CN111443339B - 一种双基sar空变校正成像方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种双基SAR空变校正成像方法、装置、设备及存储介质,该方法包括:利用第一运行轨迹、第二运行轨迹及对雷达回波信号进行成像时成像参数,计算等效单基模式下成像场景目标点对应运动参数;目标点至少包括像场景中心点;利用中心点对应运动参数,对回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正;对校正后信号进行一致和残余距离徙动校正后,进行距离向分块,逐块校正距离向空变相位误差;接着对其进行方位向分块,构建对应数量滤波器进行滤波处理;进而进行多普勒中心偏置逆向校正,得到最终成像结果图。如此,通过对雷达回波信号进行距离向空变误差校正和方位向多匹配滤波器处理,实现二维空变特性校正,降低成像处理引入的相位误差。
Description
技术领域
本发明涉及双基合成孔径雷达(Bistatic Synthetic Aperture Radar,BiSAR)技术,尤其涉及一种双基SAR空变校正成像方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
BiSAR是一种接收机和发射机处于空间中相隔一定距离的不同工作平台的SAR成像体制。由于收发平台分置,BiSAR系统具备许多传统单基SAR不具备的优势:首先,收发系统分离,可以用较低的硬件费用实现“一发多收”的配置;其次,发射机和接收机搭载的平台多样,构成不同的双基成像系统,比如以在轨的星载SAR作为发射源,以机载平台构成接收系统形成星-机BiSAR系统,或将接收机置于固定位置构成星-地一站固定式BiSAR系统。此外,双星编队也可组成BiSAR系统,比如目前在轨的德国TanDEM-X系统,以双星编队获取全球高精度的数字高程信息。由于双基SAR系统的基线配置灵活,避免了单基SAR系统在进行干涉处理时的时间去相干和大气效应问题,能够得到比单基SAR系统更好的地形高程测量结果。然而,在星载双基SAR实现高精度成像和干涉应用时,容易因为成像算法不具备很好的相位保持能力而增大成像处理引入的相位误差。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明实施例提供一种双基SAR空变校正成像方法、装置、设备及存储介质,目的在于提高成像算法的相位保持能力,进而降低成像处理引入的相位误差,实现了高精度成像。
为达到上述目的,本发明实施例的技术方案是这样实现的:
本发明实施例提供了一种双基SAR空变校正成像方法,包括:
获取第一卫星的第一运行轨迹、第二卫星的第二运行轨迹和所述第二卫星发送的雷达回波信号;
基于所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及对所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,计算出在等效单基模式下成像场景目标点对应的运动参数;所述成像场景目标点至少包括一个成像场景中心点;
基于所述场景中心点对应的运动参数,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号;
对所述多普勒中心偏置校正后的信号进行一致距离徙动校正和残余距离徙动校正,得到第一校正信号;
对所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并逐块校正距离向空变相位误差,得到第二校正信号;
对所述第二校正信号按照方位向分块策略进行方位向分块,并构建对应数量的方位匹配滤波器,进行滤波处理,得到方位向中间成像结果;
利用所述场景中心点对应的运动参数构建的多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到方位向的最终成像结果图。
上述方案中,所述基于所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及对所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,计算出在等效单基模式下成像场景目标点对应的运动参数,包括:利用外部地形高程数据和所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,得到所述成像场景目标点的位置坐标;利用所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及所述场景目标点的位置坐标,计算出各个脉冲发射时刻的所述场景目标点的双基距离历程;将所述场景目标点的双基距离历程通过最小方差拟合,得到等效单基模式下所述场景目标点的运动参数;其中,所述运动参数包括:所述第二卫星与所述场景目标点之间的最近距离、所述第二卫星相对于所述场景目标点的等效速度和所述场景目标点的最近距离对应的最近时刻。
上述方案中,所述基于所述场景中心点对应的运动参数,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号,包括:基于所述场景中心点的最近距离、等效速度和最近时刻,得到所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率;基于所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率,构建方位向多普勒中心频率校正函数;基于所述方位向多普勒中心频率校正函数与所述雷达回波信号,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号。
上述方案中,所述对所述多普勒中心偏置校正后的信号进行一致距离徙动校正和残余距离徙动校正,得到第一校正信号,包括:通过距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换将所述多普勒中心偏置校正后的信号从二维时域转换到二维频域,得到二维频域信号;基于所述成像场景中心点对应的运动参数构建的一致距离校正函数和所述二维频域信号,得到一致距离校正信号;将所述一致距离校正信号从二维频域转换到距离多普勒域,得到距离多普勒域信号;根据所述成像场景中M个目标点的最近距离和等效速度,确定在距离多普勒域的距离轴向N个距离点对应的等效速度;其中,所述M个目标点包括位于预设轨迹上的所述场景中心点和至少一个场景参考点,N取正整数;根据所述场景中心点的最近距离、等效速度和所述N个距离点对应的等效速度,得到残余距离徙动校正;基于所述残余距离徙动校正与所述距离多普勒域信号,得到所述第一校正信号。
