CN116299467A - 基于快速独立分量分析的星载sar距离模糊抑制方法 - Google Patents

基于快速独立分量分析的星载sar距离模糊抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法，包括：步骤1、利用方位向多通道星载SAR系统的单发多收工作模式使得单个通道发射脉冲信号，多个通道同时接收混合回波信号；步骤2、利用快速独立分量分析技术对多个混合回波信号进行联合处理，抑制混合回波中距离模糊信号强度，获得距离模糊比低的回波信号；步骤3、对经过快速独立分量分析技术处理后的回波信号进行成像处理，获得距离模糊弱的图像，提高成像质量。本发明能够抑制回波信号中的距离模糊信号，有效提升星载SAR成像质量。

Description

基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法。
背景技术
合成孔径雷达（（Synthetic Aperture Radar，简称 SAR）作为传统雷达的一个重要分支，采用微波成像技术，将传统雷达的单维度定位拓展到二维成像。它是一种主动微波遥感手段。由于微波电磁波段的固有特性，使得SAR具有全天候、全天时的成像能力且在较低的工作频段上具有一定的穿透能力。分辨率和幅宽是星载SAR的两个主要性能指标。星载SAR在距离向上利用脉冲压缩技术获得高分辨率，在方位向上利用合成孔径长度实现高分辨率。一方面，从高分辨率图像中可以获得更为准确的目标特征信息。另一方面，宽幅测绘覆盖范围广，可以提供更广泛的场景信息，同时实现对特定区域更高的重访频率。因此，高分宽幅成像体制一直是星载SAR领域的研究热点。
距离模糊是限制星载SAR高分宽幅成像的主要技术难题之一，是影响星载合成孔径雷达图像质量的重要因素。距离模糊现象是由于SAR工作在脉冲体制且距离向天线方向图非理想性造成的。系统PRF的选取原则使得测绘带内的信号能够在同一个PRF内被接收，但由于SAR距离向天线的非理想天线图形状决定了测绘带外部的信号也能够被雷达接收。当所需脉冲回波与前后脉冲的回波同时到达接收天线，即形成距离模糊。带有距离模糊信号的回波经过成像算法处理后会引起雷达图像质量下降。特别是对海面等后向散射系数较弱的区域进行观测的时候，模糊区的后向散射系数往往较强，距离模糊现象会极大干扰图像质量。
针对距离模糊对星载SAR系统的影响，提出了诸多抑制方案和方法，主要包括三个方向。第一个方向是从天线方向图入手，利用相关算法优化天线方向图，使得其在距离模糊处的天线增益非常低，形成零陷。第二个方向是从发射波形入手，设计特殊的发射波形来抑制距离模糊。例如正负调频信号发射波形。第三个方向是从系统设计入手，合理巧妙的设计星载SAR系统可以有效抑制距离模糊，例如数字波束合成（DBF）和方位向编码系统。这些方案和方法或多或少存在局限性，要么增加系统复杂度，要么仅适用于特定场景。近年来，随着阵列信号处理的发展，利用阵列信号处理手段抑制距离模糊逐渐成为研究热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法，利用后端信号处理技术，引入信号处理领域中经典的快速独立分量分析技术，利用方位向多通道星载SAR系统，减弱回波信号中的距离模糊信号，可有效缓解距离模糊对成像的影响，为星载SAR距离模糊抑制提供一种可靠方案。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法，包括如下步骤：
步骤1、利用方位向多通道星载SAR系统的单发多收工作模式使得单个通道发射脉冲信号，多个通道同时接收混合回波信号；
步骤2、利用快速独立分量分析技术对多个混合回波信号进行联合处理，抑制混合回波信号中的距离模糊信号强度，获得距离模糊比低的回波信号；
步骤3、对经过快速独立分量分析技术处理后获得的距离模糊比低的回波信号进行成像处理，获得距离模糊弱的图像，提高成像质量。
进一步地，所述步骤1包括：
方位向多通道星载SAR系统的多个通道的每个通道接收到的混合回波信号为目标区域回波信号和距离模糊区域回波信号的叠加；由于目标区域回波信号和距离模糊区域回波信号到达接收天线端的来波方向不同，从而使得目标区域回波信号和距离模糊区域回波信号混合叠加的权重也不相同，满足快速独立分量分析技术的系统模型要求。
