CN116879895A - 一种基于改进ωk的条带SAR斜视成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于改进ωk的条带SAR斜视成像方法，涉及合成孔径雷达成像领域。本发明包括(1)构建条带SAR成像几何，推导大斜视条带SAR数据的处理流程；(2)将回波数据变换到二维频域，通过参考函数相乘完成对整个数据的“一致压缩”；(3)通过方位向插值，完成二维频谱旋转；(4)构建改进的Stolt插值因子，完成残余距离徙动校正、残余二次距离压缩和残余方位压缩；(5)将回波数据变换回二维时域，得到聚焦的SAR图像。本发明采用的一种基于改进ωk的条带SAR斜视成像方法，通过旋转坐标系的方法将斜视频谱转化为正侧视频谱，不仅使得距离向和方位向剖面正交，而且最大化了频谱的支持域，提高了图像质量。

Description

一种基于改进ωk的条带SAR斜视成像方法
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达成像领域，尤其涉及一种基于改进ωk的条带SAR斜视成像方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)是一种主动式高分辨率成像雷达，不受时间和天气的影响，具有全天时、全天候、穿透能力强的特点，在灾情预测、地质探测以及情报侦察等方面都有着广泛的应用前景。传统的SAR工作在正侧视模式下，只能对雷达平台的侧方区域成像，无法获取雷达平台斜前视区域的信息，然而在复杂的战场环境下，斜前视区域的信息非常重要。斜视SAR拥有提前探测区域目标的能力，扩大了雷达探测的范围。另外，大斜视SAR可探测的角度更为灵活，获取目标多角度的散射特性，从而更容易对目标进行识别。然而斜视SAR回波徙动较大，导致距离方位耦合严重，具有较强的空变性，使得很多现有的成像算法无法应用。
ωk算法由于采用更精确的信号形式，使其可以从高斜视和长孔径数据中实现精确的场景恢复。雷达斜视角加剧了距离徙动效应和多普勒中心偏移，因此传统ωk算法的斜视成像结果几何形变严重，成像质量变差。
发明内容
本发明的实施例提供一种基于改进ωk的条带SAR斜视成像方法，采用旋转坐标系的方法将斜视频谱转化为正侧视频谱，最大化频谱支持域，从而提高图像质量。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
S1、建立对应所述几何模型的大斜视条带SAR发射信号模型；
S2、将接收到的信号的回波数据由二维时域变换到二维频域，再通过参考函数对变换到二维频域的回波数据进行相乘滤波处理，并确定二维频域中的残余相位；
S3、根据所构建的旋转因子对方位向进行插值变换，并完成二维频谱的旋转；
S4、对旋转后的二维频谱，通过改进的Stolt插值消除所确定的残余相位；
S5、将经过S4处理后的回波数据由二维频域变换回二维时域，得到聚焦的SAR图像。
传统斜视ωk算法忽视了倾斜的数据支持域对图像聚焦质量的影响，然而通过“无斜视”处理可以充分利用倾斜的数据支持域。因此，本实施例中将频谱旋转应用到传统斜视ωk算法中，将斜视频谱转化为正侧视频谱，最大化了频谱支持域，进一步消除了几何形变，提高了重构图像质量。相比现有的技术方案，本实施例的优势在于：随着斜视角的增大，频谱支持域变小，加入频谱旋转操作后，斜视频谱转化为正侧视频谱，从而有效保证了成像分辨率；与传统的ωk算法方案相比，本实施例方案中的目标相对位置准确，不存在图像几何形变，且距离向和方位向剖面正交。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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它的附图。
图1为本发明实施例提供的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的条带SAR斜视成像几何模型；
图3为本发明实施例提供的频谱旋转原理示意图；其中，(a)为传统ωk频谱支持域选择示意图；(b)为频谱旋转后支持域选择示意图；
图4为本发明实施例提供的旋转插值前后二维频谱对比；其中，(a)(b)斜视角为30°；(c)(d)斜视角为45°；(e)(f)斜视角为60°；
图5为本发明实施例提供的成像场景设计及不同斜视角下的成像结果；其中，(a)为点目标成像场景设计；(b)斜视角为30°时成像结果；(c)斜视角为45°时成像结果；(d)斜视角为60°时成像结果；
图6为本发明实施例提供的不同斜视角下点目标T1、T2和T3的恢复图像；其中，(a)斜视角为30°；(b)斜视角为45°；(c)斜视角为60°。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供一种基于改进ωk的条带SAR斜视成像方法，如图1所示，包括：