上述方案中,所述对所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并逐块校正距离向空变相位误差,得到第二校正信号,包括:将所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并将得到的P个分块信号从距离多普勒域转换到二维频域,得到P个二维频域分块信号;其中,P取大于1的整数;根据所述P个二维频域分块信号内的目标点的运动参数计算P个空变相位误差项;利用所述P个距离向空变相位误差项对所述P个二维频域分块信号进行相位校正,得到P个相位校正后的分块信号;将所述P个相位校正后的分块信号从二维频域转换到距离多普勒域,并将转换结果进行拼接,得到距离向空变校正后的所述第二校正信号。
上述方案中,所述对所述第二校正信号按照方位向分块策略进行方位向分块,并构建对应数量的方位匹配滤波器,进行滤波处理,得到方位向中间成像结果,包括:按照所述方位向分块策略将所述第二校正信号进行方位向分块,得到Q个分块信号,并构建对应的Q个方位匹配滤波器;其中,Q取大于1的整数;利用所述Q个方位匹配滤波器分别对所述Q个分块信号进行滤波处理,得到Q个匹配滤波处理结果;将所述Q个匹配滤波处理结果从距离多普勒域转换到二维时域,并将转换结果进行拼接,得到所述中间成像结果。
上述方案中,所述利用所述场景中心点对应的运动参数构建的多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到方位向的最终成像结果图,包括:基于所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率,构建多普勒中心相位逆校正函数;基于所述多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果中引入的相位偏置进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到所述最终成像结果图。
第二方面,提供了一种双基SAR空变校正成像装置,该装置包括:
获取单元,用于获取第一卫星的第一运行轨迹、第二卫星的第二运行轨迹和所述第二卫星发送的雷达回波信号;
计算单元,用于基于所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及对所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,计算出在等效单基模式下成像场景目标点对应的运动参数;所述成像场景目标点至少包括一个成像场景中心点;
校正单元,用于基于所述场景中心点对应的运动参数,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号;
所述校正单元,还用于对所述多普勒中心偏置校正后的信号进行一致距离徙动校正和残余距离徙动校正,得到第一校正信号;
所述校正单元,还用于对所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并逐块校正距离向空变相位误差,得到第二校正信号;
所述校正单元,还用于对所述第二校正信号按照方位向分块策略进行方位向分块,并构建对应数量的方位匹配滤波器,进行滤波处理,得到方位向中间成像结果;
成像单元,用于利用所述场景中心点对应的运动参数构建的多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到方位向的最终成像结果图。
第三方面,提供了一种双基SAR空变校正成像设备,包括:处理器和配置为存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器,其中,所述处理器配置为运行所述计算机程序时,执行前述方法的步骤。
第四方面,提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其中,该计算机程序被处理器执行时实现前述方法的步骤。
采用上述技术方案,利用第一运行轨迹、第二运行轨迹及对雷达回波信号进行成像时成像参数,计算等效单基模式下成像场景目标点对应运动参数;目标点至少包括像场景中心点;利用中心点对应运动参数,对回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正;对校正后信号进行一致和残余距离徙动校正后,进行距离向分块,逐块校正距离向空变相位误差;接着对其进行方位向分块,构建对应数量滤波器进行滤波处理;再对滤波处理后结果进行多普勒中心偏置逆向校正,得到最终成像结果图。如此,通过对雷达回波信号进行距离向空变误差校正和方位向多匹配滤波器处理,实现二维空变特性校正,降低成像处理引入的相位误差。
附图说明
图1为实现本申请实施例中双基SAR空变校正成像方法的流程示意图;
图2为本申请实施例中成像场景内各个目标点示意图;
图3为本申请实施例中距离向分块示意图;
图4为本申请实施例中实现方位向匹配滤波示意图;
图5为本申请实施例中9个目标点的回波信号强度示意图;
图6为本申请实施例中距离向空变校正后的成像结果图;
图7为本申请实施例中方位向空变校正后的的成像结果图;
图8为本申请实施例中图7中右上角目标点的仿真结果图;
图9为本申请实施例中展示出目标点的聚焦质量示意图;
图10为本申请实施例中目标点所对应的距离向的频率特征响应曲线示意图;
图11为本申请实施例中目标点所对应的方位向的频率特征响应曲线示意图;
图12为本申请实施例中双基SAR空变校正成像装置的结构示意图;
图13为本申请实施例中双基SAR空变校正成像设备的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容,下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述,所附附图仅供参考说明之用,并非用来限定本申请实施例。
需要说明的是,由于双基SAR系统的基线配置灵活,避免了单基SAR系统在进行干涉处理时的时间去相干和大气效应问题,能够得到比单基SAR系统更好的地形高程测量结果。然而,双基SAR系统在实现高精度成像和干涉应用时,要求成像算法具备很好的相位保持能力;其具备高相位保持能力的前提是实现成像场景内各个散射点的空变特性校正。
