CN115236671A - 基于零陷波束构建的序贯sar图像动目标恢复方法 - Google Patents

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CN115236671A CN202211022241.7A CN202211022241A CN115236671A CN 115236671 A CN115236671 A CN 115236671A CN 202211022241 A CN202211022241 A CN 202211022241A CN 115236671 A CN115236671 A CN 115236671A
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Abstract

本发明涉及一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法及系统，属于信号处理领域。该方法利用BP算法对SAR回波数据进行成像处理；利用背景差分方法实现序贯图像中运动目标阴影检测；根据序贯SAR图像间运动目标阴影位置变化估计目标二维速度并估算运动目标成像位置；根据斜距历程构建零陷波束加权函数；根据加权函数对回波数据进行加权处理，实现动目标成像位置处背景杂波抑制；基于动目标速度对各角度观测图像中动目标阴影位置小区域再成像，实现动目标重聚焦和重定位；基于加权函数仿真计算动目标散射幅度变化量；动目标重定位后，校正动目标散射幅度变化量，实现动目标幅度恢复。本发明方法能够提高序贯SAR图像动目标恢复效果和处理效率。

Description

基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种主动式微波对地成像系统，利用平台和目标之间的相对运动，获得多普勒调制信号从而实现方位向高分辨率，而距离向则是依靠发射大带宽的线性调频信号，再利用脉冲压缩技术获得高分辨率。
地面运动目标检测一直是星载SAR重要应用方向，但是由于多普勒参数失配，SAR图像中动目标成像位置会偏离其真实位置，在真实位置处留下能反映动目标形状的阴影区域。传统的动目标检测方法多是基于动目标成像主体开展的，而对于动目标阴影的研究相对较少。联合动目标成像主体和阴影信息可以实现动目标检测、速度信息提取和获取动目标成像在其真实位置处的SAR图像，这对于动目标信息解译是有益的。然而直接对动目标重定位，背景杂波会与动目标混叠，影响动目标信息恢复效果，在动目标成像位置处构建零陷波束可避免该现象，为后续动目标检测应用奠定基础。因此，针对动目标重定位过程中存在的背景杂波和动目标混叠导致的动目标信息解译困难的问题，本领域亟需提出一种适用于序贯SAR图像中动目标恢复的方法。
发明内容
为解决或至少缓解上述问题，本发明提出一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法，以降低背景杂波与动目标混叠对动目标信息恢复效果的影响，提高序贯SAR图像动目标恢复效果和处理效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法，包括：
获取多角度观测的方位双通道合成孔径雷达SAR回波数据；所述双通道包括第一通道和第二通道；
利用后向投影算法对各角度观测的各通道SAR回波数据进行成像处理，生成各角度观测的各通道序贯SAR图像；所述各通道序贯SAR图像包括第一通道序贯SAR图像和第二通道序贯SAR图像；
利用背景差分方法对各角度观测的各通道序贯SAR图像进行动目标阴影检测，确定各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置；所述动目标阴影位置包括动目标方位向位置和动目标距离向位置；
根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化计算动目标二维速度；所述动目标二维速度包括动目标方位向速度和动目标距离向速度；
根据所述动目标二维速度计算各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置；所述动目标成像位置包括运动目标沿方位向成像位置和运动目标沿距离向成像位置；
根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置计算各角度观测时各通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程；
根据所述斜距历程构建各角度观测时各通道的零陷波束加权函数；
根据所述零陷波束加权函数对各角度观测的各通道SAR回波数据进行加权处理，得到杂波抑制后的回波复信号；
根据所述杂波抑制后的回波复信号和所述动目标二维速度对各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置进行小区域再成像，得到动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像；
基于所述零陷波束加权函数仿真计算动目标散射幅度变化比例；
根据所述动目标散射幅度变化比例校正所述动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像中的动目标散射幅度变化量，得到动目标散射幅度恢复后的序贯SAR图像。
可选地，所述根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化计算动目标二维速度，包括：
根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化，采用公式
Figure BDA0003814529960000031
计算动目标方位向速度
Figure BDA0003814529960000032
采用公式
Figure BDA0003814529960000033
计算动目标距离向速度
Figure BDA0003814529960000034
其中(Ai,Ri)为第i个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；N为SAR子孔径数量，每个子孔径对应一个不同的观测角度；Ai+N/2和Ri+N/2分别表示第i+N/2个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；Tf为获取每帧SAR图像所需时间。
可选地，所述根据所述动目标二维速度计算各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置，具体包括：
根据所述动目标二维速度
Figure BDA0003814529960000035
和
Figure BDA0003814529960000036
采用公式
Figure BDA0003814529960000037
计算第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿方位向成像位置IAi，采用公式
Figure BDA0003814529960000038
