CN115877382A - 基于调频连续波相邻脉冲变换差分的运动误差估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于调频连续波相邻脉冲变换差分的运动误差估计方法，属于调频连续波雷达成像技术领域。本方法包括：将回波信号按照奇偶次序划分为两组数据；对偶序组数据进行处理以得到变换信号；将奇序组与偶序组的变换信号进行共轭相乘以得到差分信号；以及从差分信号中提取运动误差，将其融入成像流程并在频域操作前进行误差补偿。本发明不需要进行互相关操作和上采样插值，能够在不增加计算量的基础上，获取较高的运动参数估计精度；且在高分辨率情况下，能够处理较大运动误差导致的二维散焦现象，最终获取较高的成像质量。

Description

基于调频连续波相邻脉冲变换差分的运动误差估计方法

技术领域

本发明涉及调频连续波雷达成像技术领域，特别涉及一种基于调频连续波相邻脉冲变换差分的运动误差估计方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)作为一种主动式的微波遥感手段，工作过程不受云雾遮挡、光线暗弱的影响，能够全天时、高效率地进行远距离探测，在民用领域如地质测绘、植被估计，以及军用领域如预警侦查、定位跟踪均具有极大的应用价值。

现如今，一方面，受到应用环境以及可受经费的限制，轻小型无人飞行平台因体积、重量较小，设备灵活机动，对起落场地和飞行空间的要求较低，且设备研制生产的周期短，可量产，经济成本较低，更重要的是，战时作业能够避免人员损伤，提高自动化作战能力；另一方面，随着应用领域的拓展，对成像精度的要求进一步提升，大带宽信号的采用是实现高分辨成像的基础，而高频段微波电子器件的发展也为此提供了有利条件。因此，轻小型机载平台与高分辨率SAR的结合提供了一种有力的信息获取方式，并受到了广泛关注。

但正由于无人机的小体积和低重量，一是其飞行状态极易受到气流扰动而产生的运动误差；二是载荷能力，功率支持有限，其配备的运动传感器测量精度低，较大的运动误差残留在回波信号中，最终导致成像质量降低，增加解译难度。因此，对于无人机SAR成像，运动补偿过程是必不可少的，而基于回波信号的运动估计则是其中的重点和难点。本发明的申请人发现现有技术存在以下技术缺陷：

高频段SAR对运动误差敏感，实现高分辨率成像对运动参数的精度要求非常高。在实际情况下运动误差极易引起同一目标能量的跨距离门现象，并造成距离和方位向的二维散焦，广泛应用的相位梯度自聚焦(Phase Gradient Autofocus，PGA)不能直接使用；而当采用高效率的频域成像算法时，频域操作将改变误差在信号中距离向徙动误差和方位向相位误差的线性关系，进一步增加运动误差的估计和补偿难度。目前，现有算法中，有两类常规方案：一是对信号进行距离向降采样，再执行PGA；二是先采用相关算法进行包络校正，再进行PGA。此外还有很多基于以上思想的改进方法，但是其固有的缺陷仍然存在。举例而言，第一类算法中降采样操作会降低成像分辨率，并且对于较大的飞行轨迹误差，同一目标的能量分散严重，小倍数的降采样也难以确保将其限制在一个距离门内；第二类算法中，基于幅值灰度信息的互相关方法的估计精度仅为像素级，为了获取更高的估计精度需要进行上采样插值，增加计算量，并且在复杂的低信杂比场景中准确度降低，还存在误差累积的风险。

此外，常见的调频连续波波形主要有锯齿波和三角波。其中，三角波可看作是调频率互为相反数的锯齿波交替发射得到的波形。根据三角波的模糊函数，其较锯齿波而言，具有更优秀的目标分辨能力，并且能够消除多目标环境中的速度-距离耦合现象，是动目标检测领域普遍采用的波形。据此理论，对于静目标成像可将其逆化为飞行平台误差的估计，现已有工作证明基于三角波信号能够绕开跨单元的残余距离徙动，从相位中得到高精度的运动误差参数。不过也应注意到根据SAR成像模型，通常需要将其分割为正、负调频信号后分别成像，那么信噪的降低势必会影响最终的成像质量。因此，考虑采用锯齿波信号，利用调频连续波去斜(Dechirp)接收特点，根据锯齿波与三角波间的对应关系，借鉴三角波信号在成像中的应用思路，最终实现基于锯齿波的运动误差估计与补偿。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于调频连续波相邻脉冲变换差分的运动误差估计方法，以期解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于调频连续波相邻脉冲变换差分的运动误差估计方法，包括以下步骤：

