，其在多普勒域中的需要矫正的频率偏移与方位向多普勒频率的关系为：
其中，fa为多普勒中心频率；
最后进行方位向压缩处理，得到高分辨率成像。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1.本发明解决了FM-CW SAR的特有问题，如RVP，斜置，距离脉内走动现象，结合距离多普勒算法，提出一种适合FM CWSAR系统的改进的距离多普勒算法，实现了精确成像。
与背景技术(1)～(3)中通过推导调频连续波SAR信号模型提出改进的成像算法相比，本发明是在通过对RVP，斜置，距离走动现象的处理进行算法改进，实现调频连续波SAR聚焦成像的同时考虑了载机的运动影响，在成像过程中同步完成运动补偿，更具有实用意义。
2.机载调频连续波SAR成像，特别是高频高分辨率系统必然会受到载机运动的影响，如果仅考虑成像算法而不将运动补偿技术结合在内在实际应用中难以实现聚焦良好的成像效果。本发明根据去调频连续波雷达的特点，提出了适用于机载FMCW SAR系统的运动补偿方法。该方法同调频连续波SAR成像算法相结合，在成像的过程中各个方向上的运动补偿，具有更好的实用性。
背景技术仅提供了脉冲体制下SAR成像运动补偿算法，并未涉及到高频调频连续波体制下SAR运动补偿技术。而本发明考虑了在大扫频周期内运动过程中的多普勒畸变，解决了去调频的斜置项和剩余视频相位项对成像结果的影响，是一种适用于高分辨调频连续波SAR的改进的距离多普勒算法。
附图说明
图1为雷达视线坐标图。
图2为FMCWSAR成像及运动补偿方法流程框图。
图3为无运动误差情况下的点目标FMCW成像仿真图。
图4为载机运动误差。
图5为没有运动补偿算法时的成像结果。
图6为结合运动补偿后的成像结果。
具体实施方式
参照图1、图2，本发明改进了传统的距离多普勒成像算法，补偿了调频连续波的脉内距离走动，RVP和斜置项，并进一步将成像算法和调频连续波SAR运动补偿相结合，实现基于无人机平台的调频连续波SAR成像方法。
本发明所述高频机载调频连续波SAR运动补偿及成像处理方法，包括以下步骤：
1、对原始数据做一阶视线向运动补偿，即相对场景中心线处的相位补偿。以场景中心线处的距离为参考，获得参考斜距Rref处的运动误差量，计算SAR载机平台在视线方向(LOS)的偏航误差rRI(tm,Rref)和对应的相位误差
rRI(tm,Rref)＝zs(tm)cosθref+ys(tm)sinθref
其中，tm为离散时间，λ为波长，zs和ys分别为载机在Z方向和Y方向的位移(坐标系的定义见图1)，zs和ys可以通过载机上的惯导系统得到。θ(式中为θref)是视线向与Z方向的夹角，此时视线向指向场景中心线处。利用该误差在原始回波域(或距离压缩回波域)对回波信号进行包络延迟补偿和距离非空变相位误差补偿，即“一阶补偿”。
2、距离压缩及斜置项与RVP消除；在距离向进行一次傅里叶变换即可完成脉冲压缩，得到差频域的表达式：
其中，Tp为脉宽，fc为中心频率，kr为调频斜率，A为脉冲压缩后能量，c为光速，R为距离，fr为频域轴，三个相位项中第一项为多普勒项，第二项为RVP(剩余视频相位)项，第三项为回波包络斜置项。在距离频域乘以补偿式可以对“斜置”和RVP进行综合补偿。
3、二阶视线向运动补偿；完成距离压缩后，在距离频域对运动误差项中与距离变化有关的分量进行次级运动补偿，相位误差表达式如下：
rRII(tm,R)＝zs(tm)cosθ+ys(tm)sinθ
在距离频域采用相位相乘的方式可以将残余的二阶视线向相位误差补偿掉。
4、航迹向运动补偿；在实际的处理过程中，通过机载的惯导导航系统以及定位系统测出载机在飞行过程中的实际航速V(tm)，平均速度则可以通过对整个时间段里进行平均就可得到进一步就可以求得实际的多普勒调频率γ(tm)与平均的多普勒调频率的值可得所需补偿的多普勒调频率差Δγ(tm)：
其中，RB为理想航迹下的中心斜距，将Δγ(tm)作二重积分，就可以得到所需补偿的相位：
5、基于RCMC(距离徙动校正)的距离迁移矫正；完成运动补偿后，在方位向进行一次傅里叶变化，参考传统脉冲SAR距离-多普勒成像算法，通过在多普勒域进行RCMC插值频域距离走动和距离弯曲较正。对于距离R上的点目标，其在多普勒域中的需要矫正的频率偏移与方位向多普勒频率的关系为：
其中，fa为多普勒中心频率。
6、方位压缩；方位压缩的方法与脉冲体制下的方位压缩一致，乘以方位向匹配参考函数，再进行方位向IFFT(快速傅里叶逆变换)即可完成方位压缩。通过完成方位向压缩处理过程，实现高分辨率成像。
图3示出无运动误差情况下的点目标FMCW成像仿真图。图4为添加的载机运动误差，此运动误差是来源于运5载机上惯导数据，可以真实的反应载机的运动情况。图5为没有运动补偿算法时的成像结果。图6为结合运动补偿后的成像结果，实现了精确成像。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (1)

1.一种高频机载调频连续波SAR运动补偿及成像处理方法，其特征在于，包含以下过程：
S1、对原始差频数据做一阶视线向运动补偿，进行相对场景中心线处的相位补偿；计算SAR载机平台在视线方向的偏航误差rRI(tm,Rref)和对应的相位误差
rRI(tm,Rref)＝zs(tm)cosθref+ys(tm)sinθref
其中，Rref为参考斜距，zs和ys分别为载机在Z方向和Y方向的位移；θref为视线向与Z方向的夹角，所述视线向指向场景中心线处；tm为离散时间，λ为波长；
S2、进行距离压缩，并消除斜置项与RVP；在距离向进行一次傅里叶变换，完成脉冲压缩，得到差频域的表达式：
其中，Tp为脉宽，fc为中心频率，kr为调频斜率，A为脉冲压缩后能量，c为光速，R为距离，fr为频域轴；三个相位项中第一项为多普勒项，第二项为RVP项，第三项为回波包络斜置项；
在距离频域乘以补偿式对斜置项和RVP进行综合补偿；
S3、进行二阶视线向运动补偿；完成距离压缩后，在距离频域对运动误差项中与距离变化有关的分量进行次级运动补偿，相位误差表达式如下：
rRII(tm,R)＝zs(tm)cosθ+ys(tm)sinθ
在距离频域采用相位相乘的方式，对残余的二阶视线向相位误差进行补偿；
S4、进行航迹向运动补偿；根据载机在飞行过程中的实际航速V(tm)和平均速度计算实际的多普勒调频率γ(tm)与平均的多普勒调频率获得需补偿的多普勒调频率差Δγ(tm)：
对Δγ(tm)作二重积分，得到所需补偿的相位：RB为理想航迹下的中心斜距；
S5、进行基于RCMC的距离迁移矫正；完成运动补偿后，在方位向进行一次傅里叶变化，通过在多普勒域进行RCMC插值频域距离走动和距离弯曲校正；对于距离R上的点目标，其在多普勒域中的需要矫正的频率偏移与方位向多普勒频率的关系为：
其中，fa为多普勒中心频率；
最后进行方位向压缩处理，得到高分辨率成像。
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