S1、建立对应所述几何模型的大斜视条带SAR发射信号模型；
S2、将接收到的信号的回波数据由二维时域变换到二维频域，再通过参考函数对变换到二维频域的回波数据进行相乘滤波处理，并确定二维频域中的残余相位；
S3、根据所构建的旋转因子对方位向进行插值变换，并完成二维频谱的旋转；
S4、对旋转后的二维频谱，通过改进的Stolt插值消除所确定的残余相位；
S5、将经过S4处理后的回波数据由二维频域变换回二维时域，得到聚焦的SAR图像。
本实施例在S1中，包括：设定斜视机载条带SAR成像几何模型，在机载条带SAR系统中，建立具有线性调频特性的发射信号模型；并建立用于表示经过机载条带SAR系统正交解调后的信号的解调后的接收信号模型。
具体的，本实施例中需要构建条带SAR成像几何，推导大斜视条带SAR发射信号模型；斜视机载条带SAR成像几何模型如附图2所示，在机载条带SAR中，定义具有线性调频特性的发射信号为。因此在S1中，所述具有线性调频特性的发射信号模型s(τ)，包括：
s(τ)＝ωr(τ)cos{2πf0τ+πKrτ2}，其中，Kr为距离向脉冲的调频率，f0为载波频率，τ为距离向时间，ωr(τ)表示发射脉冲包络；
对于单个点目标P(τ0；r0)的接收信号为sr(τ)：
，其中，σ(τ0；r0)为点目标后向散射系数，R(x)为瞬时斜距，c为光速，τ0为零多普勒时刻，r0为最近斜距；其中，x为雷达的瞬时位置且x＝Vrη，Vr为等效雷达速度，η为方位向时间，R0为目标被波束中心照射时的斜距，xn为目标相对于景中心的方位向距离，θ表示斜视角。
经过SAR系统正交解调操作后，得到解调后的接收信号。在S1中，所述解调后的接收信号模型s0(τ，η)，包括：
其中，ωr表示距离窗函数，ωa表示方位窗函数，ηc表示波束中心穿越时刻，j为复数单位，表示复数相位的意思。
本实施例中，将回波数据变换到二维频域，再通过参考函数相乘完成对整个数据的“一致压缩”。因此在S2中，所述将接收到的回波数据由二维时域变换到二维频域，包括：
先利用驻定相位原理，求得信号的回波数据在距离频域的表达方式S1(fτ，η)，包括：
其中，S1(fτ，η)表示信号的回波数据在距离频域，A0为一个复常数，表示σ0的幅度值，Wr表示信号的距离频谱包络，fτ表示距离向频率；
对S1(fτ，η)进行方位向快速傅里叶变换，忽略常数乘积项，得到二维频谱表达式S2(fτ，fη)：
S2(fτ，fη)＝∫S1(fτ，η)exp(-j2πfηη)dη；
通过驻定相位定理计算驻定相位点η*：
其中，Kr为距离波数，Kx为方位波数，/> fη表示方位向频率，fτ表示距离向频率；；
利用η*更新二维频谱表达式S2(fτ，fη)，具体用η*替换二维频谱表达式中的η，可求得二维频谱表达式为：
其中，Wa表示信号的方位频谱包络，表示多普勒中心频率。
本实施例中，在S2中，所述通过参考函数对变换到二维频域的回波数据进行相乘滤波处理，并确定二维频域中的残余相位，包括：
ωk第一个聚焦步骤是在二维频域实现参考函数相乘(RFM)，其设置滤波器相位为：
其中，Rref为参考斜距，一般取景中心被波束中心照射时的斜距；
通过参考函数对变换到二维频域的回波数据进行相乘滤波后，记录二维频域中的残余相位表示为：其中，m表示目标距离向聚焦位置，n表示目标方位向聚焦位置。
在S3中，构建旋转因子，对方位向进行插值变换，完成二维频谱旋转；频谱旋转如附图3所示，对于斜视SAR成像，传统ωk算法的频谱支持域(如图(a)中矩形框区域所示)选择随斜视角的变化受到不同程度的限制。本发明通过坐标轴旋转的方式扩大频谱支持域，有效保证了成像分辨率。所述旋转因子包括：
其中，v表示频谱旋转后的目标距离向聚焦位置，u表示频谱旋转后的目标方位向聚焦位置，fu表示频谱旋转后的方位频率。不同斜视角下频谱旋转插值效果如附图4所示，可以看出该步骤将斜视频谱转化为正侧视频谱，增加了频谱有效面积。
本实施例中，对旋转后的二维频谱，采用改进的Stolt插值，消除残余相位，完成残余相位校正。具体在S4中，所述改进的Stolt插值的插值因子包括：其中，fv表示Stolt映射后的距离频率；
通过改进的Stolt插值消除所确定的残余相位后，二维频谱表达式更新为S3(fv，fu)，其中：
本实施例中，在S5中将数据变换回二维时域，得到聚焦的SAR图像。下面按照表1所示参数，对一种基于改进ωk的条带SAR斜视成像方法进行点目标仿真验证。
表1 SAR系统参数
设计了以景中心为中心的矩形成像场景如图5(a)所示分别在斜视角为30°、45°和60°情况进行成像，不同斜视下成像结果分别如图5(b)、5(c)、5(d)所示。由成像结果易知，本发明算法最后聚焦图像以景中心为中心逆时针旋转斜视角大小，但点目标之间的相对位置并未改变，不存在几何形变。
为了评估本发明的聚焦质量，分别对30°、45°和60°聚焦图像中的T1、T2和T3点目标进行升采样，并画出它们脉冲响应函数的等高线图，如附图6所示。最后，计算不同点目标的峰值旁瓣比(PSLR)和积分旁瓣比(ISLR)来定量评估图像的聚焦质量，点目标冲激响应函数(IRF)聚焦性能参数如表2所示。
