CN112415512B - 基于进退法和黄金分割法的sar运动目标聚焦方法 - Google Patents

基于进退法和黄金分割法的sar运动目标聚焦方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于进退法和黄金分割法的SAR运动目标聚焦方法，根据运动目标雷达回波信号的特点，先通过进退法确定运动目标的速度区间，再通过黄金分割法求解幅值最大时对应的方位向速度和距离向速度，针对不同的搜索速度构造出的距离徙动校正函数和方位向匹配滤波器，会使得目标呈现聚焦和散焦的情况，如果运动目标被精确聚焦，就会在幅度上存在最大值，对应的求解速度即为未知运动目标的真实速度。

Description

基于进退法和黄金分割法的SAR运动目标聚焦方法
技术领域
本发明属于雷达目标成像技术领域，特别涉及了一种SAR运动目标聚焦方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)作为一种主动式高分辨率微波成像传感器，能够对目标区域进行远距离、大测绘带的二维高精度成像。SAR系统通过发射大时间带宽积的线性调频信号，利用脉冲压缩技术获得距离高分辨率；利用雷达平台和目标之间的相对运动，在一定积累时间内通过信号处理方法对信号进行相关积累，等效地合成一个比真实孔径大的多的合成孔径，从而获得目标的方位向高分辨率。
SAR成像的原理是利用雷达与场景间的相对运动获得长的相干积累时间。对于静止地物成像来说，相对运动完全由雷达平台决定，因此将此已知的附加相位补偿掉后就可以得到聚焦的静止地物二维影像。而对于运动目标而言，相对运动由雷达和运动目标共同决定，因为目标的运动参数未知，常规的成像算法无法将其附加相位完全补偿掉，这导致运动目标在静止SAR图像上呈现散焦和方位偏移，甚至根本没有图像。
发明内容
为了解决上述背景技术提到出的技术问题，本发明提出了基于进退法和黄金分割法的SAR运动目标聚焦方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
基于进退法和黄金分割法的SAR运动目标聚焦方法，包括以下步骤：
(1)对雷达接收的回波进行距离向脉冲压缩；
(2)基于步骤(1)得到的经距离向脉冲压缩的回波信号，构造距离徙动校正函数和方位向匹配滤波器，分别将距离向速度和方位向速度与信号幅值的对应关系看成单峰函数形式，采用进退法确定距离向速度和方位向速度的搜索区间，再使用黄金分割法进一步估计距离向速度和方位向速度。
进一步地，经距离向脉冲压缩的回波信号表达式如下：
s(t,τ)＝σBr·Wa(t)exp[-j4πr(t)/λ]sinc{πBr[τ-2r(t)/c]}
上式中，s(t,τ)表示经距离向脉冲压缩后的回波信号，τ是距离向的快时间变量，t是方位向的慢时间变量，Br是距离向带宽，σ是点目标的后向散射系数，Wa(t)表示雷达天线增益，r(t)表示运动目标与天线相位中心的瞬时距离，c表示光速，λ表示波长，j表示虚数单位。
进一步地，步骤(2)的具体过程如下：
(2-1)将距离向脉冲压缩后的回波进行距离向FFT，将数据变换到距离频率-方位时间域，并根据给定的距离向速度初始值vy0、方位向速度初始值vx0计算得出多普勒中心
Figure BDA0002727957150000021
多普勒调频率
Figure BDA0002727957150000022
构造距离徙动校正函数，其中，y0表示载机的起始点纵坐标，v表示载机飞行速度，λ表示波长，r0表示雷达作用距离；
(2-2)设计方位向匹配滤波器进行滤波，再经过距离向IFFT，实现对运动目标的成像，计算初始值vy0、vx0下的目标幅值Z0＝Z(vx0,vy0)，其中，Z(vx0,vy0)表示与初始值vy0、vx0相关的函数关系；
(2-3)给定步长s，使用进退法确定距离向速度搜索区间；此时距离向搜索速度vy1＝vy0+s，多普勒中心为
Figure BDA0002727957150000023
方位向速度不变，计算vy1、vx0下的目标幅值Z1，比较Z0与Z1的大小，如果Z0小于Z1，前进2s，计算vy2＝vy1+2s下的目标幅值Z2，继续比较Z2与Z1的大小，如果Z1小于Z2，重复前述步骤，直至Zn大于Zn+1，则距离向速度搜索区间为[vy0,vyn+1]；如果Z0大于Z1，后退2s，计算vy2＝vy0-2s下的目标幅值Z2，继续比较Z2与Z1的大小，如果Z2大于Z1，重复前述步骤，直至Zn+1小于Zn，则距离向速度搜索区间为[vyn+1,vy0]；
