CN115390070A - 一种机动平台单通道短孔径sar的海面目标聚焦定位方法 - Google Patents

一种机动平台单通道短孔径sar的海面目标聚焦定位方法 Download PDF

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CN115390070A CN202210825689.6A CN202210825689A CN115390070A CN 115390070 A CN115390070 A CN 115390070A CN 202210825689 A CN202210825689 A CN 202210825689A CN 115390070 A CN115390070 A CN 115390070A
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雷欣岚
李宁
杨军
孙光才
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Abstract

本发明公开了一种机动平台单通道短孔径SAR的海面目标聚焦定位方法，首先，分析最小天线面积的约束条件和二维模糊区域的分布，提出了一种最优PRF单通道SAR工作模式，其中信号模糊均匀分布在距离向和方位向。设计正交相位编码波形的时序，使不同距离模糊区内的目标回波彼此正交。抑制距离模糊区域的信号能量。对多普勒模糊引起的目标散焦和位置偏移，提出了方位解模糊方法。利用目标剩余包络徙动与方位模糊的关系，估计每个目标的多普勒模糊数。利用估计的多普勒参数对目标进行定位和聚焦。在每个目标的操作完成后，获得整个场景的聚焦SAR图像。该成像方法主要解决由于最小天线面积的限制，在高速机动平台上单通道SAR的海面目标聚焦的二维解模糊问题。

Description

一种机动平台单通道短孔径SAR的海面目标聚焦定位方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种机动平台单通道短 孔径SAR的海面目标聚焦定位方法。
背景技术
合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)是一种有源传感器，它可 以在几乎全天候的昼夜条件下提供观测区域的高分辨率宽测绘带(HRWS， High-Resolutionand Wide-Swath)图像。当安装在机动平台上，以大斜视模式 工作时，可灵活获得观测区域清晰的SAR图像。由于这些特点，近年来其 在船舶检测和定位中的应用日益增多。然而，随着雷达运动速度和观测条 带的增加，由于最小天线面积的限制，在单信道系统中不可避免地会出现 系统模糊(距离或方位模糊)。因此，SAR系统的模糊性是一个亟待解决的问 题。在仅存在距离模糊或方位模糊的条件下，提出了一些新的SAR概念以 获得清晰的图像。
为了避免高空高速运动平台SAR系统中存在明显的方位模糊，奈奎斯 特采样定理意味着采用高脉冲重复频率(PRF，pulse repetition frequency)，这 使得接收窗口中的时间太短。由于距离测绘带较宽，系统存在严重的距离 模糊，影响成像结果。同时，由于雷达在发射信号时无法接收回波，因此 整个距离测绘带内都存在一定范围的盲区。Staggered-SAR模式可以通过周 期性地改变PRF来避免盲区。通过对原始数据进行重采样处理，可以将固 有的非均匀采样数据重新采样到规则网格中。然后，恢复的均匀采样原始数据可由常规SAR处理器处理。针对距离模糊，有一种SAR系统在高度向 上构造多通道，然后利用数字波束形成方法来抑制距离模糊。然而，该方 法需要一个距离多通道来实现，这在远距离高速平台下对雷达系统是一个 很大的负担。另外一个思路是通过降低峰值功率使系统交替发射正负线性 调频信号，用以抑制距离模糊区能量。以此为基础，还有一种距离方位两 维相位编码技术，通过滤除信号频带到多普勒支撑区间的能量抑制距离模 糊。该类方法的缺点是模糊抑制性能严重依赖于信号的过采样率。
另一方面，为了避免距离模糊，PRI必须大于从整个照射波束收集回波 所需的时间。在这种情况下，由于PRF较低，信号在多普勒域中是模糊的。 方位多通道SAR可以在较低的PRF下重建无模糊的等效高采样率方位频谱。
然而，机动平台多通道SAR的转向矢量是距离相关的和时变的，这导 致了不规则的空时谱。可以采用基于空时谱修正的方法进行方位频谱重构。 但是，由于该方法会忽略导向矢量的方位空变，从而限制方位测绘带的宽 度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种机动平台单 通道短孔径SAR的海面目标聚焦定位方法。本发明要解决的技术问题通过 以下技术方案实现：
一种机动平台单通道短孔径SAR的海面目标聚焦定位方法，所述海面 目标聚焦定位方法包括：
