CN110579762A - 一种太赫兹圆迹sar快速后向投影成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，该方法包括以下步骤：步骤1：建立太赫兹圆迹SAR方位向和距离向上等间距成像点的成像网格，并对线性调频信号进行各个方位向的匹配滤波，完成距离向的压缩，获得距离压缩信号；步骤2：在某个方位向时，成像点通过距离压缩信号投影，得到该方位向的成像点的后向散射系数；步骤3：在太赫兹圆迹SAR的各个方位向重复步骤2，得到各个方位向的成像点的后向散射系数；步骤4：对所有方位向的成像点的后向散射系数相干叠加，得到太赫兹圆迹SAR投影的成像结果。此方法解决了太赫兹波段下圆迹SAR成像过程中后向投影算法的运算量大的问题，实现了运算量的缩减，有效提高了运算效率，具有实际的应用前景。

Description

一种太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法。
背景技术
在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)成像中，获得高方位向分辨率的雷达成像是其发展的一个重要方向。传统直线SAR只能获取一定角度的目标特征，多普勒带宽受限；聚束SAR通过增大宽测绘角来增大多普勒带宽，提高方位向分辨率。圆迹SAR(Circular Synthetic Aperture Radar，CSAR)以目标场景中心为圆心，天线波束始终指向目标场景，全方位的观测能获得目标全视角特性，大幅度提高了方位向分辨率，同时也能获得目标全方位的目标散射特性。太赫兹圆迹SAR将太赫兹波(频率在100GHz～10THz内，波长约3mm～30um)和圆迹SAR结合起来，成像的分辨率和抗干扰能力将得到大幅度提高，已成为雷达领域研究的重要方向。
后向投影(Back Projection，BP)算法是一种精确的时域成像算法，可以很好的解决圆迹SAR成像中存在的距离向和方位向耦合的问题。圆迹SAR的BP算法成像需要在各个方位向将成像区域网格投影到对应的距离压缩数据位置上，并在所有方位向相干叠加，其计算复杂度与N3(假设方位向个数为N，成像网格数为N×N)成正比。在太赫兹圆迹SAR成像中，成像网格点的间距与太赫兹圆迹SAR波长成正比，当太赫兹圆迹SAR发射高频信号时，成像网格点数N较大，此时BP算法成像效率低下，严重影响了其在实时成像领域的应用。
对于圆迹SAR的快速BP算法，目前有基于子孔径划分、拼接的方法，但子图像拼接过程中受误差精度影响较大；另一种常用的方法是子孔径分解、融合的方法，但此方法存在运动补偿困难的问题。
在太赫兹圆迹SAR成像的过程中，后向投影算法的运算量与成像区域网格点的间距成反比，而成像网格点选取的间距与太赫兹圆迹SAR信号波长成正比，太赫兹波段下圆迹SAR的后向投影成像算法的运算量较大，严重影响了其在实时成像领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法。此方法旨在解决太赫兹波段下圆迹SAR成像过程中后向投影算法的运算量大的问题，实现运算量的缩减，有效提高运算效率，具有实际的应用前景。
为达到上述目的，本发明提供了一种太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立太赫兹圆迹SAR方位向和距离向上等间距成像点的成像网格，并对太赫兹圆迹SAR发射的线性调频信号进行各个方位向上的匹配滤波，完成距离向的压缩，获得距离压缩信号；
步骤2：太赫兹圆迹SAR在某个方位向时，整个成像网格上的所有的成像点通过距离压缩信号投影，得到该方位向的成像点的后向散射系数；
步骤3：在太赫兹圆迹SAR的各个方位向重复步骤2，得到各个方位向的成像点的后向散射系数；
步骤4：对所有方位向的成像点的后向散射系数相干叠加，得到太赫兹圆迹SAR快速后向投影的成像结果。
