CN113126057B - 一种基于调频率估计的sar运动补偿方法 - Google Patents

一种基于调频率估计的sar运动补偿方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113126057B
CN113126057B CN202110424226.4A CN202110424226A CN113126057B CN 113126057 B CN113126057 B CN 113126057B CN 202110424226 A CN202110424226 A CN 202110424226A CN 113126057 B CN113126057 B CN 113126057B
Authority
CN
China
Prior art keywords
speed
frequency modulation
frequency
azimuth
phase error
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110424226.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113126057A (zh
Inventor
王勇
魏晓飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN202110424226.4A priority Critical patent/CN113126057B/zh
Publication of CN113126057A publication Critical patent/CN113126057A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113126057B publication Critical patent/CN113126057B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/415—Identification of targets based on measurements of movement associated with the target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/9004—SAR image acquisition techniques
    • G01S13/9011—SAR image acquisition techniques with frequency domain processing of the SAR signals in azimuth
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/9004—SAR image acquisition techniques
    • G01S13/9017—SAR image acquisition techniques with time domain processing of the SAR signals in azimuth
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/9094—Theoretical aspects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/418—Theoretical aspects

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

一种基于调频率估计的SAR运动补偿方法，本发明涉及合成孔径雷达成像的运动补偿方法。本发明的目的是为了解决机载SAR在运动过程中速度不稳定，现有方法对机载SAR在运动过程中速度补偿效果差，调频率估计精度低，导致获取图像准确率低的问题。过程为：一、获得距离压缩后的二维时域信号；二、将二维时域信号沿着方位向分成互相重叠的L个子块；三、对能量较大的距离单元内的回波信号进行调频率估计；四、计算M个距离单元对应的子块方位中心点的瞬时速度；五、计算相位误差，将一中的二维时域信号减去相位误差得到s1(tr,tm)；对s1(tr,tm)进行方位向压缩，得到补偿后的图像。本发明用于雷达成像领域。

Description

一种基于调频率估计的SAR运动补偿方法
技术领域
本发明涉及雷达成像领域，具体涉及合成孔径雷达成像的运动补偿方法。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨的成像雷达，通过雷达平台和目标之间的相对运动获得方位向的高分辨率。SAR成像过程中要求平台匀速，等高，直线飞行，这是成像的基础，同时也是误差的来源，因为实际飞行中，平台的轨迹和速度往往不是理想的。尤其对于机载SAR，其平台体积小、重量轻，在中低空飞行时，受气流干扰较大，轨迹和速度皆会发生偏差，使调频斜率产生变化，匹配函数不能与回波信号的相位函数完全匹配，导致图像散焦、模糊，甚至造成图像的几何失真。因此对于机载SAR，运动补偿问题非常重要，是获得清晰图像的关键步骤。
目前，SAR运动补偿的方法有两类：一是基于惯导系统的补偿，通过惯导系统测量载机的运动参数进行补偿，效率较高，但是受到惯导系统精度的限制；二是基于回波数据的信号处理方法，根据回波本身的性质对运动误差进行补偿，具有自适应处理的能力。基于回波数据的运动补偿方法基本可以分为三类，一是基于距离压缩数据的自聚焦算法，主要有图像偏置法(MD)和相位差分(PD)算法；二是基于复图像的自聚焦算法，最典型的是相位自聚焦(PGA)算法；三是采用图像准则的自聚焦算法，主要有最小熵法和最大对比度法等。
