CN111929682B - 基于距离向分块的机载dbf-tops sar成像方法 - Google Patents

基于距离向分块的机载dbf-tops sar成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于距离向分块的机载DBF‑TOPS SAR成像方法，包括步骤：S1、获取观测场景的各接收通道回波数据；S2、将各接收通道回波数据进行等效相位中心处理；S3、使各通道回波数据包络对齐；S4、将包络对齐后的回波数据进行距离向分块；S5、将各通道相应距离块采用DBF处理方法逐距离块进行处理；S6、将DBF融合处理后的回波数据进行聚焦成像。该成像方法能够不受信号脉宽和法线偏移角的影响，进行DBF‑TOPS SAR回波数据的DBF处理，获取高信噪比回波数据，聚焦处理后得到高信噪比SAR图像，克服现有距离向DBF处理方法的不足，同时适用信号脉宽较大和法线偏移角与距离向采样时间不满足线性近似条件的情况，可用于具有宽测绘带的机载DBF‑TOPS SAR的成像处理。

Description

基于距离向分块的机载DBF-TOPS SAR成像方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于距离向分块的机载DBF-TOPSSAR成像方法。
背景技术
宽测绘带合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)在大面积测绘、海洋监测和植被制图等方面具有重要的应用价值，循序扫描地形观测模式SAR(Terrainobservation by progressive scans SAR，TOPS SAR)是实现宽测绘带SAR成像的有效工作模式。通常，将距离向多通道TOPS SAR系统结合数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)技术称为DBF-TOPS SAR技术。DBF-TOPS SAR保证测绘带宽的基础上，能够有效提升SAR图像的信噪比，具有很大的研究价值。
DBF-TOPS SAR成像实现的关键在于距离向DBF处理。现有的距离向DBF的处理方法大致分三种：方法一：扫描接收法，该方法将各通道信号时变加权后累加成一路信号，合成波束的中心扫描跟踪脉冲中心，增大接收增益；方法二：为对各通道信号先进行距离压缩处理，再通过经典波束形成算法实现DBF处理；方法三：将时变相移加权与有限长单位冲激响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波相结合，该方法在扫描接收法的基础上，在各通道的时变相移器后加一个FIR滤波，各通道信号通过各自的FIR滤波器后直接累加，合成一路数据。
其中，方法一为经典波束形成方法，受波束宽度的影响，适用脉冲宽度较窄的情况，当脉冲宽度大于回波持续时间内接收波束扫过的角度时，会造成目标的部分回波增益较低或回波方向正好位于接收波束零陷区，引起信号带宽的损失，严重影响最终成像质量。为了避免方法一中成像质量受信号脉宽的影响这一缺点，第二种方法被提出来，该方法先对各通道回波信号进行距离向匹配滤波，使信号时宽急剧减小，但是需要在载机上完成匹配滤波，增加了机上处理的工作量和复杂度。为了同时克服方法一和方法二的缺点，方法三被提出来，但是方法三适用法线偏移角与距离向采用时间满足线性近似条件的SAR系统，星载SAR系统基本满足这一条件，但是机载SAR系统下，当距离向测绘带宽较大时，这一条件不再满足，方法三不再适用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于距离向分块的机载DBF-TOPS 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：
本发明实施例提供了一种基于距离向分块的机载DBF-TOPS SAR成像方法，包括步骤：
S1、采用机载距离多通道TOPS SAR系统录取观测场景回波，获取观测场景的各接收通道回波数据；
S2、将所述各接收通道回波数据进行等效相位中心处理，得到等效相位中心处自发自收的回波数据；
S3、利用幅度相关法估计所述等效相位中心处自发自收的回波数据之间的距离向偏移量，并对所述距离向偏移量进行校正，使所述各通道回波数据包络对齐，得到包络对齐后的回波数据；
S4、将所述包络对齐后的回波数据进行距离向分块，得到所述各通道回波数据对应的距离块，其中，分块的原则是：单个距离块内所述各通道回波数据对应的法线偏移角与距离向采样时间满足线性近似关系；