最优选的，建立成像网格是以太赫兹圆迹SAR的圆心在地面的投影点为中心点，在观测区域内建立方位向和距离向这二维方向上等间距的成像网格；成像网格的网格交点处为成像点；成像点为P(x,y)，且满足：
其中，x表示方位向，y表示距离向，N表示方位向和距离向的成像点的个数，ΔdP表示成像网格上相邻两个成像点的距离。
最优选的，匹配滤波包括以下步骤：
步骤1.1：太赫兹圆迹SAR绕成像网格的中心点360°圆周转动，并根据太赫兹圆迹SAR对目标发射的线性调频信号，接收回波信号；
步骤1.2：以成像网格的中心点的匹配滤波函数作为参考函数，并根据中心点的匹配滤波函数对回波信号进行各个方位向的匹配滤波，匹配滤波后的信号完成距离向压缩，生成距离压缩信号。
最优选的，回波信号为s(t,θ)，且满足：
其中，p(t)表示线性调频信号，f(x,y)表示目标的散射特性函数，Rrt为太赫兹圆迹SAR到目标的距离，θ为太赫兹圆迹SAR转动的角度，t为太赫兹圆迹SAR距离向上的快时间，c为光速。
最优选的，中心点的匹配滤波函数Sref(t)满足：
sref(t)＝p*(t-tcentral(θ))
其中，p*(t)表示线性调频信号p(t)的共轭，tcentral表示目标距成像网格的中心点的时间；回波信号s(t,θ)通过中心点的匹配滤波函数Sref(t)进行匹配滤波，生成距离压缩信号；距离压缩信号为sref(t,θ)，且满足：
最优选的，成像点投影到所述距离压缩信号上还包括以下步骤：
步骤2.1：以太赫兹圆迹SAR与成像网格的中心点的方向和距离分别为参考方向和参考距离，等间距的建立一维距离网格；
步骤2.2：将整个成像网格上所有的成像点全部一次投影到一维距离网格上，获得投影在整个一维距离网格上的所有的一维投影点；
步骤2.3：所有的一维投影点通过距离压缩信号二次投影，获得成像点的后向散射系数。
最优选的，一维投影点为r，且满足：
其中，M表示一维投影点的个数，Δdr表示两个相邻一维投影点的距离。
最优选的，一维距离网格上相邻一维投影点的间距小于成像网格上相邻成像点的间距，且一维投影点与成像点到太赫兹圆迹SAR的距离相等；成像网格上任意一成像点P(xi,yi)到旋转角度为θ太赫兹圆迹SAR的距离为dPR(xi,yi,θ)，对应的一维投影点为rm(θ),rm∈r，其到同太赫兹圆迹SAR的距离为dr(rm,θ)，且满足：
dr(rm,θ)＝dPR(xi,yi,θ)；
且成像点P(xi,yi)和一维投影点rm(θ)到太赫兹圆迹SAR的距离dPR(xi,yi,θ)和dr(rm,θ)分别满足：
其中，R0为太赫兹圆迹SAR运动的圆周半径，H为太赫兹圆迹SAR飞行高度。
最优选的，一维投影点通过二次投影后获得投影位置数据为Srm(t,θ)；投影位置数据Srm(t,θ)即为一维投影点的后向散射系数，同样等价于相应的成像点的后向散射系数，即：
其中，γP(x,y)(θ)为成像点的后向散射系数，γrm(θ)为相应的一维投影点的后向散射系数；且投影位置数据Srm(t,θ)满足：
其中，A为幅度，B为带宽，c为光速，rcentral为一维距离网格的中心点；且一维距离网格的中心点rcentral距离旋转角度为θ太赫兹圆迹SAR的距离为dr(rcentral,θ)，且满足：
最优选的，太赫兹圆迹SAR快速后向投影的成像结果为γ(x,y)，且满足：
其中，Na表示方位向的个数。
运用此发明，解决了太赫兹波段下圆迹SAR成像过程中后向投影算法的运算量大的问题，实现了运算量的缩减，有效提高了运算效率，具有实际的应用前景。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明方法通过时域分析进行，减少了算法的复杂度。
2、本发明方法是对成像网格的投影，对回波信号的并未进行处理，快速成像的同时也保证了成像的精度。
附图说明
图1为本发明提供的太赫兹圆迹SAR快速后向投影方法的流程示意图；
