CN115436939A - 一种用于多通道高分宽幅sar的多级分辨快速成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法，它是通过利用宽幅大场景区域中目标区域相对很小且分布稀疏以及目标相对于背景有高信噪比的特点，来解决现有方法在大幅宽成像中成像速度慢和成像质量低的问题。本发明采用去斜和子孔径成像得到低分辨回波数据以便快速成像，然后利用恒虚警方法提取目标，最后使用原始回波数据对目标进行高分辨成像，本发明与现有的快速成像方法相比，更加适用于实际情况中大场景未知观测目标时的高分宽幅SAR快速成像，具有成像质量高、运算效率高的优势，本发明可以应用于合成孔径雷达成像和地球遥感等领域。

Description

一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，它特别涉及了高分宽幅合成孔径雷达(SAR)成像技术领域。

背景技术

合成孔径雷达具有全天时、全天候的特点，被广泛应用于海洋监测、灾害预警等领域。高分辨率和大幅宽(HRWS)成像是合成孔径雷达(SAR)成像的重要研究方向，高分辨率可以提供观测区域内更多细节，而宽幅测绘带可以获得更大范围的信息，可以提供地球表面动态过程的系统观测，尤其适用于广阔的海洋区域监测。对于宽幅测绘带，如宽幅海面，如果要进行全场景且高精度的成像，处理数据量非常大，导致成像时间长，无法满足海域舰船快速侦查、海上救援、海面溢油监测等实际应用需求。因此研究适用于高分宽幅SAR的高效成像方法有很大意义。详见文献“邓云凯,禹卫东,王宇.高分辨率宽幅星载SAR海洋监视与信息反演[J].科技导报,2017,35(20):69-76.”。

对于宽幅成像，多通道技术通常用于解决传统单通道SAR在同时获得高分辨率与宽幅测绘带上存在的矛盾。详见文献“郭振永,袁新哲,张平.一种多通道SAR高分辨率宽测绘带成像算法[J].电子与信息学报,2008(02):310-313.”。目前高分宽幅多通道SAR快速成像技术的研究还处于初级阶段，相关的快速成像方法大多基于将多通道SAR回波数据通过补偿等效转换为多个单通道SAR数据的方式进行处理。现有的快速成像方法可以分为以下三类：基于频域处理的快速SAR成像方法，主要有距离-多普勒算法(RDA)，距离徙动算法(RMA)。这类算法在大幅宽成像情况下，场景中各目标与雷达平台的斜距远超常规SAR系统，导致目标回波性质更加复杂，需要采用更高阶的模型去表征回波模型，增加了系统实现的复杂度，同时采用大量近似，损耗了成像的精度；基于时域处理的快速SAR成像方法，主要有后向投影(BP)算法，由于不存在近似，能够很好地消除距离-方位向耦合。但由于其运算复杂度大，无法在大数据规模成像场景下应用；加速BP算法的快速时域方法主要有快速后向投影(FBP)算法和快速分解后向投影(FFBP)算法。这类算法将合成孔径分解为若干子孔径，将子孔径对应距离压缩数据投影到孔径为中心的局部极坐标网络得到子图像，通过将子图像融合得到最终图像，其中图像合成一定程度上会造成误差，影响成像质量。

因此，为解决现有方法在大幅宽成像中成像速度慢和成像质量低的问题，本发明提出了一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法。该方法先以低分辨率快速获得整个场景的成像结果，再快速检测到目标区域并精确提取，然后对目标区域进行高分辨率成像，由此提升成像效率的同时保持高成像质量。

发明内容：

本发明属于高分宽幅合成孔径雷达(SAR)成像技术领域，公开了一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法，该方法基于宽幅大场景区域中目标区域相对很小且分布稀疏以及目标相对于背景有高信噪比的特点，用来解决现有方法在大幅宽成像中成像速度慢和成像质量低的问题。该方法主要包括整个场景的快速低分辨成像，低分辨成像结果的目标区域检测提取和目标区域的高分辨成像三个部分。对于大幅宽目标稀疏场景，本发明在距离向上采用去斜处理、在方位向采用子孔径成像快速实现低分辨成像，再利用恒虚警检测方法对低分辨率图像进行目标检测和提取，然后对目标区域采用大带宽全孔径回波数据进行成像，最终获得了高分辨的目标图像。所提方法相比现有的快速成像方法而言解决了大幅宽成像中成像质量与速度之间的矛盾，在获得快速成像结果的同时并未造成成像质量的下降。

为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义：

定义1、脉冲重复频率(PRF)

PRF(pulse repetition frequency)即脉冲重复频率，简称重频，每秒钟发射的脉冲数目，是脉冲重复间隔(pulse repetition interval,PRI)的倒数。脉冲重复间隔就是一个脉冲和下一个脉冲之间的时间间隔。周期性的脉冲重复间隔时间为脉冲重复周期。脉冲重复频率详细内容可参考文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。

