CN111638515B - 基于双频联合处理技术的太赫兹频段sar运动补偿算法 - Google Patents

基于双频联合处理技术的太赫兹频段sar运动补偿算法 Download PDF

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CN111638515B CN201910158884.6A CN201910158884A CN111638515B CN 111638515 B CN111638515 B CN 111638515B CN 201910158884 A CN201910158884 A CN 201910158884A CN 111638515 B CN111638515 B CN 111638515B
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Abstract

基于双频联合处理技术的太赫兹频段SAR运动补偿算法，包括：S1，SAR发射线性调频信号，线性调频信号经散射点反射后得到回波信号；S2，将回波信号沿距离向分成第一子带信号和第二子带信号，并分别对第一子带信号和第二子带信号进行距离压缩得到第一压缩信号和第二压缩信号；S3，对第一压缩信号和第二压缩信号分别进行相位误差估计分别得到第一相位误差和第二相位误差；S4，比较第一相位误差和第二相位误差得到最优相位误差；S5，将最优相位误差转换为运动误差，运动误差即为SAR的运动补偿值。本发明将双频联合技术和PGA技术相结合，得到更加精准的运动误差估计值，进而对SAR图像进行有效补偿，得到聚焦性较好的SAR图像。

Description

基于双频联合处理技术的太赫兹频段SAR运动补偿算法
技术领域
本发明涉及SAR运动补偿处理技术领域，尤其涉及一种基于双频联合处理技术的太赫兹频段SAR运动补偿算法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波频率范围覆盖0.1THz～10THz(对应的波长为30μm～3mm)，介于毫米波与红外可见光之间，具有红外和微波的优势，相对应的太赫兹雷达的载频频率高，易于产生大带宽信号，从而具有极高的距离向分别率，因此在雷达成像与目标探测等领域有着广阔的应用前景。因此在SAR成像领域，太赫兹频段SAR成像得到广泛应用，而在成像过程中，成像过程中出现的冗余等现象需要运动补偿进行修正，而运动补偿的准确性和效率很大程度上决定了SAR成像结果的好坏，传统的应用PGA进行运动误差估计，精度不高，运动补偿计算往往达不到一些高精度的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种基于双频联合处理技术的太赫兹频段SAR运动补偿算法，本发明将双频联合技术和PGA技术相结合，得到更加精准的运动误差估计值，进而对SAR图像进行有效补偿，得到聚焦性较好的SAR图像。
(二)技术方案
本发明提供了一种基于双频联合处理技术的太赫兹频段SAR运动补偿算法，包括：S1，SAR发射线性调频信号，线性调频信号经散射点反射后得到回波信号；S2，将回波信号沿距离向分成第一子带信号和第二子带信号，并分别对第一子带信号和第二子带信号进行距离压缩得到第一压缩信号和第二压缩信号；S3，对第一压缩信号和第二压缩信号分别进行相位误差估计分别得到第一相位误差和第二相位误差；S4，比较第一相位误差和第二相位误差得到最优相位误差；S5，将最优相位误差转换为运动误差，运动误差即为SAR的运动补偿值。
可选地，步骤S4具体为：对第一相位误差和第二相位误差分别去除坏点和低通滤波处理，比较处理后的第一相位误差和第二相位误差曲线，分别将第一相位误差和第二相位误差对原图像进行运动补偿，取聚焦效果好的相位误差为最优相位误差估计值。
可选地，步骤S1中线性调频信号为：
Figure BDA0001982572440000021
回波信号为：
Figure BDA0001982572440000022
其中，
Figure BDA0001982572440000023
为线性调频信号，j为虚数单位，Tp为脉冲持续时间，
Figure BDA0001982572440000024
为距离向时间，fc为线性调频信号的频率，k为调频率，
Figure BDA0001982572440000025
为回波信号，tm为方位向时间，σ(x，r)为散射点的反射系数，R(tm；x，r)为散射点与SAR平台之间的距离，c为光速。
可选地，步骤S2中第一子带信号和第二子带信号的大小均为
Figure BDA0001982572440000026
第一子带信号和第二子带信号的中心频率差为
Figure BDA0001982572440000027
