CN112946648B - 一种大前斜视sar空变运动误差补偿方法 - Google Patents

一种大前斜视sar空变运动误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大前斜视SAR空变运动误差补偿方法，包括：将传统运动误差补偿模型在航迹坐标系下的运动误差进行三维分解，变换到成像斜平面内建立新的运动误差补偿模型；通过对惯导位置误差进行空间三维分解，并经几何重构后对成像斜平面内的运动误差参数进行提取；进行运动误差补偿：包括SAR成像距离走动校正过程的波束径向等效位置补偿、方位采样时间重构，以及距离弯曲校正过程的结合Keystone插值变换的波束切向均匀重采样处理。本发明在成像斜平面内建立运动补偿模型可以实现大前斜视SAR成像运动误差的空间差异化补偿，从而实现全波束范围内目标精细聚焦；运动误差的获取基于惯导位置的空间三维分解与几何重构，简单易行。

Description

一种大前斜视SAR空变运动误差补偿方法
技术领域
本发明涉及SAR雷达信号处理技术领域，尤其是一种大前斜视SAR空变运动误差补偿方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)具有远距离、高分辨、全天候等特点，在军事侦察和民用地形测绘等领域有重要的作用。SAR成像在方位向有较高的分辨率是由于在方位维使用了合成孔径的方法，该方法在成像时将SAR平台的运动方式按照匀速直线运动进行处理。但在实际的飞行过程中，由于环境的影响，运动平台通常无法保持匀速直线运动，这导致在进行方位压缩时存在相位误差，从而影响成像质量致使成像散焦，所以必须对该误差进行补偿。
常规正侧视或小斜视角SAR平台运动误差空变较小，在获取运动误差后，通常只进行共性运动误差补偿，即以波束中心区为参照获取运动误差后，对波束范围内所有目标进行补偿，即可实现波束范围内所有目标聚焦。而在大前斜视过载环境下SAR成像会有严重的空变性运动误差，平台沿波束径向、切向和高度向的三维运动误差亦严重耦合。传统运动误差补偿法只能实现波束中心的聚焦，而在波束边缘由于空变残余误差的存在会导致图像散焦。因此有必要提出一种运动误差的空间差异化补偿技术，从而实现全波束范围内目标精细聚焦。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现运动误差的空间差异化补偿的大前斜视SAR空变运动误差补偿方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种大前斜视SAR空变运动误差补偿方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)建立运动误差补偿模型：将传统运动误差补偿模型在航迹坐标系下的运动误差进行三维分解，变换到成像斜平面内建立新的用于实现运动误差的空间差异化补偿的运动误差补偿模型；
(2)进行运动误差获取：建立步骤(1)的成像斜平面内的运动误差补偿模型后，通过对惯导位置误差进行空间三维分解，并经几何重构后对成像斜平面内的运动误差参数进行提取；
(3)进行运动误差补偿：将步骤(2)提取的运动误差参数用于成像斜平面内运动误差补偿，补偿过程包括SAR成像距离走动校正过程的波束径向等效位置补偿、方位采样时间重构，以及距离弯曲校正过程的结合Keystone插值变换的波束切向均匀重采样处理。
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(1a)建立航迹坐标系o-xyz：在孔径起始时刻天线所在的位置为A，孔径结束时刻天线所在的位置为B,弧线AB为实际运动轨迹,选取天线在孔径起始位置到结束位置的直线AB为理想运动轨迹，将理想运动轨迹孔径中心时刻天线所在位置设为N，以N点在地面上的投影o为原点，oy指向AB在地面投影方向，ox垂直于oy，建立航迹坐标系o-xyz；
(1b)建立成像斜平面坐标系N-XY：在由速度矢量与波束矢量构成的平面内，以孔径中心N为原点，以速度法向为NX方向，以速度方向为NY方向，建立N-XY坐标系；