定义2、多通道高分宽幅(HRWS)SAR

为了获得方位的高分辨，传统的单通道合成孔径雷达系统在满足方位天线面积最小的同时还必须满足高脉冲重复频率(PRF)要求。但设置有限高的PRF是为了获得距离宽测绘带而需要克服距离模糊的必要条件，即单通道合成孔径雷达系统中，高分辨和宽测绘带是一对矛盾的性能指标。多通道合成孔径雷达系统的应用可以很好地解决这个问题，它结合数字波束形成技术(Digital Beam-Forming，DBF)可高效地实现高分辨宽测绘带对地观测，在地面动目标检测、高分宽幅成像及抑制干扰方面有显著优势，多通道高分宽幅SAR详见文献：郭晓江.高分宽幅SAR成像处理关键技术研究[D].上海交通大学,2018.

定义3、等效相位中心(EPC)原理

对于多通道SAR系统，可以看作是在位于发射机和接收机中间的等效相位中心(EPC)上发送和接收信号的SAR，等效相位中心原理详见文献G.Krieger,N.Gebert,andA.Moreira,“Unambiguous sar signal reconstruction from nonuniform displacedphase center sampling,”IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,vol.1,no.4,pp.260–264,2004.

定义4、合成孔径雷达距离向压缩方法

合成孔径雷达距离向压缩方法是指利用合成孔径雷达发射参数进行匹配滤波的过程，主要包括：采用距离向参考信号对合成孔径雷达距离向回波信号进行匹配滤波压缩和距离徙动补偿得到合成孔径雷达的成像。传统合成孔径雷达距离向压缩方法详细内容可参考文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。

定义5、范数

设X是数域

上线性空间，

表示复数域，若它满足如下性质：||X||≥0，且||X||＝0仅有X＝0；||aX||＝|a|||X||，a为任意常数；||X₁+X₂||≤||X₁||+||X₂||，则称||X||为X空间上的范数(norm)，其中X₁和X₂为X空间上的任意两个值。对于定义1中的N×1维离散信号向量X＝[x₁,x₂,…,x_N]^T，向量X的LP范数表达式为

其中x_i为向量X的第i个元素，∑|·|表示绝对值求和符号，向量X的L1范数表达式为

向量X的L2范数表达式为

向量X的L0范数表达式为

且x_i≠0。范数详见文献“矩阵理论”，黄廷祝等编著，高等教育出版社出版。

定义6、后向投影(BP)算法

BP算法是从层析成像技术中借鉴的处理方法，该方法通过将回波数据逐点投影到图像空间各像素，实现各散射点能量的积累。与其他方法相比，BP方法成像原理简单，具有运动补偿精度高，无几何失真，适用于大场景、大斜视、任意模式和任意轨迹的SAR成像等特点。基本思想是通过计算成像区域内每一像素点到孔径长度内SAR天线平台之间的距离历史，然后将对应的时域回波信号进行相干累加，从而重构出每个像素的散射系数

其中，σ(m)表示第m个散射点的后向散射系数，m＝1,2,…,M，M表示图像空间划分的总网格点数；s(r(n,m),n)表示第m个散射点在第n个慢时刻经插值后得到的回波值；r(n,m)表示第m个散射点在第n个慢时刻到雷达的双程斜距；ω为发射信号的载波频率；N表示一个合成孔径内的慢时刻总数。

通常，使用均匀采样回波的成像场景中第m个像素的BP成像分量可以表示为

传统后向投影算法详见文献S.Jun,Z.Xiaoling,Y.Jianyu,and W.Chen,“Apc trajectory design for one-active linear-array three-dimensional imaging sar,”IEEE Transactions on Geoscience andRemote Sensing,vol.48,pp.1470–1486,March 2010.

定义7、子孔径成像方法

子孔径成像方法指对于SAR的方位向合成孔径，不使用全孔径，而是采用使用部分孔径(即子孔径)的回波数据进行成像。由于处理数据少，成像速度会大大提升，但会导致方位向分辨率下降。SAR系统方位向分辨率为

设取全孔径1/p的回波数据作为成像所用的数据，即使用的合成孔径长度为

即等效后的单个天线的水平孔径D'_x为D'_x＝pD_x，则对应形成的方位向分辨率为

传统子孔径成像方法详细内容可参考文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。

定义8、去斜处理方法

去斜处理方法是针对线性调频信号而提出的，其方法是指用一时间固定，而频率、调频率相同的参考信号和回波信号进行混频，去斜处理后的回波会形成区别于原始回波的窄带信号，即可获得距离像低分辨率的回波数据。传统去斜处理方法详细内容可参考文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。

定义9、恒虚警检测方法

恒虚警检测技术是指雷达系统在保持虚警概率恒定条件下对接收机输出的信号与噪声作判别以确定目标信号是否存在的技术。传统恒虚警检测方法详见文献“合成孔径雷达成像原理”，皮亦鸣等编著，电子科技大学出版社出版。