且带宽均为
Figure BDA0001982572440000028
其中，Na为方位向采样点数，Nr为距离向采样点数，Br为距离向带宽。
可选地，步骤S2中并分别对第一子带信号和第二子带信号进行距离压缩得到第一压缩信号和第二压缩信号具体为：S21，利用距离向傅里叶变换对第一子带信号和第二子带信号分别进行处理；S22，利用驻定相位原理对步骤S21处理后的第一子带信号和第二子带信号进行处理；S23，对步骤S22处理后的第一子带信号和第二子带信号进行距离向逆傅里叶变换得到第一压缩信号和第二压缩信号。
可选地，所述S23之前还包括：S221，将步骤S22处理后的第一子带信号和第二子带信号与相对应的距离向匹配滤波函数相乘。
可选地，步骤S22处理后的第一子带信号和第二子带信号分别为：
Figure BDA0001982572440000031
Figure BDA0001982572440000032
其中，
Figure BDA0001982572440000033
为第一子带信号距离向频率，
Figure BDA0001982572440000034
Ta为合成孔径时间；fc1为第一子带信号中心频率，大小为fc-Br/4，v为所述SAR平台的运行速度，t为方位向时间，x为方位位置；
Figure BDA0001982572440000035
为第二子带信号距离向频率，
Figure BDA0001982572440000036
fc2为第二子带信号中心频率，大小为fc+Br/４。
可选地，第一压缩信号和第二压缩信号为：
Figure BDA0001982572440000037
Figure BDA0001982572440000038
其中，N为成像场景中散射点数目，
Figure BDA0001982572440000041
Rn(tm)为所述SAR平台与第n个散射点之间的距离。
可选地，步骤S3之前还包括：对第一压缩信号和第二压缩信号分别进行方位向去斜处理，其中，方位向去斜处理公式为：
Figure BDA0001982572440000042
其中，λ为波长。
可选地，采用PGA算法对第一压缩信号和第二压缩信号分别进行相位误差估计。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于双频联合处理技术的太赫兹频段SAR运动补偿算法，通过双频联合技术将太赫兹频段SAR回波数据分成两个子带信号，分别对该两个子带信号进行距离向压缩、方位向去斜、相位误差估计等处理，然后综合分析两子带信号的相位误差得到精度较高的相位误差估计值，进而将该相位误差估计值转换为精度较高的运动误差估计值，用该运动误差估计值补充原始SAR图像，即可得到聚焦性较好的SAR图像。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例中的SAR工作过程的简化模型示意图；
图2示意性示出了本公开实施例中的基于双频联合处理技术的太赫兹频段SAR运动补偿算法的流程图；
图3示意性示出了本公开实施例中的双频联合处理原理图；
图4示意性示出了本公开实施例中的点模型散射点理想的原始图像；
图5示意性示出了本公开实施例中的图4中的图像添加运动误差后的图像；
图6a示意性示出了本公开实施例中的传统PGA运动补偿后的点模型的图像；
图6b示意性示出了本公开实施例中的针对点模型散射点传统PGA运动补偿后信号方位向强度分布；
图7a示意性示出了本公开实施例中的基于双频联合处理技术的PGA运动补偿后的点模型的图像；
图7b示意性示出了本公开实施例中的针对点模型散射点基于双频联合处理技术的PGA运动补偿后信号方位向强度分布；
图8示意性示出了本公开实施例中的利用传统PGA算法和利用双频联合处理技术对点模型中相位误差的估计；
图9示意性示出了本公开实施例中的面模型散射点理想的原始图像；
图10示意性示出了本公开实施例中的图9中的图像添加运动误差后的图像；
图11示意性示出了本公开实施例中的传统PGA运动补偿后的面模型的图像；
图12示意性示出了本公开实施例中的基于双频联合处理技术的PGA运动补偿后的面模型的图像；
图13示意性示出了本公开实施例中的利用传统PGA算法和利用双频联合处理技术对面模型中相位误差的估计。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。