S5、将各通道相应所述距离块采用基于距离分块的DBF处理方法逐距离块进行处理，得到DBF融合处理后的回波数据；
S6、将所述DBF融合处理后的回波数据采用基于方位deramp处理的TOPS SAR成像算法进行聚焦成像，得到高信噪比SAR图像。
在本发明的一个实施例中，步骤S4包括步骤：
S41、确定距离向分块时单块的角度范围，使得所述单块块内的法线偏移角的角度的取值范围为[-5°，5°]且小于10度；
S42、根据所述角度范围将所述包络对齐后的回波数据进行距离向分块，得到m个距离块：
m＝(θ2-θ1)/θang
其中，m为分块数，[θ1,θ2]为法线偏移角的取值范围，θang为角度范围；
在所述m个距离块中第i个距离块内的法线偏移角θi(τ)取值范围为：
θbs,i≤θi(τ)≤θbe,i
其中，θbs,i为第i个距离块中近距点对应的法线偏移角，θbe,i为第i个距离块中远距点对应的法线偏移角；
则第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角θbc,i为：
θbc,i＝(θbs,i+θbe,i)/2
其中，θbs,i为第i个距离块中近距点对应的法线偏移角，θbe,i为第i个距离块中远距点对应的法线偏移角；
对第i个距离块的目标法线偏移角线θb,i(τ)性近似得到：
Figure BDA0002597402450000041
其中，θb,i(τ)＝θi(τ)-θbc,i，τbc,i为距离块的中心时刻，τbs,i为距离块中近距点对应的距离向快时间，τbe,i为距离块中远距点对应的距离向快时间；
则第i个距离块内法线偏移角θi(τ)为：
θi(τ)＝θb,i(τ)+θbc,i,τbs,i≤τ≤τbe,i
其中，θb,i(τ)为第i个距离块的目标法线偏移角线，θbc,i第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角，τbs,i为距离块中近距点对应的距离向快时间，τbe,i为距离块中远距点对应的距离向快时间；
第i个距离块内法线偏移角θi(τ)的正弦值为：
sin(θi(τ))＝sin(θb,i(τ)+θbc,i)
＝sin(θb,i(τ))·cos(θbc,i)+cos(θb,i(τ))·sin(θbc,i)
其中，θi(τ)第i个距离块内的法线偏移角，θb,i(τ)为第i个距离块的目标法线偏移角线，θbc,i第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角；
对第i个距离块内法线偏移角θi(τ)的正弦值进行处理得到线性近似关系：
Figure BDA0002597402450000042
其中，θi(τ)第i个距离块内的法线偏移角，θb,i(τ)为第i个距离块的目标法线偏移角线，θbc,i第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角，τbc,i为距离块的中心时刻。
在本发明的一个实施例中，步骤S5包括步骤：
S51、对第n个通道第i个距离块内的回波数据进行时变加权处理，得到时变加权后的回波数据sn,i(τ)为：
Figure BDA0002597402450000051
其中，wn(τ)为第n个通道的时变加权系数，sn(τ)为需要加权的第n个通道的回波数据，A0为信号增益，τ为距离向快时间，τ1为目标到参考通道的时延，Δτn为目标到通道n的时延与τ1的差，T为脉冲宽度，j为虚数，fc为载波频率，Kr为距离向调频率，λ为载波波长，n表示第n个通道，d为相邻通道之间的距离，θbc,i第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角，θb,i(τ)为第i个距离块的目标法线偏移角线，τbc,i为距离块的中心时刻，θ0为目标的波达方向角；
令
Figure BDA0002597402450000052
Figure BDA0002597402450000053
则时变加权后的回波数据sn,i(τ)表示为：
Figure BDA0002597402450000061
其中，τ1为目标到参考通道的时延，Δτn为目标到通道n的时延与τ1的差，s1,i(τ)为参考通道的时变加权后的回波数据，
Figure BDA0002597402450000062
S52、对所述时变加权后的回波数据进行FIR滤波，得到第i个距离块DBF融合处理后的回波数据sDBF(τ)：
Figure BDA0002597402450000063
其中，sn(τ)为需要加权的第n个通道的回波数据，Hn,dcom(τ)为第n个通道的补偿相位，Hn,dcom(τ)＝exp(-j·(n-1)·2πf0τ)·exp(-jφres)，j为虚数单位，n表示第n个通道，τ为距离向快时间，第n个通道的时变加权系数；