定义10、SAR传统理论成像分辨率

SAR传统理论成像分辨率是指利用经典匹配滤波理论成像算法得到SAR系统在距离向、方位向和切航迹向的成像分辨率。对于收发共用天线，SAR距离向的分辨率记为ρ_r，近似表达式为

其中C为光在空气中的传播速度，B_r为SAR发射信号的带宽；方位向的分辨率记为ρ_a，近似表达式为

其中D_a为天线在方位向的真实孔径；切航迹向的分辨率记为ρ_c，近似表达式为

其中λ为SAR雷达载频波长，R₀为SAR平台到观测场景中心的参考斜距，L为天线长度。SAR传统理论成像分辨率详见参考文献“Shi,J.,et al.,APCtrajectory design for One-Active linear-array three-dimensional imaging SAR,IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,Vol.48,No.3,pp:1470-1486,2010”。

定义11、合成孔径雷达原始回波仿真方法

合成孔径雷达原始回波仿真方法是指基于合成孔径雷达成像原理仿真出一定系统参数条件下具有合成孔径雷达回波信号特性的原始信号的方法，传统合成孔径雷达原始回波仿真方法详细内容可参考文献：“InSAR回波信号与系统仿真研究”，张剑琦，哈尔滨工业大学硕士论文。

本发明提供的一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法，它包括以下步骤：

步骤1、初始化高分宽幅SAR多级分辨成像所需要的多通道SAR系统参数：

初始化高分宽幅SAR多级分辨成像所需要的多通道SAR系统参数，包括：多通道SAR的观测空间为地面三维坐标系，记为X-Y-Z，其中X表示水平面横轴，Y表示水平面纵轴，Z表示水平垂直轴；雷达发射信号的带宽记为B，雷达发射信号脉冲宽度记为T，雷达发射信号调频斜率记为K_r，雷达接收系统的采样频率记为f_s；多通道SAR成像系统沿着Y轴平行方向进行匀速直线运动，平台速度矢量记为

平台飞行高度记为h；多通道SAR的通道数目记为N，记第一个发射信号的通道为T_x，它同时也是接收回波的第一个通道R_x1；其余的通道仅仅接收回波，依次记为R_x2,R_x3,...,R_xN；雷达中心频率记为f_c，雷达系统发射信号的脉冲重复频率记为PRF，发射信号脉冲重复时间记为PRI；记每个通道之间的距离为d；记满足均匀时间采样的第n通道在第k次脉冲重复周期的采样时间为

其中，k代表脉冲重复周期，取值k＝1,2,...,K，n代表通道，取值1,2,...,N；记回波为S_r(τ(t,m),t)，距离向压缩后回波为s_r(τ(t,m),t)，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素。则回波的均匀时间采样可以表示为s_r(τ(t_k,n,m),t_k,n)，其中，t_k,n为方位向慢时间，τ(t_k,n,m)为在方位向慢时间t_k,n时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间；

步骤2、初始化高分宽幅SAR多级分辨成像的观测场景目标空间参数：

初始化高分宽幅SAR多级分辨成像的场景空间参数，包括：场景中心斜距记为r_o、雷达系统的最远观测距离记为r_max、雷达系统观测目标区域的距离向宽度记为△r、距离向像素数记为N_r、方位向像素数量记为N_a、总网格数记为M、距离向网格分辨率记为dr、方位向网格分辨率记为da；

步骤3、初始化恒虚警检测参数：

初始化虚警概率记为P_fa，保护单元列数记为N_gc，保护单元行数记为N_gr，背景杂波列数记为N_tc，背景杂波行数记为N_tr；

步骤4、生成接收的回波数据和参考信号：

采用公式

计算得到参考信号，记为S_ref(t)，其中t为方位向慢时间，τ₀＝2r₀/c，r₀为场景中心斜距，c为光速，T'＝2r_max/c，r_max为雷达系统的最大观测距离，T为雷达发射信号脉冲宽度，f_c为雷达中心频率，K_r为雷达发射信号调频斜率，rect[·]为矩阵窗函数；

采用定义11中合成孔径雷达原始回波仿真方法生成多通道SAR的原始回波数据，记作S_r(τ(t,m),t)，即步骤1中的回波，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；