计算第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿距离向成像位置IRi；其中Ti为第i次观测中心时刻到正侧视观测的时间差；H为轨道高度；θi为第i次观测时天线下视角；
Figure BDA0003814529960000039
为第i次观测时天线方位向斜视角度；vs为卫星平台速度。
可选地，所述根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置计算各角度观测时各通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程，具体包括：
根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置IAi和IRi，采用公式
Figure BDA00038145299600000310
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻第一通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r1j，采用公式
Figure BDA00038145299600000311
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻第二通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r2j，采用公式
Figure BDA00038145299600000312
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻天线相位中心到动目标成像位置的斜距历程rj；其中(x1j,y1j,z1j)、(x2j,y2j,z2j)、(xj,yj,zj)分别为第j个脉冲时刻第一通道、第二通道和全通道中心位置的三维坐标；Na为各角度观测的SAR回波数据对应的方位向脉冲数。
可选地，所述根据所述斜距历程构建各角度观测时各通道的零陷波束加权函数，具体包括：
根据所述斜距历程r1j、r2j、rj，采用公式
Figure BDA0003814529960000041
构建第i个角度观测时各脉冲时刻第一通道的零陷波束加权函数ω1i，采用公式
Figure BDA0003814529960000042
构建第i个角度观测时各脉冲时刻第二通道的零陷波束加权函数ω2i；其中λ为波长；fτ为距离频率；c为光速。
一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复系统，包括：
SAR回波数据获取模块，用于获取多角度观测的方位双通道合成孔径雷达SAR回波数据；所述双通道包括第一通道和第二通道；
后向投影成像模块，用于利用后向投影算法对各角度观测的各通道SAR回波数据进行成像处理，生成各角度观测的各通道序贯SAR图像；所述各通道序贯SAR图像包括第一通道序贯SAR图像和第二通道序贯SAR图像；
动目标阴影检测模块，用于利用背景差分方法对各角度观测的各通道序贯SAR图像进行动目标阴影检测，确定各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置；所述动目标阴影位置包括动目标方位向位置和动目标距离向位置；
动目标二维速度计算模块，用于根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化计算动目标二维速度；所述动目标二维速度包括动目标方位向速度和动目标距离向速度；
动目标成像位置计算模块，用于根据所述动目标二维速度计算各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置；所述动目标成像位置包括运动目标沿方位向成像位置和运动目标沿距离向成像位置；
斜距历程计算模块，用于根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置计算各角度观测时各通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程；
零陷波束加权函数构建模块，用于根据所述斜距历程构建各角度观测时各通道的零陷波束加权函数；
加权杂波抑制模块，用于根据所述零陷波束加权函数对各角度观测的各通道SAR回波数据进行加权处理，得到杂波抑制后的回波复信号；
小区域再成像模块，用于根据所述杂波抑制后的回波复信号和所述动目标二维速度对各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置进行小区域再成像，得到动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像；
变化比例计算模块，用于基于所述零陷波束加权函数仿真计算动目标散射幅度变化比例；
动目标散射幅度恢复模块，用于根据所述动目标散射幅度变化比例校正所述动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像中的动目标散射幅度变化量，得到动目标散射幅度恢复后的序贯SAR图像。
可选地，所述动目标二维速度计算模块具体包括：
动目标二维速度计算单元，用于根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化，采用公式
Figure BDA0003814529960000051
计算动目标方位向速度
Figure BDA0003814529960000052
采用公式
Figure BDA0003814529960000053
计算动目标距离向速度
Figure BDA0003814529960000054
其中(Ai,Ri)为第i个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；N为SAR子孔径数量，每个子孔径对应一个不同的观测角度；Ai+N/2和Ri+N/2分别表示第i+N/2个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；Tf为获取每帧SAR图像所需时间。
可选地，所述动目标成像位置计算模块具体包括：
动目标成像位置计算单元，用于根据所述动目标二维速度
Figure BDA0003814529960000061
和
Figure BDA0003814529960000062
采用公式
Figure BDA0003814529960000063
计算第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿方位向成像位置IAi，采用公式
Figure BDA0003814529960000064
计算第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿距离向成像位置IRi；其中Ti为第i次观测中心时刻到正侧视观测的时间差；H为轨道高度；θi为第i次观测时天线下视角；
Figure BDA00038145299600000610
为第i次观测时天线方位向斜视角度；vs为卫星平台速度。
可选地，所述斜距历程计算模块具体包括：
斜距历程计算单元，用于根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置IAi和IRi，采用公式