PGA最早应用于聚束SAR，之后逐渐应用于条带SAR。PGA被认为是一种较有效的运动补偿方式，它不基于运动模型，能够估计任意阶的相位误差。但是PGA要求图像中存在强散射点，对于不满足此条件的场景，不能起到很好的补偿效果。而基于图像准则的自聚焦算法，在图像对比度较低的情况下也能获得较好的补偿效果，但是此类算法通常需要在一定的范围内搜索调频率值，因此计算量较大。而MD算法计算量小，能够对二次相位误差进行鲁棒性估计，且一般能够满足实时性，广泛应用于SAR系统中，是主要的自聚焦算法。
MD方法通常认为在一个孔径内载机的速度是恒定的，通过在整个孔径内估计调频率进行补偿。但是对于载机沿航线速度不稳定的情况下，MD方法对调频率估计的精度较低，运动补偿效果较差。
发明内容
本发明的目的是为了解决机载SAR在运动过程中速度不稳定，现有方法对机载SAR在运动过程中速度补偿效果差，调频率估计精度低，导致获取图像准确率低的问题，而提出一种基于调频率估计的SAR运动补偿方法。
一种基于调频率估计的SAR运动补偿方法具体过程为：
步骤一、对采集的机载SAR原始回波进行距离匹配滤波，对距离匹配滤波后的回波进行距离徙动矫正，得到距离徙动矫正后的回波；
惯导数据对距离徙动矫正后的回波进行粗补偿，获得粗补偿后的二维时域信号s(tr,tm)；
步骤二、将步骤一得到的二维时域信号沿着方位向分成互相重叠的L个子块，其中重叠部分为每个子块方位长度的一半；
步骤三、步骤二划分出的每个子块包含多个距离单元；
求解每个距离单元内回波信号的能量；
设某个距离单元内的回波信号为：
Figure BDA0003029208850000021
其中Ta表示方位向的时宽；s(tm)为某距离单元的回波，tm为方位时间，a(tm)为回波的幅值，j为虚数单位，γd为实际调频率；T为方位向时宽的一半；
将每个距离单元内回波信号的能量从大到小排列，对能量较大的M个距离单元内的回波信号进行调频率估计；
步骤四、基于M个距离单元内回波信号的调频率，计算M个距离单元对应的子块方位中心点的瞬时速度；
步骤五、将步骤二中分出的L个子块分别通过步骤三、步骤四估计出每个子块方位中心点的瞬时速度，然后对每个子块方位中心点的瞬时速度进行三次样条插值，得到整个成像时间内载机的速度，载机的速度分别减去预设的速度Vl，得到速度误差ΔV(tm)；
基于预设的速度Vl和速度误差ΔV(tm)求出调频率偏差Δγ(tm)；
将Δγ(tm)对慢时间进行二重积分，得到相位误差函数
Figure BDA0003029208850000022
对相位误差函数进行线性拟合，得到相位误差中的一次项
Figure BDA0003029208850000023
然后将
Figure BDA0003029208850000024
减去
Figure BDA0003029208850000025
得到去除了一次项的相位误差函数
Figure BDA0003029208850000026
然后将步骤一中距离压缩后的二维时域信号s(tr,tm)减去相位误差得到s1(tr,tm)；
通过调频率γl对s1(tr,tm)进行方位向压缩，得到补偿后的图像。
本发明的有益效果包括：
本发明针对此提出一种改进的MD方法，能够提高调频率估计的精度，并通过拟合出全时间的速度曲线提高运动补偿的效果。
1、本发明选出了距离能量较大的部分单元进行调频率估计，而没有用全部的距离单元，减小了计算量，且通过不同距离单元估计出的瞬时速度求平均减小了误差。
2、本发明对两幅子视图插值以后再求互相关峰值，能够提高调频率估计的精度。
3、本发明通过提高数据利用率，求出更多的瞬时速度值，并通过插值函数进行拟合，能够更接近真实的速度变化曲线，获得更好的运动补偿效果，提高了调频率估计精度，提高了获取图像的准确率。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为实施例二的载机速度变化曲线对比图；
图3为实施例二中运动补偿前点目标成像结果图；
图4为实施例二中传统MD方法运动补偿后点目标成像结果图；
图5为实施例二中本发明方法运动补偿后点目标成像结果图；
图6为实施例二中载机速度变化曲线拟合图；
图7为实施例二中运动补偿前实测数据成像结果图；
图8为实施例二中传统MD方法运动补偿后实测数据成像结果图；
图9为实施例二中本发明方法运动补偿后实测数据成像结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种基于调频率估计的SAR运动补偿方法具体过程为：
步骤一、对采集的机载SAR原始回波进行距离匹配滤波，对距离匹配滤波后的回波进行距离徙动矫正，得到距离徙动矫正后的回波；
惯导数据对距离徙动矫正后的回波进行粗补偿，获得粗补偿后的二维时域信号s(tr,tm)；
惯导数据是采集数据过程中惯导系统记录的飞行速度、角度等数据。
惯导数据粗补偿是对载机沿航线速度和垂直航线速度进行补偿。
步骤二、将步骤一得到的二维时域信号沿着方位向分成互相重叠的L个子块，其中重叠部分为每个子块方位长度的一半，让数据互相重叠是为了提高数据的利用率，估计出更多点的瞬时调频率值，便于后续的拟合；
通常MD方法中，都是在一个全孔径的时间内进行调频率估计，认为同一个孔径内的调频率值相同，但是对于速度不稳定的情况，需要进行分块估计，且子块的长度不可过长；但是为了回波能够正确反映多普勒调频率，子块的长度要适当长一些，因此一般子块取合成孔径相干累积时间的1/10左右；
步骤二中沿方位向划分为互相重叠的子块，提高数据的利用率。
步骤三、步骤二划分出的每个子块包含多个距离单元；
求解每个距离单元内回波信号的能量(信号的能量指信号幅度平方的积分)；
设某个距离单元内的回波信号为：
Figure BDA0003029208850000041