步骤5、进行距离向去斜处理得到小带宽回波：

对于步骤4中得到的原始回波信号S_r(τ(t,m),t)与参考信号S_ref(t)，采用公式

计算得到去斜后的小带宽回波，记为S_o(t)，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素，

为参考信号S_ref(t)的共轭；

采用公式

计算得到去斜后回波窄带带宽，记为B'，其中K_r为雷达系统发射调制斜率，△r为雷达系统观测目标区域的距离向宽度，c为光速；

步骤6、方位向子孔径BP成像

对于步骤5中得到的窄带带宽B'，采用公式

计算得到距离向去斜后低分辨数据的分辨率，记为ρ'，其中c为光速；

采用公式

计算得到距离向去斜前高分辨数据的分辨率，记为ρ，其中c为光速，B为雷达发射信号的带宽；

采用公式p＝ρ'/ρ，计算得到子孔径成像分辨率相对于全孔径成像分辨率的采样倍数，记为p；

采用公式

计算得到低分辨BP成像的距离向像素数，记为N_r'；

采用公式

计算得到低分辨BP成像的方位向像素数量，记为N_a'；

采用公式

计算得到低分辨BP成像的总网格数量，记为M'；

采用公式dr'＝p·dr计算得到低分辨BP成像的距离向网格分辨率，记为dr'；

采用公式da'＝p·da计算得到低分辨BP成像的方位向网格分辨率，记为da'，其中N_r为步骤2中定义的距离向像素数、N_a为步骤2中定义的方位向像素数量、M为步骤2中定义的总网格数、dr为步骤2中定义的距离向网格分辨率、da为步骤2中定义的方位向网格分辨率；

对于步骤5中得到的去斜后回波S_o(t)，采用公式

计算得到子孔径回波，记为S_o(t')，其中t'为方位向慢时间，t为方位向慢时间，K为方位向回波的采样周期总数；

采用定义4中标准合成孔径雷达回波数据距离向脉冲压缩方法对子孔径回波数据S_o(t')进行距离向脉冲压缩，得到距离向压缩后的多通道SAR回波数据，记作s_o(τ(t',m),t')，其中t'为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t'时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；

采用公式

计算得到第m个散射点在通道n中的子图像，记作I_n(m)，其中f_c是发射信号中心频率，m是图像域的第m个像素，m取值为

M为步骤2所声明的总网格数，s_o(τ(t'_k,n,m),t'_k,n)是步骤1中声明的回波的均匀时间采样，τ(t'_k,n,m)为在方位向慢时间t'_k,n时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，

是方位向上的第n个通道在第k次脉冲重复周期的采样时间点，T_r为脉冲重复时间，K为方位向回波的采样周期总数；

采用公式

计算得到第m个散射点的BP成像结果，记作I(m)，其中m是图像域的第m个像素，得到低分辨成像图像I；

步骤7、计算低分辨率图像的目标区域

采用公式

计算得到门限因子，记为α，其中P_fa为步骤3中定义的虚警概率；

记待检测单元为I(x₀,y₀)，其中x₀表示图像对应矩阵的行数，y₀表示图像对应矩阵的列数，采用公式

计算得到左侧背景杂波均值为X，采用公式

计算得到右侧背景杂波均值为Y，其中x表示图像对应矩阵的行数，y表示图像对应矩阵的列数，N_gc为步骤3中定义的保护单元列数，N_gr为步骤3中定义的保护单元行数，N_tc为步骤3中定义的背景杂波列数，N_tr为步骤3中定义的背景杂波行数；

采用公式Z＝max(X,Y)，计算得到背景杂波均值为Z；

采用公式T＝αZ计算得到检测门限为T；

对步骤6中得到的低分辨率图像I进行目标区域提取，若I(x₀,y₀)>T，则认为图像I(x₀,y₀)处存在目标，得到多个目标区域的中心位置{c₁,…,c_q,…,c_Q}、距离向宽度{rl₁,…,rl_q,…,rl_Q}和方位向宽度{al₁,…,al_q,…,al_Q}，其中q为提取出的第q个目标，q取值为1,2,...,Q；

步骤8、目标区域的全孔径数据BP成像

采用公式

计算得到高分辨BP成像的距离向像素数为NR，采用公式

计算得到高分辨BP成像的方位向像素数为NA，其中N_r为步骤2中定义的距离向像素数、N_a为步骤2中定义的方位向像素数量、M为步骤2中定义的总网格数、dr为步骤2中定义的距离向网格分辨率、da为步骤2中定义的方位向网格分辨率、rl_q为步骤7得到的第q个目标区域距离向宽度、al_q为步骤7得到的第q个目标区域方位向宽度；

采用定义4中标准合成孔径雷达回波数据距离向脉冲压缩方法对对步骤4中得到的原始回波数据S_r(τ(t,m),t)进行距离向脉冲压缩，得到距离向压缩后的多通道SAR回波数据，记作s_r(τ(t,m),t)，即步骤1中的距离向压缩后的回波，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；

采用公式

计算得到第m个散射点在通道n中的子图像，记为

其中f_c是发射信号中心频率，m是图像域的第m个像素，m取值为

s_r(τ(t_k,n,m),t_k,n)是步骤1中声明的回波的均匀时间采样，τ(t_k,n,m)为在方位向慢时间t_k,n时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，

