CN111220981B - 基于非正交非线性坐标系输出的中轨星载sar成像方法 - Google Patents

基于非正交非线性坐标系输出的中轨星载sar成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于非正交非线性坐标系输出的中轨星载SAR成像方法，包括：接收中轨星载SAR发出的回波信号；对回波信号在距离向进行傅里叶变换，得到距离频域的信号；将距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号；利用距离非线性频调变标算法，对方位空变最小化的信号进行两维耦合解耦处理，得到距离徙动校正后的信号；对距离徙动校正后的信号进行方位匹配滤波，得到方位向压缩的信号；对方位向压缩的信号进行多普勒重采样，得到方位向处理后的信号；将方位向处理后的信号变换到方位时域，得到粗成像的信号；对粗成像的信号进行几何形变校正，得到成像信号。本发明可以提升中轨星载SAR的成像效率。

Description

基于非正交非线性坐标系输出的中轨星载SAR成像方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于非正交非线性坐标系输出的中轨星载SAR成像方法。
背景技术
与目前的低地球轨道星载SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)相比，中地球轨道星载合成孔径雷达，简称中轨星载SAR，具有更大的幅宽；它的广域覆盖范围长达数百公里，重访时间短，只有几分钟，在许多领域中显示出的巨大应用潜力。中轨星载SAR长时间访问目标区域，通过提供连续的SAR图像，有助于实现动态监视。借助多级带宽设计和波束敏捷性，中轨星载SAR可以同时满足高分辨率与宽扫描带两个特性要求。
由于中轨星载SAR所在的中轨卫星与地球之间的相对运动较慢，在满足分辨率要求的情况下，合成孔径时间变得更长。而随着合成孔径时间的增加会出现一些问题，例如大气相位误差性待校正，斑点噪声影响被引入等。中地球轨道的轨迹曲率也可能影响波束停留时间和等效卫星速度，从而导致分辨率和信号特性随轨道时间而变。尤其在大场景中，方位平移不变性对于中轨星载SAR信号无效。这样的信号既有距离空变，也有方位空变，即信号是二维空变的。
目前，成熟的中轨星载SAR成像方法中，多采用CS(chirp scaling)和omega-K算法处理中轨SAR信号的二维空变。然而，这些算法的计算量大，使得中轨星载SAR成像过程较为复杂，影响了中轨星载SAR的成像效率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供了一种基于非正交非线性坐标系输出的中轨星载SAR成像方法。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于非正交非线性坐标系输出的中轨星载SAR成像方法，包括：
接收中轨星载SAR发出的经过目标反射的回波信号；
对所述回波信号在距离向进行傅里叶变换，得到距离频域的信号；
将原坐标系下的所述距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号；
利用距离非线性频调变标算法，对所述方位空变最小化的信号进行两维耦合解耦处理以补偿距离向的徙动，得到距离徙动校正后的信号；
对所述距离徙动校正后的信号进行方位匹配滤波，得到方位向压缩的信号；
对所述方位向压缩的信号进行多普勒重采样，得到方位向处理后的信号；
将所述方位向处理后的信号变换到方位时域，得到粗成像的信号；
对所述粗成像信号进行几何形变校正，得到无几何失真的中轨星载SAR成像信号。
在本发明的一个实施例中，所述将原坐标系下的所述距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号，包括：
将原坐标系下的所述距离频域的信号乘以预设的距离线性相关函数，得到非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号；所述距离线性相关函数为：
Figure BDA0002376123170000031
其中，j为虚数符号，fc为载频，fr是距离向频率，c为电磁波的传播速度；ΔRCST(ta)为与方位相关的距离偏移，ΔRCST(ta)＝αta+βta 2；ta为方位时间，α和β均为根据所述中轨星载SAR的相关系数所计算的多普勒空变参数。
在本发明的一个实施例中，所述回波信号包括：与距离向时间相关的时变频率信息以及与方位时间相关的斜距。
在本发明的一个实施例中，当使用四阶泰勒展开模型对所述斜距进行展开时，在多普勒中心时间的斜距为：
Figure BDA0002376123170000032
其中，ST为从所述中轨星载SAR到所述目标的向量；R0为所述原坐标下的聚焦距离；ki为所述中轨星载SAR的第i项的相关系数，i的取值分别为1、2、3和4；ta为方位时间，tc为所述多普勒中心时间。
在本发明的一个实施例中，所述对所述粗成像的信号进行几何形变校正，包括：
