CN112505693B

CN112505693B - 干涉逆合成孔径雷达成像配准方法、系统和存储介质

Info

Publication number: CN112505693B
Application number: CN202011137420.6A
Authority: CN
Inventors: 田彪; 郭瑞; 徐世友; 陈曾平
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: National University of Defense Technology; Sun Yat Sen University
Priority date: 2020-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2023-07-25
Anticipated expiration: 2040-10-22
Also published as: CN112505693A

Abstract

本申请公开了一种干涉逆合成孔径雷达成像配准方法、系统和存储介质，所述方法包括：采集待测目标的回波信号；根据回波信号获取回波一维像序列，回波一维像序列包括第一回波一维像序列和第二回波一维像序列；对第二回波一维像序列进行距离向相位对消；对第二回波一维像序列进行方位向相位对消。本申请实施例采集待测目标的回波信号，并将其转换为回波一维像序列，并对回波一维像序列进行距离向对消和方位向对消，从而实现干涉逆合成孔径雷达图像的配准。相较于现有的配准方法，使用距离向对消和方位向对消的配准方式精度更高。本申请可广泛应用于干涉逆合成孔径雷达成像技术领域中。

Description

干涉逆合成孔径雷达成像配准方法、系统和存储介质

技术领域

本申请涉及干涉逆合成孔径雷达成像技术领域，尤其涉及一种干涉逆合成孔径雷达成像配准方法、系统和存储介质。

背景技术

干涉逆合成孔径雷达成像技术通过对多幅存在一定视角差的逆合成孔径雷达复图像进行干涉处理，获取目标等效散射中心真实的三维分布。干涉逆合成孔径雷达成像的本质是利用不同接收天线的逆合成孔径雷达图像之间的相位差异来获取目标的第三维尺寸信息。该相位差必须是针对相同位置的部件而言，反映到逆合成孔径雷达图像上就是相同的散射点。针对空间目标而言，由于其与天线之间的距离远大于不同接收天线之间的基线长度，可以认为不同接收天线的成像平面是一致的，同时逆合成孔径雷达图像的结构也是一致的。在干涉逆合成孔径雷达成像的应用中，正是由于空间目标相对于不同的接收天线的位置不同，各天线接收到的回波信号存在一定的波程差，这将导致目标主体在不同天线的逆合成孔径雷达图像中的位置不一致，即存在失配现象。若不进行配准，将直接影响干涉逆合成孔径雷达成像的效果。

现有的逆合成孔径雷达图像配准方法主要有基于相关系数的配准方法和基于角运动参数估计的配准方法。基于相关系数的逆合成孔径雷达图像配准方法的理论基础是：两幅来源于同一个目标的逆合成孔径雷达图像彼此存在相关性，当两幅图像配准时，相关系数达到最大值。其具体实现方法是将一幅逆合成孔径雷达图像在距离和方位像上进行步进平移，以两幅逆合成孔径雷达图像之间的相关系数为评价函数来搜索最佳偏移量，实现配准。该方法存在三点较大的缺陷。一是对逆合成孔径雷达图像距离向上的平移操作，特别是当平移量取小数时，会改变一维距离像的相位分布，进而改变逆合成孔径雷达图像的聚焦状态，给相关系数引入误差，造成配准偏差。二是通过在慢时间域乘线性相位来实现逆合成孔径雷达图像方位向平移的方法欠妥。实际中，引起不同天线逆合成孔径雷达图像方位向失配的相位差序列往往不是严格线性的，不同散射点的方位向失配量也可能存在差异。用简单的线性相位来补偿非线性相位差，用整体平移来补偿个别散射点的位置偏移，必然会带来误差。三是相关系数的定义是基于逆合成孔径雷达图像幅值的，没有考虑相位信息。而高精度的逆合成孔径雷达图像配准不仅体现在幅值上，更要求相位的相干性。另外，在进行配准前，如果两逆合成孔径雷达图像的聚焦状态不同，那么即使两图像处在准确的配准位置，相关系数却不一定取最大值，因此无法得到精确的配准结果。基于角运动参数估计的逆合成孔径雷达图像配准方法目前只停留在理论分析和仿真阶段。该方法的思路是：估计并补偿目标相对不同天线的平动分量的相位差，然后再对各天线进行统一的平动分量补偿，进而实现目标相对不同天线的平动分量的准确补偿，最终消除逆合成孔径雷达图像的方位向失配。该方法的前提是雷达采样开窗位置能够准确跟踪目标，不需要进行包络对齐，或者不同雷达的采样开窗误差量相同，这在实际中是无法满足的。实际中，不同雷达的采样开窗误差不同，对不同雷达一维像序列的包络对齐过程会引入不同的误差。因此，在初相补偿的过程中，不同雷达一维像序列的相位补偿量的差异，不仅来源于平动分量的不同，也来源于包络对齐过程中引入的不同误差量。由此可知，目前基于相关系数的配准方法和基于角运动参数估计的配准方法得到的干涉逆合成孔径雷达的成像精度较低。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的是提供一种干涉逆合成孔径雷达成像配准方法、系统和存储介质，以提高干涉逆合成孔径雷达成像精度。