在双基SAR系统中,发射端和接收端空间分置且运动矢量不同,导致同一距离门的点目标的最近距离和多普勒特征不同。因此,在距离向压缩时,应考虑随距离门变化的多普勒参数,在方位向压缩时,应考虑同一距离门内的速度参数变化导致的压缩滤波器失配。也就是说,通过距离向空变误差校正和方位向多匹配滤波处理来实现空变特性校正,降低成像处理引入的相位误差。
为了解决上述存在的问题,本申请实施例提供了一种双基SAR空变校正成像方法,图1为本申请实施例中双基SAR空变校正成像方法的流程示意图,如图1所示,步骤101至步骤104的执行主体可以为双基SAR空变校正成像装置的处理器。该双基SAR空变校正成像方法具体可以包括:
步骤101:获取第一卫星的第一运行轨迹、第二卫星的第二运行轨迹和所述第二卫星发送的雷达回波信号;
需要说明的是,由第一卫星向地面监控设备发射雷达回波信号,地面监控设备监控设备反射雷达回波信号给第一卫星,同时将雷达回波信号反射给第二卫星,第二卫星再发送雷达回波信号给地面监控设备监控设备。这里,第一卫星可以为主星,第二卫星可以为辅星。其中,地面监控设备用于接收第二卫星发送的雷达回波信号及对雷达回波信号进行空变校正成像。
本申请主要针对第二卫星接收的雷达回波信号进行校正处理。
步骤102:基于所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及对所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,计算出在等效单基模式下成像场景的运动参数;所述成像场景目标点至少包括一个成像场景中心点;
需要说明的是,对雷达回波信号使用成像算法进行成像之前,需先设计好其具体成像时的成像参数;利用第一运行轨迹、第二运行轨迹及成像参数,计算出在等效单基模式下成像场景的运动参数。
上述提到的成像参数包括成像场景各个点所处的经度、纬度信息;需结合外部地形高程数据(Digital Elevation Model,DEM),依据各个点所处的经度、纬度信息从数据库中找到相应的高度信息,进而得到成像场景中目标点的位置坐标;其中,成像场景中目标点的位置坐标至少包括成像中心点的位置坐标。
利用第一运行轨迹、第二运行轨迹及成像场景目标点的位置坐标,计算出各个脉冲发射时刻的所述目标点的双基距离历程,进一步地,采用单基合成孔径雷达模式下的双曲距离模型,得到双基距离历程的另一种表达方式,再进行最小方差拟合计算,得到等效单基模式下场景目标点的三个运动参数。
示例性地,假设在回波信号获取阶段,星载双基合成孔径雷达(SyntheticAperture Radar,SAR)平台的第一卫星和第二卫星的运动轨迹分别为 其中ηn表示第n个信号接收时刻,总计共有Na个信号接收时刻,也就是每个卫星记录下Na条数据,而且在信号接收时刻,第一卫星的轨迹是第二卫星的轨迹是假设成像场景中心点坐标为那么成像场景中心点在每一个信号接收时刻,可计算出每个时刻信号的双基距离历程,即信号从第一卫星到目标地面监控设备,再从目标地面监控设备到第二卫星的距离,那么成像场景中心点对应的双基距离历程为
实际应用中,对于单基SAR系统,卫星发射雷达信号到目标地面监控设备,再反射到卫星自身,构成自发自收的模式,此时,卫星到目标地面监控设备的距离可以表示为:其中,R0为卫星到目标地面监控设备的最近距离,V0为等效速度,t0为目标地面监控设备到卫星的最近距离时刻。基于单基SAR系统下计算距离历程的思想理念,在这里,计算双基距离历程时可采用等效单基近似,则公式(1)所示的双基距离历程表示为:
进一步地,采用最小均方误差法,对进行拟合,计算出成像场景中心点的三个运动参数,即第二卫星与场景中心点之间的最近距离R0,第二卫星相对于场景中心点的等效速度v0,第二卫星相对于场景中心点的最近时刻η0。
步骤103:基于所述场景中心点对应的运动参数,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号;
需要说明的是,基于场景中心点的三个运动参数生成的场景中心点对应的多普勒中心频率;其多普勒中心频率可能等于0或者不等于0;多普勒中心频率等于0时,说明是以多普勒中心频率为中心,其两边频谱对称,不会影响雷达回波信号的成像质量;然而,多普勒中心频率不等于0时,说明第二卫星的观测角度倾斜,频谱不对称,需要进行频谱搬移,处理成以多普勒中心频率为中心,两边对称的频谱,方便之后的处理。
具体地,基于场景中心点的最近距离、等效速度和最近时刻,得到成像场景中心点对应的多普勒中心频率;再利用成像场景中心点对应的多普勒中心频率,构建方位向多普勒中心频率校正函数;将方位向多普勒中心频率校正函数与雷达回波信号相乘,达到对雷达回波信号的方位向多普勒中心偏置校正。
示例性地,成像场景中心点的三个运动参数,即第二卫星与场景中心点之间的最近距离R0,第二卫星相对于场景中心点的等效速度v0,第二卫星相对于场景中心点的最近时刻η0;利用成像场景中心点的三个运动参数,计算出成像中心点对应的多普勒中心频率:
其中,λ表示雷达发射微波信号的载频波长。
基于多普勒中心频率fdc和第n个信号的接收时刻ηn,在方位时域,构建方位向多普勒中心频率校正函数,即:
Ha(ηn;fdc)=exp(-j2πfdcηn) (4)
将方位向多普勒中心频率校正函数Ha(ηn;fdc)与第二卫星发送的雷达回波信号s(t,ηn)相乘,实现对雷达回波信号的方位向多普勒中心偏置校正。此时,雷达回波信号的方位向频谱以多普勒中心频率fdc为中心延拓,其为其中Ba为方位向频谱带宽。
步骤104:对所述多普勒中心偏置校正后的信号进行一致距离徙动校正和残余距离徙动校正,得到第一校正信号;
需要说明的是,此步骤是对多普勒中心偏置校正后的信号进行距离向空变校正;分两步进行,先粗处理再精处理;粗处理,即一致距离徙动校正时,以成像场景中心点对应的运动参数构建一致距离处理函数,对整个成像场景先用一个统一的参数进行校正,这时,校正了一致的距离徙动,同时去除了成像场景中心点的高次相位,成像场景其他点的高次相位被削弱,其成像场景其他点的距离徙动也变小;再通过精处理,即通过残余距离徙动校正,完成整个成像场景中各个点的距离徙动校正。其中,一致距离徙动校正是在二维频域中进行,残余距离徙动校正是在距离多普勒域中进行。
具体地,进行一致距离徙动校正时,将二维时域的多普勒中心偏置校正后的信号经过距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换到二维频域,得到二维频域信号;利用成像场景中心点对应的运动参数构建的一致距离校正函数,并将一致距离校正函数与二维频域信号相乘,得到一致距离校正信号;其中,利用一致距离校正函数实现距离压缩和一致距离徙动校正。