图2为本发明提供的成像网格上成像点的投影示意图；
图3为本发明提供的成像网格上成像点的投影俯视图；
图4为本发明提供的太赫兹圆迹SAR在不同方位向上的成像点投影示意图；
图5为本发明提供的快速BP算法和传统BP算法计算成像时间对比图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明是一种太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：如图2所示，建立太赫兹圆迹SAR1成像模型，以太赫兹圆迹SAR 1的圆心在地面的投影点为中心点2，由于太赫兹圆迹SAR 1的距离向和方位向可达到同一分辨率，在观测区域内选择一块矩形区域建立太赫兹圆迹SAR 1的方位向和距离向这二维方向上等间距的成像网格3；成像网格3的网格交点处为成像点4；成像网格3上成像点4为P(x,y)，且满足：
其中，x表示方位向，y表示距离向，N表示方位向和距离向的成像点4的个数，ΔdP表示成像网格3上相邻两个成像点4的距离。
并对太赫兹圆迹SAR 1发射的线性调频信号进行各个方位向上的匹配滤波，完成距离向的压缩，获得距离压缩信号；其中，匹配滤波包括以下步骤：
步骤1.1：太赫兹圆迹SAR1绕成像网格3的中心点360°圆周转动，并根据太赫兹圆迹SAR1对于目标发射的线性调频信号，接收回波信号；回波信号为s(t,θ)，且满足：
其中，p(t)表示线性调频信号，f(x,y)表示目标的散射特性函数，Rrt为太赫兹圆迹SAR 1到目标的距离，θ为太赫兹圆迹SAR 1转动的角度，t为太赫兹圆迹SAR 1距离向上的快时间，c为光速。
步骤1.2：以成像网格3的中心点2的匹配滤波函数作为参考函数；成像网格3的中心点2的匹配滤波函数为Sref(t)，且满足：
sref(t)＝p*(t-tcentral(θ))
其中，p*(t)表示线性调频信号p(t)的共轭；tcentral表示目标距成像网格3的中心点2的时间。
根据成像网格3的中心点2的匹配滤波函数Sref(t)对各个方位向的回波信号s(t,θ)进行匹配滤波，匹配滤波后的信号完成距离向上的压缩，生成距离压缩信号；距离压缩信号为sref(t,θ)，且满足：
步骤2：太赫兹圆迹SAR 1在某个方位向时，整个成像网格3上的所有的成像点4P(x,y)通过距离压缩信号sref(t,θ)投影，得到该方位向时成像网格3上成像点4的后向散射系数。
其中，如图3所示，成像点4P(x,y)投影到距离压缩信号sref(t,θ)上还包括以下步骤：
步骤2.1：以太赫兹圆迹SAR 1与成像网格3的中心点2的方向和距离分别为参考方向和参考距离，等间距的建立一维距离网格5。
步骤2.2：将整个成像网格3上的所有的成像点4全部一次投影到一维距离网格5上，获得投影在整个一维距离网格5上的所有的一维投影点6；一维投影点6为r，且满足：
其中，M表示一维投影点的个数，Δdr表示两个相邻一维投影点的距离。
一维距离网格5上相邻一维投影点6的间距小于成像网格3上相邻成像点4的间距，且一维投影点6与成像点4到太赫兹圆迹SAR 1的距离相等；成像网格3上任意一成像点4P(xi,yi)到旋转角度为θ的太赫兹圆迹SAR 1的距离为dPR(xi,yi,θ)，对应的一维投影点6为rm(θ),rm∈r，其到太赫兹圆迹SAR1的距离为dr(rm,θ)，且满足：
dr(rm,θ)＝dPR(xi,yi,θ)；
且成像点4P(xi,yi)和一维投影点6rm(θ)到太赫兹圆迹SAR 1的距离dPR(xi,yi,θ)和dr(rm,θ)分别满足：
其中，R0为太赫兹圆迹SAR 1运动的圆周半径，H为太赫兹圆迹SAR 1飞行高度。
步骤2.3：所有的一维投影点6rm(θ)通过距离压缩信号sref(t,θ)二次投影，获得成像点4P(xi,yi)的后向散射系数；一维投影点6rm(θ)通过二次投影后获得投影位置数据为Srm(t,θ)；投影位置数据Srm(t,θ)即为一维投影点6rm(θ)的后向散射系数，同样等价于相应的成像点4P(xi,yi)的后向散射系数，即：
