CN108872983A - 一种弹载sar成像自聚焦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弹载SAR成像自聚焦方法，通过包括距离徙动校正模块（1）、距离脉压模块（2）、滑窗多普勒参数估计模块（4）和方位处理模块（3）的弹载弹载SAR成像自聚焦系统实现，其具体步骤为：距离徙动校正模块（1）利用定位或运动测量系统记录的信息完成数据的距离徙动校正；距离脉压模块（2）对距离徙动校正后的数据进行快速傅里叶变换，滑窗多普勒参数估计模块（4）确定窗口长度，将脉冲进行滑窗分组；方位处理模块（3）根据估计出的方位向调频率，构造方位向匹配滤波函数h(t)，与方位向接收的回波信号相乘进行方位相位补偿。本发明避免残余相位误差导致的方位向散焦，减小了聚焦的并行处理难度。

Description

一种弹载SAR成像自聚焦方法
技术领域
本发明涉及一种自聚焦方法，特别是一种弹载SAR成像自聚焦方法。
背景技术
国外许多战术导弹都采用了SAR成像技术进行目标探测及识别。SAR雷达通过发射宽带信号实现距离维高分辨，同时利用天线与目标相对运动产生的多普勒带块实现方位维高分辨。对于弹载大斜视SAR，平台运动速度快机动性大，为避免图像散焦，运动补偿精度要求很高，这对大多数弹载平台上的定位或运动测量系统极为苛刻。因此除了合理利用定位或运动测量系统记录的信息对数据进行包络补偿，成像算法还需要结合自聚焦实现对残余相位误差的估计和校正，即在成像过程中，从雷达数据中提取平台的多普勒运动参数，对方位向数据进行精确自聚焦处理。
现有传统自聚焦算法大都需要收集并处理出一帧完整的图像数据，再进行多普勒参数提取，用时大于一个完整的合成孔径时间；有些自聚焦方法是通过求解聚焦性能代价函数估计运动误差，这涉及参数优化搜索，运算效率低，无法解决弹载平台运动误差较大时的图像快速重建问题，不适宜弹载实时聚焦处理。
发明内容
本发明目的在于提供一种弹载SAR成像自聚焦方法，解决基于弹载平台的SAR成像雷达无法实时提取多普勒参数信息进行残余相位误差补偿的问题。
一种弹载SAR成像自聚焦方法，其具体步骤为：
第一步 建立弹载SAR成像自聚焦系统
弹载SAR成像自聚焦系统，包括：距离徙动校正模块、距离脉压模块、滑窗多普勒参数估计模块和方位处理模块。
距离徙动校正模块的功能为：根据定位或运动测量系统提供的参数，完成原始回波的距离徙动校正。
距离脉压模块的功能为：完成距离徙动校正后的回波脉冲压缩。
滑窗多普勒参数估计模块的功能为：对分组后的脉冲进行滑窗多普勒分析，提取多普勒参数信息。
方位处理模块的功能为：根据提取的多普勒参数信息，构造方位向匹配滤波函数，完成方位向压缩，实现方位向聚焦处理。
第二步 距离徙动校正模块对原始回波进行距离徙动校正
距离徙动校正模块利用定位或运动测量系统记录的信息解算出需要校正的距离徙动量，在距离多普勒域中进行距离插值运算，完成数据的距离徙动校正：
（1）
公式（1）中，为距离徙动量；为信号波长；为雷达距目标的最短斜距；为方位多普勒频率；为雷达平台飞行速度。
第三步 距离脉压模块完成距离徙动校正后回波的脉冲压缩
距离脉压模块对距离徙动校正后的数据进行快速傅里叶变换，获得频域信号，然后与频域参考信号H()进行复数乘法，完成距离向脉冲压缩：
（2）
公式（2）中，H()为频域参考信号；为距离频域变量；为距离向调频斜率；为脉冲宽度。
（3）
公式（3）中，为脉压后频域信号；为脉压后回波信号；为距离向时间变量。