步骤1、建立单通道SAR的几何模型；
步骤2、分析最小天线面积的约束条件，以基于所述最小天线面积 得到最优PRF，所述最优PRF的单通道SAR工作模式将机动雷达平台的 模糊均匀分布到距离方向和方位方向两个维度上；
步骤3、针对距离模糊，机动雷达平台循环发射正交相位编码信号， 通过正交匹配滤波器抑制距离模糊区域，聚焦得到目标信号；
步骤4、对步骤3得到目标信号进行距离单元徙动校正后使包络线被 拉直，之后利用方位谱分析方法将目标信号中没有方位模糊的聚焦在 多普勒域；
步骤5、利用目标信号中的模糊目标的剩余距离单元徙动得到单一 目标的多普勒模糊数；
步骤6、在方位模糊情况下，将处于方位谱支撑区的边缘的被分裂 的目标重新组合成完整的目标；
步骤7、在通过步骤6处理完成处于方位谱支撑区的边缘的被分裂 的目标之后，根据由多普勒模糊引起的距离偏移和由多普勒模糊引起的 方位偏移聚焦目标的真实位置。
在本发明的一个实施例中，所述单通道SAR的几何模型为：
机动雷达平台在合成孔径时间Ta内沿曲线
Figure BDA0003746460420000031
移动，机动雷达平台的速 度为矢量
Figure BDA0003746460420000032
加速度为恒定矢量
Figure BDA0003746460420000033
在方位零点时刻，机动雷达平台位于B 机动雷达平台的偏航角为θyaw，点P是偏航方向上的任意点，点Q是点P方 位角上的任意点，以及OP和OQ之间的交角表示为方位角
Figure BDA0003746460420000034
当机动雷达平台在方位时间ta到达点C时，瞬时倾斜距离表示为：
Figure BDA0003746460420000035
其中，ta表示方位时间，i表示阶数，R表示参考距离，
Figure BDA0003746460420000036
表示 泰勒展开式的系数，
Figure BDA0003746460420000037
表示雷达中心通道在ta时刻的瞬时倾斜距 离，点C位于点B和D之间。
在本发明的一个实施例中，所述步骤2包括：
步骤2.1、获取第一PRF限制，第一PRF限制为：
Figure BDA0003746460420000041
其中，PRFa表示系统脉冲重复频率的下限，da表示方位方向的天线尺 寸，v表示雷达机动平台的合成速度，α表示波束方向和雷达速度之间的角 度；
步骤2.2、获取第二PRF限制，第二PRF限制为：
Figure BDA0003746460420000042
其中，
Figure BDA0003746460420000043
dr表示距离方向上的天线尺寸，λ表示波长， Rs表示场景中心的斜距，β表示入射角，c表示光速，PRFr表示系统 脉冲重复频率的上限；
步骤2.3、根据系统脉冲重复频率的下限PRFa和系统脉冲重复频 率的上限PRFr得到最小天线面积；
步骤2.4、根据所述最小天线面积和实际天线面积的E比值确 定系统的模糊；
步骤2.5、根据系统的模糊确定最优PRF，以将机动雷达平台的 模糊均匀分布到距离方向和方位方向两个维度上，所述最优PRF表 示为：
Figure BDA0003746460420000044
其中，PRFo表示最优PRF，DAr表示距离模糊数，DAa表示方位模 糊数。
在本发明的一个实施例中，所述最小天线面积表示为：
Figure BDA0003746460420000051
其中，Ac表示最小天线面积，PRFr＝PRFa。
在本发明的一个实施例中，所述步骤3包括：
步骤3.1、成像区目标σI的信号回波在发射波形cI(tr)延迟h个脉冲 后收到成像区回波信号，成像区回波信号表示为：
Figure BDA0003746460420000052
其中，sI(tr,ta)表示成像区回波信号，RI表示无距离模糊的目标倾斜 距离，tr表示距离时间，λ表示波长，c表示光速；
步骤3.2、第m个距离模糊区目标σA.m信号回波在发射波形cA.m(tr)延 迟了(h+m)个脉冲后收到距离模糊区回波信号，距离模糊区回波信号 表示为：
Figure BDA0003746460420000053
其中，sA.m(tr,ta)表示距离模糊区回波信号，RA.m表示第m个距离模糊 区域的回波的斜距；
步骤3.3、根据成像区回波信号和距离模糊区回波信号得到总回波 信号，总回波信号表示为：
Figure BDA0003746460420000054
其中，s(tr,ta)表示总回波信号；
步骤3.4、通过正交匹配滤波器抑制总回波信号的距离模糊区域， 聚焦得到目标信号。
在本发明的一个实施例中，目标信号表示为：
Figure BDA0003746460420000061
其中，spc(tr,ta)表示目标信号，S(fr,ta)和CI(fr)分别表示s(tr,ta)和cI(tr)在 距离方向的快速傅立叶变换后的距离频域信号，conj(·)表示信号共轭， rI,A.m(tr,ta)表示sI(tr,ta)和sA.m(tr,ta)的互相关函数。