进一步地，所述步骤2包括：
利用快速独立分量分析技术进行信号分离；首先对数据进行预处理；所述预处理包括去均值处理和去相关处理；所述去均值处理使得信号各分量的均值为零；去相关处理使得各个通道信号彼此正交；所述预处理完成后，利用快速独立分量分析技术进行数据处理，减小回波信号中的距离模糊信号强度，抑制距离模糊。
进一步地，所述步骤3包括：
利用经过距离模糊抑制后的回波数据进行成像；使用二维波数域算法进行二维成像，将未进行距离模糊抑制和进行距离模糊抑制的点目标图像进行点目标切片分析，根据峰值旁瓣比评估成像质量。
有益效果：
相比于现有的天线赋形方法和系统设计方法，本发明通过快速独立分量分析的方法抑制距离模糊信号，在没有增加系统复杂度的情况下，有效抑制距离模糊。利用本方案，可以抑制距离模糊，提高成像质量。
附图说明
图1为本发明的基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法流程图；
图2为距离模糊示意图；
图3为未进行距离模糊抑制回波信号成像结果图；
图4a，图4b，图4c为未进行距离模糊抑制回波信号成像结果点目标分析图；其中，图4a为二维时域升采样后图像，图4b为距离向切片，图4c为方位向切片；
图5为进行距离模糊抑制回波信号成像结果图；
图6a，图6b，图6c为进行距离模糊抑制后回波信号成像结果点目标分析图；其中，图6a为二维时域升采样后图像，图6b为距离向切片，图6c为方位向切片。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，如图1所示，本发明的一种基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法，包括如下步骤：
步骤101：利用方位向多通道星载SAR系统的单发多收工作模式，单个通道发射脉冲信号，多个通道同时接收混合回波信号。
方位向多通道星载SAR系统采取单发多收的工作模式，可以同时获得多个混合回波信号。由于目标区域回波信号和距离模糊区域回波信号到达接收天线端的来波方向不同从而使得目标区域回波信号和距离模糊区域回波信号进行不同权重的混合。星载SAR系统工作时，由发射机发射线性调频信号，经由地面反射，目标区域回波信号和距离模糊区域回波信号被接收机同时接收。由于距离模糊区域回波信号中第一阶距离模糊区域回波信号占比最高，对成像影响最大，因此，一般仅考虑第一阶距离模糊区域回波信号。
假设方位向多通道星载SAR系统具有
Figure SMS_1
个接收通道，由于第一阶距离模糊区域回波信号的存在，在不考虑噪声的情况下，/>
Figure SMS_2
个接收通道记录的混合回波信号可以表示为目标区域回波信号与第一阶距离模糊区域回波信号经由天线方向图调制后的加权叠加，即：
Figure SMS_3
(1)
其中，
Figure SMS_5
表示/>
Figure SMS_9
个接收通道记录的混合回波信号，
Figure SMS_10
，/>
Figure SMS_6
分别表示目标区域回波信号和第一阶距离模糊区域回波信号。/>
Figure SMS_8
表示距离向时间，/>
Figure SMS_11
表示方位向时间。/>
Figure SMS_12
表示距离向天线增益，/>
Figure SMS_4
和/>
Figure SMS_7
分别表示目标区域下视角和第一阶距离模糊区域下视角。
在公式（1）中，目标区域回波信号和第一阶距离模糊区域回波信号具有相同的调制方式，区别在于模糊区域和目标区域的后向散射系数以及到达雷达接收机的斜距不同。因此目标区域回波信号和第一阶距离模糊区域回波信号可以表示为：
Figure SMS_13
(2)
其中，
Figure SMS_17
，/>
Figure SMS_20
表示信号载频，/>
Figure SMS_23
表示距离向调频率，/>
Figure SMS_16
表示光速，/>
Figure SMS_19
表示目标区域的后向散射系数，/>
Figure SMS_22
表示第一阶距离模糊区域的后向散射系数，/>
Figure SMS_25
表示距离向包络，/>
Figure SMS_14
表示方位向包络。/>
Figure SMS_18
表示目标区域到雷达接收机的斜距，/>
Figure SMS_21