SAR装载在无人机等载机上，SAR通过发射太赫兹频段波经过散射点反射后生成回波信号返回SAR平台，SAR平台对回波信号进行处理得到SAR图像。其简化模型如图1所示，以O为原点，地平面为XOY面，以载机飞行方向为X轴建立三维直角坐标系O-XYZ，图1中平行X轴的实直线为载机的理想航迹，虚曲线为载机的实际航迹，一般情况下，SAR按“一步一停”工作方式处理，忽略平台运动误差随快时间的变化，只考虑运动误差随慢时间的变化，其中，点A[x+Δx(tm)，Δy(tm)，H+Δz(tm)]为SAR在tm时刻的天线相位中心(Antenna PhaseCenter，APC)实际位置，D[x(tm)，0，H]为APC的理想位置，P(xn，yn，0)为散射点点的坐标，[Δx(tm)，Δy(tm)，Δz(tm)]为在三维坐标直角坐标系O-XYZ下载机平台的三个方向的运动误差，因此准确的计算出运动误差是对SAR图像修正正确性的具有重要意义。
本发明提供了一种基于双频联合处理技术的太赫兹频段SAR运动补偿算法，参见图2，包括：S1，SAR发射线性调频信号，线性调频信号经散射点反射后得到回波信号；S2，将回波信号沿距离向分成第一子带信号和第二子带信号，并分别对第一子带信号和第二子带信号进行距离压缩得到第一压缩信号和第二压缩信号；S3，对第一压缩信号和第二压缩信号分别进行相位误差估计分别得到第一相位误差和第二相位误差；S4，比较第一相位误差和第二相位误差得到最优相位误差；S5，将最优相位误差转换为运动误差，运动误差即为SAR的运动补偿值。
具体的，S1，SAR发射线性调频信号，线性调频信号经散射点反射后得到回波信号；
SAR向散射点发送线性调频信号，该信号的波段处于太赫兹频率波段，该线性调频信号经过散射点反射后得到回波信号，本发明实施例中，线性调频信号为：
Figure BDA0001982572440000061
该线性调频信号经反射后的回波信号为：
Figure BDA0001982572440000062
其中，
Figure BDA0001982572440000063
为线性调频信号，j为虚数单位，Tp为脉冲持续时间，
Figure BDA0001982572440000064
为距离向时间，fc为所述线性调频信号的频率，k为调频率，
Figure BDA0001982572440000071
为回波信号，tm为方位向时间，σ(x，r)为所述散射点的反射系数，R(tm；x，r)为所述散射点与所述SAR平台之间的距离，c为光速。
S2，将回波信号沿距离向分成第一子带信号和第二子带信号，并分别对第一子带信号和第二子带信号进行距离压缩得到第一压缩信号和第二压缩信号；
参见图3，将步骤S1中的回波信号沿距离向分成两个子带信号，即第一子带信号和第二子带信号，其中，第一子带信号和第二子带信号的大小均为
Figure BDA0001982572440000072
所述第一子带信号和第二子带信号的中心频率差|fc2-fc1|为
Figure BDA0001982572440000073
且带宽均为
Figure BDA0001982572440000074
其中，Na为方位向采样点数，Nr为距离向采样点数，Br为距离向带宽，fc1，fc2分别为第一子带信号的中心频率和第二子带信号的中心频率。
分别对第一子带信号和第二子带信号进行距离压缩得到第一压缩信号和第二压缩信号。
S21，对第一子带信号进行距离向傅里叶变换；
S22，利用驻定相位原理得到：
Figure BDA0001982572440000075
其中，
Figure BDA0001982572440000076
为第一子带信号距离向频率，
Figure BDA0001982572440000077
Ta为合成孔径时间；fc1为第一子带信号中心频率，大小为fc-Br/4，v为所述SAR平台的运行速度，t为方位向时间，x为方位位置。
S221，然后乘以相应的距离向匹配滤波函数：
Figure BDA0001982572440000081
得到：
Figure BDA0001982572440000082
其中，R(tm；x，r)＝R0(tm；x，r)+ΔR(tm；x，r)，R0(tm；x，r)为理想斜距，ΔR(tm；x，r)为运动误差。
S23，然后做距离向逆傅里叶变换，得到第一子带信号距离向压缩后的第一压缩信号表达式为：
Figure BDA0001982572440000083
其中，
Figure BDA0001982572440000084
为第一子带信号距离向时间。
同理，S21，对第二子带信号进行距离向傅里叶变换，S22，利用驻定相位原理得到：
Figure BDA0001982572440000085
其中，
Figure BDA0001982572440000086
为第二子带信号距离向频率，
Figure BDA0001982572440000087
fc2为第二子带信号中心频率，大小为fc+Br/4。
S221，然后乘以相应的向压缩匹配滤波函数：
Figure BDA0001982572440000088
得到：
Figure BDA0001982572440000091