(1c)通过坐标变换将惯导坐标系o-xInsyInszIns内的惯导参数变换到成像斜平面坐标系N-XY内，沿波束径向进行运动误差提取与运动误差补偿，在各孔径时刻将实际运动轨迹弧线AB上的天线位置沿波束径向补偿到理想运动轨迹直线AB上；在N-XY平面内，波束中心目标点为P，与目标点P在同一方位不同距离的目标点为Q，与目标点P在同一距离不同方位的目标点为S，坐标原点N为孔径中心时刻天线理想位置，NP为波束径向方向，M点为N点沿波束径向对应的天线实际位置；将运动误差沿波束径向补偿到理想航迹，对位于同一方位不同距离的目标点P和目标点Q，运动误差均为长度MN；对位于同一距离不同方位的目标点P和目标点S，运动误差空变也较小。
所述步骤(2)具体是指：
(2a)从回波数据中对惯导位置和惯导速度进行解析；
(2b)对惯导速度进行拟合与积分得到惯导位置信息，此时惯导位置所在坐标系为o-xInsyInszIns；
(2c)在o-xInsyInszIns坐标系下，将o-xInsyIns绕ozIns轴以航迹角α坐标旋转到o-xy，此时三维空间坐标系变为o-xyz，并可得到沿ox方向的侧向位置误差分量delta_x；
(2d)在o-xyz坐标系下，将o-yz绕x轴以速度倾角余角β坐标旋转到o-yvzv，其中oyv与速度方向即NY方向平行，此时三维空间坐标系变为o-xvyvzv，并得到沿ozv方向的天向位置误差分量delta_zv；
(2e)在o-xvyvzv坐标系下，沿oyv方向通过均匀插值提取速度方向位置误差分量delta_yv；
(2f)将o-xvyvzv坐标系平移至中间转换坐标系o’-x’y’z’，此时由几何关系可知NX与o’-x’z’在同一平面内，且NY与o’y’平行；
(2g)对侧向位置误差分量delta_x和天向位置误差分量delta_zv进行合成，得到成像斜平面内速度法向位置误差分量delta_X，同时成像斜平面内速度方向位置误差分量delta_Y即为delta_yv；
(2h)在得到成像斜平面内速度及其法向的运动误差分量delta_Y和delta_X后，通过斜视角投影到波束径向误差delta_beam用于后续运动补偿的实现。
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3a)在SAR成像距离走动校正过程进行波束径向误差delta_beam的等效位置补偿，完成等效位置补偿后，回波方位向即波束切向变为非均匀采样；
(3b)对方位采样时间根据空间均匀采样进行重构；
(3c)通过Keystone变换同步实现距离弯曲校正和方位均匀重采样，此时完成成像斜平面的运动误差补偿；
在完成运动误差补偿后，对回波数据进行方位压缩和斜地几何校正后进行SAR图像显示。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，在成像斜平面内建立运动补偿模型可以实现大前斜视SAR成像运动误差的空间差异化补偿，从而实现全波束范围内目标精细聚焦；第二，运动误差的获取基于惯导位置的空间三维分解与几何重构，简单易行；第三，运动误差补偿过程与SAR成像距离走动校正和距离弯曲校正过程同步实现，运算量小，效率高。
附图说明
图1为本发明运动误差补偿模型三维空间几何示意图；
图2为本发明运动误差补偿模型成像斜平面几何示意图；
图3为本发明的方法流程图；
图4为本发明运动误差获取过程坐标变换几何示意图；
图5为仿真点阵目标经传统运动误差补偿成像结果示意图；
图6为仿真点阵目标经本发明运动误差补偿成像结果示意图；
图7为实测数据经传统运动误差补偿成像结果示意图；
图8为实测数据经本发明运动误差补偿成像结果示意图。
具体实施方式
如图3所示，一种大前斜视SAR空变运动误差补偿方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)建立运动误差补偿模型：将传统运动误差补偿模型在航迹坐标系下的运动误差进行三维分解，变换到成像斜平面内建立新的用于实现运动误差的空间差异化补偿的运动误差补偿模型；
(2)进行运动误差获取：建立步骤(1)的成像斜平面内的运动误差补偿模型后，通过对惯导位置误差进行空间三维分解，并经几何重构后对成像斜平面内的运动误差参数进行提取；
(3)进行运动误差补偿：将步骤(2)提取的运动误差参数用于成像斜平面内运动误差补偿，补偿过程包括SAR成像距离走动校正过程的波束径向等效位置补偿、方位采样时间重构，以及距离弯曲校正过程的结合Keystone插值变换的波束切向均匀重采样处理。