本申请所采用的第一技术方案是：

一种干涉逆合成孔径雷达图像配准方法，所述干涉逆合成孔径雷达包括第一天线和若干第二天线，包括：

采集待测目标的回波信号，所述回波信号包括第一回波信号和若干第二回波信号，所述第一回波信号和所述第二回波信号对应所述第一天线的发射信号，所述第一回波信号为所述第一天线采集的回波信号，所述第二回波信号为所述第二天线采集的回波信号；

根据所述回波信号获取回波一维像序列，所述回波一维像序列包括第一回波一维像序列和第二回波一维像序列，所述第一回波一维像序列对应第一回波信号，所述第二回波一维像序列对应第二回波信号；

对所述第二回波一维像序列进行距离向相位对消；

对所述第二回波一维像序列进行方位向相位对消。

进一步，所述根据所述回波信号获取回波一维像序列这一步骤，包括：

将所述回波信号输入到匹配滤波器中，获取回波一维像序列，所述匹配滤波器根据所述发射信号进行构造。

进一步，所述根据所述回波信号获取回波一维像序列这一步骤和所述对所述回波一维像序列进行距离向相位对消这一步骤之间，还设有以下步骤：

对所述回波一维像序列进行包络对齐。

进一步，所述对所述回波一维像序列进行距离向相位对消这一步骤和所述对所述回波一维像序列进行方位向相位对消这一步骤之间，还设有以下步骤：

获取所述待测目标的运动参数；

根据所述运动参数对所述回波一维像序列进行相位校正。

进一步，所述对所述第二回波一维像序列进行距离向相位对消这一步骤，包括：

根据所述第一天线的位置和所述第二天线的位置计算距离补偿因子；

根据所述距离补偿因子对所述第二回波一维像序列进行距离向补偿。

进一步，所述对所述第二回波一维像序列进行方位向相位对消这一步骤，包括：

获取所述待测目标相对于所述第一天线的第一等效平动速度；

获取所述待测目标相对于所述第二天线的第二等效平动速度；

根据所述第一等效平动速度和所述第二等效平动速度计算方位补偿因子；

根据所述方位补偿因子对所述第二回波一维像序列进行补偿。

进一步，所述据所述距离补偿因子对所述第二回波一维像序列进行距离向补偿这一步骤，包括：

根据所述距离补偿因子，在频域对所述第二回波一维像序列进行距离向补偿。

本申请所采用的第二技术方案是：

一种干涉逆合成孔径雷达图像配准系统，包括：

采集模块，用于采集待测目标的回波信号，所述回波信号包括第一回波信号和若干第二回波信号，所述第一回波信号和所述第二回波信号对应所述第一天线的发射信号，所述第一回波信号为所述第一天线采集的回波信号，所述第二回波信号为所述第二天线采集的回波信号；

序列模块，用于根据所述回波信号获取回波一维像序列，所述回波一维像序列包括第一回波一维像序列和第二回波一维像序列，所述第一回波一维像序列对应第一回波信号，所述第二回波一维像序列对应第二回波信号

