CN109765556A - 一种基于级数反演的双基sar快速几何校正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于级数反演的双基SAR快速几何校正方法及装置，所述方法包括读取双基前视SAR的系统参数以及斜距图数据，按照建立的笛卡尔坐标系，计算斜距和R_p；计算场景点的多普勒频率f_p；根据所述斜距和R_p以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置。采用本发明所述基于级数反演的双基SAR快速几何校正方法及装置，对于双基前视SAR快速几何校正给出了一个具体的解决方法，采用级数反演的方法，解决了计算多普勒频率效率低的问题，弥补了现有双基SAR快速几何校正过程中的空缺。

Description

一种基于级数反演的双基SAR快速几何校正方法及装置

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及实时成像监测技术，具体涉及基于级数反演的双基前视SAR快速几何校正方法。

背景技术

双基地合成孔径雷达(Bistatic synthetic aperture radar,简写为BiSAR)是指收发天线分置于两个不同运动平台的雷达系统。与单基地SAR相比，双基SAR具有隐蔽性好，安全性高，抗干扰能力强，低成本和灵活性强的优点，并且能够实现一些单基地SAR所无法实现的特殊模式，如前视成像。

然而由于发射机斜视、接收机前视的工作模式使得收发平台高度不断变化和运动方向不同，从而导致最后的斜距图与地距图差异较大。传统的单基SAR斜距图与地距图只存在固定的角度差，斜距图到地距图的几何校正简单，由于双基的特殊构型，其成像平面随时间变化，使得几何形变校正困难，且在斜投地过程不存在显性对应关系。如果要得到完整的双基SAR地距图，就需要对地距图进行逐点的校正，但是逐点校正对于一个大场景的斜距图来说，计算量巨大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于级数反演的双基SAR快速几何校正方法及装置。该方法基于级数反演算法，一次求解地距上多个点目标的斜视角信息，进行快速几何校正。

根据本发明的一个实施例，本发明提供一种基于级数反演的双基SAR快速几何校正方法，该方法包括如下内容：

S1、获取SAR的系统参数数据以及斜距图数据；

S2、按照建立的笛卡尔坐标系，计算斜距和R_p；

S3、计算场景点的多普勒频率f_p；

S4、根据所述斜距和R_p以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置。

优选的，所述系统参数包括发射机与接收机的飞行夹角ψ、采样频率f_s、脉冲发射频率PRF、脉冲发射个数N，在接收机坐标系下场景点坐标(x_p,y_p,0)，接收机平台位置(loc_rx,loc_ry,loc_rz)，发射机平台位置(loc_tx,loc_ty,loc_tz)，接收机平台速度以及发射机平台速度

优选的，获取SAR的系统参数数据及斜距图数据之后，还包括，根据发射机与接收机的飞行夹角ψ，将发射机坐标转换到接收机坐标系中为(loc_tx1,loc_ty1,loc_tz1)，其中，旋转矩阵为

优选的，斜距和R_p的计算公式为：

R_p＝R_rp+R_tp， (1)

其中，R_tp为场景中各个点到发射机的距离，R_rp为场景中各个点到接收机的距离。

优选的，所述计算场景点的多普勒频率f_p，具体为，

其中，λ为系统工作波长，以场景中心点(x_c,y_c)为初始点，代入(4)式计算初始的多普勒频率f_d0，即f_d0＝f(x_c,y_c)。对式(4)在y_p＝y_c出进行泰勒展开，得到

-λf_d0＝f₀+f₁(y_p-y_c)+f₂(y_p-y_c)²+...(5)

对式(5)进行整理可以得到

-λf_d0-f₀＝f₁(y_p-y_c)+f₂(y_p-y_c)²+...(6)

此时对式(6)利用级数反演的方法，可以求得

将不同的x_p带入到式(7)中，求出所有和场景中心点具有相同多普勒频率f_d0的点目标，然后按照斜对角的方式，场景中心点左右依次选取斜对角上的场景点，同理求出不同的多普勒线包含的点目标，最后将剩余场景点作为包含的点目标，单独求出多普勒频率f_p。

