CN112904341B - 用于sar的随距离空变的多普勒成像方法及系统 - Google Patents

用于sar的随距离空变的多普勒成像方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于SAR的随距离空变的多普勒成像方法及系统，涉及SAR成像技术领域。包括：在距离频域对SAR回波数据进行距离脉冲压缩，得到在距离频域方位时域的第一回波数据；在二维频域对第一回波数据进行弯曲校正，并进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据；对SAR数据进行距离维分块处理，分别估计每块数据的多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对方位频域的窗函数进行修正；根据修正后的方位频域的窗函数构建修正后的方位脉冲压缩函数，对第二回波数据进行方位脉冲压缩和方位逆傅里叶变换，得到SAR图像。本发明得到的SAR图像能量均匀，可视性较好。

Description

用于SAR的随距离空变的多普勒成像方法及系统
技术领域
本发明涉及SAR成像技术领域，尤其涉及一种用于SAR的随距离空变的多普勒成像方法及系统。
背景技术
由于飞行速度的不均匀及波束指向角的变化，机载SAR的多普勒中心频率一般是沿方位空变的。然而，在实际系统中，由于各种原因，也有可能出现多普勒中心频率沿距离维空变的现象。通常雷达波束在三维空间的照射需要从方位维和距离维两个维度进行控制，才能较好地保证波束在空间不扭曲，并能随时根据飞机姿态调整指向。如果三维空间内波束的控制只有一维可控，比如，没有伺服，线阵天线只有沿方位维的相控阵电扫，再加上方位波束宽度窄，如1°以内，这种系统安装在飞机姿态不稳的中小平台飞行时，就特别容易出现多普勒中心频率沿距离维空变现象。
由于多普勒谱的距离空变，方位脉压时窗函数容易滤掉有效能量，导致图像出现明暗相间区域，可视性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于SAR的随距离空变的多普勒成像方法及系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于SAR的随距离空变的多普勒成像方法，包括：
获取SAR回波数据，在距离频域对所述SAR回波数据进行距离脉冲压缩，得到在距离频域方位时域的第一回波数据；
在二维频域对所述第一回波数据进行弯曲校正，并进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据；
对所述SAR数据进行距离维分块处理，分别估计每块数据的多普勒中心频率，根据所述多普勒中心频率对方位频域的窗函数进行修正；
根据修正后的所述方位频域的窗函数构建修正后的方位脉冲压缩函数，根据所述修正后的方位脉冲压缩函数对所述第二回波数据进行方位脉冲压缩，对方位脉冲压缩后的所述第二回波数据进行方位逆傅里叶变换，得到SAR图像。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种用于SAR的随距离空变的多普勒成像系统，包括：
距离脉压单元，用于获取SAR回波数据，在距离频域对所述SAR回波数据进行距离脉冲压缩，得到在距离频域方位时域的第一回波数据；
弯曲校正单元，用于在二维频域对所述第一回波数据进行弯曲校正，并进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据；
窗函数修正单元，用于对所述SAR数据进行距离维分块处理，分别估计每块数据的多普勒中心频率，根据所述多普勒中心频率对方位频域的窗函数进行修正；
方位脉压单元，用于根据修正后的所述方位频域的窗函数构建修正后的方位脉冲压缩函数，根据所述修正后的方位脉冲压缩函数对所述第二回波数据进行方位脉冲压缩，对方位脉冲压缩后的所述第二回波数据进行方位逆傅里叶变换，得到SAR图像。
本发明的有益效果是：本发明提供的多普勒成像方法，首先对SAR数据进行距离脉压操作，然后在二维频域进行弯曲校正，最后变换到距离时域方位频域进行方位脉压，方位脉压时，沿距离维分块估计每个小块的多普勒中心频率，根据得到的距离小块多普勒频率对频域的窗函数进行修正，据此构建方位脉压函数，据此进行方位脉压，由于所构建的方位脉压函数能够把对应距离块的信号主能量包含其中并进行脉压处理，因此得到的SAR图像能量均匀，可视性较好。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明随距离空变的多普勒成像方法的实施例提供的流程示意图；
