CN109188432A - 一种平行双基聚束sar快速bp成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平行双基聚束SAR快速BP成像方法，其包括：获取平行双基聚束SAR全孔径回波数据；将全孔径数据划分为多个互不重叠的子孔径数据块，采用双基BP积分将距离压缩后的子孔径数据投影到全局直角坐标系下，获得第一级子孔径初始分辨率图像；使用频谱压缩函数对子孔径图像频谱进行压缩；对压缩后的数据进行方位向多倍上采样；使用频谱压缩函数的共轭形式恢复子孔径图像的原始信号形式；对恢复后的子孔径图像进行相干叠加，得到分辨率提升的子孔径图像；对分辨率提高后的图像重复步骤S30至S60操作，直至获得全分辨率图像。本发明相比于成像算法可获得高质量图像的同时，运算量大幅减少，运算效率进一步提高。

Description

一种平行双基聚束SAR快速BP成像方法
技术领域
本发明属于SAR成像技术领域，尤其涉及一种作动筒限位保护装置。
背景技术
双基合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)系统具有操作方便、作用距离远、接收方式多、获取信息丰富、安全性和抗干扰性好等优点，是近年来是雷达成像领域重要的研究方向。平行双基SAR发射机和接收机分别安置在不同的平台上，各自沿平行的轨迹匀速直线飞行。由于该模式相对简单，因此得到普遍应用，双基SAR的成像方法相继开展试飞试验，录取相关数据并完成成像处理，获得了较好的聚焦效果。
成像算法是双基SAR的核心内容，对于平行双基SAR，方位信号具备平移不变特性，因此，常用的单基SAR频域类算法可以推广应用于平行双基SAR 成像。然而，由于双基SAR系统的发射机和接收机分置在不同的载机平台上，回波信号的相位历程为双根号形式，难以获得精确的信号频谱表达式，在频域类算法推导过程中难免存在近似，影响成像精度。
时域反向投影算法(Back Projection Algorithm，BP)是一种精确的SAR 成像方法，该算法将每个脉冲压缩后的回波信号沿斜距历程后向投影到图像域，在图像域实现能量的相干积累，最终得到全分辨率的成像结果。理论上， BP算法适用于任意轨道模型和任意成像模式，且聚焦图像不存在几何失真。然而，BP算法需要对成像区域的每个像素点做二维插值运算，计算量非常大，难以应用到实际处理中。为了提高BP算法的运算效率，现有技术人员多种快速BP算法，在保证图像质量的情况下，使运算效率得到了很大提高，其中较为典型的是快速分块反向传播投影(Fast Factorized Back Projection，FFBP) 算法。FFBP算法将整个合成孔径分解成若干个子孔径，并将子孔径数据后向投影到局部极坐标系下，得到粗角分辨率的子图像。通过递归融合逐级合成子图像，最终获得全孔径高分辨率SAR图像。与原始BP算法相比，极大地提高了运算效率。但是FFBP算法在递归融合过程中需要进行大量的插值处理，不但耗时，而且会引入插值误差，并最终引起图像质量在一定程度上的损失。
发明内容
针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的是在平行双基聚束 SAR模式和FFBP成像方法的基础上，提出一种新的快速BP成像算法，解决子图像相干积累过程中，二维插值造成的计算效率与成像精度之间的矛盾，使该算法在重建高质量SAR图像的同时，能够大幅减少运算量，提高运算效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种平行双基聚束SAR快速BP成像方法，其包括
S10：获取平行双基聚束SAR全孔径回波数据；
S20：将全孔径数据划分为多个互不重叠的子孔径数据块，采用双基BP 积分将距离压缩后的子孔径数据投影到全局直角坐标系下，获得第一级子孔径初始分辨率图像；
S30：使用频谱压缩函数对子孔径图像频谱进行压缩；