Figure BDA0003814529960000065
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻第一通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r1j，采用公式
Figure BDA0003814529960000066
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻第二通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r2j，采用公式
Figure BDA0003814529960000067
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻天线相位中心到动目标成像位置的斜距历程rj；其中(x1j,y1j,z1j)、(x2j,y2j,z2j)、(xj,yj,zj)分别为第j个脉冲时刻第一通道、第二通道和全通道中心位置的三维坐标；Na为各角度观测的SAR回波数据对应的方位向脉冲数。
可选地，所述零陷波束加权函数构建模块具体包括：
零陷波束加权函数构建单元，用于根据所述斜距历程r1j、r2j、rj，采用公式
Figure BDA0003814529960000068
构建第i个角度观测时各脉冲时刻第一通道的零陷波束加权函数ω1i，采用公式
Figure BDA0003814529960000069
构建第i个角度观测时各脉冲时刻第二通道的零陷波束加权函数ω2i；其中λ为波长；fτ为距离频率；c为光速。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法及系统，所述方法包括：获取多角度观测的方位双通道SAR回波数据；利用后向投影算法对各角度观测的各通道SAR回波数据进行成像处理，生成各角度观测的各通道序贯SAR图像；利用背景差分方法对各角度观测的各通道序贯SAR图像进行动目标阴影检测，确定各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置；根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化计算动目标二维速度；根据所述动目标二维速度计算各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置；根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置计算各角度观测时各通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程；根据所述斜距历程构建各角度观测时各通道的零陷波束加权函数；根据所述零陷波束加权函数对各角度观测的各通道SAR回波数据进行加权处理，得到杂波抑制后的回波复信号；根据所述杂波抑制后的回波复信号和所述动目标二维速度对各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置进行小区域再成像，得到动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像；基于所述零陷波束加权函数仿真计算动目标散射幅度变化比例；根据所述动目标散射幅度变化比例校正所述动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像中的动目标散射幅度变化量，得到动目标散射幅度恢复后的序贯SAR图像。采用本发明方法可以在低信杂比条件下实现运动目标重聚焦、重定位和散射幅度恢复，降低背景杂波与动目标混叠对动目标信息恢复效果的影响，从而提高序贯SAR图像动目标恢复效果和处理效率，进而拓宽了运动目标检测范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法的流程图；
图2为本发明一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复过程示意图；
图3为本发明实施例提供的基于背景差分的序贯SAR图像中动目标阴影位置提取结果示意图；
图4为本发明实施例提供的方位斜视角度为-5°的观测图像示意图；
图5为本发明实施例提供的方位斜视角度为-5°的观测图像中，运动目标T1成像位置构建零陷波束后结果示意图；
图6为本发明实施例提供的序贯SAR图像动目标恢复结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法，以降低背景杂波与动目标混叠对动目标信息恢复效果的影响，提高序贯SAR图像动目标恢复效果和处理效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法的流程图，图2为本发明一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复过程示意图。参见图1和图2，本发明一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法，具体包括：
S1、获取多角度观测的方位双通道SAR回波数据。
所述步骤S1中，获取方位双通道多角度观测SAR回波数据包括：
S1-1、根据方位向分辨率ρa、卫星平台速度vs、多角度观测中心时刻多普勒调频率fr和方位向斜视角度
Figure BDA0003814529960000081
计算获取每帧SAR图像所需时间Tf，
Figure BDA0003814529960000082
在本发明一个具体实施例中，观测中心时刻方位向斜视角度
Figure BDA0003814529960000091
即正侧视观测；
S1-2、根据时间Tf计算各角度观测数据对应的方位向脉冲数Na＝fprfTf，其中fprf为系统脉冲重复频率，从而根据Na对所获取的SAR回波数据进行切分，得到N个子孔径多角度观测的方位双通道SAR回波数据，每个子孔径对应一个不同的观测角度，每个角度进行一次观测，因此第i个观测角度也对应第i次观测。为后续描述方便，令N为偶数。所述双通道包括第一通道和第二通道。
S1-3、每一次发射脉冲时刻第一通道、第二通道和全通道中心位置的三维坐标分别为(x1j,y1j,z1j)，(x2j,y2j,z2j)，(xj,yj,zj)，其中j＝1,2,3,...,NNa，NNa为整个观测过程发射信号总数，此处的三维坐标是后续基于后向投影(BackProjection,BP)成像处理算法和加权函数设置的输入条件。
S2、利用后向投影算法对各角度观测的各通道SAR回波数据进行成像处理，生成各角度观测的各通道序贯SAR图像。
利用后向投影BP算法对第i次观测(即第i个角度观测)的各通道SAR回波数据进行成像处理，采用相同的地面网格划分方式，计算S1-3中得到的第一通道、第二通道和全通道相位中心的三维坐标到成像网格中各点距离，利用后向投影方法查找回波信号，实现第i次观测各通道SAR成像，得到第一通道成像结果和第二通道成像结果，即生成第一通道SAR图像和第二通道SAR图像。遍历所有观测角度i＝1,2,…,N，重复上述处理，两个通道共得到2N幅SAR图像，分别记为第一通道序贯SAR图像和第二通道序贯SAR图像，共同构成所述各通道序贯SAR图像。