S53、按照步骤S51和S52对所有距离块进行时变加权处理和FIR滤波，得到整个场景DBF处理后的回波数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的成像方法能够不受信号脉宽和法线偏移角的影响，进行DBF-TOPS SAR回波数据的DBF处理，获取高信噪比回波数据，聚焦处理后得到高信噪比SAR图像，克服现有距离向DBF处理方法的不足，同时适用信号脉宽较大和法线偏移角与距离向采样时间不满足线性近似条件的情况，可用于具有宽测绘带的机载DBF-TOPS SAR的成像处理。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于距离向分块的机载DBF-TOPS SAR成像方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种距离多通道TOPS SAR系统的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种单块内法线偏移角角度范围取不同值时真实角度与线性近似角度的比较结果示意图；
图4为本发明实施例提供的一种四种方法得到的点目标的回波信号实部示意图；
图5为本发明实施例提供的一种带噪的通道一回波信号和DBF合成回波信号示意图；
图6为本发明实施例提供的一种四种方法DBF合成后得到的点目标距离向评估结果示意图。
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。
实施例一
DBF-TOPS SAR技术，在保证测绘带宽的基础上，能够有效提升图像的信噪比，具有很大的研究意义。DBF-TOPS SAR成像过程中关键步骤之一为DBF处理，DBF处理效果会直接影响成像结果。根据研究发现，现有距离向DBF处理方法大致分为三种，其中方法一仅适用信号脉宽较窄的情况，方法二克服了方法一的不足，但是增加了处理工作量和复杂度。为了同时克服方法一和方法二的不足，方法三被提出，该方法是现有方法中的最优方法。但是方法三适用法线偏移角与距离向采样时间满足线性特性的SAR系统，当距离测绘宽度较大或者法线倾角较大而距离测绘宽度较小时，法线偏移角与距离向采样时间不再满足线性近似关系，方法三将不适用。
为了解决这个问题，本实施例提出了一种基于距离向分块的机载DBF-TOPS SAR成像方法。请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于距离向分块的机载DBF-TOPS SAR成像方法的流程示意图。
本实施例首先介绍该成像方法所采用的距离多通道TOPS SAR系统。请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种距离多通道TOPS SAR系统的示意图。在此系统中，发射天线发射距离宽波束，覆盖较宽测绘带，在距离向采用多个通道同时接收测绘带中目标回波。距离向接收天线共有N个通道，通道间隔为d，天线倾角为α(定义为通道之间的连线与水平面的夹角)，H0为接收平台高度。对于点目标P而言，其到参考通道的斜距为Rp，斜距与天线法线之间的夹角为θ0。
该成像方法具体包括步骤：
S1、采用机载距离多通道TOPS SAR系统录取观测场景回波，获取观测场景的各接收通道回波数据。
具体地，采用机载距离多通道TOPS SAR系统录取观测场景回波，获取观测场景的各通道回波数据。本发明采用的距离多通道TOPS SAR系统如图2所示，发射天线发射宽波束照射观测场景，接收天线中各通道同时接收场景中目标的回波。
S2、将各接收通道回波数据进行等效相位中心处理，得到等效相位中心处自发自收的回波数据。
具体地，常规的成像方法适合自发自收工作模式，由于各接收通道与发射通道天线相位中心不一致，需要将各接收通道的回波数据等效为在等效相位中心处自发自收的回波数据。从图2中可以看出发射天线和接收天线各通道的天线相位中心位置不同，属于收发双置系统，为了采用常规成像方法处理，需要进行等效相位中心处理。本实施例将发射天线位置与接收天线各通道位置几何连线的中心作为等效相位中心，之后对各通道回波数据补偿等效相位中心引起的斜距误差，补偿后的回波数据相当于载机在等效相位中心处自发自收的回波数据。
S3、利用幅度相关法估计等效相位中心处自发自收的回波数据之间的距离向偏移量，并对距离向偏移量进行校正，使各通道回波数据包络对齐，得到包络对齐后的回波数据。