将所述粗成像的信号乘以预设的线性校正函数；
所述线性校正函数为：
Figure BDA0002376123170000033
其中，j为虚数符号，fr为距离向频率，c为电磁波的传播速度；R0为所述原坐标下的聚焦距离，R'0为所述非正交非线性坐标系下的聚焦距离，
Figure BDA0002376123170000041
k1为i＝1时的相关系数，k20为k2的泰勒级数展开结果中的常数项，k2为i＝2时的相关系数，t′c为将原坐标系下的所述距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号之后，在所述非正交非线性坐标系下的多普勒中心时间；α和β均为根据所述相关系数所计算的多普勒空变参数。
本发明实施例提供的星载SAR成像方法中，利用多普勒调频率的空变特性，将原坐标系下的距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号，从而将原始的回波信号的二维空变统一集中在一维的距离维度；相比于现有技术所采用的算法，本发明实施例提供的星载SAR成像方法的计算过程较为简单，且计算复杂度不高，可以提高星载SAR的成像效率。
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中轨星载SAR成像方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中，中轨星载SAR所在卫星对地面进行探测的几何关系图；
图3(a)、图3(b)以及图3(c)分别是现有技术的中轨星载SAR成像结果中，三个不同位置的目标的二维等高线图；
图3(d)、图3(e)以及图3(f)分别是本发明实施例的中轨星载SAR成像结果中，三个不同位置的目标的二维等高线图；
图4(a)、图4(b)以及图4(c)分别是图3(a)、图3(b)以及图3(c)中，三个不同位置的目标的方位向剖面图；
图4(d)、图4(e)以及图4(f)分别是图3(d)、图3(e)以及图3(f)中，三个不同位置的目标的方位向剖面图。
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。
S10：接收中轨星载SAR发出的经过目标反射的回波信号。
其中，该回波信号为LFM(linear frequency modulation，线性频率调制)回波信号。该回波信号包括：与距离向时间相关的时变频率信息以及与方位时间相关的斜距；该斜距表示的是任意时刻中轨星载SAR与场景中的目标的瞬时斜距。
如图2所示的中轨星载SAR所在卫星对地面进行探测的几何关系图，符号S代表卫星，T代表卫星照射区域的目标；γ为目标到卫星的仰视角；θa为目标到卫星的斜视角；η是卫星到目标的入射角；X、Y和Z代表三维坐标，O为三维坐标的原点。基于该几何关系图，对回波信号进行建模后，该回波信号的斜距可以使用四阶泰勒展开模型进来表示；其中，在多普勒中心时间的斜距可以表示为：
Figure BDA0002376123170000051
其中，ST为从中轨星载SAR到目标的向量；R0为一常数项，可以理解为聚焦距离；ki为第i项的相关系数，i的取值分别为1、2、3和4；ta为方位时间，tc为多普勒中心时间。
该斜距的表达式中，每一项相关系数都可以使用泰勒级数展开。举例而言，当i为2时，k2可以分解为：
Figure BDA0002376123170000061
其中，k20为常数项，k21,r为k2对r的一阶偏导数，k22,rr为k2对r的二阶偏导数，
Figure BDA0002376123170000062
是k2对tc的一阶偏导数，
Figure BDA0002376123170000063
为k2对tc的二阶偏导数，
Figure BDA0002376123170000064
是k2对r与tc的二阶偏导数，r为与扫描带中心相关的距离偏移，r＝R0-Rref，Rref为扫描带中心斜距。
S20：对回波信号在距离向进行傅里叶变换，得到距离频域的信号。
该步骤中，将中轨SAR原始的回波信号在距离向变换到频域，可以便于后续进行坐标系转换。
S30：将原坐标系下的距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号。
该步骤中，具体可以是在多普勒调频率的非线性空变不可忽略的条件下，利用多普勒调频率的空变特性，将原坐标系下的距离频域信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号；具体而言，将原坐标系下的距离频域的信号乘以预设的距离线性相关函数，便可以得到非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号。为了便于描述，将该步骤所实现功能简称为非正交非线性坐标系输出。
其中，距离线性相关函数为：
Figure BDA0002376123170000065