进行参与距离徙动校正时,首先将一致距离校正后的信号由二维频域转换到距离多普勒域,得到距离多普勒域信号;根据成像场景中M个目标点的最近距离和等效速度,确定在距离多普勒域的距离轴向N个距离点对应的等效速度;其中,M个目标点包括位于预设轨迹上的场景中心点和至少一个场景参考点,N取正整数;根据场景中心点的最近距离、等效速度和N个距离点对应的等效速度,得到残余距离徙动校正;基于残余距离徙动校正与距离多普勒域信号,得到第一校正信号。
示例性地,距离徙动校正包括:一致距离徙动校正和残余距离徙动校正。对雷达回波信号进行一致距离徙动校正是在二维频域中完成,其具体步骤如下:
第一步,将二维时域的雷达回波信号s(t,ηn)通过距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换到二维频域,得到二维频域信号S2df(f,fη),公式(5)为其表达式,其中,和分别表示距离向和方位向的傅里叶变换;
第二步,根据成像场景中心点对应的运动参数构建一致距离校正函数;其中,这里所说的运动参数包括成像场景中心点的最近距离R0和等效速度v0;即一致距离校正函数表达式为公式(6),其公式(6)中,f表示距离向频率,f0表示雷达发射回波信号的载频,fη表示方位向频率,Kr表示距离向调频率;
第三步,将一致距离校正函数Hbrcmc(f,fη;R0,v0)与二维频域信号S2df(f,fη)相乘,得到一致距离校正信号;其中,利用一致距离校正函数实现距离压缩和一致距离徙动校正。
下面接着对一致距离校正信号进行残余距离徙动校正,其残余距离徙动校正是在距离多普勒域完成,其具体步骤如下:
第一步,对一致距离校正信号进行距离向傅里叶逆变换,得到距离多普勒域信号,这里,距离多普勒域信号可以表示为:Srd(t,fη);
第二步,根据成像场景中M个目标点的最近距离和等效速度,确定在距离多普勒域的距离轴向N个距离点对应的等效速度v0m,m=1,2,...,Nr;其中,M个目标点包括位于预设轨迹上的所述场景中心点和至少一个场景参考点,N取正整数;
具体地,图2为本申请实施例中成像场景内各个目标点示意图。其中,方位向和距离向的目标点数为na×nr。上述所指出的M个目标点也就是说距离向nr个目标点数;M个目标点包括位于预设轨迹上的所述场景中心点和至少一个场景参考点;其中,预设轨迹可以是图2中成像场景中心点所在的第nk行;根据其所在第nk行的各个目标点的最近距离和等效速度,确定出在距离多普勒域的距离轴向N个距离点对应的等效速度v0m,m=1,2,...,Nr。
实际应用中,根据雷达回波信号的传播时间可以得到一个距离轴其中c为光速。对于图2中所在第nk行的各个目标点,可以通过等效单基,求得每个网格点的最近距离其最近距离点数比距离轴向的点数多,加上最近距离在距离轴上不一定存在对应的数值,即不一定在上;基于第nk行的各个目标点的最近距离、等效速度和距离轴的对应关系,通过sinc插值函数得到整个距离轴对应的等效速度,即v0m,m=1,2,...,Nr。其sinc插值函数输入的是目标点的最近距离、等效速度即需要插值的距离,输出所哟啊插值的距离处的等效速度。
第三步,基于场景中心点的最近距离R0、等效速度v0和N个距离点对应的等效速度v0m,m=1,2,...,Nr,计算出残余距离徙动为:
其中,fη表示方位向频率,R0m表示距离向第m个点对应的距离,公式(8)中两个参数表示在距离多普勒域,距离徙动随多普勒频率的变化系数。
第四步,通过残余距离徙动校正对距离多普勒域信号进行校正,得到第一校正信号。
步骤105:对所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并逐块校正距离向空变相位误差,得到第二校正信号;
需要说明的是,由于进行距离向校正时产生了距离向空变相位误差,所以,为了防止对成像质量造成影响,这里通过对距离向校正后的第一校正信号进行距离向分块处理,并逐块校正距离向校正时造成的空变相位误差,得到误差校正后的距离门信号。
具体地,将第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并将得到的P个分块信号从距离多普勒域转换到二维频域,得到P个二维频域分块信号;其中,P取大于1的整数;根据P个二维频域分块信号内的目标点的运动参数计算P个空变相位误差项;利用P个距离向空变相位误差项对P个二维频域分块信号进行相位校正,得到P个相位校正后的分块信号;将P个相位校正后的分块信号从二维频域转换到距离多普勒域,并将转换结果进行拼接,得到距离向空变校正后的所述第二校正信号。
示例性地,上述步骤是进行距离向空变相位误差。图3为本申请实施例中距离向分块示意图,如图3所示,进行了nr个距离向分块,也就是上述所提到的P个分块,其实现距离向空变相位误差的具体步骤如下:
第一步,对第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,得到nr个分块信号;这里,记分块后的信号用Srd-Blockn(t,fη),n=1,2,...,nr表示;对处于距离多普勒域的分块后的信号Srd-Blockn(t,fη),n=1,2,...,nr进行距离向傅里叶变换,得到二维频域分块信号S2df-Blockn(f,fη),n=1,2,...,nr;
第二步,根据各分块内的目标点的最近距离R0n和等效速度v0n,计算出对应的空变相位误差项Hvarr(f,fη;R0n,v0n),即:
第三步,利用空变相位误差项Hvarr(f,fη;R0n,v0n)与二维频域分块信号S2df-Blockn(f,fη),n=1,2,...,nr相乘,对各块信号进行相位误差校正,并对相位校正后的分块信号进行距离向傅里叶逆变换,即又变换到距离多普勒域,此时,记为:Srd-Blocki(t,fη),i=1,2,...,nr;将转换后的Srd-Blocki(t,fη),i=1,2,...,nr进行拼接,得到距离向空变校正后的第二校正信号SRd(t,fη)。
步骤106:对所述第二校正信号按照方位向分块策略进行方位向分块,并构建对应数量的方位匹配滤波器,进行滤波处理,得到方位向中间成像结果;
需要说明的是,此步骤是进行方位向空变校正。通过对第二校正信号进行方位向分块,并构建对应数量的方位匹配滤波器,依次进行滤波处理,进而再通过拼接,得到方位向中间成像结果。
具体地,按照方位向分块策略将第二校正信号进行方位向分块,得到Q个分块信号,并构建对应的Q个方位匹配滤波器;其中,Q取大于1的整数;利用Q个方位匹配滤波器分别对Q个分块信号进行滤波处理,得到Q个匹配滤波处理结果;将Q个匹配滤波处理结果从距离多普勒域转换到二维时域,并将转换结果进行拼接,得到中间成像结果。
