CN113030962A - 机载太赫兹合成孔径雷达及成像方法 - Google Patents

机载太赫兹合成孔径雷达及成像方法 Download PDF

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Abstract

一种机载太赫兹合成孔径雷达成像方法，基于混合参数/非参数自聚焦的THz‑SAR成像算法，将低频运动误差和高频振动误差分别建模为方位时间的多项式函数和正弦函数；对THz‑SAR回波信号进行距离压缩和距离徙动校正；基于信杂比自动挑选特显点；获得特显点的截取数据序列；利用基于分数阶傅里叶变换的参数自聚焦方法对高频振动误差和二次运动误差的参数进行估计；利用估计的运动误差参数重构相位误差补偿函数，对距离压缩信号完成粗补偿；重新获得特显点的截取数据序列；利用相位梯度自聚焦算法估计残余相位误差；基于估计的残余相位误差对粗补偿后的距离压缩信号完成精补偿；对精补偿后的距离压缩信号进行方位压缩获得SAR聚焦图像。

Description

机载太赫兹合成孔径雷达及成像方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种机载太赫兹合成孔径雷达及成像方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz)波是指频谱在100GHz至10THz之间的电磁波，具有载频高、通信容量大、穿透性好、光子能量低、无生物电离等特点。与微波合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)成像相比，太赫兹合成孔径雷达(THz-SAR)成像具有更高分辨率、更高帧率、更高检测概率和更容易识别等显著优势，使其在现代雷达成像领域中受到越来越多的关注。
发明内容
本发明实施例之一，一种机载太赫兹合成孔径雷达，所述雷达的处理器执行以下操作：
S1、将所述机载太赫兹合成孔径雷达的低频运动误差表达为方位时间的多项式函数，将所述机载太赫兹合成孔径雷达的高频振动误差表达为方位时间的正弦函数；
S2、对所述机载太赫兹合成孔径雷达的回波信号进行距离压缩和距离徙动校正；
S3、基于信杂比从对所述机载太赫兹合成孔径雷达的回波信号挑选特显点；
S4、获得所述特显点的截取数据序列；
S5、利用基于分数阶傅里叶变换的参数自聚焦方法对高频振动误差和二次运动误差的参数进行估计；
S6、利用估计的运动误差参数重构相位误差补偿函数，对距离压缩信号完成第一次补偿；
S7、再一次获得特显点的截取数据序列；
S8、利用相位梯度自聚焦算法估计残余相位误差；
S9、基于估计的残余相位误差对粗补偿后的距离压缩信号完成第二次补偿；
S10、对第二次补偿后的距离压缩信号进行方位压缩获得所述机载太赫兹合成孔径雷达的聚焦图像。
本发明实施例之一，一种基于混合参数/非参数自聚焦的THz-SAR成像算法，用于机载太赫兹合成孔径雷达的成像，包含以下步骤：
将低频运动误差和高频振动误差分别建模为方位时间的多项式函数和正弦函数；对THz-SAR回波信号进行距离压缩和距离徙动校正；基于信杂比自动挑选特显点；获得特显点的截取数据序列；利用基于分数阶傅里叶变换的参数自聚焦方法对高频振动误差和二次运动误差的参数进行估计；利用估计的运动误差参数重构相位误差补偿函数，对距离压缩信号完成粗补偿；重新获得特显点的截取数据序列；利用相位梯度自聚焦算法估计残余相位误差；基于估计的残余相位误差对粗补偿后的距离压缩信号完成精补偿；对精补偿后的距离压缩信号进行方位压缩获得SAR聚焦图像。
本发明通过基于混合参数/非参数自聚焦的THz-SAR成像算法，实现了同时对机载THz-SAR的低频运动误差和高频振动误差的高精度补偿，从而获得高分辨THz-SAR聚焦图像。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1为本发明实施例之一的基于混合参数/非参数自聚焦的THz-SAR成像方法流程图。
具体实施方式
本发明涉及机载雷达，由于机载THz-SAR系统经常受到大气扰动的影响，在雷达回波信号中引入平台运动误差，需要进行补偿。运动误差可分为低频运动误差和高频振动误差。其中，对于高频振动误差，由于在回波信号相位中引入了周期性调制，导致回波成对出现，严重影响了图像质量。研究人员提出了多种抑制成对回波的方法。然而，所有这些方法都假设低频运动误差已经得到了充分补偿，只关注于消除高频振动误差的负面影响。事实上，一个小的低频运动误差，如厘米或毫米级，都可以使THz-SAR图像散焦。因此，在基于回波的 THz-SAR运动误差补偿方法中，应同时考虑低频运动误差和高频振动误差。