具体地，由于不同接收通道电延迟和同一目标到不同接收通道斜距不同，导致同一目标在各接收通道的回波采样位置不同，造成包络未对齐，要通过幅度相关法估计各接收通道回波之间的距离向偏移量并对其进行校正，使各接收通道回波包络对齐，得到包络对齐后的回波数据。
S4、将包络对齐后的回波数据进行距离向分块，得到各通道回波数据对应的距离块，其中，分块的原则是：单个距离块内各通道回波数据对应的法线偏移角与距离向采样时间满足线性近似关系。
具体地，当法线偏移角与距离向采样时间不满足线性近似条件时，时变加权与FIR滤波相结合的DBF处理方法不再适用，需要将各接收通道回波数据进行距离向分块，分块的原则是单个距离块内回波数据对应的法线偏移角与距离向采样时间满足线性近似关系。目前最优的距离向DBF处理方法是方法三，但是该方法仅适用法线偏移角与距离向采样时间满足线性近似的情况。为了不受法线偏移角的限制，本实施例采用距离向分块的方法进行处理，使块内的法线偏移角能够近似为距离向采样时间的线性函数。采用的分块方法是，单块内法线偏移角的角度范围小于10度，角度范围越小，角度近似精度越高，由角度近似引起的误差越小，但是计算量会越大。在实际处理中通过衡量角度近似精度和计算量之间的需求，选取合适的角度范围对接收通道回波数据沿距离向进行分块。
具体地，步骤S4包括：
S41、确定距离向分块时单块的角度范围，使得所述单块块内的法线偏移角的角度的取值范围为[-5°，5°]且小于10度。
当法线偏移角θ(τ)的取值范围为[-5°，5°]，或者更小时，法线偏移角和距离向采样时间满足的线性关系为：
Figure BDA0002597402450000101
式中τc为场景中心对应的距离向快时间，但是当θ(τ)取值范围较大时这种近似关系是不满足的，需要进行距离向分块，使单个距离块内的角度满足线性近似条件，分块的原则是块内的法线偏移角的角度范围小于10度，角度范围越小，角度近似引起的误差越小，但是计算量越大，可以通过衡量近似精度和计算量的需求来选取合适的角度范围。
S42、根据所述角度范围将所述包络对齐后的回波数据进行距离向分块，得到m个距离块。
具体地，设法线偏移角的取值范围为[θ1,θ2]，步骤S41中确定的角度范围为θang，则距离向的分块数为m＝(θ2-θ1)/θang，即各通道回波数据沿距离向分为m块。
假设第i个距离块内的法线偏移角为θi(τ)，其中，τbs,i≤τ≤τbe,i，τbs,i为距离块中近距点对应的距离向快时间，τbe,i为距离块中远距点对应的距离向快时间，则第i个距离块内的法线偏移角取值范围为θbs,i≤θi(τ)≤θbe,i，其中，θbs,i为第i个距离块中近距点对应的法线偏移角，θbe,i为第i个距离块中远距点对应的法线偏移角；该距离块中心时刻τbc,i＝(τbs,i+τbe,i)/2对应的法线偏移角θbc,i为θbc,i＝(θbs,i+θbe,i)/2，对距离块内的目标法线偏移角θb,i(τ)＝θi(τ)-θbc,i线性近似得到：
Figure BDA0002597402450000111
第i个距离块内的法线偏移角θi(τ)可以表示为：
θi(τ)＝θb,i(τ)+θbc,i,τbs,i≤τ≤τbe,i (3)
其正弦值为：
Figure BDA0002597402450000112
由于θb,i(τ)的值比较小，则cos(θb,i(τ))≈1，则上式可以进一步表示为：
Figure BDA0002597402450000113
方法三中法线偏移角较小，与其正弦值可以近似相等，同时可以等效为距离向采样时间的线性函数。但是当法线偏移角较大时，方法三种对法线偏移角的近似关系将不再满足，为了能够使用方法三进行DBF处理，本实施例提出距离向分块的方法，单个距离块内的法线偏移角与块中心对应法线偏移角做差，得到的角度值较小，且其正弦值可以近似相等，据此对块内的法线偏移角和其正弦值的近似情况分别进行了详细推导，为后面的DBF处理奠定基础。
S5、将各通道相应距离块采用基于距离分块的DBF处理方法逐距离块进行处理，得到DBF融合处理后的回波数据。
具体地，取各通道相应距离块采用基于距离分块的DBF处理方法进行处理，包括步骤：
S51、对各通道相应距离块内的回波数据进行时变加权处理：以第n个通道第i个距离块为例，时变加权后的回波数据sn,i(τ)为：
Figure BDA0002597402450000121
其中，wn(τ)为第n个通道的时变加权系数，sn(τ)为需要加权的第n个通道的回波数据，A0为信号增益，τ为距离向快时间，τ1为目标到参考通道的时延，Δτn为目标到通道n的时延与τ1的差，T为脉冲宽度，j为虚数，fc为载波频率，Kr为距离向调频率，λ为载波波长，n表示第n个通道，d为相邻通道之间的距离，θbc,i第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角，θb,i(τ)为第i个距离块的目标法线偏移角线，τbc,i为距离块的中心时刻，θ0为目标的波达方向角；