如图1、2所示，所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(1a)建立航迹坐标系o-xyz：在孔径起始时刻天线所在的位置为A，孔径结束时刻天线所在的位置为B,弧线AB为实际运动轨迹,选取天线在孔径起始位置到结束位置的直线AB为理想运动轨迹，将理想运动轨迹孔径中心时刻天线所在位置设为N，以N点在地面上的投影o为原点，oy指向AB在地面投影方向，ox垂直于oy，建立航迹坐标系o-xyz；
(1b)建立成像斜平面坐标系N-XY：在由速度矢量与波束矢量构成的平面内，以孔径中心N为原点，以速度法向为NX方向，以速度方向为NY方向，建立N-XY坐标系；
(1c)通过坐标变换将惯导坐标系o-xInsyInszIns内的惯导参数变换到成像斜平面坐标系N-XY内，沿波束径向进行运动误差提取与运动误差补偿，在各孔径时刻将实际运动轨迹弧线AB上的天线位置沿波束径向补偿到理想运动轨迹直线AB上；在N-XY平面内，波束中心目标点为P，与目标点P在同一方位不同距离的目标点为Q，与目标点P在同一距离不同方位的目标点为S，坐标原点N为孔径中心时刻天线理想位置，NP为波束径向方向，M点为N点沿波束径向对应的天线实际位置；将运动误差沿波束径向补偿到理想航迹，对位于同一方位不同距离的目标点P和目标点Q，运动误差均为长度MN；对位于同一距离不同方位的目标点P和目标点S，运动误差空变也较小。
如图3、4所示，所述步骤(2)具体是指：
(2a)从回波数据中对惯导位置和惯导速度进行解析；
(2b)对惯导速度进行拟合与积分得到惯导位置信息，此时惯导位置所在坐标系为o-xInsyInszIns；
(2c)在o-xInsyInszIns坐标系下，将o-xInsyIns绕ozIns轴以航迹角α坐标旋转到o-xy，此时三维空间坐标系变为o-xyz，并可得到沿ox方向的侧向位置误差分量delta_x；
(2d)在o-xyz坐标系下，将o-yz绕x轴以速度倾角余角β坐标旋转到o-yvzv，其中oyv与速度方向即NY方向平行，此时三维空间坐标系变为o-xvyvzv，并得到沿ozv方向的天向位置误差分量delta_zv；
(2e)在o-xvyvzv坐标系下，沿oyv方向通过均匀插值提取速度方向位置误差分量delta_yv；
(2f)将o-xvyvzv坐标系平移至中间转换坐标系o’-x’y’z’，此时由几何关系可知NX与o’-x’z’在同一平面内，且NY与o’y’平行；
(2g)对侧向位置误差分量delta_x和天向位置误差分量delta_zv进行合成，得到成像斜平面内速度法向位置误差分量delta_X，同时成像斜平面内速度方向位置误差分量delta_Y即为delta_yv；
(2h)在得到成像斜平面内速度及其法向的运动误差分量delta_Y和delta_X后，通过斜视角投影到波束径向误差delta_beam用于后续运动补偿的实现。
如图3所示，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3a)在SAR成像距离走动校正过程进行波束径向误差delta_beam的等效位置补偿，完成等效位置补偿后，回波方位向即波束切向变为非均匀采样；
(3b)对方位采样时间根据空间均匀采样进行重构；
(3c)通过Keystone变换同步实现距离弯曲校正和方位均匀重采样，此时完成成像斜平面的运动误差补偿；
在完成运动误差补偿后，对回波数据进行方位压缩和斜地几何校正后进行SAR图像显示。为实现更精细聚焦，可在方位压缩前增加高阶相位补偿和基于回波的运动补偿过程。通过仿真和实测数据处理，本发明空变运动误差补偿后的大前斜视SAR成像能实现全波束范围内目标的精细聚焦。
前斜视SAR成像能实现全波束范围内目标的精细聚焦。
图5为仿真数据经传统运动补偿成像结果示意图，图像中心区域聚焦较好，边缘区域存在明显散焦。图6为仿真数据经本发明运动补偿成像结果示意图，整个成像区域点目标均匀聚焦且聚焦质量高于传统运动补偿成像。
图7为实测数据经传统运动补偿成像结果示意图，成像存在明显散焦；图8为实测数据经本发明运动补偿成像结果示意图，整个成像区域均得到高质量聚焦。
综上所述，本发明在成像斜平面内建立运动补偿模型可以实现大前斜视SAR成像运动误差的空间差异化补偿，从而实现全波束范围内目标精细聚焦；运动误差的获取基于惯导位置的空间三维分解与几何重构，简单易行；运动误差补偿过程与SAR成像距离走动校正和距离弯曲校正过程同步实现，运算量小，效率高。