(2-4)基于黄金分割法估计距离向速度；将步骤(2-3)得到的距离向速度搜索区间[vy0,vyn+1]或[vyn+1,vy0]记作[a0,b0]，取两点a＝a0+0.382×(b0-a0)，b＝b0+0.618×(b0-a0)，计算幅值Z(vx0,a)和Z(vx0,b)并比较大小，如果Z(vx0,a)＞Z(vx0,b)，令b0＝b,b＝a,a＝a0+0.382×(b0-a0)；如果Z(vx0,a)＜Z(vx0,b)，令a0＝a,a＝b,b＝a0+0.618×(b0-a0)，在在保留下来的区间[a,b]上迭代上述过程，直到|b-a|<e或|Z(vx0,b)-Z(vx0,a)|＜e，得到估计的距离向速度vy＝(a+b)/2，其中，e为预设精度；
(2-5)参照步骤(2-3)和(2-4)，给定步长h，令方位向搜索速度vx1＝vx0+h，多普勒调频率
Figure BDA0002727957150000031
距离向速度为步骤(2-4)得到的估计值vy，使用进退法确定方位向速度搜索区间并基于黄金分割法得到估计的方位向速度vx。
进一步地，所述距离徙动校正函数如下：
Figure BDA0002727957150000032
上式中，fr表示距离向频率。
进一步地，所述方位向匹配滤波器的时域表达式如下：
Figure BDA0002727957150000033
上式中，Ta表示合成孔径时间，rect(·)表示发射信号的包络，是矩形函数。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明先通过进退法确定运动目标的速度区间，再通过黄金分割法求解幅值最大时对应的方位向速度和距离向速度，针对不同的搜索速度构造出的距离徙动校正函数和方位向匹配滤波器，会使得目标呈现聚焦和散焦的情况，如果运动目标被精确聚焦，就会在幅度上存在最大值，对应的求解速度即为未知运动目标的真实速度。与传统的固定步长且需要设置搜索区间的二维速度搜索相比，本发明直接由进退法得出搜索区间另一端点值，又由于是非等间隔搜索，可以提高计算效率，且通过改变精度可以近似目标的真实速度，摒弃了传统方法受限于步长而导致速度搜索值与真实目标速度值误差太大的缺点。通过仿真实验验证了本发明的可行性和有效性。
附图说明
图1是本发明的整体流程图；
图2是实施例中运动目标几何关系图；
图3是实施例中不同参数下运动目标幅值图；其中(a)为vx0＝0m/s,vy0＝0m/s时目标幅值图，(b)为vx0＝0m/s,vy0＝1m/s时目标幅值图，(c)为vx0＝0m/s,vy0＝3m/s时目标幅值图，(d)为vx0＝0m/s,vy0＝5m/s时目标幅值图，(e)为vx0＝0m/s,vy0＝1.7640m/s时目标幅值图，(f)为vx0＝0m/s,vy0＝2.2360m/s时目标幅值图，(g)为vx0＝0m/s,vy0＝2.4996m/s时目标幅值图，(h)为vx0＝1.5008m/s,vy0＝2.4996m/s时目标幅值图；
图4是基于黄金分割法的速度估计流程图；
图5是运动目标被聚焦后的成像切片图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了基于进退法和黄金分割法的SAR运动目标聚焦方法，整体流程如图1所示。
本实施例利用仿真的星载SAR回波数据进行验证和分析。实验所用计算机CPU为i7-9700@3.00GHz八核，内存为16GB。仿真的系统参数如下：在成像场景中设置一个运动目标，距离向速度为2.5m/s，方位向速度为1.5m/s，并以动目标为参考原点建立直角坐标系，使得SAR图像也以参考点为成像中心。具体的SAR系统仿真参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002727957150000051
在典型的星载SAR系统中，目标在合成孔径时间内受到波束的照射并反射回波。假设运动目标在合成孔径时间内做匀速直线运动，构建正侧视下运动目标SAR几何关系模型如图2示。为了简化问题，这里仿真波束指向为90°(正侧视，即斜视角β＝0°)情况下场景的回波，则方位0时刻，雷达在位于(0,y0,h)处，以速度v沿方位向匀速直线运动；运动目标位于(0,0,0)处，其方位向速度、距离向速度分别为vx和vy。运动目标到雷达飞行航迹的距离记为r0，且满足
Figure BDA0002727957150000061
