CN108549063A - 一种星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法 - Google Patents

一种星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，包括：步骤一：读取SAR图像数据及相关参数；步骤二：制作航迹向速度查询表；步骤三：纵向傅里叶变换；步骤四：生成散焦滤波器并完成滤波；步骤五：纵向逆傅里叶变换；步骤六：航迹向速度估计。本发明方法计算非常快速，可以同时估计多个运动目标的航迹向速度，适合对处理实时性要求高的应用场景。本方法不需要多通道或多幅图像输入，不增加系统设备复杂度，泛用性强。本方法使用了查表的方式实现速度估计，避免了传统重聚焦方法的大计算量缺陷，实现动目标航迹向速度的快速估计。

Description

一种星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计 方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法。
背景技术
合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)是一种高分辨率遥感探测雷达。由于星载SAR卫星能克服云雾雨雪和暗夜条件的困难对地面目标进行成像，实现全天时、全天候对地观测，因此在军事、海洋、林业和农业等领域具有广阔的应用前景。
运动目标检测是星载SAR的典型应用场景，在海洋监测，舰船监测等应用中发挥着重要的作用。然而，当被探测目标沿航迹向运动时，该目标在图像中会出现明显的散焦现象，给目标的检测识别造成了很大的困难，若要获得完全聚焦的星载SAR图像必须要获得准确的目标速度，另一方面，获取目标航迹向速度也有助于判别目标类型和当前运动状态。综上所述，准确估计星载SAR图像中运动目标的航迹向速度具有重要的实际意义。
现有的动目标速度估计方法主要分为两类，一种是基于多通道或多幅图像的动目标检测估计方法，一种是基于重聚焦的估计方法。
中国发明专利CN103336271A给出了一种基于信号子空间技术的单通道星载SAR动目标检测方法，通过参考图像和待检测两幅图像的杂波抑制处理实现动目标速度的估计。本方法以信号子空间和杂波子空间的相互正交性为理论基础，处理精度高，效果好，但却需要额外提供参考图像，因而限制了该方法的应用范围。
中国发明专利CN104898119A给出了一种基于相关函数的动目标参数估计方法，以多次相关处理获取动目标运动参数。该方法原理上属于重聚焦类运算方法，可以在单幅图像中应用。然而由于需要对每个动目标以较小的速度步进单元做大量的相关运算，该方法很难应用于时效性要求高的应用场景。
本方法以单幅图像为输入，获取动目标在多个散焦滤波器下的输出响应，进而以查表的方式实现动目标航迹向速度的估计值。本方法不需要多幅图像输入，适应性好，同时借助查表的方式，本方法可以克服传统重聚焦方法的大计算量难题，实现快速的动目标航迹向速度估计。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中对运动目标航迹向速度估计精度差、运算慢的问题，提供一种简洁有效的运动目标航迹向速度快速估计方法。本方法利用航迹向运动速度导致目标散焦的特性，构建了多个散焦滤波器，从各滤波器处理结果中反演出图像中运动目标的航迹向速度。
本发明采用的技术方案为：一种星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，包括以下步骤：
步骤一：读取SAR图像数据及系统参数；
步骤二：根据系统参数仿真得到航迹向速度查询表；
步骤三：将SAR图像数据纵向傅里叶变换到方位多普勒域；
步骤四：在方位多普勒域对SAR图像数据完成散焦处理；
步骤五：将完成散焦处理后结果通过纵向逆傅里叶变换变换回时域；
步骤六：通过查表的方式得出每个目标的航迹向速度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法计算非常快速，可以同时估计多个运动目标的航迹向速度，适合对处理实时性要求高的应用场景。