脉压后的回波信号表达式为：
（4）
公式（4）中，为脉压后回波信号； 为距离频域变量；为距离历程信号；为光速。
第四步 滑窗多普勒参数估计模块从脉冲压缩后回波中提取多普勒参数信息
滑窗多普勒参数估计模块先根据一次SAR相干积累的脉冲总个数及弹载信号处理机的实时处理能力，确定窗口长度，将脉冲进行滑窗分组。然后在距离向脉压后数据中目标能量集中的区域，作方位向快速傅里叶变换到方位频域。在方位频域内，对目标能量集中的区域内的距离采样点做相参累积。最后根据积累后峰值点的位置，实时估算多普勒质心和方位向调频率Ka。
第五步 方位处理模块完成方位向压缩，得到SAR图像
方位处理模块根据估计出的方位向调频率，构造方位向匹配滤波函数h(t)，与方位向接收的回波信号相乘进行方位相位补偿：
（5）
公式（5）中，h(t)为方位向匹配滤波函数，为方位向调频率，为方位向时间；
然后对方位相位补偿后的回波进行方位向压缩，得到SAR图像：
（6）
公式（6）中，为 SAR幅度图像，为距离向脉压后方位向接收回波信号，u为距离向时间。
本发明采用方位向分组滑窗FFT，在频域实现多普勒参数实时估计和补偿，解决了残余相位误差的估计和校正问题。采用定位或运动测量系统记录的信息对弹载雷达回波数据进行距离徙动校正，完成距离向包络对齐、相位补偿和脉冲压缩；采用方位向脉冲滑窗的方法从回波数据中实时估计运动误差参数，提取多普勒调频率，据此对距离脉压后的数据进行方位向压缩，避免残余相位误差导致的方位向散焦，减小了聚焦的并行处理难度，为弹载SAR成像的实时自聚焦处理提供了条件。
附图说明
图1 一种弹载SAR成像自聚焦方法的流程图。
1.距离徙动校正模块 2.距离脉压模块3.方位处理模块；
4.滑窗多普勒参数估计模块。
具体实施方式
一种弹载SAR成像自聚焦方法，其具体步骤为：
第一步 建立弹载SAR成像自聚焦系统
弹载SAR成像自聚焦系统，包括：距离徙动校正模块1、距离脉压模块2、滑窗多普勒参数估计模块4和方位处理模块3。
距离徙动校正模块1的功能为：根据定位或运动测量系统提供的参数，完成原始回波的距离徙动校正。
距离脉压模块2的功能为：完成距离徙动校正后的回波脉冲压缩。
滑窗多普勒参数估计模块4的功能为：对分组后的脉冲进行滑窗多普勒分析，提取多普勒参数信息。
方位处理模块3的功能为：根据提取的多普勒参数信息，构造方位向匹配滤波函数，完成方位向压缩，实现方位向聚焦处理。
第二步 距离徙动校正模块1对原始回波进行距离徙动校正
距离徙动校正模块1利用定位或运动测量系统记录的信息解算出需要校正的距离徙动量，在距离多普勒域中进行距离插值运算，完成数据的距离徙动校正：
（1）
公式（1）中，为距离徙动量；为信号波长；为雷达距目标的最短斜距；为方位多普勒频率；为雷达平台飞行速度。
第三步 距离脉压模块2完成距离徙动校正后回波的脉冲压缩
距离脉压模块2对距离徙动校正后的数据进行快速傅里叶变换，获得频域信号，然后与频域参考信号H()进行复数乘法，完成距离向脉冲压缩：
（2）
公式（2）中，H()为频域参考信号；为距离频域变量；为距离向调频斜率；为脉冲宽度。
（3）
公式（3）中，为脉压后频域信号；为脉压后回波信号；为距离向时间变量。
脉压后的回波信号表达式为：
（4）
公式（4）中，为脉压后回波信号； 为距离频域变量；为距离历程信号；为光速。
第四步 滑窗多普勒参数估计模块4从脉冲压缩后回波中提取多普勒参数信息