表示第一阶距离模糊区域到雷达接收机的斜距。/>
Figure SMS_24
表示方位向中心时间。/>
Figure SMS_15
表示指数函数。
步骤102：利用快速独立分量分析技术对多个混合回波信号进行联合处理，抑制混合回波中距离模糊信号强度，获得距离模糊比低的回波信号。
快速独立分量分析技术利用优化算法对目标函数进行优化求解来估计解混矩阵，可以高效进行信号分离。首先需要将混合回波信号拉伸为一维信号。将每个脉冲重复频率（PRF）内获得的混合回波信号按方位向时间顺序排列成为一维信号。
设
Figure SMS_26
个拉伸后的混合回波信号组成的混合矩阵为：
Figure SMS_27
(3)
其中，
Figure SMS_28
表示第/>
Figure SMS_29
个混合回波信号的采样信号，/>
Figure SMS_30
，/>
Figure SMS_31
表示方位向采样点数，/>
Figure SMS_32
表示距离向采样点数。混合矩阵/>
Figure SMS_33
，/>
Figure SMS_34
表示矩阵转置。快速独立分量分析技术分离信号过程可分为二个步骤，如下所示：
首先，对混合矩阵
Figure SMS_35
进行预处理，包括去均值处理和去相关处理。去均值处理使得混合矩阵的信号分量均值为零，通过如下公式可进行实现：
Figure SMS_36
(4)
其中，
Figure SMS_37
表示均值操作，/>
Figure SMS_38
表示去均值处理后的混合矩阵。
然后对去均值处理后的混合矩阵进行去相关处理。去相关处理通过寻求变换矩阵使得变换后的信号分量之间彼此正交。去相关处理采用代数的方法进行，即采用特征值分解的方法实现去相关。去相关矩阵
Figure SMS_39
求解公式如下：
Figure SMS_40
(5)
其中，
Figure SMS_41
表示各个混合回波信号的协方差矩阵特征值分解后由特征值组成的对角矩阵，/>
Figure SMS_42
表示特征向量组成的正交矩阵。
对角矩阵
Figure SMS_43
和正交矩阵/>
Figure SMS_44
通过对协方差矩阵进行特征值分解得到：
Figure SMS_45
(6)
其中，
Figure SMS_46
，/>
Figure SMS_47
表示矩阵共轭转置。由此获得去相关矩阵/>
Figure SMS_48
，进而获得去相关处理后的混合矩阵/>
Figure SMS_49
：
Figure SMS_50
(7)
其次，对去相关处理后的混合矩阵
Figure SMS_51
运用快速独立分量分析技术。快速独立分量分析技术主要包括代价函数的构建、代价函数的优化和多个分量提取三个步骤。代价函数的构建采用负熵来估计分离信号的非高斯性。负熵的近似表达式表示为：
Figure SMS_52
(8)
其中，
Figure SMS_54
表示分离向量，/>
Figure SMS_56
表示经过预处理后的混合信号，/>
Figure SMS_59
表示分离出来的源信号，/>
Figure SMS_55
表示一个非二次方函数，/>
Figure SMS_57
表示一个均值为0，方差为1的高斯随机变量。为了满足负熵近似中对随机变量的要求，/>
Figure SMS_58
需要满足/>
Figure SMS_60
。/>
Figure SMS_53
表示1-范数。综上，完整的代价函数表示为：
Figure SMS_61
(9)
代价函数的优化通过对代价函数求极值点获得。根据库恩-塔克条件，代价函数式（9）达到极值点的条件为：
Figure SMS_62
(10)
其中，
Figure SMS_63
是/>
Figure SMS_64
函数的一阶导数，/>
Figure SMS_65
是个常数。采用牛顿迭代法对上式极值点进行最优求解。迭代公式为：
Figure SMS_66
(11)
Figure SMS_67
表示估计出的分离向量，/>
Figure SMS_68
表示第k次迭代得到的归一化分离向量，/>
Figure SMS_69
表示求一阶导数。
迭代过程中非线性函数的表示为：
Figure SMS_70
(12)
其中，
Figure SMS_71
。/>
Figure SMS_72
表示选择的非线性函数的自变量。
