CN110389339A - 一种雷达dbs成像几何失真校正与子图像拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法，包括以下步骤：S1：在地距平面XOZ上构造一组对目标场景进行全覆盖的位置信息已知的矩形点阵网格；S2：计算第一个波位波束覆盖区域中心点P1在所述点阵网格中的位置坐标(x_p,z_p)，并在所述中心点P1附近选取包括若干目标点(x,z)的小点阵网格；S3：对所述小点阵网格进行几何变换得到所述目标点在斜距平面的多普勒信息(R_b,f_a)；S4：根据所述多普勒信息(R_b,f_a)得到所述目标点在所述地距平面上的幅度值；S5：计算第i个波位波束覆盖区域中心点Pi的坐标，得到所述中心点Pi在所述点阵网格中的位置，并在所述中心点Pi附近选取包括若干目标点的小点阵网格；其中，i为正整数且i≥2；S6：重复步骤S3～S5，对所有波位进行处理，完成子图像拼接，得到地距平面大宽幅雷达图像，解决了常规DBS成像几何失真校正与子图像拼接无法适用于非匀速俯冲下降轨的问题。

Description

一种雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法。

背景技术

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备，雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。由于雷达成像具有全天候、全天时的特点，不受天气、距离等影响，且具有一定的地表穿透能力，因此被广泛应用到军事、资源环境监测、天体研究、地质调查等各个领域中。

雷达的种类繁多，其中，机载脉冲多普勒雷达是利用多普勒效应探测运动目标的脉冲雷达。DBS(Doppler beam sharpening，多普勒波束锐化)技术是机载脉冲多普勒雷达利用多普勒效应通过信号处理提高方位分辨率的工作模式，主要是将天线的真实波束等效成若干个窄的子波束，各子波束照射区域内目标相对雷达的不同径向速度形成不同的多普勒频率，只需在频域设置一组窄带数字滤波器，便可以在多普勒频域进行分辨，从而有效地改善方位分辨率。常规的DBS技术利用雷达扫描获取场景回波，通过频谱分析进行DBS成像，并采用几何失真校正与子图像拼接方法获取目标场景大幅宽雷达图像。

然而，常规的DBS几何失真较真与子图像拼接均是基于运动平台平飞假设，无法适用于末制导阶段大擦地角与大斜视角的成像几何构型。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法，包括以下步骤：

S1：在地距平面XOZ上构造一组对目标场景进行全覆盖的位置信息已知的矩形点阵网格；

S2：计算第一个波位波束覆盖区域中心点P1在所述点阵网格中的位置坐标(x_p,z_p)，并在所述中心点P1附近选取包括若干目标点(x,z)的小点阵网格；

S3：对所述小点阵网格进行几何变换得到所述目标点在斜距平面的多普勒信息(R_b,f_a)；

S4：根据所述多普勒信息(R_b,f_a)得到所述目标点在所述地距平面上的幅度值；

S5：计算第i个波位波束覆盖区域中心点Pi的坐标，得到所述中心点Pi在所述点阵网格中的位置，并在所述中心点Pi附近选取包括若干目标点的小点阵网格；其中，i为正整数且i≥2；

S6：重复步骤S3～S5，对所有波位进行处理，完成子图像拼接，得到地距平面大宽幅雷达图像。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S3包括：

S31：将所述小点阵网格在所述地距平面XOZ上逆时针旋转方位角β，得到所述小点阵网格旋转后的位置坐标(x',z')；

S32：根据所述旋转后的位置坐标(x',z')计算目标点到雷达运动平台的距离R；

S33：根据所述距离R计算所述目标点在斜距平面的多普勒信息(R_b,f_a)。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S33包括：

S331：计算所述目标点的瞬时斜视角θ′；

S332：根据所述瞬时斜视角θ′和所述距离R计算所述目标点在波束视线上的投影R_b；

S333：根据所述瞬时斜视角θ′计算所述目标点的多普勒频率f_a。

在本发明的一个实施例中，所述多普勒频率f_a的计算公式为：

f_a＝f_at-f_dc

其中，f_dc为多普勒中心频率，f_ac为多普勒中心频率估计补偿前的目标点多普勒频率。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S4包括：