γP(xi,yi)(θ)＝γrm(θ)＝srm(t,θ)
其中，γP(x,y)(θ)为成像点4P(xi,yi)的后向散射系数，γrm(θ)为相应的一维投影点6rm(θ)的后向散射系数；且投影位置数据Srm(t,θ)满足：
其中，A为幅度，B为带宽，c为光速，rcentral为一维距离网格的中心点；且一维距离网格的中心点rcentral距离旋转角度为θ太赫兹圆迹SAR的距离为dr(rcentral,θ)，且满足：
步骤3：如图4所示，太赫兹圆迹SAR 1沿圆迹360°转动，形成太赫兹圆迹SAR轨迹7。其中，太赫兹圆迹SAR 1在方位向1-1时，建立一维距离网格5-1，重复步骤2得到方位向1-1时成像网格3上成像点4的后向散射系数；太赫兹圆迹SAR 1在方位向1-2时，建立一维距离网格5-2，重复步骤2得到方位向1-2时成像网格3上成像点4的后向散射系数；对太赫兹圆迹SAR 1在太赫兹圆迹SAR轨迹7的各个方位向上重复步骤2，得到各个方位向上成像网格3上所有成像点4P(x,y)的后向散射系数γP(x,y)(θ)。
步骤4：对所有方位向的成像网格3上成像点4P(x,y)的后向散射系数γP(x,y)(θ)相干叠加，得到太赫兹圆迹SAR 1快速后向投影的成像结果；太赫兹圆迹SAR 1快速后向投影的成像结果为γ(x,y)，且满足：
其中，Na表示方位向的个数。
如图5所示，快速后向投影(BP)算法相比于传统后向投影(BP)算法成像时间短，运算效率快。
本发明的工作原理：
建立太赫兹圆迹SAR方位向和距离向上等间距成像点的成像网格，并对太赫兹圆迹SAR的线性调频信号进行各个方位向的匹配滤波，完成距离向的压缩，获得距离压缩信号；太赫兹圆迹SAR在某个方位向时，将成像网格上的成像点投影到距离压缩信号上，得到该方位向的成像点的后向散射系数；在太赫兹圆迹SAR的各个方位向重复步骤2，得到各个方位向的成像点的后向散射系数；对所有方位向的成像点的后向散射系数相干叠加，得到太赫兹圆迹SAR快速后向投影的成像结果。
综上所述，本发明解决了太赫兹波段下圆迹SAR成像过程中后向投影算法的运算量大的问题，实现了运算量的缩减，有效提高了运算效率，具有实际的应用前景。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立太赫兹圆迹SAR方位向和距离向上等间距成像点的成像网格，并对太赫兹圆迹SAR发射的线性调频信号进行各个方位向的匹配滤波，完成距离向的压缩，获得距离压缩信号；
步骤2：太赫兹圆迹SAR在某个方位向时，整个成像网格上所有的成像点通过所述距离压缩信号投影，得到该方位向的所述成像点的后向散射系数；
步骤3：在太赫兹圆迹SAR的各个方位向重复步骤2，得到各个方位向的所述成像点的后向散射系数；
步骤4：对所有方位向的所述成像点的后向散射系数相干叠加，得到太赫兹圆迹SAR快速后向投影的成像结果。
2.如权利要求1所述的太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，建立所述成像网格是以太赫兹圆迹SAR的圆心在地面的投影点为中心点，在观测区域内建立方位向和距离向这二维方向上等间距的成像网格；所述成像网格的网格交点处为成像点；所述成像点为P(x,y)，且满足：
其中，x表示方位向，y表示距离向，N表示方位向和距离向的成像点的个数，ΔdP表示成像网格上相邻两个成像点的距离。
3.如权利要求2所述的太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，所述匹配滤波包括以下步骤：
步骤1.1：太赫兹圆迹SAR绕所述中心点360°圆周转动，并根据所述线性调频信号，接收回波信号；
步骤1.2：以所述中心点的匹配滤波函数作为参考函数，并根据所述中心点的匹配滤波函数对回波信号进行各个方位向的匹配滤波，匹配滤波后的信号完成距离向压缩，生成距离压缩信号。