距离模块，用于对所述第二回波一维像序列进行距离向相位对消；

方位模块，用于对所述第二回波一维像序列进行方位向相位对消。

本申请所采用的第三技术方案是：

一种干涉逆合成孔径雷达图像配准系统，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载所述程序以执行所述的干涉逆合成孔径雷达图像配准方法。

本申请所采用的第四技术方案是：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的干涉逆合成孔径雷达图像配准方法。

本申请实施例采集待测目标的回波信号，并将其转换为回波一维像序列，并对回波一维像序列进行距离向对消和方位向对消，从而实现干涉逆合成孔径雷达图像的配准。相较于现有的配准方法，使用距离向对消和方位向对消的配准方式精度更高。

附图说明

图1为本申请实施例一种干涉逆合成孔径雷达图像配准方法的流程图；

图2为本申请实施例一种干涉逆合成孔径雷达图像配准方法的天线位置图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本申请的目的、方案和效果。

下面结合附图和具体实施例对本申请做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。此外，对于以下实施例中所述的若干个，其表示为至少一个。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本申请中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本申请各组成部分的相互位置关系来说的。在本申请中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本申请的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本申请的范围施加限制。

逆合成孔径雷达是合成孔径雷达发展过程中的一个重要分支。逆合成孔径雷达是不同于传统雷达的一种高分辨成像雷达，能够全天候、全天时、远距离获得非合作运动目标例如飞机、舰船和导弹等的精细图像。因而它对于远距离目标具有极大潜力。然而，逆合成孔径雷达的实现有着特有的困难，其中之一，是运动补偿的精度很高。要实现逆合成孔径雷达的成像，必须进行运动补偿。干涉雷达指采用干涉测量技术的合成孔径雷达，也有称双天线合成孔径雷达或相干合成孔径雷达。它通过两条侧视天线同时对目标进行观测，或一定时间间隔的两次平行观测，来获得地面同一区域两次成像的复图像对，其中包括强度信息和相位信息。由于目标与两天线位置的几何关系，地面目标回波形成相位差信号，经两个复图像的复相关形成干涉纹图。干涉纹图包含了斜距方向上的图像点与两天线位置差的精确信息，即回波相位的改变。因此，利用遥感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系，可以获取距离信息，精确地测量出图像上每一点的高程信息，从而获得高分辨率的地表三维图像。在干涉雷达提取三维信息的过程中，需要将辅图像配准到主图像，但目前的图像配准方法的配准精度和配准效率较低。

如图1所示，本申请实施例提供了一种干涉逆合成孔径雷达图像配准方法，所述干涉逆合成孔径雷达包括第一天线和若干第二天线，包括：

S100、采集待测目标的回波信号，所述回波信号包括第一回波信号和若干第二回波信号，所述第一回波信号和所述第二回波信号对应所述第一天线的发射信号，所述第一回波信号为所述第一天线采集的回波信号，所述第二回波信号为所述第二天线采集的回波信号；

S200、根据所述回波信号获取回波一维像序列，所述回波一维像序列包括第一回波一维像序列和第二回波一维像序列，所述第一回波一维像序列对应第一回波信号，所述第二回波一维像序列对应第二回波信号；

S300、对所述第二回波一维像序列进行距离向相位对消；

S400、对所述第二回波一维像序列进行方位向相位对消。

在本申请的配准方法中，可以采用第一天线和若干第二天线来获取待测目标的多个图像，将待测目标的多个图像进行配准，最终得到待测目标的三维图像。

参照图2，以三天线干涉逆合成孔径雷达为例，第一天线即天线A位于(0,0,0)，天线A用于发射信号和接收发射信号对应的第一回波信号，第二天线即天线B和天线C分别位于(L,0,0)、(0,L,0)，它们用于接收天线A的发射信号对应的第二回波信号。天线对AB和天线对AC分别构成了沿X轴和沿Y轴方向的干涉基线。假设天线A发射的LFM信号为：