令
Figure BDA0002597402450000122
Figure BDA0002597402450000123
则时变加权后的回波数据sn,i(τ)表示为：
Figure BDA0002597402450000131
其中，τ1为目标到参考通道(通道一)的时延，Δτn为目标到通道n的时延与τ1的差，s1,i(τ)为参考通道的时变加权后的回波数据。
s1,i(τ)具体表达式为：
Figure BDA0002597402450000132
S52、对时变加权后的回波数据进行FIR滤波，得到第i个距离块DBF融合处理后的回波数据。
具体地，为了各通道回波信号的频谱存在被加权的问题，使各通道信号相干合成，需要对在求和之前对加权后的各通道信号进行FIR滤波，滤波器的表达式为：
Hn,dcom(τ)＝exp(-j·(n-1)·2πf0τ)·exp(-jφres) (11)
则第i个距离块DBF处理得到的信号为：
Figure BDA0002597402450000133
其中，sn(τ)为需要加权的第n个通道的回波数据，Hn,dcom(τ)为第n个通道的补偿相位，Hn,dcom(τ)＝exp(-j·(n-1)·2πf0τ)·exp(-jφres)，j为虚数单位，n表示第n个通道，τ为距离向快时间，第n个通道的时变加权系数。
S53、按照步骤S51和S52对所有距离块进行时变加权处理和FIR滤波，得到整个场景DBF处理后的回波数据。
本实施例依次取各接收通道相应距离块的回波数据进行DBF处理，由于法线偏移角的近似关系存在差异，单距离块的DBF处理思想和处理公式请参见式(6)～(12)。本实施例已对DBF处理过程作了详细推导，对所有距离块完成DBF处理，即可得到整个观测场景的DBF融合回波数据。
S6、将DBF融合处理后的回波数据采用基于方位deramp处理的TOPS SAR成像算法进行聚焦成像，得到高信噪比SAR图像。
具体地，对DBF融合处理后的回波数据采用基于方位deramp处理的TOPS SAR成像算法进行聚焦成像，得到高信噪比SAR图像。通过DBF处理得到的回波数据具有高信噪比，之后的成像过程与单通道回波数据的处理相同。目前TOPS SAR有多种聚焦成像算法，本实施例采用简单方便的基于方位deramp处理的TOPS SAR成像算法进行成像处理。
本实施例通过距离多通道TOPS SAR系统获取观测场景的各接收通道回波数据，由于收发双置，需要对各接收通道回波数据作等效相位中心处理，使其等效为等效相位中心处自发自收的回波数据，再校正不同通道之间的电延迟和目标在各接收通道的回波采样位置不同引起的包络误差，使通道回波包络对齐；折中角度近似精度和计算量，选取合适的角度范围对接收通道回波数据沿距离向进行分块，根据推导的DBF实现过程对各通道接收回波数据相应距离块依次进行DBF处理，获取整个观测场景高信噪比的回波数据，对此数据进行聚焦得到高信噪比SAR图像。本实施例能够同时克服信号脉宽和法线偏移量受限制的问题，并且减小信号处理难度和复杂度，高效准确地实现宽测绘带高信噪比的DBF-TOPS SAR成像。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例结合附图，根据仿真实验的结果，对该成像方法做进一步的描述。
请参见图1，该成像方法具体实施步骤如下：
步骤1，获取各接收通道回波数据。
仿真所用的距离多通道TOPS SAR系统如图2所示，系统中包括一个发射天线和一个接收天线，设接收天线在距离向包含4个接收通道。发射天线发射宽波束照射观测场景，接收天线中的4个接收通道同时接收观测场景中目标的回波，得到各接收通道回波数据。
步骤2，各接收通道回波数据作等效相位中心处理。
本将发射天线位置与接收天线各通道位置几何连线的中心作为等效相位中心。等效前后场景目标斜距存在斜距误差，此误差一般比较小，对回波包络影响很小，几乎可以忽略，但是对回波相位影响较大，不可忽略。等效相位中心处理的实质就是补偿斜距误差引起的相位误差，补偿后的回波数据相当于载机在等效相位中心处自发自收的回波数据，可以采用常规的成像方法进行聚焦处理。
步骤3，包络对齐。
由于不同接收通道电延迟和同一目标到不同接收通道斜距不同，导致同一目标在各接收通道的回波采样位置不同，造成包络未对齐，即不同接收通道回波数据对应的观测场景存在偏移。当偏移量较大时，要通过幅度相关法估计并校正各接收通道之间的偏移量，使各接收通道回波包络对齐。