是方位向上的第n个通道在第k次脉冲重复周期的采样时间点，T_r为脉冲重复时间，K为方位向回波的采样周期总数；

采用公式

计算得到第m个散射点的BP成像结果，记为I^q(m)，得到第q个目标区域的高分辨图像I^q；

至此，整个方法结束。

本发明的创新点在于针对高分宽幅SAR观测场景中关注的目标在空间上稀疏且相对背景有高信噪比的特征，通过检测方法找到目标位置并提取，并提供了一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法。该方法利用去斜和子孔径成像得到低分辨回波数据以便快速成像，然后利用恒虚警方法提取目标，最后使用原始回波数据对目标进行高分辨成像，克服了传统BP算法在大场景稀疏目标成像中对全观测场景成像速度慢的问题，更加适用于实际情况中大场景未知观测目标时的高分宽幅SAR快速成像，并且相对BP算法提高了运算效率，相对其他快速成像算法提高了成像质量。

本发明的优点在于在BP算法的基础上通过目标检测实现了一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像算法，采用对低分辨成像结果进行目标检测得到感兴趣区域再进行高分辨成像的方式代替了直接对全场景进行高分辨成像。该算法既保留了BP算法相对于频域算法在成像质量上的优势，又克服了BP算法对大场景高分辨成像时速度慢的缺点。本算法相比其他算法具有成像质量高、运算效率高的优势，本发明可以应用于合成孔径雷达成像和地球遥感等领域。

附图说明

图1为多通道SAR成像几何关系图。

图1中长方形框表示天线，d为通道间隔，R₁、R₂、R₃、R₄表示四个通道，x、y和z分别表示观测场景目标空间中水平横向、水平纵向和高度向坐标，0表示观测场景目标空间中坐标原点。

图2为本发明所提供的高分宽幅多级分辨SAR快速成像方法的处理流程示意框图。

图3为本发明具体实施方式采用的多通道SAR系统仿真参数表。

图4为本发明中的多级分辨快速成像方法用时表。

具体实施方式

本发明主要采用仿真实验的方法进行验证，所有步骤、结论都在MATLABR2019a上验证正确。具体实施步骤如下：

步骤1、初始化仿真所需的多通道SAR系统参数：

初始化多通道SAR系统参数的值如图3所示，包括：运动平台速度矢量

天线的通道数目N＝4，波束斜视角θ＝0，平台高度H＝0m，天线各个通道的初始位置矢量

其中n为第n个通道天线的序号，n＝1,2,…,N，N＝4，最大基线长度L＝0.48m，通道间隔d＝0.16m，雷达中心频率f_c＝10GHz,雷达发射信号的带宽B＝150MHz，雷达发射信号脉冲宽度T_r＝6×10^-6s，雷达发射信号调频斜率K_r＝2.5×10¹³Hz/s，雷达接收系统的采样频率f_s＝210MHz，雷达系统发射信号的脉冲重复频率PRF＝637Hz，天线在方位向的有效孔径长度D_a＝2m，光在空气中的传播速度C＝3×10⁸m/s；记满足均匀时间采样的第n通道在第k次脉冲重复周期的采样时间为

其中，k代表脉冲重复周期，取值k＝1,2,...,K，K＝5000为方位向回波的采样周期总数，n代表通道，取值1,2,...,N，其中N＝4为上文声明的多通道SAR的通道数目；记回波为S_r(τ(t,m),t)，距离向压缩后回波为s_r(τ(t,m),t)，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素。则回波的均匀时间采样可以表示为s_r(τ(t_k,n,m),t_k,n)，其中，t_k,n为方位向慢时间，τ(t_k,n,m)为在方位向慢时间t_k,n时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间；步骤2、初始化多通道SAR的观测场景目标空间参数：

初始化高分宽幅SAR多级分辨成像的场景空间参数，包括：场景中心斜距r_o＝100km，雷达系统的最大观测距离r_max＝105km，距离向像素数N_r＝10000，方位向像素数量N_a＝10000，总网格数M＝10⁸，距离向网格分辨率dr＝1m，方位向网格分辨率da＝1m；

在观测场景目标空间Ω中加入多个仿真散点飞机目标，它们散射系数值均为1；雷达系统观测目标区域的距离向宽度△r＝2km；观测场景目标空间Ω中没有包含点目标单元格的散射系数设置为0；在本仿真观测场景目标空间Ω中，只有包含散点飞机目标的单元格散射系数值α设置为1，其余单元格的散射系数都为0；

步骤3、初始化恒虚警检测参数：

虚警概率P_fa＝0.001，保护单元列数N_gc＝30，保护单元行数N_gr＝30，背景杂波列数N_tc＝30，背景杂波行数N_tr＝30；

步骤4、生成接收的回波数据和参考信号：

采用公式

计算得到参考信号，记为S_ref(t)，其中t为方位向慢时间，τ₀＝2r₀/c，r₀为场景中心斜距，c为光速，T'＝2r_max/c，r_max为雷达系统的最大观测距离，T为雷达发射信号脉冲宽度，f_c为雷达中心频率，K_r为雷达发射信号调频斜率，rect[·]为矩阵窗函数；

采用定义11中合成孔径雷达原始回波仿真方法生成多通道SAR的原始回波数据，记作S_r(τ(t,m),t)，即步骤1中声明的回波，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；