S41：根据所述多普勒信息(R_b,f_a)确定所述目标点在所述斜距平面图像中对应的距离向和方位向的像素单元；

S42：选取所述像素单元临近8×8个像素幅度信息，采用二维sinc插值法得到所述目标点在所述地距平面上的幅度值。

本发明的有益效果：

本发明提供的雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法针对末制导段大擦地角、大斜视角成像几何构型，只需少量的插值操作便能将几何失真严重的斜距图像校正拼接成地距平面无畸变的大幅宽雷达图像，解决了常规DBS成像几何失真校正与子图像拼接无法适用于非匀速俯冲下降轨的问题。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法示意图；

图2是本发明实施例提供的常规DBS成像几何构型图；

图3是本发明实施例提供的载机飞行过程中不同波位对应的坐标系示意图；

图4是本发明实施例提供的DBS成像扫描过程示意图；

图5是本发明实施例提供的DBS扫描过程中斜距平面与地距平面之间的几何关系示意图；

图6是本发明实施例提供的回波录取平面示意图；

图7是本发明实施例提供的面目标仿真场景基准图；

图8a～8d是本发明实施例提供的不同波位扫描后的成像拼接结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法示意图。

本发明是在常规DBS成像几何失真校正与子图像拼接技术上进一步推导改进的一种快速几何失真校正与子图像拼接方法。

常规的DBS成像几何失真校正与子图像拼接的基本思路是：根据成像斜距平面与实际地距平面之间的几何关系，将距离多普勒图的坐标直接投影到以“长度”表示的地面坐标，再将不同波位对应不同坐标系下的子图像合并为同一参考坐标系下的一幅图像。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的常规DBS成像几何构型图。如图所示，雷达以速度v沿X方向飞行，高度为H，雷达到目标点P的距离为R，速度与波束视线方向的夹角为ψ，也称为等效斜视角，即斜视角的余角，波束与地面的夹角为称为擦地角或俯仰角，波束在地面的投影与Y向的夹角为θ。根据上图的几何关系可知又由f_d＝2vcosψ/λ，其中，f_d表示多普勒频率，λ表示波长，可以得到斜距图像(R,f_d)到地距图像(x,y)的映射关系：

这样根据上述公式就可以将斜距平面图像校正到地距平面。

为了对较大范围进行成像，须先对不同波位分段成像，然后再完成图像拼接。图像的拼接就是把不同波位对应的不同坐标系下的DBS图像合并为同一参考坐标系下的一幅图像。请参见图3，图3是本发明实施例提供的载机飞行过程中不同波位对应的坐标系示意图，若以第一个波位对应的坐标系XO₁Y为参考坐标系，此坐标系原点选在导弹平台的正下方且X轴方向选择为此波位时刻飞机平台飞行的方向，那么DBS图像拼接问题可转化为X_iO_iY_i求平面内任意一点P′(x′,y′)在参考平面XO₁Y内对应的坐标P(x,y)。由于雷达在飞行过程中其飞行速度及姿态受环境影响会发生变化，这样将产生两个方面的影响：一方面，雷达飞行姿态的变化会导致不同波位对应的坐标系发生旋转；另一方面，雷达飞行的距离会导致不同波位对应的坐标系将发生X轴和Y轴上的平移，如图3所示。因此，在求解X_iO_iY_i平面内任意一点P′(x′,y′)在参考平面XO₁Y内对应的坐标P(x,y)时需经过两个步骤：第一步为坐标旋转，第二步为坐标平移。