S40：对压缩后的数据进行方位向多倍上采样；
S50：使用频谱压缩函数的共轭形式恢复子孔径图像的原始信号形式；
S60：对恢复后的子孔径图像进行相干叠加，得到分辨率提升的子孔径图像；
S70：对分辨率提高后的图像重复步骤S30至S60操作，直至获得全分辨率图像。
进一步的，在步骤S10中，包括：
首先建立双基聚束SAR成像几何模型；
之后获得成像区域任一点目标在距离频域上的回波数据；
对上述距离频域上的回波数据变换得到回波波数的回波数据。
进一步的，步骤S40中，上采样倍数不低于两倍。
本发明的平行双基聚束SAR快速BP成像方法相比于双基SAR的常规 BP成像算法，运算量大幅减少，运算效率显著提高，相比于双基SAR的FFBP 算法，本发明通过采用频谱压缩技术，突破了子孔径直角坐标系成像对图像采样率要求过高的局限，图像相干合成过程中无需额外的插值操作，在获得高质量图像的同时，运算效率进一步提高。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明的成像算法信号处理流程图。
图2为双基聚束SAR成像几何模型。
图3为子孔径BP成像结果图。
图4为子孔径图像频谱图。
图5为补偿函数F1后的子孔径图像频谱图。
图6为补偿Fnew2后的子孔径图像频谱图。
图7为几何形变校正前的点目标仿真结果示意图。
图8为几何形变校正后的点目标仿真结果示意图。
图9为点目标O的等高线图。
图10为点目标A的等高线图。
图11为点目标B的等高线图。
图12为点目标C的等高线图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
参见图1，本发明的平行双基聚束SAR快速BP成像方法包括如下步骤：
步骤一：参照图2所示的平行双基聚束SAR成像几何模型，得到全孔径回波信号。为了不失一般性，假设斜视角θs≠0。雷达发射机和接收机沿平行航迹分别以速度vt和vr在距离地面Ht和Hr高度处做匀速直线运动。设雷达发射机和接收机的瞬时坐标分别为(xt,yt,zt)和(xr,yr,zr)，其中zt＝Ht，zr＝Hr。P为成像区域任一点目标，其坐标为(xp,yp,0)。设发射机天线相位中心到点目标P的瞬时距离为Rt(t)，接收机天线相位中心到点目标P的距离为Rr(t)，其中t为方位慢时间。假设雷达发射信号为线性调频信号，则经过距离压缩后，P点的回波数据在距离频域可以表示为：
其中，c为电磁波传播速度，fc为发射信号载频，fτ为距离频率，A表示回波信号幅度，t为方位时间变量，τ为距离时间变量；
令为距离波数，则式(1)可以表示为
S(K,t)＝A·exp[-jK·R(t)] (3)
为了简化后面的信号处理过程，减少频谱宽度，首先将地面坐标系旋转角度θb，θb的表达式为
其中，和分别为发射机在孔径中心时刻的方位角和俯仰角，和分别为接收机在孔径中心时刻的方位角和俯仰角。将地面坐标系旋转后的发射机和接收机瞬时坐标表示为(x′t,y′t,z′t)和(x′r,y′r,z′r)，则
步骤二：将整个合成孔径数据平均划分为N个互不重叠的子孔径，假设全孔径合成时间为T，则子孔径的合成孔径时间为T/N。将第n(n＝1,2,...,N)个子孔径距离压缩后的数据通过双基BP积分投影到全局直角坐标系下，可以表示为：
其中，Kmax＝B/2，Kmin＝-B/2，B为信号带宽，为第n个子孔径的孔径中心时刻，
(xi,yj)表示图像中的第(i,j)个像素点。
第一个子孔径的成像结果如图3所示。
步骤三：完成所有子孔径BP投影得到子孔径图像后，采用频谱压缩函数对子孔径图像对应的方位频谱进行压缩。首先将式(7)转换到二维频域：
为了进一步分析式(9)所示的图像二维频谱，对式(8)所示的双基斜距历程进行泰勒展开，可以表示为