其中Ta表示方位向的时宽；s(tm)为某距离单元的回波，tm为方位时间(慢时间)，a(tm)为回波的幅值，j为虚数单位，γd为实际调频率；T为方位向时宽的一半；
将每个距离单元内回波信号的能量从大到小排列，对能量较大的M个距离单元内的回波信号进行调频率估计，一般取所有距离单元的5％左右；能量较大的单元说明目标反射的回波比较强烈，估计调频率的受噪声干扰等的影响较小。
步骤四、基于M个距离单元内回波信号的调频率，计算M个距离单元对应的子块方位中心点的瞬时速度；
步骤五、将步骤二中分出的L个子块分别通过步骤三、步骤四估计出每个子块方位中心点的瞬时速度(L个值)，然后对每个子块方位中心点的瞬时速度进行三次样条插值，得到整个成像时间内载机的速度(速度变化曲线)，载机的速度分别减去预设的速度Vl，得到速度误差ΔV(tm)；
基于预设的速度Vl和速度误差ΔV(tm)求出调频率偏差Δγ(tm)；
将Δγ(tm)对慢时间进行二重积分，得到相位误差函数
Figure BDA0003029208850000042
由于误差函数中的一次项会使图像在方位向产生偏移，因此对相位误差函数进行线性拟合，得到相位误差中的一次项
Figure BDA0003029208850000043
然后将
Figure BDA0003029208850000044
减去
Figure BDA0003029208850000045
得到去除了一次项的相位误差函数
Figure BDA0003029208850000046
然后将步骤一中距离压缩后的二维时域信号s(tr,tm)减去相位误差
Figure BDA0003029208850000051
得到s1(tr,tm)；
通过调频率γl对s1(tr,tm)进行方位向压缩，得到补偿后的图像。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤三中对能量较大的M个距离单元内的回波信号进行调频率估计；具体过程为：
步骤三一、基于预设调频率值对M个距离单元内的回波信号分别进行去斜处理，得到差频信号；
步骤三二、将差频信号沿方位向分为长度相等且互不重叠的两部分，分别表示为s1(tm)和s2(tm)，对s1(tm)和s2(tm)分别进行傅里叶变化，得到傅里叶变化结果S1(f)、S2(f)，基于傅里叶变化结果S1(f)、S2(f)估计出调频率偏差。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤三一中基于预设调频率值对M个距离单元内的回波信号分别进行去斜处理，得到差频信号；具体过程为：
设飞机理想运动情况下的速度为Vl，某一个距离单元的斜距为RB，则预设调频率γl为：
Figure BDA0003029208850000052
其中λ表示信号波长；
基于预设调频率构造基准信号ref(tm)：
Figure BDA0003029208850000053
将某个距离单元内的回波信号与对应的基准信号相乘，得到差频信号，表达式为：
Figure BDA0003029208850000054
式中γ表示差频，γ＝γd-γl；s′(tm)为差频信号。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤三二中将差频信号沿方位向分为长度相等且互不重叠的两部分，分别表示为s1(tm)和s2(tm)，对s1(tm)和s2(tm)分别进行傅里叶变化，得到傅里叶变化结果S1(f)、S2(f)，基于傅里叶变化结果S1(f)、S2(f)估计出调频率偏差；具体过程为：
将差频信号s′(tm)沿方位向分为长度相等且互不重叠的两部分，分别表示为s1(tm)和s2(tm)：
Figure BDA0003029208850000061
Figure BDA0003029208850000062
对s1(tm)和s2(tm)分别进行傅里叶变化得：
Figure BDA0003029208850000063
Figure BDA0003029208850000064
式中S1(f)为对s1(tm)进行傅里叶变化结果，即前孔径信号的多普勒谱；S2(f)为对s2(tm)进行傅里叶变化的结果，即后孔径信号的多普勒谱；
Figure BDA0003029208850000065
为γ＝0时前孔径信号的多普勒谱；
Figure BDA0003029208850000066
为γ＝0时后孔径信号的多普勒谱；f为多普勒频率；
如果载机不存在运动误差，即实际调频率γd等于理论调频率γl，则前后孔径信号的多普勒谱将会重合；
如果载机存在运动误差，则前后孔径信号的多普勒谱之间将会有偏移量，即S1(f)和S2(f)之间会存在偏移量，求出偏移量即可估计出调频率偏差。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述
Figure BDA0003029208850000067
和
Figure BDA0003029208850000068
的表达式为：
Figure BDA0003029208850000069
Figure BDA0003029208850000071
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述如果载机存在运动误差，则前后孔径信号的多普勒谱之间将会有偏移量，即S1(f)和S2(f)之间会存在偏移量，求出偏移量即可估计出调频率偏差；具体过程为：
假设某个子块的方位向点数为N，方位脉冲重复频率为PRF，前后孔径信号的多普勒谱间的偏移量为Δn，则调频率偏差的估计值Δγ为：
Figure BDA0003029208850000072
但是根据该公式直接估计得到的调频率偏差精确度较低，因此通过插值进行改善。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤四中基于M个距离单元内的回波信号的调频率，计算M个距离单元对应的子块方位中心点的瞬时速度；具体过程为：