图2为本发明随距离空变的多普勒成像方法的实施例提供的多普勒不随距离空变的SAR距离多普勒谱示意图；
图3为本发明随距离空变的多普勒成像方法的实施例提供的多普勒随距离空变的SAR距离多普勒谱示意图；
图4为本发明随距离空变的多普勒成像方法的实施例提供的弯曲校正后的SAR图像示意图；
图5为本发明随距离空变的多普勒成像方法的实施例提供的距离维分块估计和计算多普勒谱示意图；
图6为传统脉压函数得到的SAR图像示意图；
图7为本发明随距离空变的多普勒成像方法的实施例提供的SAR图像示意图；
图8为本发明随距离空变的多普勒成像系统的实施例提供的结构框架图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明多普勒成像方法的实施例提供的流程示意图，该多普勒成像方法用于SAR的成像，包括：
S1，获取SAR回波数据，在距离频域对SAR回波数据进行距离脉冲压缩，得到在距离频域方位时域的第一回波数据；
假设光速为c，载波频率为fc，调频率为γ，方位时间为tm，距离时间为
Figure BDA0002960005710000041
那么SAR回波数据的基频回波信号/>
Figure BDA0002960005710000042
可以表示为：
Figure BDA0002960005710000043
/>
其中，R(tm)为tm时刻雷达和目标之间的瞬时距离，通过如下公式计算：
Figure BDA0002960005710000044
其中，Rn为目标的距离坐标，Xn为目标的方位坐标，V为雷达速度。
对基频回波信号
Figure BDA0002960005710000045
进行距离傅里叶变换，得到距离频域的回波信号s(fr,tm)：
Figure BDA0002960005710000046
其中，fr为距离频率。
定义距离脉压函数H1为：
Figure BDA0002960005710000047
将距离脉压函数H1乘以距离频域的回波信号s(fr,tm)，得到在距离频域方位时域的第一回波数据sMC(fr,tm)：
Figure BDA0002960005710000048
S2，在二维频域对第一回波数据进行弯曲校正，并进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据；
例如，可以先对第一回波数据sMC(fr,tm)进行方位傅里叶变换：
Figure BDA0002960005710000051
其中，sMC(fr,fa)为回波信号在二维频域的表达式，fa为方位频率，定义：
Figure BDA0002960005710000052
将上式代入代入回波信号在二维频域的表达式sMC(fr,fa)中，得到：
Figure BDA0002960005710000053
其中：
Figure BDA0002960005710000054
建立弯曲校正函数H2：
Figure BDA0002960005710000055
将弯曲校正函数H2乘以Φhigh_order得到弯曲校正后的回波信号sRCMC(fr,fa)：
Figure BDA0002960005710000056
对弯曲校正后的回波信号sRCMC(fr,fa)进行距离逆傅里叶变换，得到弯曲校正后的在距离时域方位频域的回波信号
Figure BDA0002960005710000057
Figure BDA0002960005710000061
上式可以进行后续的方位脉压处理，直接进行方位逆傅里叶变换，得到弯曲校正后的二维时域SAR图像如图4所示。
S3，对SAR数据进行距离维分块处理，分别估计每块数据的多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对方位频域的窗函数进行修正；
需要说明的是，对SAR数据的分块处理属于现有技术，可以通过预设程序将SAR数据按照距离维划分为预设数量的距离块数据，通过现有的多普勒中心频率估计方法分别估计每块的多普勒中心频率，然后通过二分法查找或者最小二乘法得到姿态误差的估计值，即方位角的估计值。
例如，可以取大小为512距离门，对SAR数据进行分块，块与块之间可以不重叠，多普勒随距离块变化如图5所示，图5给出了以距离分的小块为横坐标，多普勒为纵坐标的多普勒距离维空变示意图，图中实线表示多普勒估计值，虚线表示计算得到的多普勒计算值。