4.如权利要求3所述的太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，所述回波信号为s(t,θ)，且满足：
其中，p(t)表示线性调频信号，f(x,y)表示目标的散射特性函数，Rrt为太赫兹圆迹SAR到目标的距离，θ为太赫兹圆迹SAR转动的角度，t为太赫兹圆迹SAR距离向上的快时间，c为光速。
5.如权利要求4所述的太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，所述中心点的匹配滤波函数Sref(t)满足：
sref(t)＝p*(t-tcentral(θ))
其中，p*(t)表示线性调频信号p(t)的共轭，tcentral表示目标距成像网格的中心点的时间；对所述回波信号s(t,θ)通过所述中心点的匹配滤波函数Sref(t)进行匹配滤波，生成所述距离压缩信号；所述距离压缩信号为sref(t,θ)，且满足：
6.如权利要求5所述的太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，所述成像点投影到所述距离压缩信号上还包括以下步骤：
步骤2.1：以太赫兹圆迹SAR与所述中心点的方向和距离分别为参考方向和参考距离，等间距的建立一维距离网格；
步骤2.2：将整个成像网格上所有的成像点全部一次投影到所述一维距离网格上，获得投影在整个一维距离网格上的所有的一维投影点；
步骤2.3：所述所有的一维投影点通过所述距离压缩信号二次投影获得所述成像点的后向散射系数。
7.如权利要求6所述的太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，所述一维投影点为r，且满足：
其中，M表示一维投影点的个数，Δdr表示两个相邻一维投影点的距离。
8.如权利要求7所述的太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，所述一维距离网格上相邻一维投影点的间距小于所述成像网格上相邻成像点的间距，且所述一维投影点与所述成像点到太赫兹圆迹SAR的距离相等；所述成像网格上任意一成像点P(xi,yi)到旋转角度为θ太赫兹圆迹SAR的距离为dPR(xi,yi,θ)，对应的所述一维投影点为rm(θ),rm∈r，其到同太赫兹圆迹SAR的距离为dr(rm,θ)，且满足：
dr(rm,θ)＝dPR(xi,yi,θ)；
且成像点P(xi,yi)和一维投影点rm(θ)到太赫兹圆迹SAR的距离dPR(xi,yi,θ)和dr(rm,θ)分别满足：
其中，R0为太赫兹圆迹SAR运动的圆周半径，H为太赫兹圆迹SAR飞行高度。
9.如权利要求8所述的太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，所述一维投影点经过所述二次投影后获得投影位置数据为Srm(t,θ)；所述投影位置数据Srm(t,θ)即为所述一维投影点的后向散射系数，同样等价于相应的所述成像点的后向散射系数，即：
其中，γP(x,y)(θ)为所述成像点的后向散射系数，γrm(θ)为相应的所述一维投影点的后向散射系数；且所述投影位置数据Srm(t,θ)满足：
其中，A为幅度，B为带宽，c为光速，rcentral为一维距离网格的中心点；且一维距离网格的中心点rcentral距离旋转角度为θ太赫兹圆迹SAR的距离为dr(rcentral,θ)，且满足：
10.如权利要求9所述的太赫兹圆迹SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，所述成像结果为γ(x,y)，且满足：
其中，Na表示方位向的个数。
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