Claims (2)

1.一种大前斜视SAR空变运动误差补偿方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
(1)建立运动误差补偿模型：将传统运动误差补偿模型在航迹坐标系下的运动误差进行三维分解，变换到成像斜平面内建立新的用于实现运动误差的空间差异化补偿的运动误差补偿模型；
(1a)建立航迹坐标系o-xyz：在孔径起始时刻天线所在的位置为A，孔径结束时刻天线所在的位置为B,弧线AB为实际运动轨迹,选取天线在孔径起始位置到结束位置的直线AB为理想运动轨迹，将理想运动轨迹孔径中心时刻天线所在位置设为N，以N点在地面上的投影o为原点，oy指向AB在地面投影方向，ox垂直于oy，建立航迹坐标系o-xyz；
(1b)建立成像斜平面坐标系N-XY：在由速度矢量与波束矢量构成的平面内，以孔径中心N为原点，以速度法向为NX方向，以速度方向为NY方向，建立N-XY坐标系；
(1c)通过坐标变换将惯导坐标系o-xInsyInszIns内的惯导参数变换到成像斜平面坐标系N-XY内，沿波束径向进行运动误差提取与运动误差补偿，在各孔径时刻将实际运动轨迹弧线AB上的天线位置沿波束径向补偿到理想运动轨迹直线AB上；在N-XY平面内，波束中心目标点为P，与目标点P在同一方位不同距离的目标点为Q，与目标点P在同一距离不同方位的目标点为S，坐标原点N为孔径中心时刻天线理想位置，NP为波束径向方向，M点为N点沿波束径向对应的天线实际位置；将运动误差沿波束径向补偿到理想航迹，对位于同一方位不同距离的目标点P和目标点Q，运动误差均为长度MN；对位于同一距离不同方位的目标点P和目标点S，运动误差空变也较小；
(2)进行运动误差获取：建立步骤(1)的成像斜平面内的运动误差补偿模型后，通过对惯导位置误差进行空间三维分解，并经几何重构后对成像斜平面内的运动误差参数进行提取；
(2a)从回波数据中对惯导位置和惯导速度进行解析；
(2b)对惯导速度进行拟合与积分得到惯导位置信息，此时惯导位置所在坐标系为o-xInsyInszIns；
(2c)在o-xInsyInszIns坐标系下，将o-xInsyIns绕ozIns轴以航迹角α坐标旋转到o-xy，此时三维空间坐标系变为o-xyz，并可得到沿ox方向的侧向位置误差分量delta_x；
(2d)在o-xyz坐标系下，将o-yz绕x轴以速度倾角余角β坐标旋转到o-yvzv，其中oyv与速度方向即NY方向平行，此时三维空间坐标系变为o-xvyvzv，并得到沿ozv方向的天向位置误差分量delta_zv；
(2e)在o-xvyvzv坐标系下，沿oyv方向通过均匀插值提取速度方向位置误差分量delta_yv；
(2f)将o-xvyvzv坐标系平移至中间转换坐标系o’-x’y’z’，此时由几何关系可知NX与o’-x’z’在同一平面内，且NY与o’y’平行；
(2g)对侧向位置误差分量delta_x和天向位置误差分量delta_zv进行合成，得到成像斜平面内速度法向位置误差分量delta_X，同时成像斜平面内速度方向位置误差分量delta_Y即为delta_yv；
(2h)在得到成像斜平面内速度及其法向的运动误差分量delta_Y和delta_X后，通过斜视角投影到波束径向误差delta_beam用于后续运动补偿的实现；
(3)进行运动误差补偿：将步骤(2)提取的运动误差参数用于成像斜平面内运动误差补偿，补偿过程包括SAR成像距离走动校正过程的波束径向等效位置补偿、方位采样时间重构，以及距离弯曲校正过程的结合Keystone插值变换的波束切向均匀重采样处理。
2.根据权利要求1所述的大前斜视SAR空变运动误差补偿方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3a)在SAR成像距离走动校正过程进行波束径向误差delta_beam的等效位置补偿，完成等效位置补偿后，回波方位向即波束切向变为非均匀采样；
(3b)对方位采样时间根据空间均匀采样进行重构；
(3c)通过Keystone变换同步实现距离弯曲校正和方位均匀重采样，此时完成成像斜平面的运动误差补偿；在完成运动误差补偿后，对回波数据进行方位压缩和斜地几何校正后进行SAR图像显示。
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