因此，本发明不仅发现了机载THz-SAR系统运动补偿方案的问题根源，本发明也提出了一种基于混合参数/非参数自聚焦的THz-SAR成像算法，在对低频运动误差和高频振动误差都进行补偿的基础上实现THz-SAR高分辨成像。
根据一个或者多个实施例，如图1所示的方法流程图，一种基于混合参数/ 非参数自聚焦的THz-SAR成像算法，用于机载太赫兹合成孔径雷达的成像过程，包括以下步骤：
S1、将低频运动误差和高频振动误差分别建模为方位时间的多项式函数和正弦函数；
S2、对THz-SAR回波信号进行距离压缩和距离徙动校正；
S3、基于信杂比自动挑选特显点；
S4、获得特显点的截取数据序列；
S5、利用基于分数阶傅里叶变换的参数自聚焦方法对高频振动误差和二次运动误差的参数进行估计；
S6、利用估计的运动误差参数重构相位误差补偿函数，对距离压缩信号完成粗补偿；
S7、重新获得特显点的截取数据序列；
S8、利用相位梯度自聚焦算法估计残余相位误差；
S9、基于估计的残余相位误差对粗补偿后的距离压缩信号完成精补偿；
S10、对精补偿后的距离压缩信号进行方位压缩获得SAR聚焦图像。
所述步骤S1具体包含：
运动误差由低频运动误差和高频振动误差两部分组成。低频运动误差为方位时间t的多项式函数，其表达式为
Figure RE-GDA0003030635020000031
其中，bk为多项式系数，p为多项式的最高阶。这里n＝p；取值范围在4-5。
高频振动误差为方位时间t的正弦函数，其表达式为
Figure RE-GDA0003030635020000032
其中fv为振动频率，Av为振动幅值，
Figure RE-GDA0003030635020000041
为初始相位。
因此，平台运动总误差可表示为：
Figure RE-GDA0003030635020000042
所述的步骤S2具体包含：
通过匹配滤波对混合解调频后的回波信号进行距离压缩，然后在距离多普勒域通过插值完成距离徙动校正，最后再变换到二维时域获得距离压缩信号，如下式所示
Figure RE-GDA0003030635020000043
其中，τ为距离向时间，r0为目标的最近斜距，t0为波束中心穿过目标的时间，B为距离向信号带宽，c为光速，λ为波长，wa(·)为方位向包络，Rref(t)为目标的理想斜距，ΔR(t)为运动误差引入的斜距。
所述的步骤S3具体包含：
对每一距离门信号h(t)计算信杂比，信杂比可以表示为
Figure RE-GDA0003030635020000044
其中c＝E[|h(t)|]，d＝E[|h(t)|2]。这里E[·]表示信号期望。
根据设定的信杂比阈值，自动选择特显点。
所述的步骤S4具体包含：
对所选特显点的距离门信号进行方位去斜、视频残差相位补偿和快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，得到粗聚焦图像；然后将特显点目标的最强响应循环移位到图像中心，并采用方位加窗法将同一距离门内其他点的能量去除；最后通过逆FFT得到截取的数据序列。加窗时，窗口长度为几十到几百个方位像素。
所述的步骤S5具体包含：
(a)对特显点的截取数据序列进行滑动加窗，利用分数阶傅立叶变换估计每个加窗信号的调频率，整个截取数据序列进行滑动加窗后可得到其瞬时调频率；
(b)采用移动平均低通滤波器对估计的瞬时调频率进行滤波，获得滤波后的瞬时调频率
Figure RE-GDA0003030635020000045
n∈[-Q，Q]；
(c)特显点截取数据序列的瞬时调频率可表达为
k(n)＝sin(2πfvnΔt)A0+cos(2πfvnΔt)B0+C0 (6)
其中
Figure RE-GDA0003030635020000051
通过求解式(8)所示的最优化问题来估计运动误差的参数：
Figure RE-GDA0003030635020000052
其中
Figure RE-GDA0003030635020000053
对估计的瞬时调频率
Figure RE-GDA0003030635020000054
利用频谱分析法可估计得到振动频率
Figure RE-GDA0003030635020000055
在此基础上，利用最小二乘法可得
Figure RE-GDA0003030635020000056