这里，j为虚数符号，fc为中轨星载SAR的载频，c为电磁波的传播速度，fr是距离向频率；ΔRCST(ta)为与方位相关的距离偏移，ΔRCST(ta)＝αta+βta 2；ta为方位时间，α和β均为根据中轨星载SAR的相关系数所计算的多普勒空变参数；α和β的计算方式如下：
Figure BDA0002376123170000071
Figure BDA0002376123170000072
其中，
Figure BDA0002376123170000073
是k2对tc与r的二阶偏导数；k30为k3的泰勒级数展开结果中的常数项，k3为第3项的相关系数；
Figure BDA0002376123170000074
是k3对tc的一阶偏导数；k31,r是k3对r的一阶偏导数，其余参数的含义参见上文。
该步骤中，将距离频域的信号乘以距离线性相关函数，可以实现多普勒调频率的距离空变不改变，而多普勒调频率的方位空变最小化的效果。
可以理解的是，转换到非正交非线性坐标系下后，原有的距离频域信号的距离徙动从二维空变统一集中在了一维的距离维度上，从而使转换后信号的方位空变最小化，即使转换后信号具有了方位平移不变性。这样，非正交非线性坐标系中，具有相同多普勒调频率的信号在同一距离上是对齐的。
该步骤中，在将原坐标系下的距离频域信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号之后，信号的斜距和方位聚焦时间均产生了变化。
具体的，变化后的新斜距表示为：
Figure BDA0002376123170000075
其中，k4为第4项的相关系数；其余参数的含义参见上文。
变化后的新方位聚焦时间表示为：
Figure BDA0002376123170000076
其中，μ为方位时域变标因子，μ＝k20/(k20+β)；其余参数的含义参见上文。
可以理解的是，由于信号的斜距和方位聚焦时间均产生了变化，即信号产生了距离徙动，因此，需要进一步对信号进行处理，把产生的距离徙动补偿掉，具体参见步骤S40。
S40：利用距离非线性频调变标算法，对方位空变最小化的信号进行两维耦合解耦处理以补偿距离向的徙动，得到距离徙动校正后的信号。
该步骤中，对方位空变最小化的信号进行两维耦合解耦处理，能够达到补偿距离向的徙动效果；该效果综合了多种有益效果，包括但不限于：高次相位滤波的效果、非线性频调变标操作的效果、距离压缩的效果、二次距离压缩的效果、距离走动以及距离弯曲校正的效果。
关于利用距离非线性频调变标算法，对方位空变最小化的信号进行两维耦合解耦处理的具体实现方式，与现有技术相同或相似，这里不再赘述。
S50：对距离徙动校正后的信号进行方位匹配滤波，得到方位向压缩信号。
该步骤中，将距离徙动校正后的信号进行方位匹配滤波，可以使目标的信息在方位维度上聚焦于一个方位单元内，起到了对距离徙动校正信号在方位向压缩的效果。
该步骤中，对距离徙动校正后的信号进行方位匹配滤波的具体实现方式存在多种。示例性的，可以将距离徙动校正信号作为预设的方位匹配滤波算法的输入参数，计算得到滤波后的方位向压缩信号。
S60：对方位向压缩的信号进行多普勒重采样，得到方位向处理后的信号。
该步骤中，对方位向压缩的信号进行多普勒重采样后，可以补偿高阶多普勒参数，并校正方位聚焦时间偏移。
其中，对方位向压缩的信号进行多普勒重采样的具体实现方式，可以参照已有相关技术中的多普勒重采样技术，本发明实施例不再赘述。
S70：将方位向处理后的信号变换到方位时域，得到粗成像的信号。
该步骤中，将方位向处理后的信号变换到方位时域，具体可以是对方位向处理后的信号进行方位维度的傅里叶逆变换。
S80：对粗成像的信号进行几何形变校正，得到无几何失真的中轨星载SAR成像信号。
可以理解的是，得到中轨星载SAR成像信号，便可以根据该中轨星载SAR成像信号生成中轨星载SAR的图像。
该步骤中，对粗成像的信号进行几何形变校正的具体过程可以为：对粗成像的信号依次进行距离向的傅里叶变换、线性校正函数匹配以及距离向的傅里叶逆变换，最终得到没有几何失真的中轨星载SAR成像信号。
其中，线性校正函数匹配是指：将进行距离向的傅里叶变换后的粗成像的信号乘以预设的线性校正函数；该线性校正函数为：
Figure BDA0002376123170000091
其中，R'0为进行非正交非线性坐标系输出后，在非正交非线性坐标系下的聚焦距离，
Figure BDA0002376123170000092
k1为i＝1时的相关系数，t′c为将原坐标系下的距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号之后，在非正交非线性坐标系下的多普勒中心时间，即进行非正交非线性坐标系输出后的多普勒中心时间；上述的步骤S60中，对方位向压缩的信号进行多普勒重采样所实现的校正方位聚焦时间偏移的动作，即是将非正交非线性坐标系下的多普勒中心时间t′c变回非正交非线性坐标系输出之前的多普勒中心时间tc；其余参数的含义参见上文。
可以理解的是，对粗成像信号进行几何形变校正，可以达到校正图形几何失真及校正距离偏移的效果。