对傅里叶变化结果S1(f)、S2(f)分别进行8倍插值处理得到S′1(f)和S′2(f)，然后在一定的偏移范围内，对插值处理后的结果求互相关，找出互相关最大值对应的偏移量Δn′；
S′1(f)的频谱间隔为S1(f)的1/8，S′2(f)的频谱间隔为S2(f)的1/8，因此公式(11)修改为：
Figure BDA0003029208850000073
其中Δn′表示插值后图像间(S′1(f)和S′2(f))的偏移量；
由于插值并不能恢复真实的频谱，因此式(12)只具有计算上的意义，调频率估计的精度并不能真正提高到8倍，但是通过插值使离散频谱之间的间隔减小，能在一定程度上提高调频率估计的精度。
根据求出的调频率偏差的估计值Δγ和理论调频率值γl，结合公式(2)求得瞬时速度：
Figure BDA0003029208850000074
其中λ为信号波长，V为距离单元内估计出的瞬时速度；
对M个距离单元内估计出的瞬时速度求平均得到V，V认为是该子块方位中心点的瞬时速度，通过M个距离单元取平均可减小误差。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤五中将步骤二中分出的L个子块分别通过步骤三、步骤四估计出每个子块方位中心点的瞬时速度(L个值)，然后对每个子块方位中心点的瞬时速度进行三次样条插值，得到整个成像时间内载机的速度(速度变化曲线)，载机的速度分别减去预设的速度Vl，得到速度误差ΔV(tm)；
基于预设的速度Vl和速度误差ΔV(tm)求出调频率偏差Δγ(tm)；将Δγ(tm)对方位时间tm(慢时间)进行二重积分，得到相位误差函数
Figure BDA0003029208850000081
由于误差函数中的一次项会使图像在方位向产生偏移，因此对相位误差函数进行线性拟合，得到相位误差中的一次项
Figure BDA0003029208850000082
然后将
Figure BDA0003029208850000083
减去
Figure BDA0003029208850000084
得到去除了一次项的相位误差函数
Figure BDA0003029208850000085
将步骤一中距离压缩后的二维时域信号s(tr,tm)减去相位误差
Figure BDA0003029208850000086
得到s1(tr,tm)；
通过调频率γl对s1(tr,tm)进行方位向压缩，得到补偿后的图像；
具体过程为：
根据公式(14)求出调频率偏差Δγ(tm)，
Figure BDA0003029208850000087
将Δγ(tm)对方位时间tm进行二重积分，得到相位误差函数
Figure BDA0003029208850000088
Figure BDA0003029208850000089
其中t′m为新的慢时间，u，s为积分变量；
由于误差函数中的一次项会使图像在方位向产生偏移，因此对相位误差函数进行线性拟合，得到相位误差中的一次项
Figure BDA0003029208850000091
(相位误差函数是一个n次多项式，通过线性拟合，得到其中的一次多项式)，然后将
Figure BDA0003029208850000092
减去
Figure BDA0003029208850000093
得到去除了一次项的相位误差函数
Figure BDA0003029208850000094
然后将步骤一中距离压缩后的二维时域信号s(tr,tm)减去相位误差
Figure BDA0003029208850000095
得到s1(tr,tm)；
通过调频率γl对s1(tr,tm)进行方位向压缩，得到补偿后的图像。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述相位误差函数
Figure BDA0003029208850000096
表达式为：
Figure BDA0003029208850000097
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述s1(tr,tm)表达式为：
Figure BDA0003029208850000098
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
下面通过以下实施例验证本发明的有益效果。
实施例一：
本实施例旨在对比步骤四中插值前后调频率估计的效果。
通过点目标成像仿真进行对比，参数如表1。
表1仿真参数
Figure BDA0003029208850000099
回波中加入相位误差，在插值前后估计其调频率，结果如表2。可以看出，通过插值能够显著提高调频率估计的精度。
表2调频率估计仿真结果
Figure BDA00030292088500000910
Figure BDA0003029208850000101
实施例二：
本实施例旨在验证本发明SAR成像运动补偿的效果。
首先通过点目标成像仿真结果验证本发明方法。仿真参数如表1所示，点目标位置分别为(0,5123,0),(0,4723,0),(-80,5123,0),(-80,4723,0),(80,5123,0),(80,4723,0)。
加入运动误差后对点目标进行成像，并通过传统MD方法和本发明方法分别进行补偿。附图2为本发明方法估计出的速度变化曲线和真实速度变化曲线对比，可以看到二者较为接近，说明本发明方法拟合出的速度曲线能够较好地反映真实运动情况。图3为运动补偿前的成像结果，点目标散焦比较严重，计算出图像的熵值为0.2388。图4为传统MD方法补偿的结果，点目标散焦情况得到改善，图像熵减小为0.1999。图5为经本发明方法补偿结果，可以看到点目标更加聚焦，图像熵为0.1182。根据仿真结果得出本发明方法较传统MD方法能获得更好的运动补偿效果。