则t时刻运动目标与天线相位中心的距离关系表示为：
Figure BDA0002727957150000062
对上式进行泰勒展开得到：
Figure BDA0002727957150000063
SAR系统发射信号一般为已知的线性调频信号，根据SAR原理，得到回波信号
Figure BDA0002727957150000064
其中，τ是距离向的快时间变量，t是方位向的慢时间变量，σ为点目标的后向散射系数，Wa(t)为方位窗，K是线性调频脉冲的调频率，λ表示波长，c为光速。
首先进行步骤1，即数据预处理。将雷达接收到解调后的基带复信号用匹配滤波的方法进行距离压缩，并代入r(t)得到距离压缩后的回波信号表示为：
Figure BDA0002727957150000065
其中，B表示发射信号带宽。
接着进行步骤2，即采用进退法和黄金分割法进行参数估计。先计算速度初始值(vx0＝0m/s,vy0＝0m/s)的多普勒中心fdc0和多普勒调频率Ka0完成距离徙动校正和方位向匹配滤波，记录此时的目标幅值，见图3中的(a)。以设置的进退法的进退步长(便于说明，这里步长s＝1，实际步长应在0～1之间)改变距离向速度(此时，vx0＝0m/s,vy0＝1m/s)，重新计算目标幅值，见图3中的(b)。通过图3中的(a)和(b)，可以看出距离向速度不匹配导致目标在方位向位置出现了偏移，方位向速度不匹配以及距离走动和距离弯曲均未得到完全校正，使得目标幅值产生差异。但vy0＝1m/s下的幅值大于vy0＝0m/s下的幅值，根据进退法，继续前进得到vx0＝0m/s,vy0＝3m/s，计算目标幅值，见图3中的(c)。对比图3中的(c)和(b)，目标方位向位置偏移到第536个采样点，理想情况下是位于方位向中心点(第512个方位采样单元)，且目标幅值大于(b)参数下的目标幅值，可以推断距离向真实速度区间应该在[1,3]，且接近3m/s。为了验证结论，使用进退法继续前进获取vx0＝0m/s,vy0＝5m/s下的目标幅值，见图3中的(d)。通过图3中的(d)，目标出现在方位位置第631个采样点，偏移的更多，且目标幅值较图3中的(c)的幅值下降了很多，说明速度失配程度较大，验证了我们的结论：距离向速度区间应该是[1,3]。
如图4所示，进退法确定了距离向速度区间后，使用黄金分割法逼近真实速度。令a0＝1,b0＝3,a＝a0+0.382(b0-a0),b＝a0+0.618(b0-a0)，计算得到a＝1.7640，b＝2.2360。分别计算vx0＝0m/s,vy0＝1.7640m/s和vx0＝0m/s,vy0＝2.2360m/s下的目标幅值，见图3中的(e)和(f)。对比图3中的(e)和(f)，vx0＝0m/s,vy0＝2.2360m/s的幅值高于vx0＝0m/s,vy0＝1.7640m/s的幅值，且方位向位置更接近于场景中心点，故更新a0,a,b，令a0＝a,a＝b,b＝a0+0.382(b0-a0)，此时a0＝1.7640，a＝2.2360，b＝2.2362,b0＝3。重复前述步骤，直至满足收敛条件。
图3中的(g)给出了当设置精度e＝0.001时，利用黄金分割法迭代之后距离向速度为2.5001m/s的目标幅值。与真实距离向速度值2.5m/s存在0.0001的误差可以通过提高精度改善，由于误差极小忽略不计也不会造成太大影响。
得到距离向速度之后，设置速度初始值(vx0＝0m/s,vy0＝2.5001m/s)采用上述同样的方法求解方位向速度vx0＝1.4999m/s。最终得到目标聚焦的幅值，见图3中的(h)。图5给出了运动目标聚焦后的成像切片。
通过表2和表3以及表4和表5的对比，本发明所提出的方法只需要设置速度初始值、进退法的步长以及精度等参数就可以直接得出速度搜索值，而传统二维速度搜索的方法局限于速度搜索区间以及步长等因素，如果区间设置的太大或者步长设置太小，就会导致计算量增大、耗时变长。只有当二维搜索的区间尽可能小并且接近于目标实际速度时，消耗的时间才会大大减少，然而这在实际应用中是不太可能的。传统二维搜素方法特别是当搜索间隔设置不合理时，遍历不到目标的真实速度，就会不可避免会带来误差。
表2
Figure BDA0002727957150000081
表3
Figure BDA0002727957150000082
Figure BDA0002727957150000091
表4
Figure BDA0002727957150000092
表5