可以根据以下公式估计多普勒中心频率fdc：
Figure BDA0002960005710000062
其中，λ为波长，R为雷达与目标之间的单位矢量，V为三维空间中雷达的速度矢量。
如图2所示，提供了一种示例性的多普勒不随距离空变的SAR距离多普勒谱图，横坐标为方位多普勒频率，纵坐标为距离点数，如图3所示，提供了一种示例性的多普勒随距离空变的SAR距离多普勒谱图，方位脉压时，可以把图3所示数据沿距离为分块，通过估计或者计算得到每块的多普勒值fdc。
常规的方位脉压函数H3为：
Figure BDA0002960005710000071
其中，Wa(fa)为方位频域窗函数，可取汉明窗或泰勒窗等窗函数。常规的脉压函数对于如图2所示的多普勒不随距离空变的SAR数据能较好脉压，但是对于如图3所示的多普勒随距离空变的SAR数据，常规的脉压函数容易滤除主要能量，导致图像出现随机的明暗相间现象。得到的图像如图6所示。
那么据此，可以构造如下的窗函数：
Wa_new(fa)＝FFT{IFFT[Wa(fa)]exp(j2πfdctm)}
其中，FFT为方位傅里叶变换，IFFT为方位逆傅里叶变换，Wa_new(fa)为修正后的频域窗函数，根据傅里叶变换性质，可得：
Wa_new(fa)＝Wa(fa-fdc)
对应修正后的方位脉冲压缩函数H3_new为：
Figure BDA0002960005710000072
S4，根据修正后的方位频域的窗函数构建修正后的方位脉冲压缩函数，根据修正后的方位脉冲压缩函数对第二回波数据进行方位脉冲压缩，对方位脉冲压缩后的第二回波数据进行方位逆傅里叶变换，得到SAR图像。
将修正后的方位脉冲压缩函数H3_new乘以
Figure BDA0002960005710000073
得到方位脉压后的回波数据
Figure BDA0002960005710000074
Figure BDA0002960005710000075
对方位脉压后的回波数据
Figure BDA0002960005710000076
进行方位逆傅里叶变换，得到方位脉压后的SAR图像/>
Figure BDA0002960005710000077
Figure BDA0002960005710000078
其中，Δfr为距离带宽，Δfa为方位带宽。
通过上述处理，得到的SAR图像如图7所示，相比于图6可以看出，图7的图像亮暗比较均匀，可视性好。
本实施例提供的多普勒成像方法，首先对SAR数据进行距离脉压操作，然后在二维频域进行弯曲校正，最后变换到距离时域方位频域进行方位脉压，方位脉压时，沿距离维分块估计每个小块的多普勒中心频率，根据得到的距离小块多普勒频率对频域的窗函数进行修正，据此构建方位脉压函数，据此进行方位脉压，由于所构建的方位脉压函数能够把对应距离块的信号主能量包含其中并进行脉压处理，因此得到的SAR图像能量均匀，可视性较好。
可选地，在一些可能的实施方式中，获取SAR回波数据，在距离频域对SAR回波数据进行距离脉冲压缩，得到在距离频域方位时域的第一回波数据，具体包括：
获取SAR回波数据，对SAR回波数据进行距离傅里叶变换，得到在距离频域的回波数据；
构造距离脉压函数，将距离脉压函数与在距离频域的回波数据相乘，得到在距离频域方位时域的第一回波数据。
可选地，在一些可能的实施方式中，在二维频域对第一回波数据进行弯曲校正，并进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据，具体包括：
对第一回波数据进行方位傅里叶变换，得到在距离频域和方位频域的回波数据；
构造弯曲校正函数，将弯曲校正函数与在距离频域和方位频域的回波数据相乘，得到校正后的回波数据；
对校正后的回波数据进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据。
可选地，在一些可能的实施方式中，根据以下公式对方位频域的窗函数进行修正：
Wa_new(fa)＝FFT{IFFT[Wa(fa)]exp(j2πfdctm)}
其中，Wa_new(fa)为修正后的方位频域的窗函数，FFT为方位傅里叶变换，IFFT为方位逆傅里叶变换，Wa(fa)为方位频域的窗函数，fdc为多普勒中心频率，tm为方位时间，fa为方位频率。
可选地，在一些可能的实施方式中，根据以下公式构建修正后的方位脉冲压缩函数：