式(10)同时包含x′t和xi的二次项，导致图像方位频谱的展宽。其中x′t对应于子孔径的合成孔径长度，xi对应于成像场景大小。由于子孔径合成孔径较短而成像场景方位幅度较宽，因此，xi引起的图像方位频谱展宽远高于x′t。为了压缩子孔径图像的方位频谱宽度，可以对式(10)中xi的二次项进行补偿，构建谱压缩函数为
式(11)中距离波数K是变化的，而成像网格坐标yj在图像域也随距离变化，无法直接应用上式进行方位频谱压缩处理。由于距离波数K可以拆分为 K＝Kc+Kr，其中那么式(11)可展开为
Fc＝F1·F2 (12)
其中
函数F1不随距离波数变化，可直接在图像域进行补偿，即
I(xi,yj)＝I(xi,yj)·F1 (15)
第一个子孔径数据所成子图像对应的频谱如图4所示，补偿函数F1后的频谱如图5所示。
由图中可以看出，波数中心处的方位频谱已经不再模糊，然而波数两端还存在模糊现象，需要进一步补偿沿Kr空变的F2项。由于在Kr域无法针对yj逐点补偿，为此可用场景中心到两载机的最近投影斜距Rtsg和Rrsg分别代替和构造新的补偿函数Fnew2，其表达式为
第一个子孔径的频谱经上述补偿后，如图6所示，与图4相比，频谱获得了明显压缩。经过函数F1和函数Fnew2补偿，方位谱得到大幅压缩，可以在保证频谱不混叠的前提下以较低采样率对场景采样，大幅减少计算量。
步骤四：对无模糊的子图像进行方位向两倍上采样处理，以满足图像相干叠加后的采样率需求。
需要说明的是，在此步骤中，上采样倍数的选择只要满足频谱无模糊即可，一般取两倍上采样即可满足要求。
步骤五：由于两幅子图像在叠加前分别用不同的频谱压缩函数进行谱压缩，为保证信号相干性，需要用式(13)和(16)所示谱压缩函数的共轭形式对信号进行补偿，恢复图像原始信号。式(13)和(16)所示谱压缩函数的共轭形式可以表示为
步骤六：对补偿式(17)和式(18)后的子孔径图像进行相干叠加，得到分辨率提升后的子孔径图像；
步骤七：对分辨率提高后的子孔径图像重复步骤三至步骤六的操作，进行下一级图像融合，直至得到全分辨率图像。
如7和图8分别为几何形变校正前和几何形变校正后的点目标仿真结果，从图中可以看到，几何形变校正后较几何形变校正前，图像质量有了很大提升。
图9-图12为图7中标记出的点目标O、A、B、C位置的等高线图。从图 9-图12中可以看出，场景中的这四个点目标旁瓣清晰，聚焦效果良好。
本发明的平行双基聚束SAR快速BP成像方法相比于双基SAR的常规 BP成像算法，运算量大幅减少，运算效率显著提高，相比于双基SAR的FFBP 算法，本发明通过采用频谱压缩技术，突破了子孔径直角坐标系成像对图像采样率要求过高的局限，图像相干合成过程中无需额外的插值操作，在获得高质量图像的同时，运算效率进一步提高。
以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种平行双基聚束SAR快速BP成像方法，其特征在于，包括
S10：获取平行双基聚束SAR全孔径回波数据；
S20：将全孔径数据划分为多个互不重叠的子孔径数据块，采用双基BP积分将距离压缩后的子孔径数据投影到全局直角坐标系下，获得第一级子孔径初始分辨率图像；
S30：使用频谱压缩函数对子孔径图像频谱进行压缩；
S40：对压缩后的数据进行方位向多倍上采样；
S50：使用频谱压缩函数的共轭形式恢复子孔径图像的原始信号形式；
S60：对恢复后的子孔径图像进行相干叠加，得到分辨率提升的子孔径图像；
S70：对分辨率提高后的图像重复步骤S30至S60操作，直至获得全分辨率图像。
2.根据权利要求1所述的平行双基聚束SAR快速BP成像方法，其特征在于，在步骤S10中，包括：
首先建立双基聚束SAR成像几何模型；
之后获得成像区域任一点目标在距离频域上的回波数据；
对上述距离频域上的回波数据变换得到回波波数的回波数据。
3.根据权利要求2所述的平行双基聚束SAR快速BP成像方法，其特征在于，步骤S40中，上采样倍数不低于两倍。
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