S3、利用背景差分方法对各角度观测的各通道序贯SAR图像进行动目标阴影检测，确定各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置。
所述步骤S3中，利用背景差分方法实现序贯图像中运动目标阴影检测包括：
S3-1、基于背景差分方法，检测N幅第一通道序贯SAR图像中动目标阴影位置；所述动目标阴影位置包括动目标方位向位置和动目标距离向位置；
S3-2、在上述N幅图像中标出动目标阴影位置(Ai,Ri),i＝1,2,…,N，其中(Ai,Ri)分别表示第i次观测图像中动目标方位向位置和距离向位置，该位置是相对于成像网格中心的相对位置。
S4、根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化计算动目标二维速度；所述动目标二维速度包括动目标方位向速度和动目标距离向速度。
所述步骤S4中，根据序贯SAR图像间运动目标阴影位置(Ai,Ri)变化估计目标方位/距离二维速度包括：
S4-1、动目标方位向速度为
Figure BDA0003814529960000101
S4-2、动目标距离向速度为
Figure BDA0003814529960000102
其中(Ai,Ri)为第i个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；N为SAR子孔径数量，每个子孔径对应一个不同的观测角度；Ai+N/2和Ri+N/2分别表示第i+N/2个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；Tf为获取每帧SAR图像所需时间。
S5、根据所述动目标二维速度计算各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置；所述动目标成像位置包括运动目标沿方位向成像位置和运动目标沿距离向成像位置。
所述步骤S5中，根据目标二维速度
Figure BDA0003814529960000103
和阴影位置(Ai,Ri)，估算各角度观测中动目标成像位置包括：
S5-1、计算第i次观测中心时刻到正侧视观测的时间差Ti＝(i-0.5-N/2)Tf，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算；
S5-2、第i次观测所得SAR图像中运动目标沿方位向成像位置为
Figure BDA0003814529960000104
其中θi为第i次观测时天线下视角，H为轨道高度，vs为卫星平台速度；遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿方位向成像位置IAi；
S5-3、第i次观测所得SAR图像中运动目标沿距离向成像位置为
Figure BDA0003814529960000111
其中
Figure BDA0003814529960000112
为第i次观测时天线方位向斜视角度，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿距离向成像位置IRi。
S6、根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置计算各角度观测时各通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程。
所述步骤S6中，计算各角度观测时，每个发射脉冲时刻天线中心和每个子天线相位中心到动目标成像位置的斜距历程(简称斜距)包括：
S6-1、利用S1-3所得三维坐标，计算第i次观测中各脉冲时刻第一通道相位中心到动目标成像位置斜距
Figure BDA0003814529960000113
遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测时第j个脉冲时刻第一通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r1j；
S6-2、利用S1-3所得三维坐标，第i次观测中各脉冲时刻第二通道相位中心到动目标成像位置斜距
Figure BDA0003814529960000114
遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测时第j个脉冲时刻第二通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r2j；
S6-3、利用S1-3所得三维坐标，第i次观测中各脉冲时刻天线相位中心位置到动目标成像位置斜距
Figure BDA0003814529960000115
遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测时第j个脉冲时刻天线相位中心到动目标成像位置的斜距历程rj；
其中(x1j,y1j,z1j)、(x2j,y2j,z2j)、(xj,yj,zj)分别为第j个脉冲时刻第一通道、第二通道和全通道中心位置的三维坐标；Na为各角度观测的SAR回波数据对应的方位向脉冲数。
S7、根据所述斜距历程构建各角度观测时各通道的零陷波束加权函数。
所述步骤S7根据斜距历程构建的零陷波束加权函数包括：
S7-1、第i次观测中各脉冲时刻第一通道构建的加权函数为
Figure BDA0003814529960000121
其中λ为波长，
Figure BDA0003814529960000122
为距离频率，fs为系统采样率，Nr为距离向点数，c为光速，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测时各脉冲时刻第一通道的零陷波束加权函数ω1i；
S7-2、第i次观测中各脉冲时刻第二通道构建的加权函数为
Figure BDA0003814529960000123
遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测时各脉冲时刻第二通道的零陷波束加权函数ω2i。
S8、根据所述零陷波束加权函数对各角度观测的各通道SAR回波数据进行加权处理，得到杂波抑制后的回波复信号。
所述步骤S8中，根据上述加权函数，对各角度观测时，两个通道所得SAR回波数据进行加权处理，实现动目标成像位置处背景杂波抑制包括：
S8-1、将第i次观测第一通道的复数回波信号转换到距离频域：S1i(m,:)＝FFT(S01i(m,:)),m＝1,2,…,Na，其中，S1i(m,:)表示S1i的第m行，S01i(m,:)表示S01i的第m行，S01i为步骤S1中所获取的第i次观测第一通道的复数回波数据，行代表距离向，列代表方位向，FFT(·)表示对一维数组进行快速傅里叶变换，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测的第一通道的复数回波数据对应的距离频域数据S1i；
S8-2、将第i次观测第二通道的复数回波信号转换到距离频域，S2i(m,:)＝FFT(S02i(m,:)),m＝1,2,…,Na，其中，S2i(m,:)表示S2i的第m行，S02i(m,:)表示S02i的第m行，S02i为步骤S1中所获取的第i次观测第二通道的复数回波数据，行代表距离向，列代表方位向，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测的第二通道的复数回波数据对应的距离频域数据S2i；
