CN117092649B - 一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法，属于合成孔径雷达成像技术领域，本发明提出两段式速度估计方法，首先采用部分数据进行渐进式速度搜索，保证效率的同时，获得整体最优成像速度参数。其次，针对速度空变特点，提出分块速度估计联合累积相位误差补偿方法，校正由于速度空变导致的相位误差，实现精确的聚焦成像。本发明能够实现无精密测定轨数据条件下月球轨道SAR成像。
Description
技术领域
本发明属于合成孔径雷达成像技术领域，具体涉及一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法。
背景技术
获取月球表层物质结构、状态及其分布情况，有助于更好地了解月球的形成、组成和演变，同时也对地月系统的科学认识、以及月球资源的开发和利用都具有十分重要的科学意义。为了实现对月球的宏观测量，需要获取月球的全貌图。从20世纪50年代末开始，国际上已开展大量月球探测工程任务用于获取月球地形地貌图，已经积累了大量多源、多分辨率、多重覆盖的月球遥感影像，其中以光学遥感等技术手段为主。
永久阴影区是指长期没有太阳直射的区域。由于月球轨道平面与黄道面的夹角非常小，导致月球极区的一些低地势区域长期不能接收到太阳光的直接照射，形成永久阴影区。永久阴影区只能接受来自月球内部和外部空间非常微弱的热量，长期保持非常低的温度。当前光学传感器受制于有限的光照条件约束，无法获取永久阴影区的高分辨率图像数据，只能获取裸露的月球表层图像信息，针对被月尘覆盖的区域不具备探测能力。
合成孔径雷达具有主动式、全天时、多极化、穿透成像的能力，可有效弥补光学遥感手段对月探测的不足，可实现对永久阴影区以及全月成像。但是，月球轨道SAR在成像处理方面也面临一些新的问题。受月球质量瘤的影响，月球轨道上运行的卫星通常难以保持稳定的轨道，存在很大的不确定性。与环绕地球运行的卫星相比，环月卫星无法接收地球导航卫星信号，无法获得较高的定轨精度。同时，与地球表面存在大量强散射的人工目标不同，月球上没有太多的强散射点，因此基于强特征点的运动误差估计与补偿方法鲁棒性难以保证。
环绕地球和月球的SAR卫星，在工作条件方面存在以下三点显著不同：（1）月球质量分布不均衡特点明显，因此对卫星的引力作用不稳定，轨道保持及跟踪难度大；（2）环月轨道无法接收来自GPS卫星信号，无法实现高精度的轨道测量；（3）月球表面没有强散射的人工目标，基于强散射点目标的运动轨迹反演方法鲁棒性难以保证。因此，环绕月球运行的SAR卫星面临轨道漂移大、定轨能力差、无强散射参考点等问题，大大制约了已有星载SAR成像算法的性能。
精确的卫星轨道信息是SAR成像的基础，针对环绕地球运行的SAR卫星，可以接收来自GPS、北斗等导航卫星的信号，得以获得精确的轨道信息。除此之外，针对陆地目标进行成像时，强散射的人工目标可以辅助反演卫星的运动轨迹，可以为SAR成像提供参照信息。
发明内容
针对地球轨道SAR开发的成像处理方法无法完全适用于月球轨道SAR的问题，本发明提出一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法，精确实现测定轨条件下月球轨道SAR成像。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法，包括如下步骤：
步骤1：基于雷达发射波形参数构造匹配滤波器，进行回波距离向的匹配滤波；
步骤2：采用幅度法进行多普勒中心估计与补偿；
步骤3：采用渐进迭代方法估计整体最优卫星平均速度；
步骤4、将时域信号变换至二维频域，进行基于成像几何的距离徙动校正，校正由于星地相对运动导致的距离徙动；
步骤5、进行基于加权累积互相关的脉冲配准，校正由于无法获取精密测定轨数据而测不准的卫星非理想运动误差；
步骤6、基于累积互相关获得的残余距离徙动包络曲线，进行残余相位误差的精细估计与补偿；
步骤7、进行方位聚焦处理，完成图像二维聚焦处理，得到月球雷达图像。
有益效果：
针对SAR成像，平台运行速度是重要的参数，地球SAR往往基于精密测量或者基于强散射点进行速度估计。针对月球SAR，本发明提出两段式速度估计方法，首先采用部分数据进行渐进式速度搜索，保证效率的同时，获得整体最优成像速度参数。其次，针对速度空变特点，提出分块速度估计联合累积相位误差补偿方法，校正由于速度空变导致的相位误差，实现精确的聚焦成像。