其中T_p为LFM信号脉宽，f_c为载频，γ为调频率，t表示全时间，为快时间，T为脉冲重复间隔，t_m＝mT表示慢时间，m＝0,1,2,……M-1，M为总的发射脉冲个数，rect(*)表示矩形包络函数：

各天线接收到的回波可以表示为：

其中c表示光速，I＝A,B,C分别表示天线A、B、C的标志，表示/>时刻第k个散射中心到各接收天线的距离，N_p为目标等效散射中心的个数，σ_k为第k个散射中心的后向散射系数。

特别地，对于目标上的任意一个散射中心P，各天线接收到的回波信号为：

为方便描述，下文中使用R_IP来替代使用R_AP来替代/>

因此，各天线接收到的回波信号可以表示为：

各天线通过天线A的距离测量参数R_{A_ref}进行统一开窗采集，采集到的回波信号为：

在采集到回波信号之后，需要对采集到的回波信号进行滤波，从而生成待测目标的一维像序列。

以天线A为例，可以构造匹配滤波器如下：

将采集到的回波信号输入到匹配滤波器中，可以得到输出信号为：

在获取得到待测目标的一维像序列之后，为了提高得到的一维像序列的精度，可以对一维像序列进行运动补偿，运动补偿包括包络对齐和相位校正。

在一些实施例中，可以对各天线的一维像序列进行相干化包络对齐，从而得到包络对齐后的一维像序列：

其中，R_IP0表示初始时刻天线I与散射点P之间的距离，R_{A_ref0}表示初始时刻天线I与天线A的开窗距离。

由上述的分析可以看出，造成干涉逆合成孔径雷达成像中各天线逆合成孔径雷达图像失配准的原因在于各天线对同一目标的观测位置不同。因此，如果能够根据各个天线和待测目标之间的距离和相对方向对各天线的逆合成孔径雷达图像进行配准，将能够解决不同天线的逆合成孔径雷达图像的配准问题。

在对各个天线的一维像序列进行包络对齐后，需要对不同天线进行距离向相位对消，从而补偿不同天线的距离向失配量。

下面以天线对AB为例进行说明，由于散射中心P相对于接收天线A、B的位置差异，其在两天线逆合成孔径图像中的位置将不同。若采用分别开窗采集则可以对消这种位置差异，因此可以在信号域对统一开窗采集进行补偿而得到类似于分别开窗采集的效果。

需要进行对消的部分为：

其中，R_AO0和R_BO0分别表示初始时刻目标质心与天线A和B的距离，X₀表示目标质心的初始X轴方向坐标。

根据得到的距离补偿因子可以在频域对天线B的信号进行补偿，具体操作可以在匹配滤波得到一维像序列之前进行，对包络对齐后的一维像序列进行傅里叶变换得到脉压前的频域表达式：

对上式进行如下相位补偿：

可得补偿后的频域信号为：

进而可得补偿后的一维像为：

可得，散射点P在距离向上的失配量以快时间刻画为：

从上式可以看出，经过相位补偿后的天线A、B的散射点的失配量与分别开窗相同，定量刻画得到的失配量将远远小于一个距离单元。因此，距离向上的失配量得到补偿。

同理，天线C的距离补偿因子为：

根据天线C的距离补偿因子可以对天线C的一维像序列进行补偿。其中，R_CO0表示初始时刻待测目标质心相对于天线C的距离，Y₀表示待测目标质心的初始Y轴方向坐标。

需要指出的是，正是因为所有散射点的失配量差异很小，才可以进行统一配准，失配量补偿因子与各散射点无关，因此实现了对目标上所有散射中心的统一的精确配准。

在一些实施例中，可以对各个天线进行相位校正。对天线A、B采用统一的运动参数进行相位校正，得到不同天线的逆合成孔径雷达图像可以写为：

其中V_{AP_rot}、V_{BP_rot}分别表示散射点P相对于天线A和B的等效转动速度，V_{A_tran}、V_{B_tran}分别表示目标相对于天线A和B的等效平动速度，T₁T₁为成像积累时间。