通过某正侧视机载SAR实测数据进一步验证本发明方法，机载SAR系统参数如表3所示。
表3机载SAR系统参数
Figure BDA0003029208850000102
附图6为根据本发明方法估计出的速度变化曲线，图7、图8、图9为运动补偿前后成像结果，为便于对比，只截取距离单元为(1500:1800)，方位单元为(313:625)的部分图像。图7为运动补偿前的图像，可以看出散焦现象比较严重。图8是通过传统MD方法进行补偿，虽然较补偿前有所提高，但是聚焦效果仍然较差。图9是根据本发明的方法进行补偿的结果，可以看到补偿效果显著，图像聚焦性提高。此外，计算出三幅图的熵分别为2.7284，2.4773，2.1764，通过熵值也可说明经本发明方法补偿后聚焦性更强。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于调频率估计的SAR运动补偿方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、对采集的机载SAR原始回波进行距离匹配滤波，对距离匹配滤波后的回波进行距离徙动矫正，得到距离徙动矫正后的回波；
惯导数据对距离徙动矫正后的回波进行粗补偿，获得粗补偿后的二维时域信号s(tr,tm)；
步骤二、将步骤一得到的二维时域信号沿着方位向分成互相重叠的L个子块，其中重叠部分为每个子块方位长度的一半；
步骤三、步骤二划分出的每个子块包含多个距离单元；
求解每个距离单元内回波信号的能量；
设某个距离单元内的回波信号为：
Figure FDA0003786088550000011
其中Ta表示方位向的时宽；s(tm)为某距离单元的回波，tm为方位时间，a(tm)为回波的幅值，j为虚数单位，γd为实际调频率；T为方位向时宽的一半；
将每个距离单元内回波信号的能量从大到小排列，对能量较大的M个距离单元内的回波信号进行调频率估计；
所述对能量较大的M个距离单元内的回波信号进行调频率估计；具体过程为：
步骤三一、基于预设调频率值对M个距离单元内的回波信号分别进行去斜处理，得到差频信号；
步骤三二、将差频信号沿方位向分为长度相等且互不重叠的两部分，分别表示为s1(tm)和s2(tm)，对s1(tm)和s2(tm)分别进行傅里叶变化，得到傅里叶变化结果S1(f)、S2(f)，基于傅里叶变化结果S1(f)、S2(f)估计出调频率偏差；
所述步骤三一中基于预设调频率值对M个距离单元内的回波信号分别进行去斜处理，得到差频信号；具体过程为：
设飞机理想运动情况下的速度为Vl，某一个距离单元的斜距为RB，则预设调频率γl为：
Figure FDA0003786088550000012
其中λ表示信号波长；
基于预设调频率构造基准信号ref(tm)：
Figure FDA0003786088550000021
将某个距离单元内的回波信号与对应的基准信号相乘，得到差频信号，表达式为：
Figure FDA0003786088550000022
式中γ表示差频，γ＝γd-γl；s'(tm)为差频信号；
所述步骤三二中将差频信号沿方位向分为长度相等且互不重叠的两部分，分别表示为s1(tm)和s2(tm)，对s1(tm)和s2(tm)分别进行傅里叶变化，得到傅里叶变化结果S1(f)、S2(f)，基于傅里叶变化结果S1(f)、S2(f)估计出调频率偏差；具体过程为：
将差频信号s'(tm)沿方位向分为长度相等且互不重叠的两部分，分别表示为s1(tm)和s2(tm)：
Figure FDA0003786088550000023
Figure FDA0003786088550000024
对s1(tm)和s2(tm)分别进行傅里叶变化得：
Figure FDA0003786088550000025
Figure FDA0003786088550000026
式中S1(f)为对s1(tm)进行傅里叶变化结果，即前孔径信号的多普勒谱；S2(f)为对s2(tm)进行傅里叶变化的结果，即后孔径信号的多普勒谱；
Figure FDA0003786088550000027
为γ＝0时前孔径信号的多普勒谱；
Figure FDA0003786088550000028
为γ＝0时后孔径信号的多普勒谱；f为多普勒频率；
如果载机不存在运动误差，即实际调频率γd等于理论调频率γl，则前后孔径信号的多普勒谱将会重合；
如果载机存在运动误差，则前后孔径信号的多普勒谱之间将会有偏移量，求出偏移量即可估计出调频率偏差；具体过程为：
假设某个子块的方位向点数为N，方位脉冲重复频率为PRF，前后孔径信号的多普勒谱间的偏移量为Δn，则调频率偏差的估计值Δγ为：
Figure FDA0003786088550000031
步骤四、基于M个距离单元内回波信号的调频率，计算M个距离单元对应的子块方位中心点的瞬时速度；具体过程为：
对傅里叶变化结果S1(f)、S2(f)分别进行8倍插值处理得到S'1(f)和S'2(f)，对插值处理后的结果求互相关，找出互相关最大值对应的偏移量Δn’；
S'1(f)的频谱间隔为S1(f)的1/8，S'2(f)的频谱间隔为S2(f)的1/8，因此公式(11)修改为：
Figure FDA0003786088550000032
其中Δn’表示插值后图像间的偏移量；
根据求出的调频率偏差的估计值Δγ和理论调频率值γl，结合公式(2)求得瞬时速度：
Figure FDA0003786088550000033
其中λ为信号波长，V为距离单元内估计出的瞬时速度；
对M个距离单元内估计出的瞬时速度求平均得到
Figure FDA0003786088550000034
Figure FDA0003786088550000035
认为是该子块方位中心点的瞬时速度；