示例性地,如图4为本申请实施例中实现方位向匹配滤波示意图,实现方位向空变校正,其具体步骤如下:
对第二校正信号按照方位向网格数量将其划分为na块,如同上述提到的Q个分块信号,每一块按照该块对应的等效速度参数构建na个方位匹配滤波器,记为:
通过na个方位匹配滤波器Hacomp-i(R0k;v0i)与第二校正信号SRd(t,fη)相乘,对整体的方位向信号进行na次滤波处理,对滤波处理后的结果从距离多普勒域进行方位向逆变换到二维时域,并对其转换结果进行拼接,得到中间成像结果,可记为:Im(tk,ηn),k表示第k个距离门。
步骤107:利用所述场景中心点对应的运动参数构建的多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到方位向的最终成像结果图。
需要说明的是,此步骤是对103步骤处理中引入的相位偏置进行再次校正。
具体地,基于成像场景中心点对应的多普勒中心频率,构建多普勒中心相位逆校正函数;基于多普勒中心相位逆校正函数对中间成像结果中引入的相位偏置进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到最终成像结果图。
示例性地,在二维时域,利用场景中心点对应的多普勒中心频率fdc构建多普勒中心相位逆校正函数H'a(ηn;fdc);将多普勒中心相位逆校正函数H'a(ηn;fdc)与每一个距离门的中间成像结果Im(t,ηn)相乘,达到对中间成像结果中引入的相位偏置进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到最终成像结果图。
采用上述技术方案,利用第一运行轨迹、第二运行轨迹及对雷达回波信号进行成像时成像参数,计算等效单基模式下成像场景目标点对应运动参数;目标点至少包括像场景中心点;利用中心点对应运动参数,对回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正;对校正后信号进行一致和残余距离徙动校正后,进行距离向分块,逐块校正距离向空变相位误差;接着对其进行方位向分块,构建对应数量滤波器进行滤波处理;再对滤波处理后结果进行多普勒中心偏置逆向校正,得到最终成像结果图。如此,通过对雷达回波信号进行距离向空变误差校正和方位向多匹配滤波器处理,实现二维空变特性校正,降低成像处理引入的相位误差。
针对上述双基SAR空变校正成像方法,本申请给出了一种具体实现方案,即采用空变校正成像方法获得9个目标点的回波信号强度,并对其进行空变成像校正。
具体地,采用陆探-1号星载双基SAR系统的参数(理论分辨率/幅宽为3m/50km)生成点阵目标回波,利用本申请的空变校正成像方法进行成像处理,验证技术方案的有效性。
图5所示为本申请实施例中9个目标点的回波信号强度示意图;其之所以看着像9个分开的信号,是因为雷达的天线方向图,这里采用一个等效的矩形截断天线方向图,其各个目标点的距离比较远,其中一个目标点获取信号时候,另一个目标点还未被电磁波照射到,所以方位向是一个个的,距离向的间隔是脉冲的宽度有限产生的。
图6为本申请实施例中距离向空变校正后的成像结果图。即回波信号经过距离向空变校正后变成图6中的线条信号。
图7为本申请实施例中方位向空变校正后的的成像结果图。即回波信号再次经过方位向空变校正后,形成一个个的点信号。
图8为图7中右上角目标点的仿真结果图;其中,图8为图7中右上角点的二维剖面图。图9展示出目标点的聚焦质量,其峰值残余相位误差仅为0.62°,说明成像质量非常高。图10和图11分别为目标点所对应的距离向和方位向上的频率特征响应曲线,从中验证了本申请的空变校正成像方法的有效性。
本申请实施例中还提供了一种双基SAR空变成像校正装置,如图12为本申请实施例中双基SAR空变校正成像装置的结构示意图,如图12所示,该装置包括:
获取单元121,用于获取第一卫星的第一运行轨迹、第二卫星的第二运行轨迹和所述第二卫星发送的雷达回波信号;
计算单元122,用于基于所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及对所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,计算出在等效单基模式下成像场景目标点对应的运动参数;所述成像场景目标点至少包括一个成像场景中心点;
校正单元123,用于基于所述场景中心点对应的运动参数,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号;
所述校正单元123,还用于对所述多普勒中心偏置校正后的信号进行一致距离徙动校正和残余距离徙动校正,得到第一校正信号;
所述校正单元123,还用于对所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并逐块校正距离向空变相位误差,得到第二校正信号;
所述校正单元123,还用于对所述第二校正信号按照方位向分块策略进行方位向分块,并构建对应数量的方位匹配滤波器,进行滤波处理,得到方位向中间成像结果;
成像单元124,用于利用所述场景中心点对应的运动参数构建的多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到方位向的最终成像结果图。
在一些实施例中,计算单元122,具体用于利用外部地形高程数据和所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,得到所述成像场景目标点的位置坐标;利用所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及所述场景目标点的位置坐标,计算出各个脉冲发射时刻的所述场景目标点的双基距离历程;将所述场景目标点的双基距离历程表达式通过最小方差拟合,得到等效单基模式下所述场景目标点的运动参数;其中,所述运动参数包括:所述第二卫星与所述场景目标点之间的最近距离、所述第二卫星相对于所述场景目标点的等效速度和所述场景目标点的最近距离对应的最近时刻。
上述方案中,校正单元123,具体用于基于所述场景中心点的最近距离、等效速度和最近时刻,得到所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率;基于所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率,构建方位向多普勒中心频率校正函数;基于所述方位向多普勒中心频率校正函数与所述雷达回波信号,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号。