在本发明的一个实施例中，所述步骤5包括：
步骤5.1、获得经距离单元徙动校正后剩余的距离单元徙动；
步骤5.2、根据剩余的距离单元徙动得到剩余的距离单元徙动的导 数；
步骤5.3、根据剩余的距离单元徙动的导数得到位错；
步骤5.4、根据位错得到多普勒模糊数。
在本发明的一个实施例中，剩余的距离单元徙动表示为：
ΔR(fa；n)＝R(fa；n)-R(fa)
R(fa；n)＝β2(fa+n·PRF)2+β3(fa+n·PRF)3
Figure BDA0003746460420000062
其中，ΔR(fa；n)表示剩余的距离单元徙动，β2和β3表示包络偏移的二 次和三次系数，n表示多普勒模糊数，fa＝fdc+[-fΔ/2,fΔ/2]，fdc表示目标多 普勒中心，fΔ表示单个目标的多普勒带宽，PRF表示高脉冲重复频率；
剩余的距离单元徙动的导数表示为：
Figure BDA0003746460420000071
其中，Srd(fdc；n)表示剩余的距离单元徙动的导数；
位错表示为：
Figure BDA0003746460420000072
其中，ΔR表示位错；
多普勒模糊数表示为：
Figure BDA0003746460420000073
其中，n表示多普勒模糊数。
在本发明的一个实施例中，所述步骤6包括：
步骤6.1、将满足第一判断条件的目标确定为边缘目标，第一判断 条件表示为：
||fdc_E|-PRF/2|≤Tha
其中，Tha表示图像边缘目标的方位判定阈值，fdc_E表示边缘目标 的图像纵坐标；
步骤6.2、通过第二判断条件确定步骤6.1所找到的边缘目标中来自 同一目标的两部分，并将来自同一目标的两部分重新组合成完整的目标， 第二判断条件表示为：
Figure BDA0003746460420000074
其中，Thr表示相同边缘目标的距离确定的阈值。
在本发明的一个实施例中，目标的真实位置表示为：
Figure BDA0003746460420000081
其中，dR表示由多普勒模糊引起的距离偏移，dR＝R(fdc；n)-R(fdc)， dfa表示由多普勒模糊引起的方位偏移，dfa＝n·PRF，n表示多普勒模 糊数，RT表示目标图像的横坐标，fdc表示目标多普勒中心，(Rreal,fa_real) 表示目标的真实位置。
本发明的有益效果：
(1)本发明以机动平台为背景，建立了高速机动平台上的单通道SAR 的斜距模型，其对阵列中心采用四阶泰勒级数近似瞬时斜距，减小了SAR 成像过程中的参考斜距的误差，更好的实时适应载有多通道的高机动运动 轨迹。
(2)本发明通过设计一个最优的PRF SAR系统，将信号模糊均匀分布 到距离和方位向上，解决了由于天线尺寸有限，无法满足最小天线面积约 束，在距离向和方位向上会出现多个模糊的问题。
(3)本发明通过采用正交相位编码信号作为传输波形，用正交匹配滤波 器抑制区域的目标能量，解决了距离向信号模糊的问题，在机动平台大斜 视SAR成像中有良好的效果及应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种机动平台单通道短孔径SAR的海面目 标聚焦定位方法的流程框图；
图2是本发明实施例提供的一种机动平台单通道短孔径SAR的海面目 标聚焦定位方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种高速机动平台上的单通道SAR的斜距 模型的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种无方位模糊的目标聚焦位置示意图；
图5是本发明实施例提供的一种存在方位模糊的目标聚焦位置示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于方位解模糊的目标定位和重聚焦 示意图；
图7是本发明实施例提供的一种仿真目标的分布几何示意图；
图8是本发明实施例提供的一种仿真舰船的分布几何示意图；
图9是本发明实施例提供的一种两维模糊下的舰船目标重聚焦与定位 图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施 方式不限于此。
实施例一
请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种机动平台单通道短孔 径SAR的海面目标聚焦定位方法的流程框图，图2是本发明实施例提供的一 种机动平台单通道短孔径SAR的海面目标聚焦定位方法的流程示意图。本 发明实施例提供的机动平台单通道短孔径SAR的海面目标聚焦定位方法包 括步骤1-步骤7，其中：
步骤1、建立单通道SAR的几何模型。
具体的，建立高速机动雷达平台上的单通道SAR的几何模型。
在本实施例中，请参见图3，单通道SAR的几何模型为：
机动雷达平台在合成孔径时间Ta内沿曲线
