CN107272000B - 滑动散射中心方位向相位误差的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，包括以下步骤：参数化表示目标局部产生的滑动散射中心的表面曲率；根据表面曲率得到滑动散射中心对应回波的调频率K；根据调频率K得到方位向相位误差Δe。本发明将滑动散射中心的产生机理与SAR工作原理、成像过程结合，给出了一种滑动散射中心方位向相位误差的近似计算方法，该方法定量化给出了滑动散射中心的散焦程度，建立了目标局部结构参数与散射中心在合成孔径雷达图像上特征的相互关联，为滑动散射中心在合成孔径雷达图像上特征的有效模拟和定量化分析提供了理论依据。

Description

滑动散射中心方位向相位误差的计算方法

技术领域

本发明属于SAR成像和散射机理领域，更具体地涉及一种合成孔径雷达图像中滑动散射中心方位向相位误差的计算方法。

背景技术

近年来，合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)系统飞速发展，SAR图像分辨率迅速提高，高分辨率SAR图像的细节显著增加。与光学图像不同，在SAR图像中，人造目标通常是以离散的散射中心的形式存在。因此，散射中心是SAR图像细节的重要组成部分，针对散射中心特征的理解和分析对人造目标高分辨率SAR图像的理解具有较为重要的价值。

在中低分辨率的SAR图像中，由于同一个分辨率单元包含大量的强散射单元，因此不仅散射中心数目较少，且单个散射中心往往是很多较强散射中心的叠加，通常对应一个强散射区域，这个散射区域的峰值、旁瓣等特征往往难以定量分析；在高分辨率SAR图像中，这样的情况发生了改善，由于分辨率单元变小了，对于很多人造目标而言，多数分辨率单元中仅包含一个强散射中心，这样的分辨单元在图像上表现为一个实质上的散射中心，而不是一个强散射区域。因此，散射中心的细节特征会呈现在图像中，例如：散射中心的峰值通常仅对应某种单一的散射机理；散射中心的主瓣宽度和旁瓣等信息能够与这种单一的散射机理的散焦程度关联起来。

滑动散射中心代表着目标散射机制中一种重要的散射中心，在高分辨率SAR图像中，滑动散射中心会出现不符合理想点散射中心模型而导致的散焦情况，而散焦的程度可以用相位误差近似的表征。

该散焦会使得提取的目标信息不准确，且在图像仿真中，若不考虑此散焦情况，则仿真结果会与试验结果相差很大，不利于对目标信息的准确提取和分析。

现有技术中，在SAR图像仿真中会有涉及到散射中心的仿真问题，SAR图像仿真中有两类经典的方法：二维频域法和基于投影映射的方法。其中，基于投影映射的方法近似忽略了滑动散射中心散焦的问题；基于二维频域的SAR图像仿真方法虽然可以获得滑动散射中心的散焦特征，但由于该方法是对该特征的数值分析方法，并不能给出表征散焦情况的方位向相位误差的计算方法。因此，在目前的研究中，针对人造目标滑动散射中心散焦情况的问题并没有准确的表达和专门的研究。

发明内容

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提出一种滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，包括以下步骤：

步骤1、参数化表示目标局部产生的滑动散射中心的表面曲率；

步骤2、根据表面曲率得到滑动散射中心对应回波的调频率K；

步骤3、根据调频率K得到方位向相位误差Δe。

在本发明的一些实施例中，上述步骤1具体包括以下步骤：

假设所述目标局部产生的滑动散射中心的表面曲率的变化为方位向时间的二阶函数，则目标局部产生的滑动散射中心在η时刻对应的表面曲率可表示为：

r(η)＝aη²+bη+c；

其中，系数a、b、c根据所述滑动散射中心产生的结构表面的几何参数进行表面曲率的二次曲线拟合得到；η为方位向慢时间。

在本发明的一些实施例中，上述步骤2具体包括以下步骤：

步骤21、计算合成孔径雷达与目标及与表面曲率的曲率中心之间的最小斜距；

步骤22、计算得到合成孔径雷达在当前时刻距离目标的距离；

步骤23、根据调频率定义公式得到滑动散射中心对应回波的调频率K。

在本发明的一些实施例中，上述合成孔径雷达与目标之间的最小斜距近似表示为：

则，合成孔径雷达与表面曲率的曲率中心之间的最小斜距近似表示为：

R₀＝R₁+r(η₀)；

其中，H为合成孔径雷达的飞行高度；θ为合成孔径雷达的波束入射角度；r(η₀)为在波束中心时刻η₀时表面曲率的值。

在本发明的一些实施例中，上述步骤22具体包括以下步骤：

根据步骤1中计算得到的表面曲率，以及步骤21中计算得到的合成孔径雷达与表面曲率的曲率中心之间的最小斜距，计算得到合成孔径雷达在当前时刻距离目标的距离R(η)，具体表达式如下：