Figure BDA0002960005710000091
其中，H3_new为修正后的方位脉冲压缩函数，fc为载波频率，Rn为目标的距离坐标，c为光速，faM为雷达径向向目标运动时的多普勒频率。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
如图8所示，为本发明多普勒成像系统的实施例提供的结构框架图，该多普勒成像系统用于SAR的成像，包括：
距离脉压单元1，用于获取SAR回波数据，在距离频域对SAR回波数据进行距离脉冲压缩，得到在距离频域方位时域的第一回波数据；
弯曲校正单元2，用于在二维频域对第一回波数据进行弯曲校正，并进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据；
窗函数修正单元3，用于对SAR数据进行距离维分块处理，分别估计每块数据的多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对方位频域的窗函数进行修正；
方位脉压单元4，用于根据修正后的方位频域的窗函数构建修正后的方位脉冲压缩函数，根据修正后的方位脉冲压缩函数对第二回波数据进行方位脉冲压缩，对方位脉冲压缩后的第二回波数据进行方位逆傅里叶变换，得到SAR图像。
本实施例提供的多普勒成像系统，首先对SAR数据进行距离脉压操作，然后在二维频域进行弯曲校正，最后变换到距离时域方位频域进行方位脉压，方位脉压时，沿距离维分块估计每个小块的多普勒中心频率，根据得到的距离小块多普勒频率对频域的窗函数进行修正，据此构建方位脉压函数，据此进行方位脉压，由于所构建的方位脉压函数能够把对应距离块的信号主能量包含其中并进行脉压处理，因此得到的SAR图像能量均匀，可视性较好。
可选地，在一些可能的实施方式中，距离脉压单元1具体用于获取SAR回波数据，对SAR回波数据进行距离傅里叶变换，得到在距离频域的回波数据；构造距离脉压函数，将距离脉压函数与在距离频域的回波数据相乘，得到在距离频域方位时域的第一回波数据。
可选地，在一些可能的实施方式中，弯曲校正单元2具体用于对第一回波数据进行方位傅里叶变换，得到在距离频域和方位频域的回波数据；构造弯曲校正函数，将弯曲校正函数与在距离频域和方位频域的回波数据相乘，得到校正后的回波数据；对校正后的回波数据进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据。
可选地，在一些可能的实施方式中，根据以下公式对方位频域的窗函数进行修正：
Wa_new(fa)＝FFT{IFFT[Wa(fa)]exp(j2πfdctm)}
其中，Wa_new(fa)为修正后的方位频域的窗函数，FFT为方位傅里叶变换，IFFT为方位逆傅里叶变换，Wa(fa)为方位频域的窗函数，fdc为多普勒中心频率，tm为方位时间，fa为方位频率。
可选地，在一些可能的实施方式中，根据以下公式构建修正后的方位脉冲压缩函数：
Figure BDA0002960005710000111
其中，H3_new为修正后的方位脉冲压缩函数，fc为载波频率，Rn为目标的距离坐标，c为光速，faM为雷达径向向目标运动时的多普勒频率。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
需要说明的是，上述各实施方式是与在先方法实施例对应的产品实施例，对于产品实施方式的说明可以参考上述各方法实施方式中的对应说明，在此不再赘述。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，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，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。
以上，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于SAR的随距离空变的多普勒成像方法，其特征在于，包括：
获取SAR回波数据，在距离频域对所述SAR回波数据进行距离脉冲压缩，得到在距离频域方位时域的第一回波数据；
在二维频域对所述第一回波数据进行弯曲校正，并进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据；
对所述SAR回波数据进行距离维分块处理，分别估计每块数据的多普勒中心频率，根据所述多普勒中心频率对方位频域的窗函数进行修正；