Figure BDA0003746460420000091
移动，机动雷达平台的速 度为矢量
Figure BDA0003746460420000092
加速度为恒定矢量
Figure BDA0003746460420000093
在方位零点时刻，机动雷达平台位于B 机动雷达平台的偏航角为θyaw，点P是偏航方向上的任意点，点Q是点P方 位角上的任意点，以及OP和OQ之间的交角表示为方位角
Figure BDA0003746460420000105
即OP＝OQ；
当机动雷达平台在方位时间ta到达点C时，瞬时倾斜距离可以用 关于ta的四阶麦克劳林级数近似表示为：
Figure BDA0003746460420000101
其中，ta表示方位时间，i表示阶数，R表示参考距离，
Figure BDA0003746460420000102
表示 泰勒展开式的系数，
Figure BDA0003746460420000103
表示雷达中心通道在ta时刻的瞬时倾斜距 离，点C位于点B和D之间。
步骤2、分析最小天线面积的约束条件，以基于最小天线面积得到 最优PRF，最优PRF的单通道SAR工作模式将机动雷达平台的模糊均匀 分布到距离方向和方位方向两个维度上。
在本实施例中，由于机动平台SAR系统的便携性要求，天线尺寸 有限，无法满足最小天线面积约束。因此，在距离方向和方位方向上 会出现多个模糊，从而导致SAR图像模糊。然而，无论是在距离方向 还是方位方向，模糊处理能力都受到限制。因此，设计一个最优PRF 单通道SAR工作模式，将信号模糊均匀分布到距离和方位方向上。
在一个具体实施例中，步骤2可以包括：
步骤2.1、获取第一PRF限制，第一PRF限制为确保方位信号不模 糊的PRF限制，第一PRF限制为：
Figure BDA0003746460420000104
其中，PRFa表示系统脉冲重复频率的下限，da表示方位方向的天线尺 寸，v表示雷达机动平台的合成速度，α表示波束方向和雷达速度之间的角 度。
步骤2.2、为避免距离模糊并确保同时接收来自一个发射脉冲的回 波，获取第二PRF限制，第二PRF限制为：
Figure BDA0003746460420000111
其中，
Figure BDA0003746460420000112
wt所采集场景的距离测绘带，dr表示距离 方向上的天线尺寸，λ表示波长，Rs表示场景中心的斜距，β表示入射 角，c表示光速，PRFr表示系统脉冲重复频率的上限。
步骤2.3、根据系统脉冲重复频率的下限PRFa和系统脉冲重复频 率的上限PRFr得到最小天线面积，最小天线面积表示为：
Figure BDA0003746460420000113
其中，Ac表示最小天线面积，PRFr＝PRFa。
步骤2.4、根据最小天线面积和实际天线面积的比值确定系统 的模糊。
具体的，通过最小天线面积与实际天线面积的比值来确定系统 的模糊，即：
DA＝Ac/Ar
其中，Ar表示实际天线面积，DA表示系统的模糊。
步骤2.5、根据系统的模糊确定最优PRF，以将机动雷达平台的 模糊均匀分布到距离向和方位向两个维度上，最优PRF表示为：
Figure BDA0003746460420000114
其中，PRFo表示最优PRF，满足无距离模糊和方位模糊信号的系统PRF 分别为PRFr和PRFa。由于实际天线尺寸有限，PRFr小于PRFa。DAr和DAa分 别表示距离模糊数和方位模糊数。在最佳PRF SAR模式下，系统模糊均匀 分布在距离方向和方位方向，这意味着DAr和DAa近似相等。
步骤3、针对距离模糊，机动雷达平台循环发射正交相位编码信号， 通过正交匹配滤波器抑制距离模糊区域，聚焦得到目标信号。
在一个具体实施例中，步骤3可以包括：
步骤3.1、距离快时间tr为N×1的向量，其采样点的时间间隔为Δt。 成像区目标σI的信号回波在发射波形cI(tr)延迟h个脉冲后收到成像区 回波信号，成像区回波信号表示为：
Figure BDA0003746460420000121
其中，sI(tr,ta)表示成像区回波信号，RI表示无距离模糊的目标倾斜 距离，tr表示距离时间，λ表示波长，c表示光速。
步骤3.2、第m个距离模糊区目标σA.m信号回波在发射波形cA.m(tr)延 迟了(h+m)个脉冲后收到距离模糊区回波信号，距离模糊区回波信号 表示为：
Figure BDA0003746460420000122
其中，sA.m(tr,ta)表示距离模糊区回波信号，RA.m表示第m个距离模糊 区域的回波的斜距，cI(tr)和cA.m(tr)是正交相位编码信号集中的不同信 号。
步骤3.3、根据成像区回波信号和距离模糊区回波信号得到总回波 信号，总回波信号表示为：
Figure BDA0003746460420000131
其中，s(tr,ta)表示总回波信号。
步骤3.4、通过正交匹配滤波器抑制总回波信号的距离模糊区域， 聚焦得到目标信号，目标信号表示为：