优选的，所述根据所述斜距和R_p以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置，还包括，在该位置周围选取8×8个图像像素点，利用两维Sinc插值得到投影灰度信息，公式如下：

其中n,m为距离和方位的索引位置，为图像距离向相邻点对应的距离间隔，为方位向相邻点对应的多普勒间隔，c为光速。

根据本发明的另外一个实施例，本发明提供了一种基于级数反演的双基SAR快速几何校正装置，其特征在于，所述装置包括，

获取模块，用于获取SAR的系统参数数据以及斜距图数据；

第一计算模块，用于按照建立的笛卡尔坐标系，计算斜距和R_p；

第二计算模块，用于计算场景点的多普勒频率f_p；

确定模块，用于根据所述斜距和R_p以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置。

优选的，所述装置还包括转换模块，用于获取SAR的系统参数数据及斜距图数据之后，根据发射机与接收机的飞行夹角ψ，将发射机坐标转换到接收机坐标系中为(loc_tx1,loc_ty1,loc_tz1)，其中，旋转矩阵为

采用本发明所述基于级数反演的双基SAR快速几何校正方法及装置，对于双基前视SAR快速几何校正给出了一个具体的解决方法，采用级数反演的方法，解决了计算多普勒频率效率低的问题，弥补了现有双基SAR快速几何校正过程中的空缺。

附图说明

图1为本发明提出的基于级数反演的SAR快速几何校正方法流程图；

图2为本发明提出的基于级数反演的SAR快速几何校正方法一实施例图；

图3为本发明提出的基于级数反演的SAR快速几何校正装置框架图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

如图1和2所示，本发明提供一种基于级数反演的双基SAR快速几何校正方法，所述方法包括如下内容：

步骤S1、获取SAR的系统参数数据以及斜距图数据；

星-地双基地SAR系统为一个典型的被动SAR系统，发射机为在轨的卫星或者飞机，接收机为近地表静止接收(也可固定于高山，甚至同步轨道卫星上)，接收系统包括直达波天线和雷达波天线，其中，直达波天线指向发射机来接收信号，用于信号的同步处理，以去除各种非理想干扰源所引入的相位，为成像提供支撑；雷达波天线的波束主要用于获取较高的场景目标散射雷达波功率，其指向场景方向，接收场景发射的雷达波，用于后续的场景区域的成像和干涉处理。

SAR系统几何拓扑关系中可以看出，发射机在地表的波束覆盖范围非常大，而接收机由于距离目标场景区域较近，其波束覆盖范围较小。因此，该系统的突出特点是系统几何关系的高度非对称性。

传统的单基SAR斜距图与地距图只存在固定的角度差，斜距图到地距图的几何校正简单，由于双基的特殊构型，其成像平面随时间变化，使得几何形变校正困难，且在斜投地过程不存在显性对应关系。如果要得到完整的双基SAR地距图，就需要对地距图进行逐点的校正，但是逐点校正对于一个大场景的斜距图来说，计算量巨大。因此，在本发明中，提出的校正方法，首先，获取系统参数及斜距图数据。

其中，所述系统参数包括发射机与接收机的飞行夹角ψ、采样频率f_s、脉冲发射频率PRF、脉冲发射个数N，在接收机坐标系下场景点坐标(x_p,y_p,0)，接收机平台位置(loc_rx,loc_ry,loc_rz)，发射机平台位置(loc_tx,loc_ty,loc_tz)，接收机平台速度以及发射机平台速度

在获取这些所需要的数据后，根据发射机与接收机的飞行夹角ψ，将发射机坐标转换到接收机坐标系中为(loc_tx1,loc_ty1,loc_tz1)，其中，旋转矩阵为

步骤S2、按照建立的笛卡尔坐标系，计算斜距和Rp；

笛卡尔坐标系就是直角坐标系和斜角坐标系的统称。相交于原点的两条数轴，构成了平面放射坐标系。如两条数轴上的度量单位相等，则称此放射坐标系为笛卡尔坐标系。两条数轴互相垂直的笛卡尔坐标系，称为笛卡尔直角坐标系，否则称为笛卡尔斜角坐标系。