其中，v_r为合成孔径雷达的飞行速度，r(η)为在时刻η时表面曲率的值。

在本发明的一些实施例中，上述步骤23中的调频率定义公式为

根据调频率定义公式，及合成孔径雷达在当前时刻距离目标的距离R(η)，在抛物线近似的条件下，计算得到滑动散射中心对应回波的调频率K；该调频率K的具体表达式如下：

其中，λ为合成孔径雷达的工作频率所对应的波长，a、b、c为根据滑动散射中心产生的结构表面的几何参数进行表面曲率的二次曲线拟合得到的系数。

在本发明的一些实施例中，上述步骤3具体包括以下步骤：

步骤31、计算合成孔径雷达的合成时间，及成像处理时的方位向调频率K₁；

步骤32、根据相位误差的计算公式、合成时间及方位向调频率K₁，得到滑动散射中心方位向的相位误差。

在本发明的一些实施例中，上述合成孔径雷达的合成时间为：

其中，λ为合成孔径雷达的工作频率所对应的波长；R₀为合成孔径雷达与表面曲率的曲率中心之间的最小斜距；ρ_a为方位向分辨率；v_r为合成孔径雷达的飞行速度。

在本发明的一些实施例中，上述成像处理时的方位向调频率K₁为：

其中，R₁为合成孔径雷达与目标之间的最小斜距。

在本发明的一些实施例中，上述步骤32中相位误差的计算公式为：

则，根据合成时间及方位向调频率K₁，滑动散射中心方位向的相位误差表示为：

本发明提出的滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，具有以下有益效果：

本发明将滑动散射中心的产生机理与SAR工作原理、成像过程结合，给出了一种滑动散射中心方位向相位误差的近似计算方法，该方法定量化给出了滑动散射中心的散焦程度，建立了目标局部结构参数与散射中心在合成孔径雷达图像上特征的相互关联，为滑动散射中心在合成孔径雷达图像上特征的有效模拟和定量化分析提供了理论依据；

本发明为合成孔径雷达图像中目标特征的解译、基于高分辨率合成孔径雷达图像中目标信息的高准确性提取提供了支撑。

附图说明

图1是本发明一实施例提出的滑动散射中心方位向相位误差的计算方法的原理示意图；

图2是本发明一实施例得到的相位误差Δe随表面曲率半径与分辨率比值的变化曲线示意图。

具体实施方式

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，对本发明作进一步的详细说明。

针对合成孔径雷达(SAR)图像中滑动散射中心散焦情况的研究，传统的研究没有给出定量的计算方案。只是在SAR图像仿真中会模拟滑动散射中心的图像特征。SAR图像仿真主要有基于投影映射的方法和基于二维频域的方法，这些研究的缺点是：

第一，在基于投影映射的SAR图像仿真方法中，滑动散射中心散焦的情况被忽略，不能给出与实际情况相符合的散焦特征，这在高分辨率SAR图像中表现的比较明显；

第二，在基于二维频域的SAR图像仿真方法中，利用目标二维频域散射数据生成仿真SAR图像，滑动散射中心的散焦情况可以被仿真过程数值的模拟，但定量化的散焦程度的度量，即：相位误差仍没有近似的估算方法。

因此，本公开提出一种滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，包括以下步骤：

步骤1、参数化表示目标局部产生的滑动散射中心的表面曲率；

步骤2、根据表面曲率得到滑动散射中心对应回波的调频率K；

步骤3、根据方位向调频率K得到方位向相位误差Δe。

即本发明将滑动散射中心的产生机理与SAR工作原理、成像过程结合，给出了一种滑动散射中心在SAR图像上方位向相位误差的近似计算方法，该方法定量化地给出了滑动散射中心的散焦程度，建立了目标局部结构参数与散射中心在SAR图像上特征的相互关联，为滑动散射中心在SAR图像上的特征的有效模拟和定量化分析提供了理论依据。