Figure BDA0003746460420000132
其中，spc(tr,ta)表示目标信号，S(fr,ta)和CI(fr)分别表示s(tr,ta)和cI(tr)在 距离方向的快速傅立叶变换(FFT)后的距离频域信号，conj(·)表示信号共轭， rI,A.m(tr,ta)表示sI(tr,ta)和sA.m(tr,ta)的互相关函数。为了定量分析正交相位编码 信号抑制距离模糊的效果，距离模糊信号比(RASR)表示为：
Figure BDA0003746460420000133
步骤4、对步骤3得到目标信号进行距离单元徙动校正(RCMC)后使 包络线被拉直，之后利用方位谱分析(SPECAN)方法将目标信号中没有 方位模糊的聚焦在多普勒域。
请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种无方位模糊的目标聚焦位 置示意图。图4中包括目标包络分布、RCMC函数、校正之后的目标包络。
如目标为五个，五个目标为处在中心距离单元不同方位位置的目标， 不同的目标具有不同的多普勒中心，因此不同的目标位于不同的多普勒谱 位置。在目标RCMC操作之前，不同的目标占据全孔径目标包络的不同位置， 校正RCM(距离单元徙动)之后，所有目标都位于同一距离单元中。目标的 包络线被拉直。然后，在方位SPECAN操作之后，可以得到多普勒域聚焦 SAR图像。
请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种存在方位模糊的目标聚焦 位置示意图。图5中包括目标包络分布、RCMC函数、校正之后的目标包络。 在偏移校正之前，不同的目标位于不同的多普勒单元中。然而，由于方位 模糊，方位谱支持区域以外的目标存在混叠并反折到支持区，例如目标A和 E。多普勒中心位于数据支持区边缘的目标将分成两部分。例如，频带边 缘目标B和D拆分为目标B1、B2和D1、D2。补偿RCM后，模糊区的目标存在 剩余包络RCM，这导致在方位SPECAN之后目标会存在散焦和位置偏移。
步骤5、利用目标信号中的模糊目标的剩余距离单元徙动得到单一 目标的多普勒模糊数。
在一个具体实施例中，步骤5可以包括：
步骤5.1、获得经距离单元徙动校正后剩余的距离单元徙动。
具体的，以单个目标为例，目标的多普勒模糊数为n。由于多普 勒模糊，目标包络线倾斜。将目标图像分为两个子视图，两个子视图 图像将在距离方向上错位。目标被压缩到与每个子视图中的视觉能量 中心相对应的距离单元。两个子视图之间的ΔR与多普勒模糊数成正比。
假设单个目标的多普勒带宽为fΔ且目标多普勒中心为fdc，目标多 普勒频率可描述为fa＝fdc+[-fΔ/2,fΔ/2]。在没有多普勒模糊的情况下，多 普勒域中的目标的距离单元徙动(RCM)可以表示为：
Figure BDA0003746460420000141
其中，β2和β3表示包络偏移的二次和三次系数。
多普勒模糊数为n的目标距离单元徙动(RCM)可以描述为：
R(fa；n)＝β2(fa+n·PRF)2+β3(fa+n·PRF)3
其中，PRF表示高脉冲重复频率。
RCMC操作完成后，仍有剩余距离单元徙动(RCM)，剩余的距离单 元徙动可以描述为：
ΔR(fa；n)＝R(fa；n)-R(fa)
其中，ΔR(fa；n)表示剩余的距离单元徙动。
步骤5.2、根据剩余的距离单元徙动得到剩余的距离单元徙动的导 数，剩余的距离单元徙动的导数表示为：
Figure BDA0003746460420000151
其中，Srd(fdc；n)表示剩余的距离单元徙动的导数。
步骤5.3、根据剩余的距离单元徙动的导数得到位错。
具体的，在实际SAR数据的处理中，经过反演后可以得到目标的 包络。此外，目标包络图像通常分为两个不重叠的子视图，以便每个 视图占据目标图像的一半(即两个子视图之间的频率差是方位角带宽 的一半)。
因此，两个方位角子视图的中心位于fdc±fΔ/4和两个子视图之间 的位错ΔR可以描述为:
Figure BDA0003746460420000152
位错ΔR可以通过两个子视图之间的平均相关性来获得。
步骤5.4、根据位错得到多普勒模糊数。
具体的，通过两个子视图之间的位错ΔR的表达式，多普勒模糊数 n的函数可以表示为：
3β3fΔPRF2·n2+2(β2+3fdcβ3)fΔPRF·n-2ΔR＝0
这个二次函数有两个解。通过仿真分析，可以找到满足条件的解， 多普勒模糊数n表示为：
Figure BDA0003746460420000161
其中，n表示多普勒模糊数。
步骤6、在方位模糊情况下，将处于方位谱支撑区的边缘的被分裂 的目标重新组合成完整的目标。
具体的，由于不同多普勒模糊区交界明显，在方位谱支撑区的边 缘(也就是不同模糊区的交界处)会存在一些目标。在方位模糊情况下， 支撑区边缘目标将分裂为两部分。在这种情况下，目标的两半部分估 计的多普勒模糊数之差为1，并且目标包络处于相近的距离单元中。因 此，可以通过以下步骤来寻找分裂的目标。