S8-3、将第i次观测第一通道距离频域数据S1i(m,:)同加权函数ω1i相乘，得到距离多普勒域复数信号Q1i(m,:)＝S1i(m,:)·ω1i,m＝1,2,…,Na，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测的第一通道距离多普勒域复数信号Q1i；Q1i(m，∶)表示Q1i的第m行；
S8-4、将第i次观测第二通道距离频域数据S2i(m,:)同加权函数ω2i相乘，得到距离多普勒域复数信号Q2i(m,:)＝S2i(m,:)·ω2i,m＝1,2,…,Na，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测的第二通道距离多普勒域复数信号Q2i；Q2i(m，:)表示Q2i的第m行；
S8-5、将第i次观测上述两通道加权结果Q1i、Q2i相加得到杂波抑制后距离多普勒域复信号Qi＝Q1i+Q2i，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测的杂波抑制后距离多普勒域复信号Qi；
S8-6、将第i次观测所得Qi转换到距离时域，得到杂波抑制后的回波复信号Pi(m,:)＝IFFT(Qi(m,:))，其中，Pi(m,:)表示Pi的第m行，Qi(m,:)表示Qi的第m行，IFFT(·)表示对一维数组进行快速逆傅里叶变换；遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到第i个角度观测的杂波抑制后的回波复信号Pi。此处的Pi(m,:)与原始回波信号S01i(m,:)的区别是：运动目标成像位置处的静止杂波信号通过加权函数处理得到了抑制。
S9、根据所述杂波抑制后的回波复信号和所述动目标二维速度对各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置进行小区域再成像，得到动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像。
所述步骤S9中，基于估计的动目标速度
Figure BDA0003814529960000131
对各角度观测图像中动目标阴影位置小区域再成像，实现动目标重聚焦和重定位包括：
S9-1、在第i次观测中动目标阴影位置(Ai,Ri)处规划成像网格，要求二维网格能覆盖动目标阴影区域，设二维网格方位向点数为Nxs、距离向点数为Nys，网格间隔小于图像分辨率，设成像网格位置为(pix,piy)，pix代表方位向位置，piy代表距离向位置，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算；
S9-2、对第i次观测，将上述步骤S8中所获得的Pi作为回波数据输入，将上述步骤S4中所获得动目标二维速度
Figure BDA0003814529960000132
作为参数输入，在BP后向投影成像过程中，逐方位脉冲动态改变S9-1中成像网格的位置为
Figure BDA0003814529960000141
得到动目标重聚焦和重定位结果，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，得到动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像。
S10、基于所述零陷波束加权函数仿真计算动目标散射幅度变化比例。
所述步骤S10中，基于加权函数仿真计算动目标散射幅度变化比例。具体地，对第i次观测，计算加权前后动目标阴影位置(Ai,Ri)处有杂波区域的幅度变化，变化比例为ci，遍历所有观测i＝1,2,…,N，重复上述计算，具体计算方法如下：
Figure BDA0003814529960000142
其中，rjs,r1js,r2js分别表示第i次观测中心时刻全通道相位中心、第一通道相位中心和第二通道相位中心到动目标阴影位置(Ai,Ri)的距离；rjm,r1jm,r2jm分别表示第i次观测中心时刻全通道相位中心、第一通道相位中心和第二通道相位中心到动目标成像位置(IAi,IRi)的距离；ci为第i次观测的动目标散射幅度变化比例。
S11、根据所述动目标散射幅度变化比例校正所述动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像中的动目标散射幅度变化量，得到动目标散射幅度恢复后的序贯SAR图像。
动目标重定位后，根据变化比例ci校正动目标散射幅度变化量，实现动目标幅度恢复包括：
S11-1、对第i次观测，将上述步骤S9中动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像中动目标幅度除以变化比例ci，得到动目标散射幅度恢复结果，遍历所有观测，重复上述计算，得到动目标散射幅度恢复后的序贯SAR图像；
S11-2、由全部N次观测所得SAR图像中动目标恢复结果可得动目标航迹。
本发明方法可以在低信杂比条件下实现运动目标重聚焦、重定位和散射幅度恢复，降低背景杂波与动目标混叠对动目标信息恢复效果的影响，从而提高序贯SAR图像动目标恢复效果和处理效率。根据全部N次观测所得动目标散射幅度恢复后的序贯SAR图像检测出的目标运动航迹，拓宽了运动目标检测范围。
为说明本发明方法的有效性，进行如下动目标仿真实验，本发明方法实施例的部分仿真参数如表1所示。
表1 实施例部分仿真参数
参数 参数值
中心视角(deg) 35.0
轨道高度(km) 550.0
波长(m) 0.0084
天线长度(m) 2.0
天线高度(m) 1.0
d<sub>1</sub>(m) -0.5
d<sub>2</sub>(m) 0.5
脉冲重复频率(Hz) 10000
系统带宽(MHz) 420
合成孔径时间(s) 0.82
场景中设置有四个速度和位置不同、但形状相同的运动目标，记为T1-T4，观测斜视角度为-5°到5°，观测时长总计18s，切分后共获取21幅二维分辨率均是0.5m的序贯SAR图像。图3至图6展示了部分结果，其中，图3示出了基于背景差分的序贯图像中动目标阴影位置提取结果；图4示出了方位斜视角度为-5°
Figure BDA0003814529960000151
的观测图像，其中动目标主体成像结果用虚线框标注，图中将各阴影位置和成像位置区域进行了放大，并调整了量化系数，以清晰表征阴影与背景区别，以及动目标淹没在杂波中的状况，尤其是虚线框中T1和T4，已完全淹没在背景杂波中；图5示出了方位斜视角度为-5°的图像中，T1成像位置构建零陷波束后结果，T1与其真实阴影位置处杂波的SCR(Signal-to-Clutter Ratio，信杂比)为6.0dB，加权处理之前T1与其成像位置处杂波的SCR为-8.2dB，动目标主体完全淹没在杂波中，然而加权处理后T1清晰可见，背景杂波幅度被抑制，但是动目标依然存在方位向散焦现象；图5示出了基于动目标位置偏移和系统参数设置，计算动目标幅度改变量，然后调整重定位后动目标幅度，并和加权前成像结果相结合所获取的运动目标聚焦在其真实位置处的合成SAR图像。