附图说明
图1为本发明的一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法的总流程图；
图2为数据分块示意图；
图3a为机载平台惯导测量正东方向速度分量示意图；
图3b为机载平台惯导测量正北方向速度分量示意图；
图3c为机载平台惯导测量垂直地面向上速度分量示意图；
图4为未进行轨道误差估计与校正成像结果图；
图5为本发明方法轨道误差估计与校正成像结果图；
图6a为图4中一个点的放大结果；
图6b为图5中一个点的放大结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法包括如下步骤：
步骤1：进行回波距离向的匹配滤波。
月球轨道SAR获取月表探测原始回波，/>表示距离时间，/>表示方位时间，首先构建距离向匹配滤波器/>：
，
其中，表示发射脉冲调频斜率，exp（）表示指数函数。
距离匹配滤波过程为月表探测原始回波与距离匹配滤波器进行卷积：
，
其中，表示距离向匹配滤波后信号二维时域表达式，/>表示卷积。
为实现快速卷积，可利用傅里叶变换性质，时域卷积对应频域相乘，可变换至距离频域快速实现卷积操作。
步骤2：进行多普勒中心估计与补偿。
针对步骤1距离向匹配滤波后的回波数据，采用幅度法进行多普勒中心估计，首先对回波数据进行方位向快速傅里叶变换（FFT）操作，得到距离多普勒域数据：
，
表示信号在距离多普勒域的表达式；
其中，表示沿方位向FFT操作，/>表示多普勒频率；
其次对距离多普勒域数据进行幅度检波，将带相位的复图像转换为幅度图像：
，
其中，表示取复数实部操作，/>表示取复数虚部操作。
对幅值检波结果沿距离向进行平均操作，得到多普勒域频谱幅度曲线：
，
其中，表示回波距离向采样点数，/>表示回波接收时间窗。
对多普勒域频谱幅度曲线进行多项式拟合，获得平滑的拟合曲线，在条带成像模式下，多普勒频谱平滑拟合曲线与天线方向图形状基本一致，其中峰值对应波束中心指向。对平滑多项式曲线进行取峰值操作：
，
其中，表示取最大值操作，/>表示多项式拟合操作，/>表示寻找符合要求序列索引操作，/>即为多普勒中心。
针对步骤1中的距离向匹配滤波后的回波数据进行多普勒中心平移，基于傅里叶变换性质，频域平移相当于时域与对应线性相位相乘：
步骤3：估计整体最优卫星平均速度。
设表示回波方位向脉冲数，/>表示距离向采样点数，以/>为原点，在/>中选取一部分数据构成数据块/>，其中数据块/>的方位向尺寸为合成孔径长度，即方位向天线波束宽度对应的脉冲数，距离向长度为一个发射脉冲宽度对应的采样点数。
通过循环迭代方式确定整体最优卫星平均速度。首先，选定第一次成像速度调整范围及调整步长/>，以测定轨系统获取的速度/>为基准，在范围内，以/>为步长逐次对数据块/>进行成像处理，评估幅度图像的对比度，选取对比度最大的图像对应的速度作为新的基准；选定第二次成像速度调整范围/>及调整步长/>，以/>为基准，在范围内，以/>为步长逐次进行成像处理，评估幅度图像的对比度，选取对比度最大的图像对应的速度作为新的基准/>，评估前后两次基准速度差值/>，若该基准速度差值小于预设的迭代终止速度，则/>作为整体最优卫星平均速度/>；否则，按照以上步骤继续进行下一次速度迭代。终止速度的确定主要基于SAR工作模式中图像方位分辨率要求，在1米中等分辨率为例，一般设置终止速度为0.1m/s。
步骤4：进行基于成像几何的距离徙动校正。
首先对距离压缩数据进行二维FFT，得到二维频域信号：
，
其中，表示方位向和距离向二维傅里叶变换，/>表示距离频率轴。
接下来进行一致相位匹配，匹配函数为：
，
其中，表示最近斜距，/>表示真空光速，/>表示雷达发射载波中心频率。
完成一次相位匹配后，位于参考距离处的点目标得到完全聚焦，但是其他距离处的点目标由于存在残余距离徙动、残余方位距离耦合和残余方位调制导致散焦。采用经典的距离徙动算法，主要是采用距离向插值操作，如下式所示：
，
其中，为插值后新的频率轴，/>表示距离向插值前后/>与/>两个频率轴之间的转换过程；
为便于后续估计残余相位误差，在方位向进行逆匹配滤波，匹配滤波相位表示为：
，
其中，表示多普勒调频率；
最后进行二维傅里叶逆变换，将经过匹配滤波相位匹配滤波之后的回波重新变换到二维时域，得到基于成像几何距离徙动校正的信号/>。
步骤5：进行基于加权累积互相关的脉冲配准：