在一个具体实施例中，步骤6可以包括：
步骤6.1、将满足第一判断条件的目标确定为边缘目标，第一判断 条件表示为：
||fdc_E|-PRF/2|≤Tha
其中，Tha表示图像边缘目标的方位判定阈值，该阈值可由先验的 目标尺寸与信号多普勒带宽确定，Tha可以为单一目标的方位压缩后多 普勒带宽。所有满足第一判断条件的目标可以形成图像边缘目标集， fdc_E表示边缘目标的图像纵坐标。
步骤6.2、之后需要从图像边缘目标集中找到同一目标的两部分。 假设存在两个多普勒模糊分别为nE1和nE2的图像边缘目标，则其坐标 可以表示为(RE1,fdc_E1)和(RE2,fdc_E2)。通过第二判断条件确定步骤6.1所找 到的边缘目标中来自同一目标的两部分，并将来自同一目标的两部分 重新组合成完整的目标，即当这两部分满足第二判断条件时，可以判断 它们来自同一目标，第二判断条件表示为：
Figure BDA0003746460420000171
其中，Thr表示相同边缘目标的距离确定的阈值，可根据先验信息 获得的距离偏移来确定，Thr选自一个目标的两个部分的偏移差值最大 值。
请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种基于方位解模糊的目标定 位和重聚焦示意图。图6中最左边的图给出了存在方位模糊的目标包络图。 可以看到，存在多普勒模糊的目标会散焦，且其位置会发生偏移，且有些 目标会分裂为两部分。在估计得到每一个目标的多普勒模糊数后，可以将 分裂的目标通过判定条件重新组合，并且得到每个目标的真实位置，如图6 中中间位置的图所示。然后利用已知的目标参数，可以单独重聚焦每一个目标，如图6中最右边的图所示。
步骤7、在通过步骤6处理完成处于方位谱支撑区的边缘的被分裂的 目标之后，根据由多普勒模糊引起的距离偏移和由多普勒模糊引起的方 位偏移聚焦目标的真实位置。
具体的，由多普勒模糊引起的距离偏移表示为：
dR＝R(fdc；n)-R(fdc)
由多普勒模糊引起的方位偏移表示为
dfa＝n·PRF
根据距离和方位偏移量，可获得真实的船舶位置，即：
Figure BDA0003746460420000181
其中，(Rreal,fa_real)为目标的真实位置。通过这些估计得到的目标参 数可以定位目标。
实施例二
本实施例对实施例一的基于二维解模糊的高速机动平台单通道短 孔径SAR的海面目标聚焦定位方法进行了仿真实验验证。
一、仿真实验
1、仿真条件
本实验仿真参数如表1所示。雷达波束覆盖场景约为46km×15km， 根据系统模糊度将波束覆盖场景划分为9个区，仿真目标的分布几何示 意图如图7所示。在图7的9个不同模糊区各设置一个舰船目标，其几何 分布如图8所示，图8中为(a)不同模糊区的9个舰船，图8中(b)为中心舰 船目标。单一舰船的尺寸约为100m×100m，将场景中心舰船的径向速度设置为7m/s。
表1 SAR仿真参数
波长 0.0187m 实际天线尺寸 0.23m×0.21m
脉冲宽度 10.24μs 合成孔径时间 0.47s
带宽 100MHz 采样率 200MHz
中心斜距 142km 平台速度 (50,3050,-100)m/s
平台高度 30km 平台加速度 (2,-25,8)m/s<sup>2</sup>
中心偏航角 45° 最优PRF 9kHz
2、仿真内容和结果分析
请参见图9，图9为无距离模糊区域(DAr＝0)的3个舰船的成像结 果。从左至右依次为散焦图像、校正后的包络与重聚焦图像。图9中 (a)为多普勒模糊数为-1的目标A2，图9中(b)为多普勒模糊数为0的目 标B2，图9中(c)为多普勒模糊数为-1的目标C2。经过正交脉冲压缩后， 位于距离模糊区的舰船的能量(DAr＝-1,1)被抑制。从粗聚焦SAR图像 可以看出，具有多普勒模糊的舰船是散焦的。方位区A2、B2和C2中的 舰船估计得到的多普勒模糊数分别为-1、0和1。根据估计的目标参数， 可以校正包络。包络校正后，可以通过能量中心法估计目标的径向速 度，然后校正目标径向速度引起的位置偏移。最后补偿相位误差重聚焦舰船并且将其定位在正确位置。这验证了基于两维解模糊的舰船聚 焦定位算法的有效性。
本发明公开了一种基于二维解模糊的高速机动平台单通道短孔径SAR 的海面目标聚焦与定位的方法。该成像方法主要解决由于最小天线面积的 限制，在高速机动平台上单通道SAR的海面目标聚焦的二维解模糊问题。 针对这一问题，提出了一种基于二维解模糊的海面目标聚焦定位算法。首 先，分析了最小天线面积的约束条件和二维模糊区域的分布，提出了一种 最优PRF单通道SAR工作模式，其中信号模糊均匀分布在距离向和方位向。在这个概念中，设计了正交相位编码波形的时序，使目标回波在不同区域 正交。然后，利用正交匹配滤波器抑制距离模糊区域的信号能量。针对多 普勒模糊引起的目标散焦和位置偏移，提出了一种方位解模糊方法。多普 勒模糊数可以通过剩余包络倾角来估计。然后，利用估计的多普勒参数对 目标进行重新定位和精确聚焦。在每个目标的操作完成后，可以获得整个 场景的聚焦SAR图像。最后，通过仿真船舶数据进行处理，验证了所提算 法的有效性。