在本发明的一些实施例中，上述步骤2具体包括以下步骤：

步骤21、计算合成孔径雷达与目标及与表面曲率的曲率中心之间的最小斜距；

步骤22、计算得到合成孔径雷达在当前时刻距离目标的距离；

步骤23、根据调频率定义公式得到滑动散射中心对应回波的调频率K。

在本发明的一些实施例中，上述步骤3具体包括以下步骤：

步骤31、计算合成孔径雷达的合成时间，及成像处理时的方位向调频率K₁；

步骤32、根据相位误差的计算公式、合成孔径时间及方位向调频率K₁，得到滑动散射中心方位向的相位误差。

在本发明的一些实施例中，通过计算散焦相位误差，给出一种滑动散射中心在SAR图像中散焦情况的定量化计算方法。具体过程为：基于目标散射机理和SAR工作、成像原理，围绕产生滑动散射中心的局部结构，建立结构的几何参数和该散射中心在图像上的散焦相位误差之间的关联，给出方位向相位误差的近似计算方法。

具体地包括以下步骤：

步骤1、参数化表示目标局部产生的散射中心的表面曲率。

假设滑动散射中心局部对应的曲率变化为方位向时间的二阶函数，忽略三次及更高阶项曲率的影响。针对滑动散射中心产生结构的表面几何参数进行表面曲率的二次曲线拟合获得系数a、b、c。该系数a、b、c分别是表面曲率在二次曲线拟合下的二次项系数、一次项系数和常数项，曲线拟合的方法可以采用常见的最小均方误差方法进行拟合。

令η为方位向慢时间；r(η)表示目标局部产生的滑动散射中心在η时刻对应的表面曲率。则滑动散射中心对应的表面曲率为：

r(η)＝aη²+bη+c；

步骤2、计算该散射中心对应回波的调频率K；具体计算方法如下：

首先需要事先设置好合成孔径雷达的工作参数，主要包括：飞行速度v_r；工作频率所对应的波长λ；波束中心时刻η₀；η₀时刻下滑动散射中心对应的斜距R₁；方位向分辨率ρ_a，波束入射角度θ及飞行高度H，随后进行具体的计算：

步骤21、根据公式(1)近似计算合成孔径雷达距离目标的最小斜距

则，合成孔径雷达距离表面曲率的曲率中心的最小斜距可近似计算为：

R₀＝R₁+r(η₀)； (2)

步骤22、合成孔径雷达在当前时刻距离目标的距离，该距离等式表示为：

步骤23、根据调频率定义公式：

在抛物线近似的条件下，计算得到滑动散射中心对应的调频率K为：

步骤3、根据方位向调频率K计算得到方位向相位误差Δe，具体计算方法如下：

步骤31、计算合成孔径雷达的合成孔径时间为：

同时计算在抛物线近似下，成像处理时的方位向调频率：

步骤32、根据合成孔径时间、方位向调频率K₁及相位误差的计算公式：

得到滑动散射中心方位向的相位误差的具体表达公式如下：

以下通过具体实施例，对本发明提出的滑动散射中心方位向相位误差的计算方法进行详细描述。

实施例

本实施例以针对球形滑动散射中心的计算示例，提出一种滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，该方法的依据原理图如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1、参数化表示目标局部产生的滑动散射中心的表面曲率；

如图1所示，针对球体而言，表面曲率半径简化为球体半径：r(η)＝c

这里将计算不同频段下，不同半径与波段情况下的滑动散射中心的相位误差。令方位向分辨率ρ_a为1m。下面将计算c＝0.1m、1m、2m到50m的计算结果，并分析得到的计算结果。

步骤2、根据表面曲率得到滑动散射中心对应回波的调频率K；

合成孔径雷达的参数设置为：飞行高度：5000m，入射角度θ：30度，飞行速度：100m/s。

则公式(1)中的R₁＝5773.5m，当合成孔径雷达的工作频率分别为1.2GHz、5GHz和9.5GHz时，对应的波长分别为：0.25m、0.06m、0.03m，则根据公式(5)的演变式：

分别计算得到三种工作频率下，对应的滑动散射中心对应回波的调频率K与表面曲率c的关系式为：

步骤3、根据方位向调频率K得到方位向相位误差Δe。

首先，根据公式(6)及公式(2)计算得到三种工作频率下，合成孔径雷达的合成孔径；然后根据公式(7)计算得到三种工作频率下，成像处理时的方位向调频率，并将得到的参数代入公式(9)，计算得到三种工作频率下，滑动散射中心方位向的相位误差与表面曲率的关系。

如图2所示，即为三种工作频率下，滑动散射中心方位向的相位误差与表面曲率的关系曲线图，其中，f表示雷达的工作频率，纵坐标对应Δe/π。从计算结果可以分析出，相位误差大小随着球体半径的增大而增大，在频率不变的情况下近似呈线性变化；在球体半径不变，成像几何不变的条件下，针对球体的滑动散射中心而言，较小的雷达工作频段得到的SAR图像会产生较大的相位误差。这些符合实际的物理规律。以上的实验表明，该方法提供的滑动散射中心方位向相位误差的近似计算方法，计算结果准确可靠，从而为滑动散射中心在合成孔径雷达图像上特征的有效模拟和定量化分析提供了理论依据；为合成孔径雷达图像中目标特征的解译、基于高分辨率合成孔径雷达图像中目标信息的高准确性提取提供了支撑。

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，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)

1.一种滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，包括以下步骤：

步骤1、参数化表示目标局部产生的滑动散射中心的表面曲率；

步骤2、根据所述表面曲率得到所述滑动散射中心对应回波的调频率K；

步骤3、根据所述调频率K得到所述方位向相位误差Δe；

其中，所述步骤1具体包括以下步骤：

假设所述目标局部产生的滑动散射中心的表面曲率的变化为方位向时间的二阶函数，则目标局部产生的滑动散射中心在η时刻对应的表面曲率表示为：

r(η)＝aη²+bη+c；

其中，系数a、b、c根据所述滑动散射中心产生的结构表面的几何参数进行表面曲率的二次曲线拟合得到；η为方位向慢时间；

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤21、计算合成孔径雷达与所述目标及与所述表面曲率的曲率中心之间的最小斜距；

步骤22、计算得到所述合成孔径雷达在当前时刻距离所述目标的距离；

步骤23、根据调频率定义公式得到所述滑动散射中心对应回波的调频率K；

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤31、计算合成孔径雷达的合成时间，及成像处理时的方位向调频率K₁；

步骤32、根据相位误差的计算公式、所述合成时间及所述方位向调频率K₁，得到所述滑动散射中心方位向的相位误差。

2.如权利要求1所述的滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，其中，合成孔径雷达与所述目标之间的最小斜距近似表示为：

则，所述合成孔径雷达与所述表面曲率的曲率中心之间的最小斜距近似表示为：

R₀＝R₁+r(η₀)；

其中，H为所述合成孔径雷达的飞行高度；θ为所述合成孔径雷达的波束入射角度；r(η₀)为在波束中心时刻η₀时所述表面曲率的值。

3.如权利要求1所述的滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，其中，所述步骤22具体包括以下步骤：

根据所述步骤1中计算得到的表面曲率，以及所述步骤21中计算得到的合成孔径雷达与所述表面曲率的曲率中心之间的最小斜距，计算得到所述合成孔径雷达在当前时刻距离所述目标的距离R(η)，具体表达式如下：

其中，v_r为所述合成孔径雷达的飞行速度，r(η)为在时刻η时所述表面曲率的值。

4.如权利要求1所述的滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，其中，所述步骤23中的调频率定义公式为

根据所述调频率定义公式，及所述合成孔径雷达在当前时刻距离所述目标的距离R(η)，在抛物线近似的条件下，计算得到所述滑动散射中心对应回波的调频率K；所述调频率K的具体表达式如下：

其中，λ为合成孔径雷达的工作频率所对应的波长，a、b、c为根据所述滑动散射中心产生的结构表面的几何参数进行表面曲率的二次曲线拟合得到的系数。

5.如权利要求1所述的滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，其中，所述合成孔径雷达的合成时间为：

其中，λ为合成孔径雷达的工作频率所对应的波长；R₀为合成孔径雷达与所述表面曲率的曲率中心之间的最小斜距；ρ_a为方位向分辨率；v_r为所述合成孔径雷达的飞行速度。

6.如权利要求5所述的滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，其中，所述成像处理时的方位向调频率K₁为：

其中，R₁为所述合成孔径雷达与目标之间的最小斜距。

7.如权利要求1所述的滑动散射中心方位向相位误差的计算方法，其中，所述步骤32中所述相位误差的计算公式为：

则，根据所述合成时间及所述方位向调频率K₁，所述滑动散射中心方位向的相位误差表示为：

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