S23，然后做距离向逆傅里叶变换，得到第二子带信号距离压缩后第二压缩信号的表达式为：
Figure BDA0001982572440000092
其中，
Figure BDA0001982572440000093
为第二子带信号距离向时间。
因此慢时间下对第一压缩信号和第二压缩信号进行简化后得到：
Figure BDA0001982572440000094
Figure BDA0001982572440000095
其中，N为成像场景中散射点数目，
Figure BDA0001982572440000096
Rn(tm)为所述SAR平台与第n个散射点之间的距离。
S3，对第一压缩信号和第二压缩信号分别进行相位误差估计分别得到第一相位误差和第二相位误差；
对第一压缩信号和第二压缩信号进行相位误差估计之前需要对第一压缩信号和第二压缩信号进行去斜处理，其中，方位向去斜处理的公式为：
Figure BDA0001982572440000097
其中，λ为波长。
然后采用相位梯度自聚焦算法(Phase Gradient Autofocus Algorithm，PGA)对第一压缩信号和第二压缩信号进行相位误差估计，得到第一相位误差和第二相位误差。
PGA算法为依据散射点场景的强散射点进行相位误差估计的算法，其基本前提是假设成像场景中所有散射点受到相同的相位误差影响，即相位误差具有空不变的特性，该假设对工作在窄测绘带的聚束SAR模式是合理的，在窄波束下，特别适合短波长的THz-SAR系统中。在条带SAR模式中需要在方位向划分重叠子孔径，通过在方位时域划分子孔径进行相位误差梯度估计，再将各子孔径的相位误差梯度沿方位向积分得到估计的相位误差。PGA自聚焦算法始于距离压缩后的回波，从测绘带内选择具有强点散射点的距离门回波，对所选距离门的回波沿方位向做傅里叶变换，实现图像的粗聚焦，然后通过圆移、加窗、相位梯度估计和迭代四个步骤估计出相位误差。
S4，比较第一相位误差和第二相位误差得到最优相位误差；
由于载机平台是连续变化的过程，因此可直接判断出第一相位误差和第二相位误差中的坏点，去除坏点后进行低通滤波，比较处理后的第一相位误差和第二相位误差曲线，分别将第一相位误差和第二相位误差对原图像进行运动补偿，取聚焦效果好的相位误差为最优相位误差估计值。
S5，将最优相位误差转换为运动误差，运动误差即为SAR的运动补偿值。
运动误差和相位误差的转换关系式为：
Figure BDA0001982572440000101
其中，r为运动误差，φ为相位误差。
该计算得到的运动误差即为SAR的运动补偿值，即可将该运动误差对原图像进行补偿得到最终的SAR聚焦成像结果。
第一子带信号和第二子带信号带宽皆为原信号带宽的一半，距离向分辨率降低，相同的运动误差产生的距离徙动单元数减小，利用PGA估计相位误差的精度高于直接对原始信号进行相位误差估计的精度。
本发明实施例中，对散射点为点模型和面模型分别利用传统PGA运动补偿算法和基于双频联合处理技术的PGA算法进行仿真实验，结果如下。
图4为点模型散射点理想的原始图像，图5为图4中的图像添加运动误差后的图像，由于实际中，存在系统误差、测量误差等因素，仿真中添加了随机噪声，图6a为传统PGA运动补偿后的点模型的图像，图6b为传统PGA运动补偿后信号方位向强度分布，由图6a和图6b可以看出由于随机噪声的存在，传统PGA相位误差估计误差较大，图像聚焦效果较差；图7a为基于双频联合处理技术的PGA运动补偿后的图像，图7b为基于双频联合处理技术的PGA运动补偿后信号方位向强度分布，由图7a和图7b可知利用双频联合处理后相位误差估计精度提高，图像聚焦效果得以改善。图8为利用传统PGA算法和利用双频联合处理技术对点模型中相位误差的估计，图中子孔径1和子孔径2分别对应第一子带信号的相位误差和第二子带信号的相位误差，由图8可以看出本发明提出的基于双频联合处理估计的相位误差和真实值更接近，估计的相位误差精度更高。
为了更好的验证算法在多种场景下的使用效果，还仿真了散射点为面模型的情况，图9为面模型散射点理想的原始图像，图10为图9中的图像添加运动误差后的图像，图11为利用传统PGA运动补偿后聚焦结果，从图中可以看出传统PGA算法受周围反射率较小的散射点的影响较为严重，相位误差估计精度不高，图像运动补偿效果较差，图12为利用基于双频联合处理技术的PGA运动补偿后聚焦结果，可以看出利用双频联合处理后，相位误差估计精度提高，聚焦效果较好。图13为利用传统PGA算法和利用双频联合处理技术对面模型中相位误差的估计，图中子孔径1和子孔径2分别对应第一子带信号的相位误差和第二子带信号的相位误差，由图13可以看出本发明提出的基于双频联合处理估计的相位误差和真实值更接近，估计的相位误差精度更高，与理论推导一致。