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须针对的是相 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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，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进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保 护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及 所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求 中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一 个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举 的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表 示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简 单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机动平台单通道短孔径SAR的海面目标聚焦定位方法，其特征在于，所述海面目标聚焦定位方法包括：
步骤1、建立单通道SAR的几何模型；
步骤2、分析最小天线面积的约束条件，以基于所述最小天线面积得到最优PRF，所述最优PRF的单通道SAR工作模式将机动雷达平台的模糊均匀分布到距离方向和方位方向两个维度上；
步骤3、针对距离模糊，机动雷达平台循环发射正交相位编码信号，通过正交匹配滤波器抑制距离模糊区域，聚焦得到目标信号；
步骤4、对步骤3得到目标信号进行距离单元徙动校正后使包络线被拉直，之后利用方位谱分析方法将目标信号中没有方位模糊的聚焦在多普勒域；
步骤5、利用目标信号中的模糊目标的剩余距离单元徙动得到单一目标的多普勒模糊数；
步骤6、在方位模糊情况下，将处于方位谱支撑区的边缘的被分裂的目标重新组合成完整的目标；
步骤7、在通过步骤6处理完成处于方位谱支撑区的边缘的被分裂的目标之后，根据由多普勒模糊引起的距离偏移和由多普勒模糊引起的方位偏移聚焦目标的真实位置。
2.根据权利要求1所述的海面目标聚焦定位方法，其特征在于，所述单通道SAR的几何模型为：
机动雷达平台在合成孔径时间Ta内沿曲线
Figure FDA0003746460410000011
移动，机动雷达平台的速度为矢量
Figure FDA0003746460410000012
加速度为恒定矢量
Figure FDA0003746460410000013
在方位零点时刻，机动雷达平台位于B机动雷达平台的偏航角为θyaw，点P是偏航方向上的任意点，点Q是点P方位角上的任意点，以及OP和OQ之间的交角表示为方位角
Figure FDA0003746460410000025
当机动雷达平台在方位时间ta到达点C时，瞬时倾斜距离表示为：
Figure FDA0003746460410000021
其中，ta表示方位时间，i表示阶数，R表示参考距离，
Figure FDA0003746460410000026
表示泰勒展开式的系数，
Figure FDA0003746460410000027
表示雷达中心通道在ta时刻的瞬时倾斜距离，点C位于点B和D之间。
3.根据权利要求1所述的海面目标聚焦定位方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2.1、获取第一PRF限制，第一PRF限制为：
Figure FDA0003746460410000022
其中，PRFa表示系统脉冲重复频率的下限，da表示方位方向的天线尺寸，v表示雷达机动平台的合成速度，α表示波束方向和雷达速度之间的角度；
步骤2.2、获取第二PRF限制，第二PRF限制为：
Figure FDA0003746460410000023
其中，
Figure FDA0003746460410000024
dr表示距离方向上的天线尺寸，λ表示波长，Rs表示场景中心的斜距，β表示入射角，c表示光速，PRFr表示系统脉冲重复频率的上限；