在图3中，假设第一个波位，第二个波位…第i-1个波位及第i个波位分别对应的坐标系的原点为O₁,O₂...O_i-1,O_i，对应的载机瞬时速度为V₁,V₂...V_i-1,V_i。首先，进行坐标系X_iO_iY_i的旋转。利用载机惯导系统提供的惯导数据，主要包括载机在不同波位时刻的正东方向瞬时速度v_E和正北方向瞬时速度v_N，可以计算得到V_i方向与V₁方向的夹角α_i。若第一个波位时刻载机的正东和正北方向瞬时速度为v_E1和v_N1，第i个波位时刻载机的正东和正北方向瞬时速度为v_Ei和v_Ni，则第一个波位时刻载机的航向角θ₁，即V₁在东北天地理坐标系下的方向角，θ₁＝atan(v_E1/v_N1)，第i个波位时刻载机的航向角θ_i＝atan(v_Ei/v_Ni)。从而坐标系X_iO_iY_i和XO₁Y的夹角α_i为：

α_i＝θ_i-θ₁＝atan(v_Ei/v_Ni)-atan(v_E1/v_N1) (2)

根据上式，并结合式(1)可以得到斜距图像(R,f_d)到地距图像(x,y)的映射关系，得第i(i＝2,3，…)个波位对应坐标系X_iO_iY_i中的任意一点(x',y')旋转后的坐标(x_i ^*,y_i ^*)为：

其中，

这里的(R,f_d)是第i(i＝2,3,…)个波位下的距离多普勒单元，V_i是第i(i＝2,3,…)个波位时刻载机的瞬时合速度

接下来进行第二步，坐标的平移，即对旋转后的坐标(x_i ^*,y_i ^*)进行X和Y轴方向的平移。从第一个波位时刻到第i个波位时刻，载机的飞行速度是不断变化的，为了提高图像精度，第i个波位X和Y轴方向的运动距离可以由前(i-1)段飞行距离的积分得到

其中，Δt是两个波位的间隔时间，若每个波位发射K个脉冲，重频为f_r，则Δt＝K/f_r。

经过坐标旋转和坐标平移后，最终可以得到第i(i＝2,3，…)个波位的距离多普勒单元(R,f_d)到参考坐标系XO₁Y下的坐标(x_i,y_i)转换公式为：

这样，根据上式就可以将一个扫描周期内所有波位的距离多普勒图投影到同一个参考地面坐标系下，完成DBS图像的拼接，从而可以得到一幅大范围的地面场景图像。

这种方法只适用于雷达匀速平飞的成像构型，末制导阶段导弹飞行轨迹为非匀速下降轨，斜距平面与地距平面的投影关系不再成立，且末制导段为了提升导弹毁伤性能，常具备大擦地角实现“灌顶”攻击，这将使得图像畸变严重、分辨率跨度大、斜地转化之间的映射关系复杂；此外，在斜地转换投影过程中，斜地投影过程需要进行二维插值处理，运算量较大，难以满足末制导高实时性要求。因此，该方法在机载平飞实时性要求较低的情况下适用，但是在末制导下降段实时性要求较高的情况下这样做会得到一个错误的结果。

本发明提供的一种雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法包括以下步骤：

S1：在地距平面XOZ上构造一组对目标场景进行全覆盖的位置信息已知的矩形点阵网格；

受波束宽度的限制，子图像的幅宽较小，DBS扫描波位众多，为得到目标场景宽幅图像，需要根据几何失真校正后的子图像进行拼接处理。

请参见图4，图4是DBS成像扫描过程DBS成像扫描过程示意图，其中，为波束俯仰角，α为偏航角，θ_v2为速度倾角。在地距平面XOZ上人为地布置一组对目标场景进行全覆盖的矩形点阵网格，网格中的每一个点的位置信息是已知的，网格的间距根据成像分辨率进行选取，原则上略小于成像分辨率。

S2：计算第一个波位波束覆盖区域中心点P1在所述点阵网格中的位置坐标(x_p,z_p)，并在所述中心点P1附近选取包括若干目标点(x,z)的小点阵网格；

根据当前孔径中心的斜距R_p、波束俯仰角以及场景中心目标偏航角α可以计算出当前波束覆盖区域中心P的坐标(x_p,z_p)，其表达式是：

根据第一个波位波束覆盖区域中心点P1在矩形点阵网格中的位置，可以得知P1点附近的各个网格点阵的位置信息。根据波束覆盖范围来选取一定大小的小点阵网格，该小点阵网格中包括若干个坐标位置已知的目标点。小点阵网格的大小通常根据波束覆盖区域的大小确定，波束覆盖范围近似表示为距离与波束宽度的乘积，将其除以网格间距取整，即为选取的小矩阵网格大小。用(x,z)表示选取的小点阵网格中各目标点的坐标信息。