步骤五、将步骤二中分出的L个子块分别通过步骤三、步骤四估计出每个子块方位中心点的瞬时速度，然后对每个子块方位中心点的瞬时速度进行三次样条插值，得到整个成像时间内载机的速度，载机的速度分别减去飞机理想运动情况下的速度Vl，得到速度误差ΔV(tm)；
基于飞机理想运动情况下的速度Vl和速度误差ΔV(tm)求出调频率偏差Δγ(tm)；
将Δγ(tm)对慢时间进行二重积分，得到相位误差函数
Figure FDA0003786088550000036
对相位误差函数进行线性拟合，得到相位误差中的一次项
Figure FDA0003786088550000037
然后将
Figure FDA0003786088550000038
减去
Figure FDA0003786088550000041
得到去除了一次项的相位误差函数
Figure FDA0003786088550000042
然后将步骤一中距离压缩后的二维时域信号s(tr,tm)减去相位误差得到s1(tr,tm)；
通过调频率γl对s1(tr,tm)进行方位向压缩，得到补偿后的图像。
2.根据权利要求1所述一种基于调频率估计的SAR运动补偿方法，其特征在于：所述
Figure FDA0003786088550000043
和
Figure FDA0003786088550000044
的表达式为：
Figure FDA0003786088550000045
Figure FDA0003786088550000046
3.根据权利要求2所述一种基于调频率估计的SAR运动补偿方法，其特征在于：所述步骤五中将步骤二中分出的L个子块分别通过步骤三、步骤四估计出每个子块方位中心点的瞬时速度，然后对每个子块方位中心点的瞬时速度进行三次样条插值，得到整个成像时间内载机的速度，载机的速度分别减去飞机理想运动情况下的速度Vl，得到速度误差ΔV(tm)；
基于飞机理想运动情况下的速度Vl和速度误差ΔV(tm)求出调频率偏差Δγ(tm)；将Δγ(tm)对方位时间tm进行二重积分，得到相位误差函数
Figure FDA0003786088550000047
对相位误差函数进行线性拟合，得到相位误差中的一次项
Figure FDA0003786088550000048
然后将
Figure FDA0003786088550000049
减去
Figure FDA00037860885500000410
得到去除了一次项的相位误差函数
Figure FDA00037860885500000411
将步骤一中距离压缩后的二维时域信号s(tr,tm)减去相位误差
Figure FDA00037860885500000412
得到s1(tr,tm)；
通过调频率γl对s1(tr,tm)进行方位向压缩，得到补偿后的图像；
具体过程为：
根据公式(14)求出调频率偏差Δγ(tm)，
Figure FDA00037860885500000413
将Δγ(tm)对方位时间tm进行二重积分，得到相位误差函数
Figure FDA0003786088550000051
Figure FDA0003786088550000052
其中t’m为新的慢时间，u，s为积分变量；
对相位误差函数进行线性拟合，得到相位误差中的一次项
Figure FDA0003786088550000053
然后将
Figure FDA0003786088550000054
减去
Figure FDA0003786088550000055
得到去除了一次项的相位误差函数
Figure FDA0003786088550000056
然后将步骤一中距离压缩后的二维时域信号s(tr,tm)减去相位误差
Figure FDA0003786088550000057
得到s1(tr,tm)；
通过调频率γl对s1(tr,tm)进行方位向压缩，得到补偿后的图像。
4.根据权利要求3所述一种基于调频率估计的SAR运动补偿方法，其特征在于：所述相位误差函数
Figure FDA0003786088550000058
表达式为：
Figure FDA0003786088550000059
5.根据权利要求4所述一种基于调频率估计的SAR运动补偿方法，其特征在于：所述s1(tr,tm)表达式为：
Figure FDA00037860885500000510
CN202110424226.4A 2021-04-20 2021-04-20 一种基于调频率估计的sar运动补偿方法 Active CN113126057B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110424226.4A CN113126057B (zh) 2021-04-20 2021-04-20 一种基于调频率估计的sar运动补偿方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110424226.4A CN113126057B (zh) 2021-04-20 2021-04-20 一种基于调频率估计的sar运动补偿方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113126057A CN113126057A (zh) 2021-07-16
CN113126057B true CN113126057B (zh) 2022-09-16

Family

ID=76777924

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110424226.4A Active CN113126057B (zh) 2021-04-20 2021-04-20 一种基于调频率估计的sar运动补偿方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113126057B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113960602B (zh) * 2021-12-22 2022-05-20 中科星睿科技(北京)有限公司 轨道误差信息生成方法、装置、电子设备和可读介质