(1)采用Dechirp方式接收调频连续波信号，去除残余视频相位后的回波信号的表达式如下：

S(t_r,t_a)＝exp{-i2π(γt_r+f_c)[τ+δτ(t_a)]}

其中，γ表示发射信号的调频率；f_c表示信号的中心频率；t_r表示距离向快时间；t_a表示方位向慢时间；τ为回波的时间延迟；δτ表示由运动误差导致的时间延迟，是以慢时间为自变量的函数，假设运动误差为δr,两者间的关系近似为δτ＝2δrc；

对于占空比为百分之百的连续波信号，假设脉宽为T_r，慢时间表示为t_a＝nT_r，且n＝1,2,3,...,N为脉冲的序列号，N为总的脉冲数，令其为偶数；

按照奇偶序列划分为两组信号，令m表示奇/偶信号新的脉冲索引号，划分后的两组信号表示为如下形式：

其中，m＝1,2,...,N/2；由于飞行平台的运动具有连续性和缓变性，因此认为相邻脉冲的运动误差相同；

(2)对偶序列数据进行距离向傅里叶变换，得到距离压缩信号：

其中，f_r表示距离向频率；

(3)对

的相位取共轭，变换后的信号表示为：

(4)对

进行距离向逆傅里叶变换，变换后的时域信号表示为：

(5)将变换后的偶序列S′_e(t_r,m)与原始的奇序列S_o(t_r,m)进行共轭相乘，得到差分信号：

/>

差分相位为：

此时，差分信号已经不存在距离维信息，目标的所有能量集中到场景中心的单一距离门内；

(6)获取景中心位置的相位，即差分相位

并从中提取运动误差。

进一步地，步骤(6)的具体方式为：

对于场景中任一静止目标，假设其所在位置与飞行轨迹之间的最近斜距为r₀，那么当飞行平台不存在误差时，由理想的匀速直线运动导致的时间延迟表示如下：

其中，v为飞行平台的前向速度；

从差分相位中消除理想飞行轨迹引入的固有分量，从而得到运动误差导致的附加相位；由非理想运动导致的时延误差表示如下：

至此，完成了运动误差的估计。

本发明的有益效果在于：

1、本发明给出了基于锯齿型调频连续波相邻奇偶序列差分的运动误差估计和补偿方法，该方法不需要与误差结构和形式相关的先验知识，不受成像算法限制，估计出高阶运动误差。

2、本发明的估计过程基于相位信息，运算复杂度低，能够在不需要上采样的前提下满足精度、效率的要求，具备简单易行鲁棒性高等显著优势。

3、本发明提供了一种锯齿波转化三角波的思路，能够发挥三角波具备的能力，在成像过程中不浪费回波频谱能量，保持信噪比。

4、对于安装在小型无人机平台的SAR高分辨率成像而言，本方法不依赖外部硬件运动传感器的测量，能够准确地估计飞行过程中的运动误差，并将误差补偿融入成像过程中，同时完成残余距离向徙动和方位向相位误差，这对于进一步缩小系统体积和重量，降低经济生产成本具有重要意义。

附图说明

图1给出了将运动估计和补偿方法融入成像过程的整体流程图。

图2给出了偶序数据的变换过程，以及差分信号的获取流程。

图3给出了差分信号获取过程中，距离压缩图像的对应示意。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

一种基于调频连续波相邻脉冲变换差分的运动误差估计方法，主要包括以下步骤：

(1)设Dechirp接收后的回波信号表示如下，由于残余视频相位的影响较小，分析过程中不再考虑：

S(t_r,t_a)＝exp{-i2π(γt_r+f_c)[τ+δτ(t_a)]}

其中，t_r表示距离向快时间，t_a表示方位向慢时间，γ为调频率，f_c为信号的中心频率，τ为回波的时间延迟，δτ表示运动误差，是以慢时间为自变量的函数。对于占空比为100％的调频连续波信号，设脉宽为T_r，慢时间又可表示为t_a＝nT_r，且n＝1,2,3,...,N为脉冲的序列号。因此，运动误差又可理解为是脉冲序列号的函数。

按照奇偶序列划分为两组信号，设为S_o(t_r,m)和S_e(t_r,m)。令m表示奇/偶信号新的脉冲索引号，那么可表示为：

其中，m＝1,2,...,N/2；根据飞行平台运动的连贯性，可认为相邻脉冲的运动误差相同，即奇偶序列中所包含的运动误差参数相同。

(2)对偶序列数据进行距离向傅里叶变换，得到：

S_E(f_r,m)＝sinc[πf_r+πγ(τ+δτ)]exp[-i2πf_c(τ+δτ)]

(3)对上述距离压缩后的数据取共轭，得到：

S_E(t_r,m)＝sinc[πf_r+πγ(τ+δτ)]exp[i2πf_c(τ+δτ)]