S3：对所述小点阵网格进行几何变换得到所述目标点在斜距平面的多普勒信息(R_b,f_a)；

请参见图5，图5是本发明实施例提供的DBS扫描过程中斜距平面与地距平面之间的几何关系示意图；地距平面上的目标点T，合成孔径中心时刻波束中心线与地距平面相交于P点，OP与OZ的夹角β为方位角，即偏航角的余角，地距平面上点目标T的回波录取平面为ADQ。将所述小点阵网格在所述地距平面XOZ上逆时针旋转方位角β，得到所述小点阵网格旋转后的位置坐标为：

根据旋转后的小点阵网格位置坐标信息计算该点目标到雷达运动平台的距离R。

其中，H为雷达的高度。

根据所述距离R计算所述目标点在斜距平面的多普勒信息(R_b,f_a)

请参见图6，图6是本发明实施例提供的回波录取平面示意图；其中，θ为回波录取平面的斜视角，其值为AQ与速度平面的夹角的余角，目标点与雷达之间的距离为R，该距离在波束视线AT上的投影R_b为：

R_b＝Rcos(θ′-θ) (9)

其中，θ′为目标点在合成孔径中心时刻的瞬时斜视角，其表达式为：

式中，雷达与地距平面上的点目标T的斜距矢量，是速度矢量。

根据所述瞬时斜视角θ′计算所述目标点的多普勒频率f_a。

在本实施例中，根据多普勒频率的表达式计算目标点的多普勒频率。

f_at＝2vsinθ′/λ (11)

其中，v是速度，λ为波长。

由于在成像处理时进行了多普勒中心频率估计补偿处理，所以f_ac为多普勒中心频率估计补偿前的多普勒频率，该点实际的多普勒频率为：

f_a＝f_at-f_dc (12)

其中，f_dc为多普勒中心频率。

至此，得到了目标点在斜距平面的多普勒信息(R_b,f_a)。

S4：根据所述多普勒信息(R_b,f_a)得到所述目标点在所述地距平面上的幅度值；

对(R_b,f_a)确定斜距平面图像中该点所对应的距离向和方位向的像素单元，取该像素单元邻近8×8个像素幅度信息，采用二维sinc插值得到地距平面点目标的幅度值。

在本实施例中，选取8×8个像素幅度信息方便工程化实现，若选大了，则增加计算量；若选小了，则精度不够。

S5：计算第i个波位波束覆盖区域中心点Pi的坐标，得到所述中心点Pi在所述点阵网格中的位置，并在所述中心点Pi附近选取包括若干目标点的小点阵网格；其中，i为正整数且i≥2；

请参见图4，假设经过n(正整数)个波位扫描后，导弹由A点运动到B点，由于各波位的相干积累时间极短，导弹在该时间内被看作匀速飞行，则导弹飞行的距离可以近似表示为ΔR_T＝|v|·n·T_a，T_a＝K·prt为相干积累时间，K为脉冲积累数，prt为脉冲重复周期。则从A到B的扫描过程中，坐标系可以视为沿X轴移动了ΔR_Tcosθ_v2。

考虑雷达的运动，按照波束覆盖区域中心的计算方法计算下一个波位波束覆盖区域中心的坐标，加上ΔR_Tcosθ_v2后，作为该中心点在矩形点阵网格的位置，重复步骤S3～S5，完成所有波位的处理，得到地距平面大宽幅雷达图像。

实施例二

为了验证本发明提供的雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法，下面结合仿真实验进行举例说明。

请参见图7，图7是本发明实施例提供的面目标仿真场景基准图。

在本实施例中，实验过程中在地距平面依据图7所示的基准图布置点阵，所选取的点阵大小为600×600，点间隔设置为5m，各点的雷达散射截面积根据基准图的灰度值进行设置，并在仿真过程中加入随机相位。