CN116027286A (zh) * 2023-02-14 2023-04-28 南京航空航天大学 Sar侦查误差对干扰效能影响的定量化分析方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5708436A (en) * 1996-06-24 1998-01-13 Northrop Grumman Corporation Multi-mode radar system having real-time ultra high resolution synthetic aperture radar (SAR) capability
US6037892A (en) * 1998-05-28 2000-03-14 Multispec Corporation Method for automatic focusing of radar or sonar imaging systems using high-order measurements
CN103235306A (zh) * 2013-03-29 2013-08-07 西安电子科技大学 一种适用于高速机动飞行器载sar成像的运动补偿方法
CN105974414A (zh) * 2016-06-24 2016-09-28 西安电子科技大学 基于二维自聚焦的高分辨聚束sar自聚焦成像方法
CN106054188A (zh) * 2016-06-24 2016-10-26 西安电子科技大学 无人机合成孔径雷达成像的图像偏移自聚焦方法
CN108318879A (zh) * 2017-12-29 2018-07-24 哈尔滨工业大学 基于iaa谱估计技术的isar图像横向定标方法
CN108535726A (zh) * 2018-04-18 2018-09-14 哈尔滨工业大学深圳研究生院 基于幂权Fourier变换的ISAR成像方法
CN109471100A (zh) * 2018-10-16 2019-03-15 湖北航天技术研究院总体设计所 一种sar多普勒调频率估计方法及系统
CN109856635A (zh) * 2019-02-28 2019-06-07 中国人民解放军国防科技大学 一种csar地面动目标重聚焦成像方法
CN110109107A (zh) * 2019-04-24 2019-08-09 电子科技大学 一种合成孔径雷达频域bp算法的运动误差补偿方法
CN111381217A (zh) * 2020-04-01 2020-07-07 上海无线电设备研究所 基于低精度惯性导航系统的弹载sar运动补偿方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7145496B2 (en) * 2004-11-23 2006-12-05 Raytheon Company Autofocus method based on successive parameter adjustments for contrast optimization
TWI468020B (zh) * 2009-02-19 2015-01-01 Sony Corp Image processing apparatus and method
CN103675815B (zh) * 2013-09-27 2017-06-20 西安电子科技大学 一种在大斜视sar成像模式下对多普勒调频率进行精确估计的方法
CN104931967B (zh) * 2015-06-12 2017-07-18 西安电子科技大学 一种改进的高分辨率sar成像自聚焦方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5708436A (en) * 1996-06-24 1998-01-13 Northrop Grumman Corporation Multi-mode radar system having real-time ultra high resolution synthetic aperture radar (SAR) capability
US6037892A (en) * 1998-05-28 2000-03-14 Multispec Corporation Method for automatic focusing of radar or sonar imaging systems using high-order measurements
CN103235306A (zh) * 2013-03-29 2013-08-07 西安电子科技大学 一种适用于高速机动飞行器载sar成像的运动补偿方法
CN105974414A (zh) * 2016-06-24 2016-09-28 西安电子科技大学 基于二维自聚焦的高分辨聚束sar自聚焦成像方法
CN106054188A (zh) * 2016-06-24 2016-10-26 西安电子科技大学 无人机合成孔径雷达成像的图像偏移自聚焦方法
CN108318879A (zh) * 2017-12-29 2018-07-24 哈尔滨工业大学 基于iaa谱估计技术的isar图像横向定标方法
CN108535726A (zh) * 2018-04-18 2018-09-14 哈尔滨工业大学深圳研究生院 基于幂权Fourier变换的ISAR成像方法
CN109471100A (zh) * 2018-10-16 2019-03-15 湖北航天技术研究院总体设计所 一种sar多普勒调频率估计方法及系统