从图6仿真结果可以看出，本发明方法在低信杂比条件下依然可以实现运动目标重定位、重聚焦和散射强度恢复，说明本发明方法的适用性较强。以上结果还说明了采用本发明方法实现序贯SAR图像运动目标恢复的正确性及有效性。
可见与现有动目标恢复方法相比，本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)实用性；本发明提出的方法不同于传统的动目标重定位方法，可以在较低信杂比条件下获取运动目标聚焦成像在其真实位置的SAR图像，降低背景杂波与动目标混叠对动目标信息恢复效果的影响，提高序贯SAR图像运动目标恢复的正确性及有效性；
(2)高效性；本发明采用后向投影成像算法，在动目标成像位置处构建零陷波束和动目标阴影位置再成像时，只需要在关联位置小范围区域再成像，同时可通过GPU并行计算方法提高处理效率；
(3)通用性；本发明提出的方法可同样适用于星载SAR滑动聚束和条带等模式，通用性强，并且能够拓宽运动目标检测范围，具有广泛的应用前景。
基于本发明提供的方法，本发明还提供一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复系统，所述系统包括：
SAR回波数据获取模块，用于获取多角度观测的方位双通道合成孔径雷达SAR回波数据；所述双通道包括第一通道和第二通道；
后向投影成像模块，用于利用后向投影算法对各角度观测的各通道SAR回波数据进行成像处理，生成各角度观测的各通道序贯SAR图像；所述各通道序贯SAR图像包括第一通道序贯SAR图像和第二通道序贯SAR图像；
动目标阴影检测模块，用于利用背景差分方法对各角度观测的各通道序贯SAR图像进行动目标阴影检测，确定各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置；所述动目标阴影位置包括动目标方位向位置和动目标距离向位置；
动目标二维速度计算模块，用于根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化计算动目标二维速度；所述动目标二维速度包括动目标方位向速度和动目标距离向速度；
动目标成像位置计算模块，用于根据所述动目标二维速度计算各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置；所述动目标成像位置包括运动目标沿方位向成像位置和运动目标沿距离向成像位置；
斜距历程计算模块，用于根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置计算各角度观测时各通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程；
零陷波束加权函数构建模块，用于根据所述斜距历程构建各角度观测时各通道的零陷波束加权函数；
加权杂波抑制模块，用于根据所述零陷波束加权函数对各角度观测的各通道SAR回波数据进行加权处理，得到杂波抑制后的回波复信号；
小区域再成像模块，用于根据所述杂波抑制后的回波复信号和所述动目标二维速度对各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置进行小区域再成像，得到动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像；
变化比例计算模块，用于基于所述零陷波束加权函数仿真计算动目标散射幅度变化比例；
动目标散射幅度恢复模块，用于根据所述动目标散射幅度变化比例校正所述动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像中的动目标散射幅度变化量，得到动目标散射幅度恢复后的序贯SAR图像。
其中，所述动目标二维速度计算模块具体包括：
动目标二维速度计算单元，用于根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化，采用公式
Figure BDA0003814529960000181
计算动目标方位向速度
Figure BDA0003814529960000182
采用公式
Figure BDA0003814529960000183
计算动目标距离向速度
Figure BDA0003814529960000184
其中(Ai,Ri)为第i个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；N为SAR子孔径数量，每个子孔径对应一个不同的观测角度；Ai+N/2和Ri+N/2分别表示第i+N/2个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；Tf为获取每帧SAR图像所需时间。
所述动目标成像位置计算模块具体包括：
动目标成像位置计算单元，用于根据所述动目标二维速度
Figure BDA0003814529960000185
和
Figure BDA0003814529960000186
采用公式
Figure BDA0003814529960000187
计算第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿方位向成像位置IAi，采用公式
Figure BDA0003814529960000188
计算第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿距离向成像位置IRi；其中Ti为第i次观测中心时刻到正侧视观测的时间差；H为轨道高度；θi为第i次观测时天线下视角；
Figure BDA00038145299600001812
为第i次观测时天线方位向斜视角度；vs为卫星平台速度。
所述斜距历程计算模块具体包括：
斜距历程计算单元，用于根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置IAi和IRi，采用公式
Figure BDA0003814529960000189
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻第一通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r1j，采用公式
Figure BDA00038145299600001810
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻第二通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r2j，采用公式
Figure BDA00038145299600001811
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻天线相位中心到动目标成像位置的斜距历程rj；其中(x1j,y1j,z1j)、(x2j,y2j,z2j)、(xj,yj,zj)分别为第j个脉冲时刻第一通道、第二通道和全通道中心位置的三维坐标；Na为各角度观测的SAR回波数据对应的方位向脉冲数。
所述零陷波束加权函数构建模块具体包括：
零陷波束加权函数构建单元，用于根据所述斜距历程r1j、r2j、rj，采用公式
Figure BDA0003814529960000191
构建第i个角度观测时各脉冲时刻第一通道的零陷波束加权函数ω1i，采用公式