在本实施例中，将产生的各波位回波经DBS成像处理，使用本发明提出的DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法进行处理，得到拼接图像。

请参见图8a～8d，图8a是本发明实施例提供的第一次方位扫描后的成像拼接结果；图8b是本发明实施例提供的第四次方位扫描后的成像拼接结果；图8c是本发明实施例提供的第六次方位扫描后的成像拼接结果；图8d是本发明实施例提供的所有波位成像拼接结果；其中，图像中间小部分区域为DBS前视盲区。

本发明提供的雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法通过在地距平面人为地布置一组对目标场景进行全覆盖的矩形网格点阵，网格中的每一个点的位置信息是已知的，根据当前孔径中心的斜距R_p、波束俯仰角以及场景中心目标偏航角α可以计算出当前波束覆盖区域中心P的坐标，找出其在矩形网格点阵中的位置，则P点附近的各个网格点阵也为已知的，再根据斜距平面与地距平面的几何关系，找出该网格中的点所对应的斜距平面的位置(距离位置与方位多普勒)，再利用该斜距平面的位置信息将其邻近像素点的幅度进行插值便可以得到地距平面像素网格点的幅度，将所有波位均进行上述反向投影，得到地距平面大幅宽雷达图像。本发明提供的方法针对末制导段大擦地角、大斜视角成像几何构型，只需少量的插值操作便能将几何失真严重的斜距图像校正拼接成地距平面无畸变的大幅宽雷达图像，能够弥补常规DBS成像几何失真校正与子图像拼接无法适用于非匀速俯冲下降轨的缺陷。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在地距平面XOZ上构造一组对目标场景进行全覆盖的位置信息已知的矩形点阵网格；

S2：计算第一个波位波束覆盖区域中心点P1在所述点阵网格中的位置坐标(x_p,z_p)，并在所述中心点P1附近选取包括若干目标点(x,z)的小点阵网格；

S3：对所述小点阵网格进行几何变换得到所述目标点在斜距平面的多普勒信息(R_b,f_a)；

S4：根据所述多普勒信息(R_b,f_a)得到所述目标点在所述地距平面上的幅度值；

S5：计算第i个波位波束覆盖区域中心点Pi的坐标，得到所述中心点Pi在所述点阵网格中的位置，并在所述中心点Pi附近选取包括若干目标点的小点阵网格；其中，i为正整数且i≥2；

S6：重复步骤S3～S5，对所有波位进行处理，完成子图像拼接，得到地距平面大宽幅雷达图像。

2.根据权利要求1所述的雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31：将所述小点阵网格在所述地距平面XOZ上逆时针旋转方位角β，得到所述小点阵网格旋转后的位置坐标(x',z')；

S32：根据所述旋转后的位置坐标(x',z')计算目标点到雷达运动平台的距离R；

S33：根据所述距离R计算所述目标点在斜距平面的多普勒信息(R_b,f_a)。

3.根据权利要求2所述的雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法，其特征在于，所述步骤S33包括：

S331：计算所述目标点的瞬时斜视角θ′；

S332：根据所述瞬时斜视角θ′和所述距离R计算所述目标点在波束视线上的投影R_b；

S333：根据所述瞬时斜视角θ′计算所述目标点的多普勒频率f_a。

4.根据权利要求3所述的雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法，其特征在于，所述多普勒频率f_a的计算公式为：

f_a＝f_at-f_dc

其中，f_dc为多普勒中心频率，f_ac为多普勒中心频率估计补偿前的目标点多普勒频率。

5.根据权利要求1所述的雷达DBS成像几何失真校正与子图像拼接方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41：根据所述多普勒信息(R_b,f_a)确定所述目标点在所述斜距平面图像中对应的距离向和方位向的像素单元；

S42：选取所述像素单元临近8×8个像素幅度信息，采用二维sinc插值法得到所述目标点在所述地距平面上的幅度值。