综上所述本发明利用双频联合处理技术，用于提高传统PGA运动补偿的精度，通过对原始信号进行简单的双频联合预处理，利用PGA算法，即可实现高效率运动补偿，算法实现简单且效果较好。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于双频联合处理技术的太赫兹频段SAR运动补偿算法，其特征在于，包括：
S1，SAR发射线性调频信号，所述线性调频信号经散射点反射后得到回波信号；
S2，将所述回波信号沿距离向分成第一子带信号和第二子带信号，并分别对所述第一子带信号和第二子带信号进行距离压缩得到第一压缩信号和第二压缩信号，包括：
S21，利用距离向傅里叶变换对所述第一子带信号和第二子带信号分别进行处理；
S22，利用驻定相位原理对所述步骤S21处理后的第一子带信号和第二子带信号进行处理；其中，所述第一子带信号和第二子带信号分别为：
Figure FDA0003478205560000011
Figure FDA0003478205560000012
其中，
Figure FDA0003478205560000013
为第一子带信号距离向频率，
Figure FDA0003478205560000014
Ta为合成孔径时间；fc1为第一子带信号中心频率，大小为fc-Br/4，v为所述SAR平台的运行速度，tm为方位向时间，x为方位位置；
Figure FDA0003478205560000015
为第二子带信号距离向频率，
Figure FDA0003478205560000016
fc2为第二子带信号中心频率，大小为fc+Br/4；
S23，对所述步骤S22处理后的第一子带信号和第二子带信号进行距离向逆傅里叶变换得到第一压缩信号和第二压缩信号；
所述第一压缩信号和第二压缩信号为：
Figure FDA0003478205560000021
Figure FDA0003478205560000022
其中，N为成像场景中散射点数目，
Figure FDA0003478205560000023
Rn(tm)为所述SAR平台与第n个散射点之间的距离；
S3，对所述第一压缩信号和第二压缩信号分别进行相位误差估计分别得到第一相位误差和第二相位误差；
S4，比较所述第一相位误差和第二相位误差得到最优相位误差；
S5，将所述最优相位误差转换为运动误差，所述运动误差即为所述SAR的运动补偿值。
2.根据权利要求1所述的运动补偿算法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
对所述第一相位误差和第二相位误差分别去除坏点和低通滤波处理，比较处理后的第一相位误差和第二相位误差曲线，分别将所述第一相位误差和第二相位误差对原图像进行运动补偿，取聚焦效果好的相位误差为最优相位误差估计值。
3.根据权利要求1所述的运动补偿算法，其特征在于，步骤S1中所述线性调频信号为：
Figure FDA0003478205560000024
所述回波信号为：
Figure FDA0003478205560000031
其中，
Figure FDA0003478205560000032
为线性调频信号，j为虚数单位，Tp为脉冲持续时间，
Figure FDA0003478205560000033
为距离向时间，fc为所述线性调频信号的频率，k为调频率，
Figure FDA0003478205560000034
为回波信号，tm为方位向时间，σ(x，r)为所述散射点的反射系数，R(tm；x，r)为所述散射点与所述SAR平台之间的距离，c为光速。
4.根据权利要求1所述的运动补偿算法，其特征在于，步骤S2中所述第一子带信号和第二子带信号的大小均为
Figure FDA0003478205560000035
所述第一子带信号和第二子带信号的中心频率差为
Figure FDA0003478205560000036
且带宽均为
Figure FDA0003478205560000037
其中，Na为方位向采样点数，Nr为距离向采样点数，Br为距离向带宽。
5.根据权利要求1所述的运动补偿算法，其特征在于，所述步骤S23之前还包括：
S221，将所述步骤S22处理后的第一子带信号和第二子带信号与相对应的距离向匹配滤波函数相乘。
6.根据权利要求1所述的运动补偿算法，其特征在于，步骤S3之前还包括：
对所述第一压缩信号和第二压缩信号分别进行方位向去斜处理，其中，方位向去斜处理公式为：
Figure FDA0003478205560000038
其中，λ为波长。
7.根据权利要求1所述的运动补偿算法，其特征在于，采用PGA算法对所述第一压缩信号和第二压缩信号分别进行相位误差估计。
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