Figure BDA0003814529960000192
构建第i个角度观测时各脉冲时刻第二通道的零陷波束加权函数ω2i；其中λ为波长；fτ为距离频率；c为光速。
本发明方法及系统首先获取方位双通道多角度观测SAR回波数据；利用后向投影BP算法对各通道回波数据进行成像处理；利用背景差分方法实现序贯图像中运动目标阴影检测；根据序贯SAR图像间运动目标阴影位置变化估计目标方位/距离二维速度；根据目标二维速度和阴影位置，估算运动目标成像位置；计算各角度观测时，每个发射脉冲时刻天线中心和每个子天线相位中心到动目标成像位置的斜距历程；根据斜距历程构建零陷波束加权函数；根据上述加权函数，对各角度观测时，两个通道所得回波数据进行加权处理，实现动目标成像位置处背景杂波抑制；基于估计的动目标速度，对各角度观测图像中动目标阴影位置小区域再成像，实现动目标重聚焦和重定位；基于加权函数仿真计算动目标散射幅度变化量；动目标重定位后，校正动目标散射幅度变化量，实现动目标幅度恢复。因此，利用本发明方法及系统可以在低信杂比条件下实现运动目标重聚焦、重定位和散射幅度恢复，拓宽了运动目标检测范围。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复方法，其特征在于，包括：
获取多角度观测的方位双通道合成孔径雷达SAR回波数据；所述双通道包括第一通道和第二通道；
利用后向投影算法对各角度观测的各通道SAR回波数据进行成像处理，生成各角度观测的各通道序贯SAR图像；所述各通道序贯SAR图像包括第一通道序贯SAR图像和第二通道序贯SAR图像；
利用背景差分方法对各角度观测的各通道序贯SAR图像进行动目标阴影检测，确定各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置；所述动目标阴影位置包括动目标方位向位置和动目标距离向位置；
根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化计算动目标二维速度；所述动目标二维速度包括动目标方位向速度和动目标距离向速度；
根据所述动目标二维速度计算各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置；所述动目标成像位置包括运动目标沿方位向成像位置和运动目标沿距离向成像位置；
根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置计算各角度观测时各通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程；
根据所述斜距历程构建各角度观测时各通道的零陷波束加权函数；
根据所述零陷波束加权函数对各角度观测的各通道SAR回波数据进行加权处理，得到杂波抑制后的回波复信号；
根据所述杂波抑制后的回波复信号和所述动目标二维速度对各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置进行小区域再成像，得到动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像；
基于所述零陷波束加权函数仿真计算动目标散射幅度变化比例；
根据所述动目标散射幅度变化比例校正所述动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像中的动目标散射幅度变化量，得到动目标散射幅度恢复后的序贯SAR图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化计算动目标二维速度，包括：
根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化，采用公式
Figure FDA0003814529950000021
计算动目标方位向速度
Figure FDA0003814529950000022
采用公式
Figure FDA0003814529950000023
计算动目标距离向速度
Figure FDA0003814529950000024
其中(Ai,Ri)为第i个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；N为SAR子孔径数量，每个子孔径对应一个不同的观测角度；Ai+N/2和Ri+N/2分别表示第i+N/2个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；Tf为获取每帧SAR图像所需时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述动目标二维速度计算各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置，具体包括：
根据所述动目标二维速度
Figure FDA0003814529950000025
和
Figure FDA0003814529950000026
采用公式
Figure FDA0003814529950000027
计算第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿方位向成像位置IAi，采用公式
Figure FDA0003814529950000028
计算第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿距离向成像位置IRi；其中Ti为第i次观测中心时刻到正侧视观测的时间差；H为轨道高度；θi为第i次观测时天线下视角；
Figure FDA0003814529950000029
为第i次观测时天线方位向斜视角度；vs为卫星平台速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置计算各角度观测时各通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程，具体包括：
根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置IAi和IRi，采用公式
Figure FDA00038145299500000210
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻第一通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r1j，采用公式
Figure FDA0003814529950000031
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻第二通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r2j，采用公式
Figure FDA0003814529950000032
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻天线相位中心到动目标成像位置的斜距历程rj；其中(x1j,y1j,z1j)、(x2j,y2j,z2j)、(xj,yj,zj)分别为第j个脉冲时刻第一通道、第二通道和全通道中心位置的三维坐标；Na为各角度观测的SAR回波数据对应的方位向脉冲数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述斜距历程构建各角度观测时各通道的零陷波束加权函数，具体包括：