步骤5、进行距离向去斜处理得到小带宽回波：

采用公式

利用步骤4中得到的原始回波信号S_r(τ(t,m),t)与参考信号S_ref(t)，计算得到去斜后的小带宽回波，记为S_o(t)，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素，

为参考信号S_ref(t)的共轭；

采用公式

计算得到去斜后回波窄带带宽，记为B'，其中K_r为雷达系统发射调制斜率，△r为雷达系统观测目标区域的距离向宽度，c为光速；

步骤6、方位向子孔径BP成像

采用公式

利用步骤5中得到的窄带带宽B'，计算得到距离向去斜后低分辨数据的分辨率，记为ρ'，其中c为光速；

采用公式

计算得到距离向去斜前高分辨数据的分辨率，记为ρ，其中c为光速，B为雷达发射信号的带宽；

采用公式p＝ρ'/ρ，计算得到子孔径成像分辨率相对于全孔径成像分辨率的采样倍数，记为p；

采用公式

计算得到低分辨BP成像的距离向像素数，记为N_r'，采用公式

计算得到低分辨BP成像的方位向像素数量，记为N_a'，采用公式

计算得到低分辨BP成像的总网格数量，记为M'，采用公式dr'＝p·dr计算得到低分辨BP成像的距离向网格分辨率，记为dr'，采用公式da'＝p·da计算得到低分辨BP成像的方位向网格分辨率，记为da'，其中N_r为步骤2中定义的距离向像素数、N_a为步骤2中定义的方位向像素数量、M为步骤2中定义的总网格数、dr为步骤2中定义的距离向网格分辨率、da为步骤2中定义的方位向网格分辨率；

为保证距离向和方位向分辨率的统一，采用公式

利用步骤5中得到的去斜后回波S_o(t)，计算得到子孔径回波，记为S_o(t')，其中t'为方位向慢时间，t为方位向慢时间，K＝5000为方位向回波的采样周期总数；

采用定义4中标准合成孔径雷达回波数据距离向脉冲压缩方法对子孔径回波数据S_o(t')进行距离向脉冲压缩，得到距离向压缩后的多通道SAR回波数据，记作s_o(τ(t',m),t')，其中t'为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t'时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；

采用公式

计算得到第m个散射点在通道n中的子图像，记作I_n(m)，其中f_c＝10GHz是发射信号中心频率，m是图像域的第m个像素，m取值为

M为步骤2所声明的总网格数，s_o(τ(t'_k,n,m),t'_k,n)是步骤1中声明的回波的均匀时间采样，τ(t'_k,n,m)为在方位向慢时间t'_k,n时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，

是方位向上的第n个通道在第k次脉冲重复周期的采样时间点，T_r为脉冲重复时间，K＝5000为方位向回波的采样周期总数；

采用公式

计算得到第m个散射点的BP成像结果，记作I(m)，其中m是图像域的第m个像素，得到低分辨成像图像I；

步骤7、计算低分辨率图像的目标区域

采用公式

计算得到门限因子，记为α，其中P_fa为步骤3中定义的虚警概率；

记待检测单元为I(x₀,y₀)，其中x₀表示图像对应矩阵的行数，y₀表示图像对应矩阵的列数，采用公式

计算得到它的左侧背景杂波均值为X，采用公式

计算得到它的右侧背景杂波均值为Y，其中x表示图像对应矩阵的行数，y表示图像对应矩阵的列数，N_gc为步骤3中定义的保护单元列数，N_gr为步骤3中定义的保护单元行数，N_tc为步骤3中定义的背景杂波列数，N_tr为步骤3中定义的背景杂波行数；

采用公式Z＝max(X,Y)计算得到背景杂波均值为Z，采用公式T＝αZ计算得到检测门限为T；

对步骤6中得到的低分辨率图像I进行目标区域提取，若I(x₀,y₀)>T，则认为图像I(x₀,y₀)处存在目标，得到多个目标区域的中心位置{c₁,…,c_q,…,c_Q}、距离向宽度{rl₁,…,rl_q,…,rl_Q}和方位向宽度{al₁,…,al_q,…,al_Q}，其中q为提取出的第q个目标，q取值为1,2,...,Q；

步骤8、目标区域的全孔径数据BP成像

采用公式

计算得到高分辨BP成像的距离向像素数为NR，采用公式

计算得到高分辨BP成像的方位向像素数为NA，其中N_r为步骤2中定义的距离向像素数、N_a为步骤2中定义的方位向像素数量、M为步骤2中定义的总网格数、dr为步骤2中定义的距离向网格分辨率、da为步骤2中定义的方位向网格分辨率、rl_q为步骤7得到的第q个目标区域距离向宽度、al_q为步骤7得到的第q个目标区域方位向宽度；

采用定义4中标准合成孔径雷达回波数据距离向脉冲压缩方法对对步骤4中得到的原始回波数据S_r(τ(t,m),t)进行距离向脉冲压缩，得到距离向压缩后的多通道SAR回波数据，记作s_r(τ(t,m),t)，即步骤1中声明的距离向压缩后的回波，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；