(4)对偶序列数据进行距离向逆傅里叶变换，得到：

S_e'(t_r,m)＝exp{i2π(-γt_r+f_c)[τ+δτ(m)]}

(5)将处理后的偶序列与奇序列进行干涉，得到差分信号：

其中，

应注意到，差分信号已经不存在距离向信息，因此，所有能量将被集中到场景中心的一个距离门内，求取能量所在位置的相位即可得到差分相位。

(6)从上述差分信号中提取运动误差。

对于固定位置的静止目标，设最近斜距为r₀，其运动轨迹是固定已知的，对应的时间延迟可表示如下：

那么，从差分信号的相位中消除理想飞行轨迹引入的固有分量，即可得到运动误差导致的附加相位，进而提取飞行平台的运动误差导致的时延误差：

在频域操作前进行运动误差补偿，补偿函数可表示为：

H_c(t_r,m)＝exp[i2π(γt_r+f_c)δτ(m)]

下面以距离多普勒算法为例，对本方法再次进行阐述：

如图1～3所示，该方法包括以下步骤：

1、首先获取去斜接收后的回波数据，并去除残余的视频相位。

2、进入运动估计和补偿模块，具体包括：

(1)按照奇偶序列对数据进行划分组合，形成奇序和偶序两组数据，获取差分信号。具体流程为：

a.对回波数据进行距离向压缩，按照能量、对比度等指标选择信噪比高的距离门，并进行加窗选取；

b.对加窗选择后的数据进行逆傅里叶变换；

c.将数据按照奇偶顺序划分为两组；

d.对偶序组数据执行：距离向傅里叶变换，取共轭，距离向逆傅里叶变换，得到变换信号；

e.将奇序组与变换后的偶序组数据进行共轭相乘得到差分信号；

(2)对差分信号进行傅里叶变换，并求取压缩位置的相位；

(3)消除由理想轨迹导致的固定相位，并解算得到运动误差。

(4)根据运动误差构造匹配函数，对回波数据进行运动误差补偿。

3、进行距离向傅里叶变换实现距离向压缩。

4、进行二次相位补偿和距离徙动校正。

5、进行方位向匹配滤波实现二维压缩。

总之，本发明不需要进行互相关操作和上采样插值，能够在不增加计算量的基础上，获取较高的运动参数估计精度；且在高分辨率情况下，能够处理较大运动误差导致的二维散焦现象，最终获取较高的成像质量。

Claims (2)

1.一种基于调频连续波相邻脉冲变换差分的运动误差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用Dechirp方式接收调频连续波信号，去除残余视频相位后的回波信号的表达式如下：

S(t_r,t_a)＝exp{-i2π(γt_r+f_c)[τ+δτ(t_a)]}

其中，γ表示发射信号的调频率；f_c表示信号的中心频率；t_r表示距离向快时间；t_a表示方位向慢时间；τ为回波的时间延迟；δτ表示由运动误差导致的时间延迟，是以慢时间为自变量的函数，假设运动误差为δr,两者间的关系近似为δτ＝2δr/c；

对于占空比为百分之百的连续波信号，假设脉宽为T_r，慢时间表示为t_a＝nT_r，且n＝1,2,3,...,N为脉冲的序列号，N为总的脉冲数，令其为偶数；

按照奇偶序列划分为两组信号，令m表示奇/偶信号新的脉冲索引号，划分后的两组信号表示为如下形式：

其中，m＝1,2,...,N/2；由于飞行平台的运动具有连续性和缓变性，因此认为相邻脉冲的运动误差相同；

(2)对偶序列数据进行距离向傅里叶变换，得到距离压缩信号：

S_E(f_r,m)＝sinc[πf_r+π(τ+δτ)]exp［-i2πf_c(τ+δτ)］

其中，f_r表示距离向频率；

(3)对S_E(f_r,m)的相位取共轭，变换后的信号表示为：

S_E(f_r,m)＝sinc[πf_r+π(τ+δτ)]exp[i2πf_c(τ+δτ)]

(4)对S_E(f_r,m)进行距离向逆傅里叶变换，变换后的时域信号表示为：

S_e'(t_r,m)＝exp{i2π(-γt_r+f_c)[τ+δτ(m)]}

(5)将变换后的偶序列S_e'(t_r,m)与原始的奇序列S_o(t_r,m)进行共轭相乘，得到差分信号：

差分相位为：

此时，差分信号已经不存在距离维信息，目标的所有能量集中到场景中心的单一距离门内；

(6)获取景中心位置的相位，即差分相位

并从中提取运动误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于调频连续波相邻脉冲变换差分的运动误差估计方法，其特征在于，步骤(6)的具体方式为：

对于场景中任一静止目标，假设其所在位置与飞行轨迹之间的最近斜距为r₀，那么当飞行平台不存在误差时，由理想的匀速直线运动导致的时间延迟表示如下：

/>

其中，v为飞行平台的前向速度；

从差分相位中消除理想飞行轨迹引入的固有分量，从而得到运动误差导致的附加相位；由非理想运动导致的时延误差表示如下：

至此，完成了运动误差的估计。

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