根据修正后的所述方位频域的窗函数构建修正后的方位脉冲压缩函数，根据所述修正后的方位脉冲压缩函数对所述第二回波数据进行方位脉冲压缩，对方位脉冲压缩后的所述第二回波数据进行方位逆傅里叶变换，得到SAR图像；
根据以下公式对方位频域的窗函数进行修正：
Wa_new(fa)＝FFT{IFFT[Wa(fa)]exp(j2πfdctm)}
其中，Wa_new(fa)为修正后的方位频域的窗函数，FFT为方位傅里叶变换，IFFT为方位逆傅里叶变换，Wa(fa)为方位频域的窗函数，fdc为多普勒中心频率，tm为方位时间，fa为方位频率；
根据以下公式构建修正后的方位脉冲压缩函数：
Figure FDA0003887156240000011
其中，H3_new为修正后的方位脉冲压缩函数，fc为载波频率，Rn为目标的距离坐标，c为光速，faM为雷达径向目标运动时的多普勒频率。
2.根据权利要求1所述的用于SAR的随距离空变的多普勒成像方法，其特征在于，获取SAR回波数据，在距离频域对所述SAR回波数据进行距离脉冲压缩，得到在距离频域方位时域的第一回波数据，具体包括：
获取SAR回波数据，对所述SAR回波数据进行距离傅里叶变换，得到在距离频域的回波数据；
构造距离脉压函数，将所述距离脉压函数与所述在距离频域的回波数据相乘，得到在距离频域方位时域的第一回波数据。
3.根据权利要求1所述的用于SAR的随距离空变的多普勒成像方法，其特征在于，在二维频域对所述第一回波数据进行弯曲校正，并进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据，具体包括：
对所述第一回波数据进行方位傅里叶变换，得到在距离频域和方位频域的回波数据；
构造弯曲校正函数，将所述弯曲校正函数与所述在距离频域和方位频域的回波数据相乘，得到校正后的回波数据；
对所述校正后的回波数据进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据。
4.一种用于SAR的随距离空变的多普勒成像系统，其特征在于，包括：
距离脉压单元，用于获取SAR回波数据，在距离频域对所述SAR回波数据进行距离脉冲压缩，得到在距离频域方位时域的第一回波数据；
弯曲校正单元，用于在二维频域对所述第一回波数据进行弯曲校正，并进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据；
窗函数修正单元，用于对所述SAR回波数据进行距离维分块处理，分别估计每块数据的多普勒中心频率，根据所述多普勒中心频率对方位频域的窗函数进行修正；
方位脉压单元，用于根据修正后的所述方位频域的窗函数构建修正后的方位脉冲压缩函数，根据所述修正后的方位脉冲压缩函数对所述第二回波数据进行方位脉冲压缩，对方位脉冲压缩后的所述第二回波数据进行方位逆傅里叶变换，得到SAR图像；
根据以下公式对方位频域的窗函数进行修正：
Wa_new(fa)＝FFT{IFFT[Wa(fa)]exp(j2πfdctm)}
其中，Wa_new(fa)为修正后的方位频域的窗函数，FFT为方位傅里叶变换，IFFT为方位逆傅里叶变换，Wa(fa)为方位频域的窗函数，fdc为多普勒中心频率，tm为方位时间，fa为方位频率；
根据以下公式构建修正后的方位脉冲压缩函数：
Figure FDA0003887156240000031
其中，H3_new为修正后的方位脉冲压缩函数，fc为载波频率，Rn为目标的距离坐标，c为光速，faM为雷达径向目标运动时的多普勒频率。
5.根据权利要求4所述的用于SAR的随距离空变的多普勒成像系统，其特征在于，所述距离脉压单元具体用于获取SAR回波数据，对所述SAR回波数据进行距离傅里叶变换，得到在距离频域的回波数据；构造距离脉压函数，将所述距离脉压函数与所述在距离频域的回波数据相乘，得到在距离频域方位时域的第一回波数据。
6.根据权利要求4所述的用于SAR的随距离空变的多普勒成像系统，其特征在于，所述弯曲校正单元具体用于对所述第一回波数据进行方位傅里叶变换，得到在距离频域和方位频域的回波数据；构造弯曲校正函数，将所述弯曲校正函数与所述在距离频域和方位频域的回波数据相乘，得到校正后的回波数据；对所述校正后的回波数据进行距离逆傅里叶变换，得到在距离时域方位频域的第二回波数据。
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