(2)本发明方法以单幅图像为输入，获取动目标在多个散焦滤波器下的输出响应，进而以查表的方式实现动目标航迹向速度的估计值。本方法不需要多通道或多幅图像输入，不增加系统设备复杂度，泛用性强。另外，本方法生成了三个散焦滤波器，利用动目标与普通静止目标在散焦滤波器下响应的差异，完成动目标航迹向速度的估计。同时，本方法使用了查表的方式实现速度估计，避免了传统重聚焦方法的大计算量缺陷，实现动目标航迹向速度的快速估计。
附图说明
图1为本发明一种星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法的流程图；
图2是包含运动目标的SAR图像。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，包括以下步骤：
步骤一：读取SAR图像数据及系统参数；
其中，所述步骤一的具体实现如下：
(11)读取包含运动目标的SAR图像数据，包括图像纵向像素和图像横向像素，以二维矩阵形式保存；
(12)读取的系统参数包括系统脉冲重复频率，星地等效速度，卫星速度多普勒，波长，场景中心斜距，天线方向图。
步骤二：根据系统参数仿真得到航迹向速度查询表；
其中，所述步骤二的具体实现如下：
(21)根据步骤一读取的系统脉冲重复频率和图像纵向像素总数生成多普勒频率索引数组；
(22)根据步骤一读取的系统参数生成初始航向速度查询表，该表表征了不同速度和散焦滤波器下的目标强度数值；
(23)归一化航向速度查询表，确保第一个散焦滤波器下的散射强度数值为1。
步骤三：将SAR图像数据纵向傅里叶变换到方位多普勒域；
其中，所述步骤三的具体实现如下：
(31)纵向傅里叶变换，对步骤一读入的图像矩阵的每一列做傅里叶变换，变换到方位多普勒域。
步骤四：在方位多普勒域对SAR图像数据完成散焦处理；
其中，所述步骤四的具体实现如下：
(41)生成频域散焦滤波器；
(42)对步骤三所得方位多普勒域图像进行散焦处理，具体操作为图像每一列均乘以生成的散焦滤波器。
步骤五：将完成散焦处理后结果通过纵向逆傅里叶变换变换回时域；
其中，所述步骤五的具体实现如下：
(51)纵向逆傅里叶变换，对步骤四的图像矩阵的每一列做傅里叶逆变换，变换回方位时域。
步骤六：通过查表的方式得出每个目标的航迹向速度。
其中，所述步骤六的具体实现如下：
(61)计算运动目标在步骤五处理后图像中的最大值；
(62)归一化计算测量值；
(63)查询步骤二查询表，找到与归一化测量值最接近的速度索引，即为最终的动目标速度估计值。
实施例：
如图1所示，本发明是一种星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，包括以下几个步骤：
步骤一：读取SAR图像数据及相关参数
读取含有运动目标的待检测图像数据s(m,n),其中m为图像纵向索引，m＝0,1,…,M-1，M为图像纵向像素总数；n为图像横向索引，n＝0,1,…,N-1，N为图像纵向像素总数。系统脉冲重复频率PRF，星地等效速度vr，卫星速度vs，波长λ，场景中心斜距R0，天线方向图Wa(m)。
步骤二：制作航迹向速度查询表
定义方位向多普勒频率索引数组ft(m)如下：
设置查询表T(vx,q),其中vx为图像纵向索引，取值范围视实际需求而定，一般地可以取vx＝-15.0,-14.9,-14.8,…,14.9,15.0，共301个数值。q为散焦滤波器的散焦值，q＝-6,0,6。设置完成后，查询表T(vx,q)为301×3的矩阵。
随后，制作查询表，对于表中的每一个位置(vx,q)，其数值为：
其中，max(·)为取最值操作符，max(|p(m)|)意为找出数组|p(m)|中的最大值，|·|为取绝对值操作符。IFFT(·)为逆傅里叶变换操作符。
最后，设置归一化查询表Tnew(vx,q)，大小与T(vx,q)相同，对于表中的每一个纵坐标(vx,q)，有：
步骤三：纵向傅里叶变换
对图像数据s(m,n)进行纵向傅里叶变换，sf(m,n)为变换后结果，如下所示：
sf(m,n)＝FFTm[s(m,n)] (4)
其中，FFTm(·)为纵向傅里叶变换操作符。
步骤四：生成散焦滤波器并完成滤波
生成散焦滤波器如下：