为了沟通空间图形与数的研究，我们需要建立空间的点与有序数组之间的联系，为此，我们通过引进空间直角坐标系来实现。过定点O，作三条互相垂直的数轴，它们都以O为原点且一般具有相同的长度单位.这三条轴分别叫做x轴(横轴)、y轴(纵轴)、z轴(竖轴)；统称坐标轴.通常把x轴和y轴配置在水平面上，而z轴则是铅垂线；它们的正方向要符合右手规则，即以右手握住z轴，当右手的四指从正向x轴以π/2角度转向正向y轴时，大拇指的指向就是z轴的正向，这样的三条坐标轴就组成了一个空间直角坐标系，点O叫做坐标原点。这样就构成了一个笛卡尔坐标。

在本文中，斜距和为场景中各个点到发射机的举例以及场景中各个点到接收机的举例之和，用公式表示为：

R_p＝R_rp+R_tp， (1)

其中，

在这里，R_tp为场景中各个点到发射机的距离，R_rp为场景中各个点到接收机的距离。

步骤S3、计算场景点的多普勒频率f_p；

为了更容易的理解本发明的方法，这里首先分析回波信号多普勒特性与点目标方位位置的关系，根据前文的内容，多普勒频率f_p的计算公式为：

其中，λ为系统工作波长。

为了更好的计算多普勒频率，在本发明中，以场景中心点(x_c,y_c)为初始点，代入(4)式计算初始的多普勒频率f_d0，即f_d0＝f(x_c,y_c)。对式(4)在y_p＝y_c处进行泰勒展开，得到

-λf_d0＝f₀+f₁(y_p-y_c)+f₂(y_p-y_c)²+...(5)

对式(5)进行整理可以得到

-λf_d0-f₀＝f₁(y_p-y_c)+f₂(y_p-y_c)²+...(6)

此时对式(6)利用级数反演的方法，可以求得

将不同的x_p带入到式(7)中，求出所有和场景中心点具有相同多普勒频率f_d0的点目标，然后按照斜对角的方式，场景中心点左右依次选取斜对角上的场景点，同理求出不同的多普勒线包含的点目标，最后将剩余场景点作为包含的点目标，单独求出多普勒频率f_p。

S4、根据所述斜距和Rp以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置。

所述根据所述斜距和Rp以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置，还包括，在该位置周围选取8×8个图像像素点，利用两维Sinc插值得到投影灰度信息，公式如下：

其中n,m为距离和方位的索引位置，为图像距离向相邻点对应的距离间隔，为方位向相邻点对应的多普勒间隔，c为光速。

由上述内容，双基SAR回波信号的相位信息可以分为距离信息部分和方位信息部分，而且方位时间变量t与距离频率变量f存在耦合，双基聚束SAR极坐标算法是通过两维差值得方式实现回波信号二维解耦合，完成目标距离徙动校正。

在双基聚束模式SAR成像几何模型中，设地面坐标系的xoy平面，成像场景中心点O与坐标系原点重合。成像区域有一点坐标(x_p,y_p,z_p)，其中，z_p＝0，也就是前文所述的接收机坐标系下场景点坐标(x_p,y_p,0)，接收机平台位置坐标为(loc_rx,loc_ry,loc_rz)，发射机平台位置坐标为(loc_tx,loc_ty,loc_tz)，瞬时方位角为Θ_t＝θ_t(t),Θ_r＝θ_r(t),瞬时俯仰角为Ψ_t＝ψ_t(t)，Ψ_r＝ψ_r(t)，它们在孔径中心时刻的值分别记为和发射机到点目标P和场景中心点O的距离分别表示为R_t＝R_t(t),R_tc＝R_tc(t)，接收机到点目标和场景中心点的距离分别表示为R_r＝R_r(t),R_rc＝R_rc(t),具体表达式分别如下：

在双基SAR系统中，距离向插值其实就是实现距离向重采样的过程，目的是消除回波信号相位中距离信息部分随方位时间变量的变化，使得该部分仅与距离频率呈线性关系，校正目标距离位置引入的距离徙动。从数学角度理解，这一过程其实就是相当于对距离频率进行一个变量替换。距离向插值解除了回波信号相位中距离信息部分距离频率变量与方位时间变量之间的耦合，使得回波相位中的系数仅与替换后的举例频率变量呈现线性关系，不再随方位时间变化，至此，目标所在距离位置引入的距离徙动校正完成。