上述方案中,所述校正单元123,具体还用于通过距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换将所述多普勒中心偏置校正后的信号从二维时域转换到二维频域,得到二维频域信号;基于所述成像场景中心点对应的运动参数构建的一致距离校正函数和所述二维频域信号,得到一致距离校正信号;将所述一致距离校正信号从二维频域转换到距离多普勒域,得到距离多普勒域信号;根据所述成像场景中M个目标点的最近距离和等效速度,确定在距离多普勒域的距离轴向N个距离点对应的等效速度;其中,所述M个目标点包括位于预设轨迹上的所述场景中心点和至少一个场景参考点,N取正整数;根据所述场景中心点的最近距离、等效速度和所述N个距离点对应的等效速度,得到残余距离徙动校正;基于所述残余距离徙动校正与所述距离多普勒域信号,得到所述第一校正信号。
上述方案中,所述校正单元123,具体还用于将所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并将得到的P个分块信号从距离多普勒域转换到二维频域,得到P个二维频域分块信号;其中,P取大于1的整数;根据所述P个二维频域分块信号内的目标点的运动参数计算P个空变相位误差项;利用所述P个距离向空变相位误差项对所述P个二维频域分块信号进行相位校正,得到P个相位校正后的分块信号;将所述P个相位校正后的分块信号从二维频域转换到距离多普勒域,并将转换结果进行拼接,得到距离向空变校正后的所述第二校正信号。
上述方案中,所述校正单元123,具体还用于按照所述方位向分块策略将所述第二校正信号进行方位向分块,得到Q个分块信号,并构建对应的Q个方位匹配滤波器;其中,Q取大于1的整数;利用所述Q个方位匹配滤波器分别对所述Q个分块信号进行滤波处理,得到Q个匹配滤波处理结果;将所述Q个匹配滤波处理结果从距离多普勒域转换到二维时域,并将转换结果进行拼接,得到所述中间成像结果。
上述方案中,成像单元124,具体用于基于所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率,构建多普勒中心相位逆校正函数;基于所述多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果中引入的相位偏置进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到所述最终成像结果图。
采用上述技术方案,利用第一运行轨迹、第二运行轨迹及对雷达回波信号进行成像时成像参数,计算等效单基模式下成像场景目标点对应运动参数;目标点至少包括像场景中心点;利用中心点对应运动参数,对回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正;对校正后信号进行一致和残余距离徙动校正后,进行距离向分块,逐块校正距离向空变相位误差;接着对其进行方位向分块,构建对应数量滤波器进行滤波处理;再对滤波处理后结果进行多普勒中心偏置逆向校正,得到最终成像结果图。如此,通过对雷达回波信号进行距离向空变误差校正和方位向多匹配滤波器处理,实现二维空变特性校正,降低成像处理引入的相位误差。
本申请实施例还提供了一种双基SAR空变校正成像设备,如图13所示,该设备包括:处理器131和配置为存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器132;处理器131运行存储器132中计算机程序时实现以下步骤:
获取第一卫星的第一运行轨迹、第二卫星的第二运行轨迹和所述第二卫星发送的雷达回波信号;
基于所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及对所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,计算出在等效单基模式下成像场景目标点对应的运动参数;所述成像场景目标点至少包括一个成像场景中心点;
基于所述场景中心点对应的运动参数,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号;
对所述多普勒中心偏置校正后的信号进行一致距离徙动校正和残余距离徙动校正,得到第一校正信号;
对所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并逐块校正距离向空变相位误差,得到第二校正信号;
对所述第二校正信号按照方位向分块策略进行方位向分块,并构建对应数量的方位匹配滤波器,进行滤波处理,得到方位向中间成像结果;
利用所述场景中心点对应的运动参数构建的多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到方位向的最终成像结果图。
在一些实施例中,处理器131运行存储器132中计算机程序时还实现以下步骤:利用外部地形高程数据和所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,得到所述成像场景目标点的位置坐标;利用所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及所述场景目标点的位置坐标,计算出各个脉冲发射时刻的所述场景目标点的双基距离历程;将所述场景目标点的双基距离历程通过最小方差拟合,得到等效单基模式下所述场景目标点的运动参数;其中,所述运动参数包括:所述第二卫星与所述场景目标点之间的最近距离、所述第二卫星相对于所述场景目标点的等效速度和所述场景目标点的最近距离对应的最近时刻。
在一些实施例中,处理器131运行存储器132中计算机程序时还实现以下步骤:基于所述场景中心点的最近距离、等效速度和最近时刻,得到所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率;基于所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率,构建方位向多普勒中心频率校正函数;基于所述方位向多普勒中心频率校正函数与所述雷达回波信号,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号。