(d)参数
Figure RE-GDA0003030635020000057
可由式(11)计算得到：
Figure RE-GDA0003030635020000058
所述的步骤S6具体包含：
根据估计的运动误差参数进行相位误差补偿函数的重构，如式(12)所示：
Figure RE-GDA0003030635020000059
将式(12)与式(4)相乘完成回波信号的粗补偿；
所述的步骤S7具体包含：
重复步骤S4对粗补偿信号重新获得特显点的截取数据序列。与步骤S4不同的是此时的窗口长度只有几个到十几个方位像素。
所述的步骤S8具体包含：
利用最大似然核函数估计残余相位梯度，然后对其积分可获得残余相位误差φe(t)。
所述的步骤S9具体包含：
根据估计的残余相位误差φe(t)进行补偿函数的重构，如式(13)所示：
Scom2(t)＝exp{-j·φe(t)} (13)
将式(13)与粗补偿后的距离压缩信号进行相乘完成精补偿；
所述的步骤S10具体包含：
通过匹配滤波对精补偿后的信号完成方位压缩，获得SAR聚焦图像。
因此，本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)同时实现了对低频运动误差和高频振动误差的估计和补偿，能够获得高分辨THz-SAR聚焦图像；
(2)参数与非参数自聚焦的结合，不仅避免了非参数自聚焦的重复迭代，而且减少了参数估计误差对THz-SAR图像聚焦的影响。
本发明如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，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 (10)

1.一种机载太赫兹合成孔径雷达，其特征在于，所述雷达包括存储器；以及
耦合到所述存储器的处理器，该处理器被配置为执行存储在所述存储器中的指令，所述处理器执行以下操作：
S1、将所述机载太赫兹合成孔径雷达的低频运动误差表达为方位时间的多项式函数，将所述机载太赫兹合成孔径雷达的高频振动误差表达为方位时间的正弦函数；
S2、对所述机载太赫兹合成孔径雷达的回波信号进行距离压缩和距离徙动校正；
S3、基于信杂比从对所述机载太赫兹合成孔径雷达的回波信号挑选特显点；
S4、获得所述特显点的截取数据序列；
S5、利用基于分数阶傅里叶变换的参数自聚焦方法对高频振动误差和二次运动误差的参数进行估计；
S6、利用估计的运动误差参数重构相位误差补偿函数，对距离压缩信号完成第一次补偿；
S7、再一次获得特显点的截取数据序列；
S8、利用相位梯度自聚焦算法估计残余相位误差；
S9、基于估计的残余相位误差对粗补偿后的距离压缩信号完成第二次补偿；
S10、对第二次补偿后的距离压缩信号进行方位压缩获得所述机载太赫兹合成孔径雷达的聚焦图像。
2.一种机载太赫兹合成孔径雷达成像方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1、将所述机载太赫兹合成孔径雷达的低频运动误差表达为方位时间的多项式函数，将所述机载太赫兹合成孔径雷达的高频振动误差表达为方位时间的正弦函数；
S2、对所述机载太赫兹合成孔径雷达的回波信号进行距离压缩和距离徙动校正；
S3、基于信杂比从对所述机载太赫兹合成孔径雷达的回波信号挑选特显点；
S4、获得所述特显点的截取数据序列；
S5、利用基于分数阶傅里叶变换的参数自聚焦方法对高频振动误差和二次运动误差的参数进行估计；
S6、利用估计的运动误差参数重构相位误差补偿函数，对距离压缩信号完成第一次补偿；
S7、再一次获得特显点的截取数据序列；
S8、利用相位梯度自聚焦算法估计残余相位误差；
S9、基于估计的残余相位误差对粗补偿后的距离压缩信号完成第二次补偿；
S10、对第二次补偿后的距离压缩信号进行方位压缩获得所述机载太赫兹合成孔径雷达的聚焦图像。
3.根据权利要求2所述的机载太赫兹合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包含：
低频运动误差为方位时间t的多项式函数，其表达式为
Figure RE-FDA0003030635010000021
其中，bk为多项式系数，p为多项式的最高阶，这里n＝p,
高频振动误差为方位时间t的正弦函数，其表达式为
Figure RE-FDA0003030635010000022
其中fv为振动频率，Av为振动幅值，
Figure RE-FDA0003030635010000023