步骤4，各接收通道回波数据距离向分块。
单个距离块内法线偏移角的角度范围过大，会引起较大的角度近似误差。本实施例利用表I所示角度近似机载参数，对单块内法线偏移角角度范围取不同值时真实角度与线性近似角度的比较结果作出仿真，仿真结果请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种单块内法线偏移角角度范围取不同值时真实角度与线性近似角度的比较结果示意图，其中图3(a)为法线偏移角角度范围为2°时的比较结果，图3(b)为角度范围为10°时的比较结果，图3(c)为角度范围为20°时的比较结果，图3(c)为角度范围为30°时的比较结果。图3中曲线表示真实角度，直线表示线性近似角度。从图3中可以发现，角度范围取值越大，线性近似角度偏离真实角度的程度越大，使用线性近似角度引入得到误差也会越大，所以角度范围不宜过大。本实施例中，选择单块内法线偏移角的角度范围为2度，由于观测场景整体法线偏移角角度范围为60度，所以本例中各接收通道回波沿距离向被分为30块。
表I角度近似机载参数
距离向采样频率 100MHz
波长 0.03m
通道间距 0.03m
天线倾角 32°
载机高度 4800m
场景中心线距离 3.3km
步骤5，各接收通道回波数据逐距离块做DBF处理。
取各通道相应距离块采用基于距离分块的DBF处理方法进行处理，各接收通道相应距离块可以按照方法三的思想进行DBF处理。本实施例中仿真参数如表II所示，并设距离向通道数为4，以通道一为参考通道。设s1(τ)为通道一的回波信号，各通道完全相干合成的理想回波信号为4·s1(τ)，是DBF处理的理想结果。
表II DBF-TOPS SAR机载仿真参数
方位波束宽度 3.5°
信号带宽 150MHz
脉冲宽度 10μs
PRF 2000Hz
波束旋转角度 4.6°
波束转速 2.6°/s
下视角范围 20°～40°
载机速度 36m/s
载波频率 12.25GHz
通道间距 0.065m
天线倾角 35°
为了评估本发明改进方法的性能，用方法一、方法二、本发明改进方法和完全相干法四种方法，分别按照图1所示流程图进行同参数仿真。请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种四种方法得到的点目标的回波信号实部示意图，其中图4(a)为方法一的处理结果，图4(b)为方法二的处理结果，图4(c)为本文改进方法的处理结果，图4(a)为完全相干法的处理结果。对比图4(a)和图4(d)可以发现，方法一DBF合成的回波信号具有比较严重的幅度调制现象，在脉冲中心经过点目标时，点目标接收波束方向图的最大权益加权，而其它回波时间回波增益小于最大增益。对比图4(b)、图4(c)和图4(d)可以发现，使用方法二和本发明改进方法进行DBF合成时，回波信号的幅度调制现象得到明显改善。
DBF处理可以提高信噪比，本实施例从信噪比的改善情况来进一步评估本文改进方法的处理效果。在各接收通道回波信号中添加高斯白噪声，使信噪比为20dB。请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种带噪的通道一回波信号和DBF合成回波信号示意图，其中图5(a)为通道一回波信号，图5(b)为本文改进方法DBF合成回波信号。计算DBF合成回波信号的信噪比时，将图5(b)中黑色矩形框中回波信号幅度的均方值作为信号能量，将图5(b)中白色矩形框中信号幅度的均方值作为噪声能量。DBF处理前后信噪比的对比结果如表III所示。
表III DBF处理前后信噪比的对比结果
回波信号 信号能量 噪声能量 信噪比
通道一回波信号 0.9998 0.0100 99.98
DBF合成回波信号 15.9995 0.0400 399.88
提升倍数 16 4 3.9996
距离向通道数为4时，理论上信号能量应该提升16倍，噪声能量提升4倍，信噪比应该提升4倍，与通道数相等。表III中信号能量提升了16倍，噪声能量提升4倍，信噪比由原来的99.98提升到399.88，大约提升了3.9996倍，与理论值较接近，充分说明本发明改进DBF处理方法的有效性。
步骤6，DBF融合处理后的回波数据聚焦成像。