采用公式

计算得到第m个散射点在通道n中的子图像，记为

其中f_c＝10GHz是发射信号中心频率，m是图像域的第m个像素，m取值为

s_r(τ(t_k,n,m),t_k,n)是步骤1中声明的回波的均匀时间采样，τ(t_k,n,m)为在方位向慢时间t_k,n时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，

是方位向上的第n个通道在第k次脉冲重复周期的采样时间点，T_r为脉冲重复时间，K＝5000为方位向回波的采样周期总数；

再采用公式

计算得到第m个散射点的BP成像结果，记为I^q(m)，得到第q个目标区域的高分辨图像I^q；

至此，整个方法结束。

通过本发明具体实施方式可以看出，本发明提出了一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法，即对于高分宽幅稀疏场景成像，先对全场景进行低分辨快速成像，再在成像结果上快速检测出目标区域，然后对目标区域进行高分辨成像，由此快速获得大场景中目标的高分辨图像的方法。该方法首先在距离向上采用去斜处理来获取小带宽回波，在方位向采用子孔径成像减小运算量获得快速低分辨率成像，在此结果上采用恒虚警作为检测方法进行目标区域检测和提取，最后对目标区域进行大带宽、全孔径回波数据的高分辨率成像。如图4所示，所提方法在保持高分辨成像的同时，成像效率远大于传统成像方法，相较于传统成像方法有明显优势。

Claims (1)

1.一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤1、初始化高分宽幅SAR多级分辨成像所需要的多通道SAR系统参数：

初始化高分宽幅SAR多级分辨成像所需要的多通道SAR系统参数，包括：多通道SAR的观测空间为地面三维坐标系，记为X-Y-Z，其中X表示水平面横轴，Y表示水平面纵轴，Z表示水平垂直轴；雷达发射信号的带宽记为B，雷达发射信号脉冲宽度记为T，雷达发射信号调频斜率记为K_r，雷达接收系统的采样频率记为f_s；多通道SAR成像系统沿着Y轴平行方向进行匀速直线运动，平台速度矢量记为

平台飞行高度记为h；多通道SAR的通道数目记为N，记第一个发射信号的通道为T_x，它同时也是接收回波的第一个通道R_x1；其余的通道仅仅接收回波，依次记为R_x2,R_x3,...,R_xN；雷达中心频率记为f_c，雷达系统发射信号的脉冲重复频率记为PRF，发射信号脉冲重复时间记为PRI；记每个通道之间的距离为d；记满足均匀时间采样的第n通道在第k次脉冲重复周期的采样时间为

其中，k代表脉冲重复周期，取值k＝1,2,...,K，n代表通道，取值1,2,...,N；记回波为S_r(τ(t,m),t)，距离向压缩后回波为s_r(τ(t,m),t)，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；则回波的均匀时间采样可以表示为s_r(τ(t_k,n,m),t_k,n)，其中，t_k,n为方位向慢时间，τ(t_k,n,m)为在方位向慢时间t_k,n时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间；

步骤2、初始化高分宽幅SAR多级分辨成像的观测场景目标空间参数：

初始化高分宽幅SAR多级分辨成像的场景空间参数，包括：场景中心斜距记为r_o、雷达系统的最远观测距离记为r_max、雷达系统观测目标区域的距离向宽度记为△r、距离向像素数记为N_r、方位向像素数量记为N_a、总网格数记为M、距离向网格分辨率记为dr、方位向网格分辨率记为da；

步骤3、初始化恒虚警检测参数：

初始化虚警概率记为P_fa，保护单元列数记为N_gc，保护单元行数记为N_gr，背景杂波列数记为N_tc，背景杂波行数记为N_tr；

步骤4、生成接收的回波数据和参考信号：

采用公式

计算得到参考信号，记为S_ref(t)，其中t为方位向慢时间，τ₀＝2r₀/c，r₀为场景中心斜距，c为光速，T'＝2r_max/c，r_max为雷达系统的最大观测距离，T为雷达发射信号脉冲宽度，f_c为雷达中心频率，K_r为雷达发射信号调频斜率，rect[·]为矩阵窗函数；

采用传统合成孔径雷达原始回波仿真方法生成多通道SAR的原始回波数据，记作S_r(τ(t,m),t)，即步骤1中的回波，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；

