CN110988860B - 基于三角波调制的调频连续波sar运动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，包括：针对正调频和负调频信号回波分别进行距离压缩和视频相位去除，得到正负调频对应的距离压缩图像；基于距离频率的运动误差进行SAR运动误差估计；将估计出来的运动误差均用于SAR运动补偿成像处理。本公开无需装载或装载微型低精度POS系统，无需装载传统的高精度POS系统，可大大降低了系统的重量、功耗和成本，可适用于轻小型无人机载SAR高分辨率成像应用。

Description

基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法

技术领域

本公开涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Apture Radar，SAR)的精确成像要求天线相位中心(Antenna Phase Center，APC)的运动轨迹为理想匀速直线运动。但受大气湍流、平台振动等因素的影响，载机平台的运动轨迹常常不是理想匀速直线运动。这种载机轨迹的非理想性导致SAR成像质量下降，如分辨率降低、信噪比下降、旁瓣升高等。因此，需要在SAR成像处理器中补偿载机非理想运动对SAR成像所造成的负面影响，即运动补偿处理，才能得到满足系统指标要求的SAR图像。

目前SAR运动补偿方法主要分为基于传感器的运动补偿和基于SAR回波数据的运动补偿方法。其中，基于运动传感器的SAR运动补偿方法依赖高精度POS系统，例如加拿大Aplanix公司生产的POSAV510、POSAV610系列，该系列产品重量大于5kg，成本需要数十万美元，功耗不小于50W，因此其一般用于大型有人机载SAR成像系统，难以适用于低成本轻小型无人机平台载SAR成像应用。此外，近年来，随着SAR系统技术发展，其成像分辨率逐步提升至几个厘米，例如毫米波SAR、激光SAR等高分辨率成像新体制，POS的运动测量精度已不能满足SAR高分辨率成像的需求，亟需发展新的SAR运动补偿方法。而基于SAR回波数据的运动补偿方法，首先，需要图像中存在大量的特显点目标来提取方位运动误差，因此对场景的依赖性较强，且当特显点目标质量差时会影响成像精度；其次，该方法以图像聚焦为最终目的，保相性能差，在干涉SAR、层析SAR等对相位保持精度高的成像模式难以适用；最后，该算法需要通过多次迭代逐步逼近最终的运动误差，运动补偿效率低。

基于目前常用的两种SAR运动补偿方法存在的问题，还需要进一步研发更加适合轻小型无人机载SAR平台载SAR成像应用且运动补偿效率更高的SAR运动补偿方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，包括步骤：

S1、针对正调频和负调频信号回波分别进行距离压缩和视频相位去除，得到正负调频对应的距离压缩图像；

S2、基于距离频率的运动误差进行SAR运动误差估计；

S3、将估计出来的运动误差均用于SAR运动补偿成像处理。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S2包括步骤：

S21、对正负调频距离压缩图像进行插值；

S22、对正负调频距离压缩图像进行配准，得到正负调频压缩距离图像对应的频率；

S23、求取正负调频压缩距离图像对应的频率的频率差与频率和；

S24、根据频率差或频率和，对径向的运动速度误差求取积分，求取斜距误差。

在本公开的一些实施例中，步骤S1前还包括步骤：

S0、进行运动误差信号模型的构建，包括：

当发生径向的运动速度误差v_r，设目标相对于正调频波形时的雷达斜距为R₁，设目标相对于负调频波形时的雷达斜距为R₂，正调频波形dechirp接收后的差频信号表示为：

负调频波形dechirp接收后的差频信号表示为：

其中R₂＝R₁+v_rt_r，c是光速。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S1包括：

对正负调频接收的差频信号沿距离向进行FFT，并去除视频相位项，得到距离压缩图像表达式：

其中，λ＝c/f_c为雷达发射信号波长，sinc[.]函数项表示目标在图像中的位置，指数相位项为多普勒相位项。

在本公开的一些实施例中，步骤S3中用于基于低精度微型POS系统的SAR运动补偿成像处理或基于自聚焦的SAR运动补偿成像处理。

根据本公开的另一个方面，提供了一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，包括步骤：

S1`、针对正调频和负调频信号回波分别进行距离压缩和视频相位去除，得到正负调频对应的距离压缩图像；

S2`、基于干涉相位的运动误差进行SAR运动误差估计；

S3`、将估计出来的运动误差均用于SAR运动补偿成像处理。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S2、包括步骤：