TOPS SAR由于波束指向在方位向的扫描，引起多普勒中心频率沿方位向严重空变，从而导致回波信号总带宽远大于脉冲重复频率，引起回波信号方位频谱模糊。传统的距离多普勒算法、距离徙动算法等算法不能直接用于TOPS SAR的成像，需要解决方位向欠采样引起的方位多普勒模糊问题。现有的解混叠方法大致有三种：一种方法是提高脉冲重复频率，但是较大的脉冲重复频率会带来数据量剧增、距离模糊、测绘带变窄等问题；一种是采用子孔径划分的方式，只要使子孔径内信号多普勒带宽小于脉冲重复频率，对每个子孔径单独成像后进行拼接得到整个观测场景的完整图像，但是子孔径的划分和拼接都比较麻烦；还有一种方法是基于谱分析的全孔径成像方法，该方法通过方位预处理解混叠后，再按照常规算法成像。本发明采用简单方便的基于方位deramp处理的TOPS SAR成像算法进行成像处理。
为了定量对比分析四种方法的DBF合成效果，对方法一、方法二、本文改进方法以及完全相干法四种方法DBF合成后回波数据进行聚焦处理，从距离向上评估点目标的聚焦效果，请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种四种方法DBF合成后得到的点目标距离向评估结果示意图，其中6(a)为方法一得到的点目标距离向评估结果，6(b)为方法二得到的点目标距离向评估结果，6(c)为本实施例改进方法得到的点目标距离向评估结果，6(d)为完全相干法得到的点目标距离向评估结果。从点目标峰值处幅度损失、峰值旁瓣比和积分旁瓣比三个方面对比评估四种方法DBF的性能，评估结果如表IV所示。
表IV四种方法DBF性能评估结果
成像性能 方法一 方法二 本文改进方法 完全相干法
峰值处幅度损失(dB) -1.99 0 -0.11 0
PSLR<sub>r</sub>(dB) -16.45 -13.27 -13.27 -13.27
ISLR<sub>r</sub>(dB) -14.82 -10.17 -10.17 -10.17
表IV显示，与完全相干信号的距离压缩结果作对比，方法一得到的点目标距离向幅值损失了-1.99dB，峰值旁瓣比和旁瓣比与有所下降，但是方法二和本实施例改进方法得到的点目标距离向信号幅度、峰值旁瓣比和积分旁瓣比几乎无损失，和完全相干信号的系统性能几乎一致，有效证明了本实施例改进方法能够有效改善信号增益损失和成像质量损失问题。
简而言之，本实施例公开的一种基于距离向分块的机载DBF-TOPS SAR成像方法，主要解决法线偏移角与距离向采样时间不满足线性特性情况下DBF-TOPS SAR的距离向DBF处理和成像问题。实现步骤是：获取各接收通道回波数据；各接收通道回波数据作等效相位中心处理；包络对齐；各接收通道回波数据距离向分块；各接收通道回波数据逐距离块做DBF处理；DBF融合处理后的回波数据聚焦成像。本实施例将距离多通道TOPS SAR系统和DBF技术结合起来，提供了一种宽测绘带高信噪比成像模式，并推导了该模式的信号模型。针对法线偏移角与距离向采样时间不满足线性近似条件的问题，本发明提出距离向分块法，使DBF-TOPS SAR在进行DBF处理时不受信号脉宽和法线偏移角的限制，能够采用时变相移加权与FIR滤波结合法获得较好的DBF融合效果，获得高信噪比回波信号，聚焦处理后获得宽测绘带高信噪比SAR图像。
本实施例将距离多通道TOPS SAR系统和DBF技术结合起来，提供了一种宽测绘带高信噪比成像模式，并推导了该模式的信号模型。针对法线偏移角与距离向采样时间不满足线性近似条件的问题，本发明提出距离向分块法，使DBF-TOPS SAR在进行DBF处理时不受信号脉宽和法线偏移角的限制，能够采用时变相移加权与FIR滤波结合法获得较好的DBF融合效果，获得高信噪比回波信号，聚焦处理后获得宽测绘带高信噪比SAR图像。
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)

1.一种基于距离向分块的机载DBF-TOPS SAR成像方法，其特征在于，包括步骤：
S1、采用机载距离多通道TOPS SAR系统录取观测场景回波，获取观测场景的各接收通道回波数据；
S2、将所述各接收通道回波数据进行等效相位中心处理，得到等效相位中心处自发自收的回波数据；
S3、利用幅度相关法估计所述等效相位中心处自发自收的回波数据之间的距离向偏移量，并对所述距离向偏移量进行校正，使所述各通道回波数据包络对齐，得到包络对齐后的回波数据；
S4、将所述包络对齐后的回波数据进行距离向分块，得到所述各通道回波数据对应的距离块，其中，分块的原则是：单个距离块内所述各通道回波数据对应的法线偏移角与距离向采样时间满足线性近似关系；包括步骤：
S41、确定距离向分块时单块的角度范围，使得所述单块块内的法线偏移角的角度的取值范围为[-5°，5°]，且所述单块块内的法线偏移角的角度范围小于10度；
S42、根据所述角度范围将所述包络对齐后的回波数据进行距离向分块，得到m个距离块：
m＝(θ2-θ1)/θang