根据所述斜距历程r1j、r2j、rj，采用公式
Figure FDA0003814529950000033
构建第i个角度观测时各脉冲时刻第一通道的零陷波束加权函数ωli，采用公式
Figure FDA0003814529950000034
构建第i个角度观测时各脉冲时刻第二通道的零陷波束加权函数ω2i；其中λ为波长；fτ为距离频率；c为光速。
6.一种基于零陷波束构建的序贯SAR图像动目标恢复系统，其特征在于，包括：
SAR回波数据获取模块，用于获取多角度观测的方位双通道合成孔径雷达SAR回波数据；所述双通道包括第一通道和第二通道；
后向投影成像模块，用于利用后向投影算法对各角度观测的各通道SAR回波数据进行成像处理，生成各角度观测的各通道序贯SAR图像；所述各通道序贯SAR图像包括第一通道序贯SAR图像和第二通道序贯SAR图像；
动目标阴影检测模块，用于利用背景差分方法对各角度观测的各通道序贯SAR图像进行动目标阴影检测，确定各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置；所述动目标阴影位置包括动目标方位向位置和动目标距离向位置；
动目标二维速度计算模块，用于根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化计算动目标二维速度；所述动目标二维速度包括动目标方位向速度和动目标距离向速度；
动目标成像位置计算模块，用于根据所述动目标二维速度计算各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置；所述动目标成像位置包括运动目标沿方位向成像位置和运动目标沿距离向成像位置；
斜距历程计算模块，用于根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置计算各角度观测时各通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程；
零陷波束加权函数构建模块，用于根据所述斜距历程构建各角度观测时各通道的零陷波束加权函数；
加权杂波抑制模块，用于根据所述零陷波束加权函数对各角度观测的各通道SAR回波数据进行加权处理，得到杂波抑制后的回波复信号；
小区域再成像模块，用于根据所述杂波抑制后的回波复信号和所述动目标二维速度对各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置进行小区域再成像，得到动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像；
变化比例计算模块，用于基于所述零陷波束加权函数仿真计算动目标散射幅度变化比例；
动目标散射幅度恢复模块，用于根据所述动目标散射幅度变化比例校正所述动目标重聚焦和重定位后的序贯SAR图像中的动目标散射幅度变化量，得到动目标散射幅度恢复后的序贯SAR图像。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述动目标二维速度计算模块具体包括：
动目标二维速度计算单元，用于根据各角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标阴影位置变化，采用公式
Figure FDA0003814529950000041
计算动目标方位向速度
Figure FDA0003814529950000051
采用公式
Figure FDA0003814529950000052
计算动目标距离向速度
Figure FDA0003814529950000053
其中(Ai,Ri)为第i个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；N为SAR子孔径数量，每个子孔径对应一个不同的观测角度；Ai+N/2和Ri+N/2分别表示第i+N/2个角度观测的各通道序贯SAR图像中动目标方位向位置和距离向位置；Tf为获取每帧SAR图像所需时间。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述动目标成像位置计算模块具体包括：
动目标成像位置计算单元，用于根据所述动目标二维速度
Figure FDA0003814529950000054
和
Figure FDA0003814529950000055
采用公式
Figure FDA0003814529950000056
计算第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿方位向成像位置IAi，采用公式
Figure FDA0003814529950000057
计算第i个角度观测的序贯SAR图像中运动目标沿距离向成像位置IRi；其中Ti为第i次观测中心时刻到正侧视观测的时间差；H为轨道高度；θi为第i次观测时天线下视角；
Figure FDA00038145299500000511
为第i次观测时天线方位向斜视角度；vs为卫星平台速度。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述斜距历程计算模块具体包括：
斜距历程计算单元，用于根据各角度观测的序贯SAR图像中动目标成像位置IAi和IRi，采用公式
Figure FDA0003814529950000058
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻第一通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r1j，采用公式
Figure FDA0003814529950000059
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻第二通道相位中心到动目标成像位置的斜距历程r2j，采用公式
Figure FDA00038145299500000510
计算第i个角度观测时第j个脉冲时刻天线相位中心到动目标成像位置的斜距历程rj；其中(x1j,y1j,z1j)、(x2j,y2j,z2j)、(xj,yj,zj)分别为第j个脉冲时刻第一通道、第二通道和全通道中心位置的三维坐标；Na为各角度观测的SAR回波数据对应的方位向脉冲数。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述零陷波束加权函数构建模块具体包括：
零陷波束加权函数构建单元，用于根据所述斜距历程r1j、r2j、rj，采用公式
Figure FDA0003814529950000061
构建第i个角度观测时各脉冲时刻第一通道的零陷波束加权函数ω1i，采用公式
Figure FDA0003814529950000062
构建第i个角度观测时各脉冲时刻第二通道的零陷波束加权函数ω2i；其中λ为波长；fτ为距离频率；c为光速。
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