S21`、对正负调频距离压缩图像求共轭后，取得相位差；

S22`、反演速度误差和斜距误差。

在本公开的一些实施例中，步骤S1`前还包括步骤：

S0`、进行运动误差信号模型的构建，包括：

当发生径向的运动速度误差v_r，设目标相对于正调频波形时的雷达斜距为R₁，设目标相对于负调频波形时的雷达斜距为R₂，正调频波形dechirp接收后的差频信号表示为：

负调频波形dechirp接收后的差频信号表示为：

其中R₂＝R₁+v_rt_r，c是光速。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S1`包括：

对正负调频接收的差频信号沿距离向进行FFT，并去除视频相位项，得到距离压缩图像表达式：

其中，λ＝c/f_c为雷达发射信号波长，sinc[.]函数项表示目标在图像中的位置，指数相位项为多普勒相位项。

在本公开的一些实施例中，步骤S3`中用于基于低精度微型POS系统的SAR运动补偿成像处理或基于自聚焦的SAR运动补偿成像处理。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开无需装载或装载微型低精度POS系统，无需装载传统的高精度POS系统，可大大降低了系统的重量、功耗和成本，可适用于轻小型无人机载SAR高分辨率成像应用。

(2)本公开保相性能好，未破坏目标的相位精度，可适用于InSAR、层析SAR等对保相精度要求高的SAR工作模式成像。

(3)本公开无需迭代处理，在距离压缩图像域进行简单的参数计算，运动补偿效率更高。

(4)本公开不依赖于场景中是否存在特显点，仍然可适用于均匀场景无强点的SAR数据运动补偿。

附图说明

图1为本公开基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法的流程框图。

图2为本公开第一实施例基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法的示意图。

图3为发射和接收的FMCW波形的频率分量及去斜信号频率分量。

图4为本公开第二实施例基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法的示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，包括：针对正调频和负调频信号回波分别进行距离压缩和视频相位去除，得到正负调频对应的距离压缩图像；基于距离频率的运动误差进行SAR运动误差估计；将估计出来的运动误差均用于SAR运动补偿成像处理。本公开无需装载或装载微型低精度POS系统，无需装载传统的高精度POS系统，可大大降低了系统的重量、功耗和成本，可适用于轻小型无人机载SAR高分辨率成像应用。

在描述问题的解决方案之前，再详细介绍下目前常用的两种SAR运动补偿方法：

基于传感器的运动补偿是利用全球导航卫星定位(Global NavigationSatellite System，GNSS)/捷联惯性导航(Inertial Navigation System，INS)组合导航系统测量载机的飞行轨迹，并在成像处理阶段对SAR数据进行运动补偿处理。GNSS/INS组合导航系统，也称为GPS/INS组合导航系统、GPS/IMU(Inertial Measurement Unit)组合导航系统，这里统称为高精度定位定姿系统(Position and Orientation System，POS)系统。基于POS运动测量传感器方法是目前工程中应用最为广泛的SAR运动补偿方法。

当载机平台因为重量、成本等因素难以安装高精度POS系统时，通常采用基于SAR回波数据的运动补偿方法。基于SAR数据的运动补偿是指不依赖任何外界信息，仅利用SAR回波数据感知运动参数能力，对成像参数进行校正或对SAR数据进行相关的补偿处理。处理手段包括基于回波数据估计多普勒中心频率、调频率等成像参数，以及利用成像场景中包含的强特显点相位历史估计方位向的运动误差(也称为自聚焦成像)。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法。

图1为本公开基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法的流程框图。图2为本公开第一实施例基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法的示意图。如图1和图2所示，本公开基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，包括：

步骤S1、针对正调频和负调频信号回波分别进行距离压缩和视频相位去除，得到正负调频对应的距离压缩图像；

步骤S2、基于距离频率的运动误差进行SAR运动误差估计；

步骤S3、将估计出来的运动误差均用于SAR运动补偿成像处理。

图3为发射和接收的FMCW波形的频率分量及去斜信号频率分量。如图3所示，上部分别为发射和接收信号瞬时频率，下部为差频(dechirp)之后中频信号的瞬时频率，正调频波形去斜后频率为f_r ⁺，负调频波形去斜后的频率为f_r ^-，T_P表示脉冲重复周期。