步骤2.3、根据系统脉冲重复频率的下限PRFa和系统脉冲重复频率的上限PRFr得到最小天线面积；
步骤2.4、根据所述最小天线面积和实际天线面积的E比值确定系统的模糊；
步骤2.5、根据系统的模糊确定最优PRF，以将机动雷达平台的模糊均匀分布到距离方向和方位方向两个维度上，所述最优PRF表示为：
Figure FDA0003746460410000031
其中，PRFo表示最优PRF，DAr表示距离模糊数，DAa表示方位模糊数。
4.根据权利要求3所述的海面目标聚焦定位方法，其特征在于，所述最小天线面积表示为：
Figure FDA0003746460410000032
其中，Ac表示最小天线面积，PRFr＝PRFa。
5.根据权利要求2所述的海面目标聚焦定位方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤3.1、成像区目标σI的信号回波在发射波形cI(tr)延迟h个脉冲后收到成像区回波信号，成像区回波信号表示为：
Figure FDA0003746460410000033
其中，sI(tr,ta)表示成像区回波信号，RI表示无距离模糊的目标倾斜距离，tr表示距离时间，λ表示波长，c表示光速；
步骤3.2、第m个距离模糊区目标σA.m信号回波在发射波形cA.m(tr)延迟了(h+m)个脉冲后收到距离模糊区回波信号，距离模糊区回波信号表示为：
Figure FDA0003746460410000041
其中，sA.m(tr,ta)表示距离模糊区回波信号，RA.m表示第m个距离模糊区域的回波的斜距；
步骤3.3、根据成像区回波信号和距离模糊区回波信号得到总回波信号，总回波信号表示为：
Figure FDA0003746460410000042
其中，s(tr,ta)表示总回波信号；
步骤3.4、通过正交匹配滤波器抑制总回波信号的距离模糊区域，聚焦得到目标信号。
6.根据权利要求5所述的海面目标聚焦定位方法，其特征在于，目标信号表示为：
Figure FDA0003746460410000043
其中，spc(tr,ta)表示目标信号，S(fr,ta)和CI(fr)分别表示s(tr,ta)和cI(tr)在距离方向的快速傅立叶变换后的距离频域信号，conj(·)表示信号共轭，rI,A.m(tr,ta)表示sI(tr,ta)和sA.m(tr,ta)的互相关函数。
7.根据权利要求1所述的海面目标聚焦定位方法，其特征在于，所述步骤5包括：
步骤5.1、获得经距离单元徙动校正后剩余的距离单元徙动；
步骤5.2、根据剩余的距离单元徙动得到剩余的距离单元徙动的导数；
步骤5.3、根据剩余的距离单元徙动的导数得到位错；
步骤5.4、根据位错得到多普勒模糊数。
8.根据权利要求7所述的海面目标聚焦定位方法，其特征在于，剩余的距离单元徙动表示为：
ΔR(fa；n)＝R(fa；n)-R(fa)
R(fa；n)＝β2(fa+n·PRF)2+β3(fa+n·PRF)3
Figure FDA0003746460410000051
其中，ΔR(fa；n)表示剩余的距离单元徙动，β2和β3表示包络偏移的二次和三次系数，n表示多普勒模糊数，fa＝fdc+[-fΔ/2,fΔ/2]，fdc表示目标多普勒中心，fΔ表示单个目标的多普勒带宽，PRF表示高脉冲重复频率；
剩余的距离单元徙动的导数表示为：
Figure FDA0003746460410000052
其中，Srd(fdc；n)表示剩余的距离单元徙动的导数；
位错表示为：
Figure FDA0003746460410000053
其中，ΔR表示位错；
多普勒模糊数表示为：
Figure FDA0003746460410000054
其中，n表示多普勒模糊数。
9.根据权利要求1所述的海面目标聚焦定位方法，其特征在于，所述步骤6包括：
步骤6.1、将满足第一判断条件的目标确定为边缘目标，第一判断条件表示为：
||fdc_E|-PRF/2|≤Tha
其中，Tha表示图像边缘目标的方位判定阈值，fdc_E表示边缘目标的图像纵坐标；
步骤6.2、通过第二判断条件确定步骤6.1所找到的边缘目标中来自同一目标的两部分，并将来自同一目标的两部分重新组合成完整的目标，第二判断条件表示为：
Figure FDA0003746460410000061
其中，Thr表示相同边缘目标的距离确定的阈值。
10.根据权利要求2所述的海面目标聚焦定位方法，其特征在于，目标的真实位置表示为：
Figure FDA0003746460410000062
其中，dR表示由多普勒模糊引起的距离偏移，dR＝R(fdc；n)-R(fdc)，dfa表示由多普勒模糊引起的方位偏移，dfa＝n·PRF，n表示多普勒模糊数，RT表示目标图像的横坐标，fdc表示目标多普勒中心，(Rreal,fa_real)表示目标的真实位置。
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