在一些实施例中,处理器131运行存储器132中计算机程序时还实现以下步骤:通过距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换将所述多普勒中心偏置校正后的信号从二维时域转换到二维频域,得到二维频域信号;基于所述成像场景中心点对应的运动参数构建的一致距离校正函数和所述二维频域信号,得到一致距离校正信号;将所述一致距离校正信号从二维频域转换到距离多普勒域,得到距离多普勒域信号;根据所述成像场景中M个目标点的最近距离和等效速度,确定在距离多普勒域的距离轴向N个距离点对应的等效速度;其中,所述M个目标点包括位于预设轨迹上的所述场景中心点和至少一个场景参考点,N取正整数;根据所述场景中心点的最近距离、等效速度和所述N个距离点对应的等效速度,得到残余距离徙动校正;基于所述残余距离徙动校正与所述距离多普勒域信号,得到所述第一校正信号。
在一些实施例中,处理器131运行存储器132中计算机程序时还实现以下步骤:将所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并将得到的P个分块信号从距离多普勒域转换到二维频域,得到P个二维频域分块信号;其中,P取大于1的整数;根据所述P个二维频域分块信号内的目标点的运动参数计算P个空变相位误差项;利用所述P个距离向空变相位误差项对所述P个二维频域分块信号进行相位校正,得到P个相位校正后的分块信号;将所述P个相位校正后的分块信号从二维频域转换到距离多普勒域,并将转换结果进行拼接,得到距离向空变校正后的所述第二校正信号。
在一些实施例中,处理器131运行存储器132中计算机程序时还实现以下步骤:按照所述方位向分块策略将所述第二校正信号进行方位向分块,得到Q个分块信号,并构建对应的Q个方位匹配滤波器;其中,Q取大于1的整数;利用所述Q个方位匹配滤波器分别对所述Q个分块信号进行滤波处理,得到Q个匹配滤波处理结果;将所述Q个匹配滤波处理结果从距离多普勒域转换到二维时域,并将转换结果进行拼接,得到所述中间成像结果。
在一些实施例中,处理器131运行存储器132中计算机程序时还实现以下步骤:基于所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率,构建多普勒中心相位逆校正函数;基于所述多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果中引入的相位偏置进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到所述最终成像结果图。
当然,实际应用时,如图13所示,该双基SAR空变校正成像设备中的各个组件通过总线系统133耦合在一起。可理解,总线系统133用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统133除包括数据总线之外,还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见,在图13中将各种总线都标为总线系统133。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质,用于存储计算机程序。
可选的,该计算机可读存储介质可应用于本申请实施例中的任意一种方法,并且该计算机程序使得计算机执行本申请实施例的各个方法中由处理器实现的相应流程,为了简洁,在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的设备和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,如:多个单元或组件可以结合,或可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口,设备或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,也可以分布到多个网络单元上;可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中,也可以是各单元分别单独作为一个单元,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中;上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法,在不冲突的情况下可以任意组合,得到新的方法实施例。
本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征,在不冲突的情况下可以任意组合,得到新的产品实施例。
本申请所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征,在不冲突的情况下可以任意组合,得到新的方法实施例或设备实施例。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种双基SAR空变校正成像方法,其特征在于,所述方法包括:
获取第一卫星的第一运行轨迹、第二卫星的第二运行轨迹和所述第二卫星发送的雷达回波信号;
基于所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及对所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,计算出在等效单基模式下成像场景目标点对应的运动参数;所述成像场景目标点至少包括一个成像场景中心点;
基于所述场景中心点对应的运动参数,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号;
通过距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换将所述多普勒中心偏置校正后的信号从二维时域转换到二维频域,得到二维频域信号;
基于所述成像场景中心点对应的运动参数构建的一致距离校正函数和所述二维频域信号,得到一致距离校正信号;
将所述一致距离校正信号从二维频域转换到距离多普勒域,得到距离多普勒域信号;
根据所述成像场景中M个目标点的最近距离和等效速度,确定在距离多普勒域的距离轴向N个距离点对应的等效速度;其中,所述M个目标点包括位于预设轨迹上的所述场景中心点和至少一个场景参考点,N取正整数;
根据所述场景中心点的最近距离、等效速度和所述N个距离点对应的等效速度,得到残余距离徙动校正;
基于所述残余距离徙动校正与所述距离多普勒域信号,得到第一校正信号;将所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并将得到的P个分块信号从距离多普勒域转换到二维频域,得到P个二维频域分块信号;其中,P取大于1的整数;
根据所述P个二维频域分块信号内的目标点的运动参数计算P个空变相位误差项;