对数据sf(m,n)数的每一列均乘以散焦滤波器，得到滤波后结果sf1(m,n)，sf2(m,n)和sf3(m,n)：
步骤五：纵向逆傅里叶变换
对滤波后结果sf1(m,n)，sf2(m,n)和sf3(m,n)分别进行纵向逆傅里叶变换，得到滤波后图像s1(m,n)，s2(m,n)和s3(m,n)，如下所示：
其中，IFFTm(·)为纵向逆傅里叶变换操作符。
步骤六：航迹向速度估计
对于每一个运动目标p，确定其在三幅图像中的最大值，具体如下：
其中，maxp(·)意为对运动目标p所属的图像范围取绝对值最大值。
归一化最大值参量，有：
在归一化查询表Tnew(vx,q)中查找和数对(pnew1,pnew2,pnew3)最接近的行索引vx：
vx＝argmin(|Tnew(vx,1)-pnew1|+|Tnew(vx,2)-pnew2|+|Tnew(vx,3)-pnew3|) (10)
其中，vx＝argmin(f)意为找到所有行中，使得函数f最小的行的索引值vx。
至此，运动目标航迹向速度vx估计完毕。
为了说明本发明的有效性，使用真实的TerraSAR-X卫星图像完成实验。所需的系统参数如表1所示。
表1实施例参数
图2示意了含三个动目标的场景区域，图中有3艘小船，经过本发明方法处理，可得3艘小船航迹向运动速度分别为4.9m/s，1.5m/s，2.3m/s。
以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：读取SAR图像数据及系统参数；
步骤二：根据系统参数仿真得到航迹向速度查询表；
步骤三：将SAR图像数据纵向傅里叶变换到方位多普勒域；
步骤四：在方位多普勒域对SAR图像数据完成散焦处理；
步骤五：将完成散焦处理后结果通过纵向逆傅里叶变换变换回时域；
步骤六：通过查表的方式得出每个目标的航迹向速度。
2.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，其特征在于：所述步骤一的具体实现如下：
(11)读取包含运动目标的SAR图像数据，包括图像纵向像素和图像横向像素，以二维矩阵形式保存；
(12)读取的系统参数包括系统脉冲重复频率，星地等效速度，卫星速度多普勒，波长，场景中心斜距，天线方向图。
3.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，其特征在于：所述步骤二的具体实现如下：
(21)根据步骤一读取的系统脉冲重复频率和图像纵向像素总数生成多普勒频率索引数组；
(22)根据步骤一读取的系统参数生成初始航向速度查询表，该表表征了不同速度和散焦滤波器下的目标强度数值；
(23)归一化航向速度查询表，确保第一个散焦滤波器下的散射强度数值为1。
4.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，其特征在于：所述步骤三的具体实现如下：
(31)纵向傅里叶变换，对步骤一读入的图像矩阵的每一列做傅里叶变换，变换到方位多普勒域。
5.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，其特征在于：所述步骤四的具体实现如下：
(41)生成频域散焦滤波器；
(42)对步骤三所得方位多普勒域图像进行散焦处理，具体操作为图像每一列均乘以生成的散焦滤波器。
6.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，其特征在于：所述步骤五的具体实现如下：
(51)纵向逆傅里叶变换，对步骤四的图像矩阵的每一列做傅里叶逆变换，变换回方位时域。
7.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达图像中运动目标航迹向速度快速估计方法，其特征在于：所述步骤六的具体实现如下：
(61)计算运动目标在步骤五处理后图像中的最大值；
(62)归一化计算测量值；
(63)查询步骤二查询表，找到与归一化测量值最接近的速度索引，即为最终的动目标速度估计值。
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