多个分量的提取可以采用逐次正交的方法来提取信号分量。由于目标区域回波信号和第一阶距离模糊区域回波信号相互统计独立，去相关后的信号之间也是不相关的，因此通过正交化的方法实现分离出的信号向量彼此正交。逐次提取方法采用高斯史密斯正交分解来实现。具体公式为：
Figure SMS_73
(13)
其中，
Figure SMS_74
表示内积。/>
Figure SMS_75
和/>
Figure SMS_76
表示第/>
Figure SMS_77
次和第/>
Figure SMS_78
次迭代得到的分离向量，最后在对得到的正交化分离出的信号向量进行归一化处理。
步骤103：对经过快速独立分量分析技术处理后的回波信号进行成像处理，获得距离模糊弱的图像，提高成像质量。
距离模糊抑制后，利用二维波数域算法进行成像处理，获得距离模糊弱的图像，提高成像质量。
实施例1
实施例为点目标仿真，在场景中心设置一个强点目标，以此来验证所提方法的可行性。距离模糊示意图如图2所示。
点目标仿真采用星载SAR系统参数。根据距离模糊产生原因，第一阶距离模糊区域回波信号和目标区域回波信号的主要区别就是后向散射系数和斜距的不同。考虑第一阶距离模糊区域回波信号，目标区域回波斜距和第一阶距离模糊区域回波斜距相差一个脉冲重复频率（PRF）所对应的时间。
将目标区域回波信号和第一阶距离模糊区域回波信号进行加权叠加即可产生带有距离模糊的回波信号。图3展示了未进行距离模糊抑制的回波信号成像结果，以此来与后面进行距离模糊抑制后的成像结果进行对比。为了进一步分析点目标成像结果，对点目标进行切片分析。图4a、图4b和图4c为未进行模糊抑制的点目标切片分析结果。图4a、图4b和图4c分别为二维时域升采样后图像、距离向切片和方位向切片。由图可见，未进行距离模糊抑制的成像结果，距离模糊严重，目标区域两侧有很高的旁瓣峰值，峰值旁瓣比水平较高。图5展示了进行距离模糊抑制的回波信号成像结果。图6a、图6b和图6c为进行模糊抑制的点目标切片分析结果。图6a、图6b和图6c分别为二维时域升采样后图像、距离向切片和方位向切片。与图3和图4对比，可以看出，距离模糊信号被较好的抑制，峰值旁瓣比降低到合理水平，成像质量得到提高。
以上所述，仅为本发明的部分实施例而已，在其他情况下本发明仍然适用，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、利用方位向多通道星载SAR系统的单发多收工作模式使得单个通道发射脉冲信号，多个通道同时接收混合回波信号；
步骤2、利用快速独立分量分析技术对多个混合回波信号进行联合处理，抑制混合回波信号中的距离模糊信号强度，获得距离模糊比低的回波信号；
步骤3、对经过快速独立分量分析技术处理后获得的距离模糊比低的回波信号进行成像处理，获得距离模糊弱的图像，提高成像质量。
2.根据权利要求1所述的一种基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法，其特征在于，所述步骤1包括：
方位向多通道星载SAR系统的多个通道的每个通道接收到的混合回波信号为目标区域回波信号和距离模糊区域回波信号的叠加；由于目标区域回波信号和距离模糊区域回波信号到达接收天线端的来波方向不同，从而使得目标区域回波信号和距离模糊区域回波信号混合叠加的权重也不相同，满足快速独立分量分析技术的系统模型要求。
3.根据权利要求2所述的一种基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法，其特征在于，所述步骤2包括：
利用快速独立分量分析技术进行信号分离；首先对数据进行预处理；所述预处理包括去均值处理和去相关处理；所述去均值处理使得信号各分量的均值为零；去相关处理使得各个通道信号彼此正交；所述预处理完成后，利用快速独立分量分析技术进行数据处理，减小回波信号中的距离模糊信号强度，抑制距离模糊。
4.根据权利要求3所述的一种基于快速独立分量分析的星载SAR距离模糊抑制方法，其特征在于，所述步骤3包括：
利用经过距离模糊抑制后的回波数据进行成像；使用二维波数域算法进行二维成像，将未进行距离模糊抑制和进行距离模糊抑制的点目标图像进行点目标切片分析，根据峰值旁瓣比评估成像质量。
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