Figure BDA0002727957150000093
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.基于进退法和黄金分割法的SAR运动目标聚焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对雷达接收的回波进行距离向脉冲压缩；
(2)基于步骤(1)得到的经距离向脉冲压缩的回波信号，构造距离徙动校正函数和方位向匹配滤波器，分别将距离向速度和方位向速度与信号幅值的对应关系看成单峰函数形式，采用进退法确定距离向速度和方位向速度的搜索区间，再使用黄金分割法进一步估计距离向速度和方位向速度；
经距离向脉冲压缩的回波信号表达式如下：
s(t,τ)＝σBr·Wa(t)exp[-j4πr(t)/λ]sinc{πBr[τ-2r(t)/c]}
上式中，s(t,τ)表示经距离向脉冲压缩后的回波信号，τ是距离向的快时间变量，t是方位向的慢时间变量，Br是距离向带宽，σ是点目标的后向散射系数，Wa(t)表示雷达天线增益，r(t)表示运动目标与天线相位中心的瞬时距离，c表示光速，λ表示波长，j表示虚数单位；
步骤(2)的具体过程如下：
(2-1)将距离向脉冲压缩后的回波进行距离向FFT，将数据变换到距离频率-方位时间域，并根据给定的距离向速度初始值vy0、方位向速度初始值vx0计算得出多普勒中心
Figure FDA0003679063210000011
多普勒调频率
Figure FDA0003679063210000012
构造距离徙动校正函数，其中，y0表示载机的起始点纵坐标，v表示载机飞行速度，λ表示波长，r0表示雷达作用距离；
(2-2)设计方位向匹配滤波器进行滤波，再经过距离向IFFT，实现对运动目标的成像，计算初始值vy0、vx0下的目标幅值Z0＝Z(vx0,vy0)，其中，Z(vx0,vy0)表示与初始值vy0、vx0相关的函数关系；
(2-3)给定步长s，使用进退法确定距离向速度搜索区间；此时距离向搜索速度vy1＝vy0+s，多普勒中心为
Figure FDA0003679063210000021
方位向速度不变，计算vy1、vx0下的目标幅值Z1，比较Z0与Z1的大小，如果Z0小于Z1，前进2s，计算vy2＝vy1+2s下的目标幅值Z2，继续比较Z2与Z1的大小，如果Z1小于Z2，重复前述步骤，直至Zn大于Zn+1，则距离向速度搜索区间为[vy0,vyn+1]；如果Z0大于Z1，后退2s，计算vy2＝vy0-2s下的目标幅值Z2，继续比较Z2与Z1的大小，如果Z2大于Z1，重复前述步骤，直至Zn+1小于Zn，则距离向速度搜索区间为[vyn+1,vy0]；
(2-4)基于黄金分割法估计距离向速度；将步骤(2-3)得到的距离向速度搜索区间[vy0,vyn+1]或[vyn+1,vy0]记作[a0,b0]，取两点a＝a0+0.382×(b0-a0)，b＝b0+0.618×(b0-a0)，计算幅值Z(vx0,a)和Z(vx0,b)并比较大小，如果Z(vx0,a)＞Z(vx0,b)，令b0＝b,b＝a,a＝a0+0.382×(b0-a0)；如果Z(vx0,a)＜Z(vx0,b)，令a0＝a,a＝b,b＝a0+0.618×(b0-a0)，在保留下来的区间[a,b]上迭代上述过程，直到|b-a|<e或|Z(vx0,b)-Z(vx0,a)|＜e，得到估计的距离向速度vy＝(a+b)/2，其中，e为预设精度；
(2-5)参照步骤(2-3)和(2-4)，给定步长h，令方位向搜索速度vx1＝vx0+h，多普勒调频率
Figure FDA0003679063210000022
距离向速度为步骤(2-4)得到的估计值vy，使用进退法确定方位向速度搜索区间并基于黄金分割法得到估计的方位向速度vx。
2.根据权利要求1所述基于进退法和黄金分割法的SAR运动目标聚焦方法，其特征在于，所述距离徙动校正函数如下：
Figure FDA0003679063210000023
上式中，fr表示距离向频率。
3.根据权利要求1所述基于进退法和黄金分割法的SAR运动目标聚焦方法，其特征在于，所述方位向匹配滤波器的时域表达式如下：
Figure FDA0003679063210000031
上式中，Ta表示合成孔径时间，rect(·)表示发射信号的包络，是矩形函数。
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