步骤5、进行距离向去斜处理得到小带宽回波：

对于步骤4中得到的原始回波信号S_r(τ(t,m),t)与参考信号S_ref(t)，采用公式

计算得到去斜后的小带宽回波，记为S_o(t)，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素，

为参考信号S_ref(t)的共轭；

采用公式

计算得到去斜后回波窄带带宽，记为B'，其中K_r为雷达系统发射调制斜率，△r为雷达系统观测目标区域的距离向宽度，c为光速；

步骤6、方位向子孔径BP成像

对于步骤5中得到的窄带带宽B'，采用公式

计算得到距离向去斜后低分辨数据的分辨率，记为ρ'，其中c为光速；

采用公式

计算得到距离向去斜前高分辨数据的分辨率，记为ρ，其中c为光速，B为雷达发射信号的带宽；

采用公式p＝ρ'/ρ，计算得到子孔径成像分辨率相对于全孔径成像分辨率的采样倍数，记为p；

采用公式

计算得到低分辨BP成像的距离向像素数，记为N_r'；

采用公式

计算得到低分辨BP成像的方位向像素数量，记为N_a'；

采用公式

计算得到低分辨BP成像的总网格数量，记为M'；

采用公式dr'＝p·dr计算得到低分辨BP成像的距离向网格分辨率，记为dr'；

采用公式da'＝p·da计算得到低分辨BP成像的方位向网格分辨率，记为da'，其中N_r为步骤2中的距离向像素数、N_a为步骤2中的方位向像素数量、M为步骤2中的总网格数、dr为步骤2中的距离向网格分辨率、da为步骤2中的方位向网格分辨率；

对于步骤5中得到的去斜后回波S_o(t)，采用公式

计算得到子孔径回波，记为S_o(t')，其中t'为方位向慢时间，t为方位向慢时间，K为方位向回波的采样周期总数；

采用标准合成孔径雷达回波数据距离向脉冲压缩方法对子孔径回波数据S_o(t')进行距离向脉冲压缩，得到距离向压缩后的多通道SAR回波数据，记作s_o(τ(t',m),t')，其中t'为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t'时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；

采用公式

计算得到第m个散射点在通道n中的子图像，记作I_n(m)，其中f_c是发射信号中心频率，m是图像域的第m个像素，m取值为

M为步骤2所声明的总网格数，s_o(τ(t'_k,n,m),t'_k,n)是步骤1中声明的回波的均匀时间采样，τ(t'_k,n,m)为在方位向慢时间t'_k,n时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，

是方位向上的第n个通道在第k次脉冲重复周期的采样时间点，T_r为脉冲重复时间，K为方位向回波的采样周期总数；

采用公式

计算得到第m个散射点的BP成像结果，记作I(m)，其中m是图像域的第m个像素，得到低分辨成像图像I；

步骤7、计算低分辨率图像的目标区域

采用公式

计算得到门限因子，记为α，其中P_fa为步骤3中的虚警概率；

记待检测单元为I(x₀,y₀)，其中x₀表示图像对应矩阵的行数，y₀表示图像对应矩阵的列数，采用公式

计算得到左侧背景杂波均值为X，采用公式

计算得到右侧背景杂波均值为Y，其中x表示图像对应矩阵的行数，y表示图像对应矩阵的列数，N_gc为步骤3中的保护单元列数，N_gr为步骤3中的保护单元行数，N_tc为步骤3中的背景杂波列数，N_tr为步骤3中的背景杂波行数；

采用公式Z＝max(X,Y)，计算得到背景杂波均值为Z；

采用公式T＝αZ计算得到检测门限为T；

对步骤6中得到的低分辨率图像I进行目标区域提取，若I(x₀,y₀)>T，则认为图像I(x₀,y₀)处存在目标，得到多个目标区域的中心位置{c₁,…,c_q,…,c_Q}、距离向宽度{rl₁,…,rl_q,…,rl_Q}和方位向宽度{al₁,…,al_q,…,al_Q}，其中q为提取出的第q个目标，q取值为1,2,...,Q；

步骤8、目标区域的全孔径数据BP成像

采用公式

计算得到高分辨BP成像的距离向像素数为NR，采用公式

计算得到高分辨BP成像的方位向像素数为NA，其中N_r为步骤2中的距离向像素数、N_a为步骤2中的方位向像素数量、M为步骤2的总网格数、dr为步骤2中的距离向网格分辨率、da为步骤2中的方位向网格分辨率、rl_q为步骤7得到的第q个目标区域距离向宽度、al_q为步骤7得到的第q个目标区域方位向宽度；

采用标准合成孔径雷达回波数据距离向脉冲压缩方法对对步骤4中得到的原始回波数据S_r(τ(t,m),t)进行距离向脉冲压缩，得到距离向压缩后的多通道SAR回波数据，记作s_r(τ(t,m),t)，即步骤1中的距离向压缩后的回波，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；

采用公式

计算得到第m个散射点在通道n中的子图像，记为

其中f_c是发射信号中心频率，m是图像域的第m个像素，m取值为

s_r(τ(t_k,n,m),t_k,n)是步骤1中声明的回波的均匀时间采样，τ(t_k,n,m)为在方位向慢时间t_k,n时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，

是方位向上的第n个通道在第k次脉冲重复周期的采样时间点，T_r为脉冲重复时间，K为方位向回波的采样周期总数；

采用公式

计算得到第m个散射点的BP成像结果，记为I^q(m)，得到第q个目标区域的高分辨图像I^q；

至此，整个方法结束。

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