为初始相位，
机载平台运动总误差可表示为:
Figure RE-FDA0003030635010000024
4.根据权利要求3所述的机载太赫兹合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包含：
通过匹配滤波对混合解调频后的回波信号进行距离压缩，然后在距离多普勒域通过插值完成距离徙动校正，最后再变换到二维时域获得距离压缩信号，如式(4)所示，
Figure RE-FDA0003030635010000025
其中，τ为距离向时间，r0为目标的最近斜距，t0为波束中心穿过目标的时间，B为距离向信号带宽，c为光速，λ为波长，wa(·)为方位向包络，Rref(t)为目标的理想斜距，ΔR(t)为运动误差引入的斜距。
5.根据权利要求4所述的机载太赫兹合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包含：
对每一距离门信号h(t)计算信杂比，信杂比可以表示为
Figure RE-FDA0003030635010000031
其中c＝E[|h(t)|]，d＝E[|h(t)|2]，这里E[·]表示信号期望。
6.根据权利要求5所述的机载太赫兹合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包含：
对所选特显点的距离门信号进行方位去斜、视频残差相位补偿和快速傅里叶变换，得到粗聚焦图像；
将特显点目标的最强响应循环移位到图像中心，并采用方位加窗法将同一距离门内其他点的能量去除；
通过逆FFT得到截取的数据序列。
7.根据权利要求6所述的机载太赫兹合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤S5具体包含：
(a)对特显点的截取数据序列进行滑动加窗，利用分数阶傅立叶变换估计每个加窗信号的调频率，整个截取数据序列进行滑动加窗后可得到其瞬时调频率；
(b)采用移动平均低通滤波器对估计的瞬时调频率进行滤波，获得滤波后的瞬时调频率
Figure RE-FDA0003030635010000032
(c)特显点截取数据序列的瞬时调频率可表达为
k(n)＝sin(2πfvnΔt)A0+cos(2πfvnΔt)B0+C0 (6)
其中
Figure RE-FDA0003030635010000033
通过求解式(8)所示的最优化问题来估计运动误差的参数：
Figure RE-FDA0003030635010000034
其中
Figure RE-FDA0003030635010000035
对估计的瞬时调频率
Figure RE-FDA0003030635010000041
利用频谱分析法可估计得到振动频率
Figure RE-FDA0003030635010000042
利用最小二乘法可得
Figure RE-FDA0003030635010000043
(d)参数
Figure RE-FDA0003030635010000044
可由式(11)计算得到：
Figure RE-FDA0003030635010000045
8.根据权利要求7所述的机载太赫兹合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤S6具体包含：
根据估计的运动误差参数进行相位误差补偿函数的重构，如式(12)所示：
Figure RE-FDA0003030635010000046
将式(12)与式(4)相乘完成回波信号的第一次补偿。
9.根据权利要求8所述的机载太赫兹合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤S7具体包含：
重复步骤S4对经过第一次补偿的信号再一次获得特显点的截取数据序列；所述的步骤S8具体包含：
利用最大似然核函数估计残余相位梯度，然后对其积分可获得残余相位误差φe(t)。
10.根据权利要求9所述的机载太赫兹合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤S9具体包含：
根据估计的残余相位误差φe(t)进行补偿函数的重构，如式(13)所示：
Scom2(t)＝exp{-j·φe(t)} (13)
将式(13)与粗补偿后的距离压缩信号进行相乘完成第二次补偿。
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