在步骤S1前还包括：步骤S0、进行运动误差信号模型的构建，包括：

SAR发射调频连续波信号：

其中t_a是方位慢时间，t_r是距离快时间，f_c是信号载频，K是调频率(当正调频时为正值，负调频时为负值)。

当载机平台发生径向的运动速度误差v_r，设目标相对于正调频波形时的雷达斜距为R₁，设目标相对于负调频波形时的雷达斜距为R₂，正调频波形dechirp接收后的差频信号表示为：

负调频波形dechirp接收后的差频信号表示为：

其中R₂＝R₁+v_rt_r，c是光速。

公式(2)(3)指数相位项第一项为点频信号，不同频率代表目标处于不同位置；第二项为多普勒相位项，包含了运动误差信息；第三项为视频相位项。

步骤S1、针对正调频和负调频信号回波分别进行距离压缩和视频相位去除，得到正负调频对应的距离压缩图像。

对正负调频接收的差频信号沿距离向进行FFT，并去除视频相位项，得到距离压缩图像表达式：

其中λ＝c/f_c为雷达发射信号波长，公式(4)(5)中sinc[.]函数项表示目标在图像中的位置，由于存在运动误差，相同目标在正负调频图像中的相对位置发生了偏移，利用目标在正负调频图像中的频率值可计算径向的速度和带运动误差的斜距值。公式(4)(5)中的指数相位项为多普勒相位项，通过求正负调频图像相位差可求得脉间的相对运动误差。

步骤S2、基于距离频率的运动误差进行SAR运动误差估计。

步骤S21、对正负调频距离压缩图像进行插值。插值的倍数使得频率间隔Δf应满足：

步骤S22、对正负调频距离压缩图像进行配准。配准的方法可采用传统的相关匹配的方法，配准完成后得到该目标正负调频压缩距离图像对应的频率f_i ⁺、f_i ^-。

步骤S23、求取正负调频压缩距离图像对应的频率的频率差与频率和。

根据公式(4)(5)求取频率差与频率和：

步骤S24、根据频率差或频率和，对径向的运动速度误差求取积分，求取斜距误差。

根据公式(7)对速度v_r求取积分即得到斜距误差

或者

根据公式(8)计算R₁，R₁是包含运动误差的雷达斜距，斜距误差可表示为ΔR＝R₁-cf_i/2/K。

基于距离频率的运动误差估计方法，算法估计精度依赖于配准精度，当图像中存在强点目标时，匹配精度能够得到明显提升，因此，基于距离频率的运动误差估计方法适用于图像中存在明显的强点目标时。

步骤S3、将估计出来的运动误差用于SAR运动补偿成像处理。具体可以用于低精度微型POS系统的运动补偿成像处理或自聚焦运动补偿成像处理。本公开提供的基于三角波调制的FMCW-SAR的运动补偿方法，可与传统的基于POS的运动补偿方法和基于SAR回波数据的运动补偿方法结合起来使用。在无人机轻小型平台上可以安装低精度微型POS系统，本公开可以在低精度POS运动补偿后，进一步对残余运动误差进行更高精度的补偿。当尚未安装POS系统时，由于本公开只能估计径向的速度，可与调频率估计算法结合起来使用。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，包括：

步骤S1`、针对正调频和负调频信号回波分别进行距离压缩和视频相位去除，得到正负调频对应的距离压缩图像；

步骤S2`、基于干涉相位的运动误差进行SAR运动误差估计；包括：

步骤S21`、对正负调频距离压缩图像求共轭后，取得相位差；

步骤S22`、反演速度误差和斜距误差；

步骤S3`、将估计出来的运动误差均用于SAR运动补偿成像处理。

如图1和图4所示，与第一实施例的基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法相比，本实施例基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法的区别在于：基于干涉相位的运动误差进行SAR运动误差估计。

基于距离频率的方法依赖于配准精度，当图像中没有强点目标时，配准精度较低，反演的运动误差精度低，此时根据公式(4)(5)，正负调频距离压缩图像求共轭后取相位差，如步骤S21`所述：