CN109856635A (zh) * 2019-02-28 2019-06-07 中国人民解放军国防科技大学 一种csar地面动目标重聚焦成像方法
CN110109107A (zh) * 2019-04-24 2019-08-09 电子科技大学 一种合成孔径雷达频域bp算法的运动误差补偿方法
CN111381217A (zh) * 2020-04-01 2020-07-07 上海无线电设备研究所 基于低精度惯性导航系统的弹载sar运动补偿方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Guo, WG等.SAR motion compensation based on signal processing method.《2003 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ROBOTICS, INTELLIGENT SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING, VOLS 1 AND 2, PROCEEDINGS》.2003, *
Tang, Yu等.The Space-Variant Phase-Error Matching Map-Drift Algorithm for Highly Squinted SAR.《IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING LETTERS》.2013,第10卷(第4期), *
Yan Huang等.An Improved Map-Drift Algorithm for Unmanned Aerial Vehicle SAR Imaging.《IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters》.2020,第18卷(第11期), *
李国航.SAR成像与运动补偿方法研究.《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》.2016, *
王亮.机载超宽带合成孔径雷达实测数据成像处理技术研究.《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)信息科技辑》.2009, *
王勇等.FMCW-ISAR对舰船目标成像脉内补偿方法研究.《雷达学报》.2019,第8卷(第3期), *
陆钱融.机载合成孔径雷达成像和运动补偿技术研究.《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)信息科技辑》.2020, *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113126057A (zh) 2021-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113126057B (zh) 一种基于调频率估计的sar运动补偿方法
CN111142105B (zh) 复杂运动目标isar成像方法
CN109507669B (zh) 基于相参累积的地面微弱运动目标参数估计方法
CN111077524A (zh) 一种sar-gmti动目标重定位改进方法
CN109471095A (zh) 基于快速迭代插值的fmcw雷达距离估计算法
CN111722225B (zh) 基于先验相位结构信息的双基sar两维自聚焦方法
CN109085556B (zh) 一种基于一二阶峰比值的高频地波雷达浪场形成方法
CN111551934A (zh) 一种用于无人机载sar成像的运动补偿自聚焦方法与装置
CN104155653B (zh) 一种基于特征距离子空间的sar后向投影成像方法
CN114325695A (zh) 一种基于旋转天线的雷达目标二维高分辨成像方法
CN112415512B (zh) 基于进退法和黄金分割法的sar运动目标聚焦方法
CN109343056B (zh) 一种针对非线性调频sar的rd成像方法和装置
Frölind et al. Evaluation of angular interpolation kernels in fast back-projection SAR processing
CN112859018B (zh) 一种基于图像几何校正的视频sar成像方法
CN113466863A (zh) 一种sar舰船目标高分辨成像方法
CN109284690B (zh) 基于Radon-Wigner变换和REALX算法的多分量LFM信号分离方法
CN115792839A (zh) 一种太赫兹波段下sar平台高频振动补偿方法
CN114720985A (zh) 一种合成孔径雷达宽测绘带的成像方法
CN110736988B (zh) 双基地pfa运动目标参数估计和成像方法
CN111638516B (zh) 基于双频共轭处理技术的太赫兹频段sar运动补偿算法
CN109343057B (zh) 一种针对非线性调频sar的cs成像方法和装置
CN111580106A (zh) 一种高低轨视频sar动目标跟踪方法
Xu et al. A frequency-phase gradient autofocus algorithm for excessive migration in UAV SAR images
CN114488054B (zh) 一种计算高效的合成孔径雷达地面运动目标聚焦方法
CN111965641B (zh) 一种基于分数阶Fourier变换的SAR成像方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant