CN108008378A

CN108008378A - 一种sar虚假目标能量比值确定方法及装置

Info

Publication number: CN108008378A
Application number: CN201710385947.2A
Authority: CN
Inventors: 杨威; 陈杰; 王凯; 李春升
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-05-08
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: CN108008378B

Abstract

本公开涉及一种SAR虚假目标能量比值确定方法及装置，该方法包括：根据SAR信号的带通滤波矩阵和SAR信号传输通道的幅相误差确定重构误差矩阵；根据重构误差矩阵确定SAR信号中的虚假目标能量比值，该方法提高了SAR虚假目标能量比的计算效率。

Description

一种SAR虚假目标能量比值确定方法及装置

技术领域

本公开涉及信号处理领域，具体地，涉及一种SAR虚假目标能量比值确定方法及装置。

背景技术

SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)是一种可以对地球进行观测的高分辨率遥感探测雷达。由于星载SAR能克服雨雾和暗夜条件的影响实现全天时、全天候对地观测，因此在农业、海洋、灾害监测以及3D绘图等领域具有广阔的应用前景。在传统星载SAR体制中，高分辨率和宽测绘带难以同时实现，因此方位多通道体制应运而生。方位多通道体制以空间增采样换取了方位时间的升采样，成功地克服了高分辨率和宽测绘带之间的制约关系，为未来高分宽幅SAR卫星的设计与实现提供了有效的保证。

然而，在实际系统中，各通道难以保证完全的幅相一致性。通道间的幅相不一致会使得多通道信号重构过程出现误差，进而在成像后形成虚假目标。虚假目标分立在成像主目标两侧，严重恶化图像质量，影响以目标识别以及舰船监测为代表的SAR应用效能。

当前并没有一种措施可以定量地表示出通道幅相误差与虚假目标强度之间的关系，同时，以幅度来计算虚假目标强度比的测量方法对场景类型也比较敏感，在点目标场景下测量值远小于均匀场景下测量值，测量效率较低且不具有普适性。

发明内容

本公开的目的是提供一种SAR虚假目标能量比值确定方法及装置，用以解决相关技术获取SAR虚假目标能量比值效率较低的问题。

本公开提供了一种SAR虚假目标能量比值确定方法，包括：根据合成孔径雷达SAR信号的带通滤波矩阵和所述SAR信号传输通道的幅相误差确定重构误差矩阵；根据所述重构误差矩阵确定SAR信号中GSER(Ghost-to-Signal Energy Ratio，虚假目标能量比)。

可选地，所述重构误差矩阵基于如下公式获得：

B＝P^-1·E·P；其中，B表示重构误差矩阵，P表示所述SAR信号的带通滤波矩阵，E表示所述SAR信号传输通道的幅相误差矩阵。

可选的，所述SAR信号传输通道的幅相误差矩阵E的表达式如下：

其中，jφ_i表示第i通道的相位误差，A_i表示第i通道的幅度误差。

可选的，所述根据所述重构误差矩阵确定SAR信号中的虚假目标能量比值，包括：

使用如下公式计算所述虚假目标能量比值：

其中，GSER_m表示第m个虚假目标能量比，N表示所述SAR信号传输通道的个数，f_p表示脉冲重复频率，W_a(f_η)表示发射天线方向图，f_η表示多普勒频率值，f_ref表示多普勒中心频率，1≤k≤N，-(N-1)≤m≤(N-1)。

可选的，所述合成孔径雷达由卫星承载，所述SAR信号的带通滤波矩阵如下：

其中，N表示所述SAR信号传输通道的个数，f_p表示脉冲重复频率，d_i表示第i通道相位中心相对于原点位置在所述卫星飞行方向上的坐标位置，以发射天线相位中心的位置为所述原点，V_r表示所述卫星与地球的相对速度。

本公开还提供了一种SAR虚假目标能量比值确定装置，包括：第一确定模块，用于根据合成孔径雷达SAR信号的带通滤波矩阵和所述SAR信号传输通道的幅相误差确定重构误差矩阵；第二确定模块，用于根据所述重构误差矩阵确定SAR信号中的虚假目标能量比值。

可选地，所述重构误差矩阵基于如下公式获得：

B＝P^-1·E·P；

其中，B表示重构误差矩阵，P表示所述SAR信号的带通滤波矩阵，E表示所述SAR信号传输通道的幅相误差矩阵。

可选地，所述SAR信号传输通道的幅相误差矩阵E的表达式如下：

可选地，所述第二确定模块用于：使用如下公式计算所述虚假目标能量比值：

本公开中的虚假目标能量比指标只决定于方位多通道星载SAR系统参数，与场景类型无关，有效克服了幅度计算方法对场景敏感的问题，提高了SAR虚假目标能量比的计算效率。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开一示例性的SAR虚假目标能量比值确定方法的流程图。

图2是本公开一示例性的虚假目标能量比实验的示意图。

图3是本公开一示例性的原场景成像后的示意图。

图4是本公开一示例性的合成多通道数据并添加误差后的结果示意图。

图5是本公开一示例性的SAR虚假目标能量比值确定装置的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

本公开提供了一种SAR虚假目标能量比值确定方法，图1是该方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

S101：根据SAR信号的带通滤波矩阵和SAR信号传输通道的幅相误差确定重构误差矩阵；

S102：根据重构误差矩阵确定SAR信号中的虚假目标能量比值。

示例的，本公开提供的该方法对方位多通道星载SAR系统的虚假目标能量比进行定义与计算。基于此，在S101之前需要利用星载SAR系统参数合成方位多通道星载SAR信号带通滤波矩阵。该带通滤波矩阵的过程可以包括：从SAR系统读取以下参数：通道数N，脉冲重复频率f_p，以发射天线相位中心的位置为坐标原点，第i(i＝1…N)通道相位中心相对于原点位置在卫星飞行方向上的坐标位置d_i，星地相对速度V_r，多普勒中心频率f_ref，第i通道幅度误差A_i，第i通道相位误差φ_i，卫星方位向天线方向图W_a(f_η)，f_η为多普勒频率值。

根据读取到的参数，构造SAR信号带通滤波矩阵P如下：

其中，

在本公开的一个实施例中，定义E为SAR信号传输通道的幅相误差矩阵并表示如下：

定义B为重构误差矩阵并表示如下：

B＝P^-1·E·P (3)

当SAR信号的传输通道中不存在幅相误差时，重构误差矩阵B＝I，其中，I为单位矩阵，此时多通道信号正常，反之，B≠I，表示SAR获取到的图像中出现虚假目标。

在本公开的一个实施例中，定义GSER_m为第m个虚假目标能量比，该GSER_m的计算方式如下：

其中，|f_η-mf_p-f_ref|＜N·f_p/2，1≤k≤N，-(N-1)≤m≤(N-1)。

定义GSER为虚假目标能量比，计算方式如下：

其中，|f_η-mf_p-f_ref|＜N·f_p/2，|f_η-f_ref|＜N·f_p/2。

至此，虚假目标能量比定义并计算完毕。

本公开中定义的虚假目标能量比指标，定量地描述方位多通道星载SAR图像中虚假目标现象的严重程度。该虚假目标能量比指标只决定于方位多通道星载SAR系统参数，与场景类型无关，有效克服了幅度计算方法对场景敏感的问题。

为了说明本公开实施例提供的SAR虚假目标能量比值确定方法的有效性，使用TerraSAR-X图像生成双通道数据。所需的SAR系统参数如表1所示。

表1

图2示出了实验场景示意图。本图可以由Google Earth软件截取，图中方框内即为成像场景。实验区域为意大利克罗托内地区的一块陆地突出部。

图3为原场景成像后的示意图，此时由于未添加通道幅相误差，图3中只存在一块被海洋包围的陆地。

图4为合成多通道数据并添加误差后的结果示意图，此时由于SAR系统存在通道幅相误差，原陆地两侧升起了明显的虚假目标。根据本公开实施例中对虚假目标能量比的定义，可以直接从图中测量出指标值。同时，根据上述公式(4)、(5)也可以从理论上计算得出此时的虚假目标能量比数值。实验得到的虚假目标能量比的结果数据如表2所示。

表2

测量指标	GSER	GSER_-1	GSER₊₁
				理论计算结果/dB	-18.1	-21.2	-21.0
实测结果/dB	-17.8	-21.0	-20.7

从表2中可以发现，实验测量结果与理论计算结果基本一致，因此，本公开提出的SAR虚假目标能量比值确定方法可以准确地表示SAR图像中虚假目标的强度状况。

本公开还提供了一种SAR虚假目标能量比值确定装置，图5是该装置的结构框图，如图5所示，该装置50包括如下组成结构：

第一确定模块51，用于根据SAR信号的带通滤波矩阵和SAR信号传输通道的幅相误差确定重构误差矩阵。

示例的，在本公开的合成孔径雷达由卫星承载的情况下，SAR信号的带通滤波矩阵如下：

其中，N表示SAR信号传输通道的个数，f_p表示脉冲重复频率，d_i表示第i通道相位中心相对于原点位置在卫星飞行方向上的坐标位置，以发射天线相位中心的位置为原点，V_r表示卫星与地球的相对速度。

示例的，第一确定模块51所使用的重构误差矩阵可以基于如下公式获得：

B＝P^-1·E·P；

其中，B表示重构误差矩阵，P表示SAR信号的带通滤波矩阵，E表示SAR信号传输通道的幅相误差矩阵。

示例的，SAR信号传输通道的幅相误差矩阵E的表达式如下：

第二确定模块52，用于根据重构误差矩阵确定SAR信号中的虚假目标能量比值。

示例的，该第二确定模块52具体可以用于：

使用如下公式计算虚假目标能量比值：

其中，GSER_m表示第m个虚假目标能量比，N表示SAR信号传输通道的个数，f_p表示脉冲重复频率，W_a(f_η)表示发射天线方向图，f_η表示多普勒频率值，f_ref表示多普勒中心频率，1≤k≤N。

在本公开实施例提供的SAR虚假目标能量比确定方法中，定义的的虚假目标能量比指标只与方位多通道星载SAR系统参数相关，不随场景类型的变化而变化，具有较好的普适性；同时，可以直接使用本公开提出的相关公式计算得出虚假目标能量比，避免了大规模仿真处理的繁琐步骤，提高了计算效率。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims

1.一种SAR虚假目标能量比值确定方法，其特征在于，包括：

根据合成孔径雷达SAR信号的带通滤波矩阵和所述SAR信号传输通道的幅相误差确定重构误差矩阵；

根据所述重构误差矩阵确定所述SAR信号中的虚假目标能量比值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重构误差矩阵基于如下公式获得：

B＝P^-1·E·P；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SAR信号传输通道的幅相误差矩阵E的表达式如下：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述重构误差矩阵确定所述SAR信号中的虚假目标能量比值，包括：

使用如下公式计算所述虚假目标能量比值：

<mrow> <msub> <mi>GSER</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mi>k</mi> </munder> <mo>&lsqb;</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mo>&Integral;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>&eta;</mi> </msub> </msub> <mo>|</mo> <msub> <mi>W</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>&eta;</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>mf</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>df</mi> <mi>&eta;</mi> </msub> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mi>k</mi> </munder> <mo>&lsqb;</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mo>&Integral;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>&eta;</mi> </msub> </msub> <mo>|</mo> <msub> <mi>W</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>&eta;</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>df</mi> <mi>&eta;</mi> </msub> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述SAR由卫星承载，所述SAR信号的带通滤波矩阵如下：

6.一种SAR虚假目标能量比值确定装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于根据合成孔径雷达SAR信号的带通滤波矩阵和所述SAR信号传输通道的幅相误差确定重构误差矩阵；

第二确定模块，用于根据所述重构误差矩阵确定所述SAR信号中的虚假目标能量比值。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述重构误差矩阵基于如下公式获得：

B＝P^-1·E·P；

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述SAR信号传输通道的幅相误差矩阵E的表达式如下：

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块用于：

使用如下公式计算所述虚假目标能量比值：

10.根据权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，所述SAR由卫星承载，所述SAR信号的带通滤波矩阵如下：