可见，散射点P相对于天线A、B的位置差异导致了其相对于各天线等效平动速度不同，进而导致方位向上的失配。因此要完成方位向的配准，只需补偿掉散射点P相对于不同天线的位置差异。进行了统一运动参数的相位校正后的天线B的一维像为：

构造如下方位补偿因子：

对一维距离像按每个脉冲回波的方向进行补偿，

从而可得补偿后的逆合成孔径雷达图像为：

这与直接进行各天线的相位校正相同，此时方位向的失配量远远小于一个多普勒单元，也即完成了多普勒方向的配准。

同理，天线C的方位补偿因子为：

根据天线C的方位补偿因子可以对天线C的逆合成孔径雷达图像进行配准。

本申请实施例还提供了一种干涉逆合成孔径雷达图像配准系统，包括：

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载所述程序以执行上述的干涉逆合成孔径雷达图像配准方法。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的干涉逆合成孔径雷达图像配准方法。

其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行上述方法实施例中任一个技术方案所述的一种交互信息处理方法步骤。对于所述存储介质，其可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。可见，上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

本申请提出了相位对消的补偿方法，直接在信号域对各天线相位进行补偿，得到的各天线的逆合成孔径雷达图像本身即已配准，为后续的散射中心提取提供了便利。此时，利用各天线的联合散射中心提取，可以采用各天线逆合成孔径雷达图像累加的方式，使得提取的散射中心更加准确。本发明对促进宽带雷达目标识别向实用化、精细化方向发展起到重要作用。

上述方法实施例中的内容均适用于本笔记本实施例中，本笔记本实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

应当认识到，本申请的实施例系统中所包含的层、模块、单元和/或平台等可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，本申请实施例系统中所包含的层、模块、单元和/或平台所对应执行的数据处理流程，其可按任何合适的顺序来执行，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本申请实施例系统中所包含的层、模块、单元和/或平台所对应执行的数据处理流程可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述系统可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本申请系统中所包含的层、模块、单元和/或平台所对应执行的数据处理流程可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本申请所述的方法和技术编程时，本申请还包括计算机本身。

以上所述，只是本申请的较佳实施例而已，本申请并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本申请的技术效果，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。在本申请的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims

1.一种干涉逆合成孔径雷达成像配准方法，所述干涉逆合成孔径雷达包括第一天线和若干第二天线，其特征在于，包括：

对所述第二回波一维像序列进行距离向相位对消；

对所述第二回波一维像序列进行方位向相位对消；

其中，所述对所述第二回波一维像序列进行距离向相位对消这一步骤，包括：

根据所述距离补偿因子，在频域对所述第二回波一维像序列进行距离向补偿；

所述对所述第二回波一维像序列进行方位向相位对消这一步骤，包括：

2.根据权利要求1所述的干涉逆合成孔径雷达成像配准方法，其特征在于，所述根据所述回波信号获取回波一维像序列这一步骤，包括：

3.根据权利要求1所述的干涉逆合成孔径雷达成像配准方法，其特征在于，所述根据所述回波信号获取回波一维像序列这一步骤和所述对所述第二回波一维像序列进行距离向相位对消这一步骤之间，还设有以下步骤：

对所述第二回波一维像序列进行包络对齐。

4.根据权利要求1所述的干涉逆合成孔径雷达成像配准方法，其特征在于，所述对所述第二回波一维像序列进行距离向相位对消这一步骤和所述对所述第二回波一维像序列进行方位向相位对消这一步骤之间，还设有以下步骤：

获取所述待测目标的运动参数；

根据所述运动参数对所述第二回波一维像序列进行相位校正。

5.一种干涉逆合成孔径雷达成像配准系统，所述干涉逆合成孔径雷达包括第一天线和若干第二天线，其特征在于，包括：

方位模块，用于对所述第二回波一维像序列进行方位向相位对消；

6.一种干涉逆合成孔径雷达成像配准系统，其特征在于，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1-4任一项所述的干涉逆合成孔径雷达成像配准方法。

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，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的干涉逆合成孔径雷达成像配准方法。