其中，m为分块数，[θ1,θ2]为法线偏移角的取值范围，θang为块内的法线偏移角的角度范围；
在所述m个距离块中第i个距离块内的法线偏移角θi(τ)取值范围为：
θbs,i≤θi(τ)≤θbe,i
其中，θbs,i为第i个距离块中近距点对应的法线偏移角，θbe,i为第i个距离块中远距点对应的法线偏移角；
则第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角θbc,i为：
θbc,i＝(θbs,i+θbe,i)/2
其中，θbs,i为第i个距离块中近距点对应的法线偏移角，θbe,i为第i个距离块中远距点对应的法线偏移角；
对第i个距离块的目标法线偏移角θb,i(τ)线性近似得到：
Figure FDA0003563831520000021
其中，θb,i(τ)＝θi(τ)-θbc,i，τbc,i为距离块的中心时刻，τbs,i为距离块中近距点对应的距离向快时间，τbe,i为距离块中远距点对应的距离向快时间；
则第i个距离块内法线偏移角θi(τ)为：
θi(τ)＝θb,i(τ)+θbc,i,τbs,i≤τ≤τbe,i
其中，θb,i(τ)为第i个距离块的目标法线偏移角，θbc,i为第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角，τbs,i为距离块中近距点对应的距离向快时间，τbe,i为距离块中远距点对应的距离向快时间；
第i个距离块内法线偏移角θi(τ)的正弦值为：
sin(θi(τ))＝sin(θb,i(τ)+θbc,i)
＝sin(θb,i(τ))·cos(θbc,i)+cos(θb,i(τ))·sin(θbc,i)
其中，θi(τ)为第i个距离块内的法线偏移角，θb,i(τ)为第i个距离块的目标法线偏移角，θbc,i为第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角；
对第i个距离块内法线偏移角θi(τ)的正弦值进行处理得到线性近似关系：
Figure FDA0003563831520000031
其中，θi(τ)为第i个距离块内的法线偏移角，θb,i(τ)为第i个距离块的目标法线偏移角，θbc,i为第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角，τbc,i为距离块的中心时刻；
S5、将各通道相应所述距离块采用基于距离分块的DBF处理方法逐距离块进行处理，得到DBF融合处理后的回波数据；包括步骤：
S51、对第n个通道第i个距离块内的回波数据进行时变加权处理，得到时变加权后的回波数据sn,i(τ)为：
Figure FDA0003563831520000032
其中，wn(τ)为第n个通道的时变加权系数，sn(τ)为需要加权的第n个通道的回波数据，A0为信号增益，τ为距离向快时间，τ1为目标到参考通道的时延，Δτn为目标到通道n的时延与τ1的差，T为脉冲宽度，j为虚数，fc为载波频率，Kr为距离向调频率，λ为载波波长，n表示第n个通道，d为相邻通道之间的距离，θbc,i为第i个距离块中心时刻对应的法线偏移角，θb,i(τ)为第i个距离块的目标法线偏移角，τbc,i为距离块的中心时刻，θ0为目标的波达方向角；
令
Figure FDA0003563831520000041
Figure FDA0003563831520000042
则时变加权后的回波数据sn,i(τ)表示为：
Figure FDA0003563831520000043
其中，τ1为目标到参考通道的时延，Δτn为目标到通道n的时延与τ1的差，s1,i(τ)为参考通道的时变加权后的回波数据，
Figure FDA0003563831520000044
S52、对所述时变加权后的回波数据进行FIR滤波，得到第i个距离块DBF融合处理后的回波数据sDBF(τ)：
Figure FDA0003563831520000045
其中，sn(τ)为需要加权的第n个通道的回波数据，Hn,dcom(τ)为第n个通道的补偿相位，Hn,dcom(τ)＝exp(-j·(n-1)·2πf0τ)·exp(-jφres)，j为虚数单位，n表示第n个通道，τ为距离向快时间，wn(τ)为第n个通道的时变加权系数；
S53、按照步骤S51和S52对所有距离块进行时变加权处理和FIR滤波，得到整个场景DBF处理后的回波数据；
S6、将所述DBF融合处理后的回波数据采用基于方位deramp处理的TOPS SAR成像算法进行聚焦成像，得到高信噪比SAR图像。
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