利用所述P个距离向空变相位误差项对所述P个二维频域分块信号进行相位校正,得到P个相位校正后的分块信号;
将所述P个相位校正后的分块信号从二维频域转换到距离多普勒域,并将转换结果进行拼接,得到距离向空变校正后的第二校正信号;
按照所述方位向分块策略将所述第二校正信号进行方位向分块,得到Q个分块信号,并构建对应的Q个方位匹配滤波器;其中,Q取大于1的整数;
利用所述Q个方位匹配滤波器分别对所述Q个分块信号进行滤波处理,得到Q个匹配滤波处理结果;
将所述Q个匹配滤波处理结果从距离多普勒域转换到二维时域,并将转换结果进行拼接,得到中间成像结果;利用所述场景中心点对应的运动参数构建的多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到方位向的最终成像结果图。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述基于所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及对所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,计算出在等效单基模式下成像场景目标点对应的运动参数,包括:
利用外部地形高程数据和所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,得到所述成像场景目标点的位置坐标;
利用所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及所述场景目标点的位置坐标,计算出各个脉冲发射时刻的所述场景目标点的双基距离历程;
将所述场景目标点的双基距离历程通过最小方差拟合,得到等效单基模式下所述场景目标点的运动参数;其中,所述运动参数包括:所述第二卫星与所述场景目标点之间的最近距离、所述第二卫星相对于所述场景目标点的等效速度和所述场景目标点的最近距离对应的最近时刻。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述基于所述场景中心点对应的运动参数,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号,包括:
基于所述场景中心点的最近距离、等效速度和最近时刻,得到所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率;
基于所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率,构建方位向多普勒中心频率校正函数;
基于所述方位向多普勒中心频率校正函数与所述雷达回波信号,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述利用所述场景中心点对应的运动参数构建的多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到方位向的最终成像结果图,包括:
基于所述成像场景中心点对应的多普勒中心频率,构建多普勒中心相位逆校正函数;
基于所述多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果中引入的相位偏置进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到所述最终成像结果图。
5.一种双基SAR空变校正成像装置,其特征在于,所述装置包括:
获取单元,用于获取第一卫星的第一运行轨迹、第二卫星的第二运行轨迹和所述第二卫星发送的雷达回波信号;
计算单元,用于基于所述第一运行轨迹、所述第二运行轨迹及对所述雷达回波信号进行成像时的成像参数,计算出在等效单基模式下成像场景目标点对应的运动参数;所述成像场景目标点至少包括一个成像场景中心点;
校正单元,用于基于所述场景中心点对应的运动参数,对所述雷达回波信号进行方位向多普勒中心偏置校正,得到多普勒中心偏置校正后的信号;
所述校正单元,还用于通过距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换将所述多普勒中心偏置校正后的信号从二维时域转换到二维频域,得到二维频域信号;基于所述成像场景中心点对应的运动参数构建的一致距离校正函数和所述二维频域信号,得到一致距离校正信号;将所述一致距离校正信号从二维频域转换到距离多普勒域,得到距离多普勒域信号;根据所述成像场景中M个目标点的最近距离和等效速度,确定在距离多普勒域的距离轴向N个距离点对应的等效速度;其中,所述M个目标点包括位于预设轨迹上的所述场景中心点和至少一个场景参考点,N取正整数;根据所述场景中心点的最近距离、等效速度和所述N个距离点对应的等效速度,得到残余距离徙动校正;基于所述残余距离徙动校正与所述距离多普勒域信号,得到第一校正信号;
所述校正单元,还用于将所述第一校正信号按照距离向分块策略进行距离向分块,并将得到的P个分块信号从距离多普勒域转换到二维频域,得到P个二维频域分块信号;其中,P取大于1的整数;根据所述P个二维频域分块信号内的目标点的运动参数计算P个空变相位误差项;利用所述P个距离向空变相位误差项对所述P个二维频域分块信号进行相位校正,得到P个相位校正后的分块信号;将所述P个相位校正后的分块信号从二维频域转换到距离多普勒域,并将转换结果进行拼接,得到距离向空变校正后的第二校正信号;
所述校正单元,还用于按照所述方位向分块策略将所述第二校正信号进行方位向分块,得到Q个分块信号,并构建对应的Q个方位匹配滤波器;其中,Q取大于1的整数;利用所述Q个方位匹配滤波器分别对所述Q个分块信号进行滤波处理,得到Q个匹配滤波处理结果;将所述Q个匹配滤波处理结果从距离多普勒域转换到二维时域,并将转换结果进行拼接,得到中间成像结果;
成像单元,用于利用所述场景中心点对应的运动参数构建的多普勒中心相位逆校正函数对所述中间成像结果进行多普勒中心偏置的逆向校正,得到方位向的最终成像结果图。
6.一种双基SAR空变校正成像设备,其特征在于,所述设备包括:处理器和配置为存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器,
其中,所述处理器配置为运行所述计算机程序时,执行权利要求1至4任一项所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4任一项所述的方法的步骤。
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