其中Phase[.]表示计算复数相位。

这样通过正负调频图像做干涉后可求得干涉相位，从而计算斜距误差及径向速度，如步骤S22`所述：

其中，PRT是三角调频连续波的脉冲重复周期。基于干涉相位的运动误差估计方法的优势在于无需插值和高精度配准即可实现斜距误差的高精度反演。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法可大大降低了系统的重量、功耗和成本，更适用于轻小型无人机载SAR高分辨率成像应用。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，包括步骤：

S1、针对正调频和负调频信号回波分别进行距离压缩和视频相位去除，得到正负调频对应的距离压缩图像；其中，所述步骤S1包括：

对正负调频接收的差频信号沿距离向进行FFT，并去除视频相位项，得到距离压缩图像表达式：

其中，λ＝c/f_c为雷达发射信号波长，sinc[·]函数项表示目标在图像中的位置，指数相位项为多普勒相位项；t_a表示为方位慢时；t_r表示为距离快时间；K表示为发射信号调频率；当发生径向的运动速度误差v_r，设目标相对于正调频波形时的雷达斜距为R₁，设目标相对于负调频波形时的雷达斜距为R₂；

S2、基于距离频率的运动误差进行SAR运动误差估计；其中，所述步骤S2包括步骤：

S21、对正负调频距离压缩图像进行插值；

S22、对正负调频距离压缩图像进行配准，得到正负调频压缩距离图像对应的频率；

S23、求取正负调频压缩距离图像对应的频率的频率差与频率和；其中，所述S23包括：

正负调频压缩距离图像对应的频率的频率差：

正负调频压缩距离图像对应的频率的频率和：

S24、根据频率差或频率和，对径向的运动速度误差求取积分，求取斜距误差；所述S24包括：根据所述正负调频压缩距离图像对应的频率的频率差对速度v_r求取积分即得到斜距误差

或者

根据所述正负调频压缩距离图像对应的频率的频率和计算R₁，斜距误差可表示为ΔR＝R₁-cf_i/2/K；

S3、将估计出来的运动误差均用于SAR运动补偿成像处理。

2.根据权利要求1所述的基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，其中，步骤S1前还包括步骤：

S0、进行运动误差信号模型的构建，包括：

正调频波形dechirp接收后的差频信号表示为：

负调频波形dechirp接收后的差频信号表示为：

其中R₂＝R₁+v_rt_r，c是光速。

3.根据权利要求1所述的基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，其中，步骤S3中用于基于低精度微型POS系统的SAR运动补偿成像处理或基于自聚焦的SAR运动补偿成像处理。

4.一种基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，包括步骤：

S1`、针对正调频和负调频信号回波分别进行距离压缩和视频相位去除，得到正负调频对应的距离压缩图像；其中，所述步骤S1`包括：

对正负调频接收的差频信号沿距离向进行FFT，并去除视频相位项，得到距离压缩图像表达式：

其中，λ＝c/f_c为雷达发射信号波长，sinc[·]函数项表示目标在图像中的位置，指数相位项为多普勒相位项；K表示为发射信号调频率；当发生径向的运动速度误差v_r，设目标相对于正调频波形时的雷达斜距为R₁，设目标相对于负调频波形时的雷达斜距为R₂；

S2`、基于干涉相位的运动误差进行SAR运动误差估计；其中，所述步骤S2`包括步骤：

S21`、对正负调频距离压缩图像求共轭后，取得相位差；所述步骤S21`包括：

其中Phase[.]表示计算复数相位；

S22`、反演速度误差和斜距误差；所述步骤S22`包括：

其中，PRT是三角调频连续波的脉冲重复周期；

S3`、将估计出来的运动误差均用于SAR运动补偿成像处理。

5.根据权利要求4所述的基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，其中，步骤S1`前还包括步骤：

S0`、进行运动误差信号模型的构建，包括：

正调频波形dechirp接收后的差频信号表示为：

负调频波形dechirp接收后的差频信号表示为：

其中R₂＝R₁+v_rt_r，c是光速。

6.根据权利要求4所述的基于三角波调制的调频连续波SAR运动补偿方法，其中，步骤S3`中用于基于低精度微型POS系统的SAR运动补偿成像处理或基于自聚焦的SAR运动补偿成像处理。

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