滑窗多普勒参数估计模块4先根据一次SAR相干积累的脉冲总个数及弹载信号处理机的实时处理能力，确定窗口长度，将脉冲进行滑窗分组。然后在距离向脉压后数据中目标能量集中的区域，作方位向快速傅里叶变换到方位频域。在方位频域内，对目标能量集中的区域内的距离采样点做相参累积。最后根据积累后峰值点的位置，实时估算多普勒质心和方位向调频率Ka。
第五步 方位处理模块3完成方位向压缩，得到SAR图像
方位处理模块3根据估计出的方位向调频率，构造方位向匹配滤波函数h(t)，与方位向接收的回波信号相乘进行方位相位补偿：
（5）
公式（5）中，h(t)为方位向匹配滤波函数，为方位向调频率，为方位向时间；
然后对方位相位补偿后的回波进行方位向压缩，得到SAR图像：
（6）
公式（6）中，为 SAR幅度图像，为距离向脉压后方位向接收回波信号，u为距离向时间。

Claims (2)

1.一种弹载SAR成像自聚焦系统，其特征在于包括：距离徙动校正模块（1）、距离脉压模块（2）、滑窗多普勒参数估计模块（4）和方位处理模块（3）；
距离徙动校正模块（1）的功能为：根据定位或运动测量系统提供的参数，完成原始回波的距离徙动校正；
距离脉压模块（2）的功能为：完成距离徙动校正后的回波脉冲压缩；
滑窗多普勒参数估计模块（4）的功能为：对分组后的脉冲进行滑窗多普勒分析，提取多普勒参数信息；
方位处理模块（3）的功能为：根据提取的多普勒参数信息，构造方位向匹配滤波函数，完成方位向压缩，实现方位向聚焦处理。
2.一种弹载SAR成像自聚焦方法，其特征在于：通过包括距离徙动校正模块（1）、距离脉压模块（2）、滑窗多普勒参数估计模块（4）和方位处理模块（3）的弹载弹载SAR成像自聚焦系统实现，具体步骤为：
距离徙动校正模块（1）利用定位或运动测量系统记录的信息解算出需要校正的距离徙动量，在距离多普勒域中进行距离插值运算，完成数据的距离徙动校正：
（1）
公式（1）中，为距离徙动量；为信号波长；为雷达距目标的最短斜距；为方位多普勒频率；为雷达平台飞行速度；
距离脉压模块（2）对距离徙动校正后的数据进行快速傅里叶变换，获得频域信号，然后与频域参考信号H()进行复数乘法，完成距离向脉冲压缩：
（2）
公式（2）中，H()为频域参考信号；为距离频域变量；为距离向调频斜率；为脉冲宽度；
（3）
公式（3）中，为脉压后频域信号；为脉压后回波信号；为距离向时间变量；
脉压后的回波信号表达式为：
（4）
公式（4）中，为脉压后回波信号；为距离频域变量；为距离历程信号；为光速；
滑窗多普勒参数估计模块（4）先根据一次SAR相干积累的脉冲总个数及弹载信号处理机的实时处理能力，确定窗口长度，将脉冲进行滑窗分组；然后在距离向脉压后数据中目标能量集中的区域，作方位向快速傅里叶变换到方位频域；在方位频域内，对目标能量集中的区域内的距离采样点做相参累积；最后根据积累后峰值点的位置，实时估算多普勒质心和方位向调频率Ka；
方位处理模块（3）根据估计出的方位向调频率，构造方位向匹配滤波函数h(t)，与方位向接收的回波信号相乘进行方位相位补偿：
（5）
公式（5）中，h(t)为方位向匹配滤波函数，为方位向调频率，为方位向时间；
然后对方位相位补偿后的回波进行方位向压缩，得到SAR图像：
（6）
公式（6）中，为 SAR幅度图像，为距离向脉压后方位向接收回波信号，u为距离向时间。
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