与距离向插值类似，方位向插值其实就是实现方位向重采样的过程，目的是消除回波信号相位中方位信息部分随距离频率变量的变化，使该部分仅与方位时间变量呈线性关系，校正目标所在方位位置引入的距离徙动，包括线性距离走动以及距离弯曲。在数学上，方位向插值过程同样可以理解为对方位时间做一个变量替换。

根据上述过程，回波信号相位中方位信息部分方位时间变量和距离频率变量之间的耦合接触，由目标方位位置引入的距离徙动校正完成。

经过上述对双基SAR极坐标格式算法两维插值的分析可知，从数学的角度理解，两维插值实现回波信号二维解耦合的过程其实就是相当于对距离频率和方位时间进行了变量替换，用变量替换的方式代替两维插值同样能够实现回波信号距离徙动校正。

当回波信号中距离向与方位向之间的耦合完全解除时，目标距离徙动校正完成，此时，对回波信号做两维逆快速傅里叶变换能实现成像。

根据本发明的又一个实施例，如图3所示，

本发明提供了一种基于级数反演的双基SAR快速几何校正装置，其特征在于，所述装置包括，

获取模块，用于获取SAR的系统参数数据以及斜距图数据；

第一计算模块，用于按照建立的笛卡尔坐标系，计算斜距和Rp；

第二计算模块，用于计算场景点的多普勒频率f_p；

确定模块，用于根据所述斜距和Rp以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置。

所述系统参数包括发射机与接收机的飞行夹角ψ、采样频率f_s、脉冲发射频率PRF、脉冲发射个数N，在接收机坐标系下场景点坐标(x_p,y_p,0)，接收机平台位置(loc_rx,loc_ry,loc_rz)，发射机平台位置(loc_tx,loc_ty,loc_tz)，接收机平台速度以及发射机平台速度

所述装置还包括转换模块，用于获取SAR的系统参数数据及斜距图数据之后，根据发射机与接收机的飞行夹角ψ，将发射机坐标转换到接收机坐标系中为(loc_tx1,loc_ty1,loc_tz1)，其中，旋转矩阵为

所述第一计算模块，用于按照建立的笛卡尔坐标系，计算斜距和Rp，具体为，

R_p＝R_rp+R_tp， (1)

其中，R_tp为场景中各个点到发射机的距离，R_rp为场景中各个点到接收机的距离。

所述第二计算模块，用于计算场景点的多普勒频率f_p，具体为，

其中，λ为系统工作波长，以场景中心点(x_c,y_c)为初始点，代入(4)式计算初始的多普勒频率f_d0，即f_d0＝f(x_c,y_c)。对式(4)在y_p＝y_c出进行泰勒展开，得到

-λf_d0＝f₀+f₁(y_p-y_c)+f₂(y_p-y_c)²+...(5)

对式(5)进行整理可以得到

-λf_d0-f₀＝f₁(y_p-y_c)+f₂(y_p-y_c)²+...(6)

此时对式(6)利用级数反演的方法，可以求得

将不同的x_p带入到式(7)中，求出所有和场景中心点具有相同多普勒频率f_d0的点目标，然后按照斜对角的方式，场景中心点左右依次选取斜对角上的场景点，同理求出不同的多普勒线包含的点目标，最后将剩余场景点作为包含的点目标，单独求出多普勒频率f_p。

所述确定模块，用于根据所述斜距和Rp以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置，还包括，

在该位置周围选取8×8个图像像素点，利用两维Sinc插值得到投影灰度信息，公式如下：

其中n,m为距离和方位的索引位置，为图像距离向相邻点对应的距离间隔，为方位向相邻点对应的多普勒间隔，c为光速。

采用本发明所述基于级数反演的双基SAR快速几何校正方法及装置，对于双基前视SAR快速几何校正给出了一个具体的解决方法，采用级数反演的方法，解决了计算多普勒频率效率低的问题，弥补了现有双基SAR快速几何校正过程中的空缺。