本发明实施例提供的星载SAR成像方法中，利用多普勒调频率的空变特性，将原坐标系下的距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号，从而将原始的回波信号的二维空变统一集中在一维的距离维度；相比于现有技术所采用的算法，本发明实施例提供的星载SAR成像方法的计算过程较为简单，且计算复杂度不高，可以提高星载SAR的成像效率。
下面，通过仿真验证结果,对本发明实施例提供的中轨星载SAR成像方法中的成像效果进行说明，具体参见下述各个附图。
图3(a)、图3(b)以及图3(c)分别是现有技术的中轨星载SAR成像结果中，三个不同位置的目标的二维等高线图；图3(d)、图3(e)以及图3(f)分别是本发明实施例的中轨星载SAR成像结果中，三个不同位置的目标的二维等高线图；其中，横轴代表在方位向上的采样时间，纵轴为在距离向的采样时间。这里，采样时间的单位可以是秒或毫秒。
图4(a)、图4(b)以及图4(c)分别是现有技术中的中轨星载SAR成像结果中，三个不同位置的目标的方位向剖面图；图4(d)、图4(e)以及图4(f)分别是本发明实施例的中轨星载SAR成像结果中，三个不同位置的目标的方位向剖面图；其中，横轴代表在方位向上的采样时间，纵轴为采样幅度。
基于图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)、图3(e)、图3(f)、图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)、图4(e)以及图4(f)可见，虽然本发明实施例的成像过程中的计算量小，成像过程简单，但本发明实施例的成像结果可以达到与现有技术相当的成像结果。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
本申请是参照本申请实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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 (1)

1.一种基于非正交非线性坐标系输出的中轨星载SAR成像方法，其特征在于，包括：
接收中轨星载SAR发出的经过目标反射的回波信号；
对所述回波信号在距离向进行傅里叶变换，得到距离频域的信号；
将原坐标系下的所述距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号；
利用距离非线性频调变标算法，对所述方位空变最小化的信号进行两维耦合解耦处理以补偿距离向的徙动，得到距离徙动校正后的信号；
对所述距离徙动校正后的信号进行方位匹配滤波，得到方位向压缩的信号；
对所述方位向压缩的信号进行多普勒重采样，得到方位向处理后的信号；
将所述方位向处理后的信号变换到方位时域，得到粗成像的信号；
对所述粗成像信号进行几何形变校正，得到无几何失真的中轨星载SAR成像信号；
所述将原坐标系下的所述距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号，包括：
将原坐标系下的所述距离频域的信号乘以预设的距离线性相关函数，得到非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号；所述距离线性相关函数为：
Figure FDA0003883431640000011
其中，j为虚数符号，fc为中轨星载SAR的载频，fr是距离向频率，c为电磁波的传播速度；ΔRCST(ta)为与方位相关的距离偏移，ΔRCST(ta)＝αta+βta 2；ta为方位时间，α和β均为根据所述中轨星载SAR的相关系数所计算的多普勒空变参数；
其中，所述回波信号包括：与距离向时间相关的时变频率信息以及与方位时间相关的斜距；当使用四阶泰勒展开模型对所述斜距进行展开时，在多普勒中心时间的斜距为：
Figure FDA0003883431640000021
其中，ST为从所述中轨星载SAR到所述目标的向量；R0为所述原坐标下的聚焦距离；ki为所述中轨星载SAR的第i项的相关系数，i的取值分别为1、2、3和4；ta为方位时间，tc为所述多普勒中心时间；
所述对所述粗成像的信号进行几何形变校正，包括：
对所述粗成像的信号依次进行距离向的傅里叶变换、线性校正函数匹配以及距离向的傅里叶逆变换；其中，线性校正函数匹配时所使用的线性校正函数为：
Figure FDA0003883431640000022
其中，j为虚数符号，fr为距离向频率，c为电磁波的传播速度；R0为所述原坐标下的聚焦距离，R'0为所述非正交非线性坐标系下的聚焦距离，
Figure FDA0003883431640000023
k1为i＝1时的相关系数，k20为k2的泰勒级数展开结果中的常数项，k2为i＝2时的相关系数，t'c为将原坐标系下的所述距离频域的信号转换为非正交非线性坐标系下的、方位空变最小化的信号之后，在所述非正交非线性坐标系下的多普勒中心时间；tc为多普勒中心时间，α和β均为根据所述相关系数所计算的多普勒空变参数。
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