表2点目标聚焦性能分析
由上表可以看出，不同斜视角下点目标的二维PSLR可达到理论值-13dB，且ISLR接近-10dB，在该条件下，强目标及散射区不会掩盖和污染弱目标与暗回波区。因此，可证明本发明在斜视机载情况下具有良好的聚焦效果。
相比现有的技术方案，本实施例的优势在于：随着斜视角的增大，频谱支持域变小，加入频谱旋转操作后，斜视频谱转化为正侧视频谱，从而有效保证了成像分辨率；与传统的ωk算法方案相比，本实施例方案中的目标相对位置准确，不存在图像几何形变，且距离向和方位向剖面正交。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于改进ωk的条带SAR斜视成像方法，其特征在于，包括：
S1、建立对应所述几何模型的大斜视条带SAR发射信号模型；
S2、将接收到的信号的回波数据由二维时域变换到二维频域，再通过参考函数对变换到二维频域的回波数据进行相乘滤波处理，并确定二维频域中的残余相位；
S3、根据所构建的旋转因子对方位向进行插值变换，并完成二维频谱的旋转；
S4、对旋转后的二维频谱，通过改进的Stolt插值消除所确定的残余相位；
S5、将经过S4处理后的回波数据由二维频域变换回二维时域，得到聚焦的SAR图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S1中，包括：
设定斜视机载条带SAR成像几何模型，在机载条带SAR系统中，建立具有线性调频特性的发射信号模型；
并建立用于表示经过机载条带SAR系统正交解调后的信号的解调后的接收信号模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在S1中，所述具有线性调频特性的发射信号模型s(τ)，包括：
s(τ)＝ωr(τ)cos{2πf0τ+πKrτ2}，其中，Kr为距离向脉冲的调频率，f0为载波频率，τ为距离向时间，ωr(τ)表示发射脉冲包络；
对于单个点目标P(τ0；r0)的接收信号为sr(τ)：
其中，σ(τ0；r0)为点目标后向散射系数，R(x)为瞬时斜距，c表示光速，τ0表示零多普勒时刻，r0表示最近斜距；其中，x为雷达的瞬时位置且x＝Vrη，Vr为等效雷达速度，η为方位向时间，R0为目标被波束中心照射时的斜距，xn为目标相对于景中心的方位向距离，θ表示斜视角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在S1中，所述解调后的接收信号模型s0(τ，η)，包括：
其中，ωr表示距离窗函数，ωa表示方位窗函数，ηc表示波束中心穿越时刻。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S2中，所述将接收到的回波数据由二维时域变换到二维频域，包括：
获取信号的回波数据在距离频域的表达方式S1(fτ，η)，包括：
其中，S1(fτ，η)表示信号的回波数据在距离频域，A0为一个复常数，表示σ0的幅度值，Wr表示信号的距离频谱包络，fτ表示距离向频率；
对S1(fτ，η)进行方位向快速傅里叶变换，忽略常数乘积项，得到二维频谱表达式S2(fτ，fη)：
S2(fτ，fη)＝∫S1(fτ，η)exp(-j2πfηη)dη；
通过驻定相位定理计算驻定相位点η*：
其中，Kr为距离波数，Kx为方位波数，/> fη表示方位向频率，fτ表示距离向频率；
利用η*更新二维频谱表达式S2(fτ，fη)，得到：
其中，Wa表示信号的方位频谱包络，表示多普勒中心频率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在S2中，所述通过参考函数对变换到二维频域的回波数据进行相乘滤波处理，并确定二维频域中的残余相位，包括：
设置滤波器相位为：
其中，Rref为参考斜距用于表示景中心被波束中心照射时的斜距；
通过参考函数对变换到二维频域的回波数据进行相乘滤波后，记录二维频域中的残余相位表示为：其中，m表示目标距离向聚焦位置，n表示目标方位向聚焦位置。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S3中，所述旋转因子包括：
其中，v表示频谱旋转后的目标距离向聚焦位置，u表示频谱旋转后的目标方位向聚焦位置，fu表示频谱旋转后的方位频率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S4中，所述改进的Stolt插值的插值因子包括：
其中，fv表示Stolt映射后的距离频率；
通过改进的Stolt插值消除所确定的残余相位后，二维频谱表达式更新为S3(fv，fu)，其中：
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