对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种基于级数反演的双基SAR快速几何校正方法，其特征在于，所述几何校正方法包括如下内容：

S1、获取SAR的系统参数数据以及斜距图数据；

S2、按照建立的笛卡尔坐标系，计算斜距和R_p；

S3、计算场景点的多普勒频率f_p；

S4、根据所述斜距和R_p以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置。

2.根据权利要求1所述的快速几何校正方法，其特征在于，所述获取SAR的系统参数数据以及斜距图数据的具体内容为，

所述系统参数包括：发射机与接收机的飞行夹角ψ、采样频率f_s、脉冲发射频率PRF、脉冲发射个数N、在接收机坐标系下的场景点坐标(x_p,y_p,0)、接收机平台位置(loc_rx,loc_ry,loc_rz)、发射机平台位置(loc_tx,loc_ty,loc_tz)、接收机平台速度以及发射机平台速度

3.根据权利要求2所述的快速几何校正方法，其特征在于，获取SAR的系统参数数据及斜距图数据之后，还包括，根据发射机与接收机的飞行夹角ψ，将发射机平台位置坐标转换到接收机坐标系中为(loc_tx1,loc_ty1,loc_tz1)，其中，旋转矩阵为

4.根据权利要求3所述的快速几何校正方法，其特征在于，斜距和R_p的计算公式为：

R_p＝R_rp+R_tp， (1)

其中，R_tp为场景中各个点到发射机的距离，R_rp为场景中各个点到接收机的距离。

5.根据权利要求4所述的快速几何校正方法，其特征在于，所述计算场景点的多普勒频率f_p，具体为，

其中，λ为系统工作波长。

6.根据权利要求5所述的快速几何校正方法，其特征在于，所述根据所述斜距和R_p以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置，还包括，在该位置周围选取8×8个图像像素点，利用两维Sinc插值得到投影灰度信息，公式如下：

其中n,m为距离和方位的索引位置，为图像距离向相邻点对应的距离间隔，为方位向相邻点对应的多普勒间隔，c为光速。

7.一种基于级数反演的双基SAR快速几何校正装置，其特征在于，所述装置包括，

获取模块，用于获取SAR的系统参数数据以及斜距图数据；

第一计算模块，用于按照建立的笛卡尔坐标系，计算斜距和R_p；

第二计算模块，用于计算场景点的多普勒频率f_p；

确定模块，用于根据所述斜距和R_p以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置。

8.根据权利要求7所述的快速几何校正装置，其特征在于，所述系统参数包括发射机与接收机的飞行夹角ψ、采样频率f_s、脉冲发射频率PRF、脉冲发射个数N，在接收机坐标系下场景点坐标(x_p,y_p,0)，接收机平台位置(loc_rx,loc_ry,loc_rz)，发射机平台位置(loc_tx,loc_ty,loc_tz)，接收机平台速度以及发射机平台速度

9.根据权利要求8所述的快速几何校正装置，其特征在于，所述装置还包括转换模块，用于获取SAR的系统参数数据及斜距图数据之后，根据发射机与接收机的飞行夹角ψ，将发射机坐标转换到接收机坐标系中为(loc_tx1,loc_ty1,loc_tz1)，其中，旋转矩阵为

10.根据权利要求9所述的快速几何校正装置，其特征在于，所述第一计算模块，用于按照建立的笛卡尔坐标系，计算斜距和R_p，具体为，

R_p＝R_rp+R_tp， (1)

其中，R_tp为场景中各个点到发射机的距离，R_rp为场景中各个点到接收机的距离。

11.根据权利要求10所述的快速几何校正装置，其特征在于，所述第二计算模块，用于计算场景点的多普勒频率f_p，具体为，

其中，λ为系统工作波长。

12.根据权利要求11所述的快速几何校正装置，其特征在于，所述确定模块，用于根据所述斜距和R_p以及多普勒频率f_p，确定地距图上点目标在斜距图中的距离位置和方位位置，还包括，

在该位置周围选取8×8个图像像素点，利用两维Sinc插值得到投影灰度信息，公式如下：

其中n,m为距离和方位的索引位置，为图像距离向相邻点对应的距离间隔，为方位向相邻点对应的多普勒间隔，c为光速。