针对基于成像几何距离徙动校正的信号，首先选定首脉冲/>作为基准脉冲，基准脉冲进行插值升采样操作，一般选择插值倍数为8，通过在频域数据两端补零实现快速插值，并进行幅度检波操作：
，
其中，表示首脉冲升采样之后的信号表达式，/>表示对序列进行补零操作，/>为快速逆傅里叶变换操作；
选定第二个脉冲为待配准脉冲，与基准脉冲一样进行插值升采样操作，并进行幅度检波操作：
，
其中，表示第二个脉冲升采样之后的信号表达式；
将待配准脉冲与基准脉冲进行互相关匹配操作：
，
其中，表示共轭操作，/>表示待配准脉冲与基准脉冲互相关函数。
取最大值对应位置为两脉冲相关最强点：
，
其中，为两脉冲相关最强点，/>为排序操作寻找最强点算法，/>表示求取一个序列的最大值。
将待配准脉冲与基准脉冲进行对齐，然后乘以加权因子，一般取0.8~0.95之间，与基准脉冲的幅值叠加作为新的基准脉冲。接下来取第三个脉冲作为待配准脉冲与新的基准脉冲进行匹配，重复以上操作，得到所有方位脉冲的相关最强位置索引，/>为获取的脉冲总数，/>为方位向脉冲数的索引。/>即为非理想直线轨迹导致的残余距离徙动。
针对残余距离徙动，进行包络对齐，具体采用sinc插值实现。接下来补偿残余距离徙动导致的相位误差：
，
其中，表示载波中心频点对应的波长。
步骤6：进行残余相位误差的精细估计与补偿：
针对步骤5获得的回波数据，进行方位向分块获得数据块，数据块的方位尺寸为天线方位向波束宽度十分之一对应的脉冲数，两个相邻数据块之间有50%重叠，如图2所示。
逐数据块进行处理，针对第一数据块，首先进行方位向：
，
将在多普勒域分为前后两部分，分别对前后部分进行IFFT：
，
其中，表示多普勒频率。
对前后分块后的数据块进行方位匹配滤波，得到部分多普勒频谱的两幅图像与/>，方位匹配滤波函数/>如下：
，
将得到的两幅图像与/>进行方位向互相关操作，寻找两幅图像的峰值互相关偏移位置/>。根据/>计算多普勒调频率偏差/>，其中/>为雷达系统多普勒带宽：
，
其中，表示多普勒带宽，对所有数据块重复进行以上流程，获得所有数据块对应的多普勒调频率偏差。对多普勒调频率偏差进行方位向二次积分，即可得到残余相位误差。
步骤7：进行方位聚焦处理：
包络和相位误差补偿完成后，采用方位匹配滤波完成回波数据成像处理，得到完全聚焦的图像，方位匹配滤波函数如下：
，
实施例
目前尚无法获取真实月球轨道SAR回波数据，为检验发明方法的有效性，采用仿真试验进行验证，系统参数设置如表1所示。
表1
，
添加的运动误差为机载飞行试验中惯导系统记录的平台运动信息，其中东向、北向和天向速度分量在图3a，图3b，图3c中给出，考虑到平台高度差异，对运动误差进行了星地等效性缩比。
场景中设置九个点目标，目标之间间隔3公里，未进行任何轨道误差估计与校正的成像结果如图4所示。
根据本发明处理流程，在成像处理中加入轨道误差估计与补偿，得到的点目标成像结果如图5所示，可以看出图像质量得到明显改善。
轨道误差对图像质量的影响主要体现在方位向，图6给出其中一个点目标的二维切片结果，其中图6a为未进行轨道误差补偿的结果，可以发现方位向散焦严重，图6b为进行轨道误差补偿的结果，方位向聚焦质量有明显提升。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：基于雷达发射波形参数构造距离向匹配滤波器，进行回波距离向的匹配滤波；
步骤2：采用幅度法进行多普勒中心估计与补偿；
步骤3：采用渐进迭代方法估计整体最优卫星平均速度，包括：设表示回波方位向脉冲数，/>表示回波距离向采样点数，以/>为原点，在距离向匹配滤波后信号二维时域表达式/>中选取一部分数据构成数据块/>，其中数据块的方位向尺寸为合成孔径长度，即方位向天线波束宽度对应的脉冲数，距离向长度为一个发射脉冲宽度对应的采样点数；
通过循环迭代方式确定整体最优卫星平均速度；首先，选定第一次成像速度调整范围及调整步长/>，以测定轨系统获取的速度/>为基准，在范围内，以/>为步长逐次对数据块/>进行成像处理，评估幅度图像的对比度，选取对比度最大的图像对应的速度作为新的基准/>；选定第二次成像速度调整范围/>及调整步长/>，以/>为基准，在范围内，以/>为步长逐次进行成像处理，评估幅度图像的对比度，选取对比度最大的幅度图像对应的速度作为新的基准/>，评估前后两次基准的差值/>，若该基准的差值小于预设的迭代终止速度，则/>作为整体最优卫星平均速度/>；否则，按照以上步骤继续进行下一次速度迭代；
步骤4、将时域信号变换至二维频域，进行基于成像几何的距离徙动校正，校正由于星地相对运动导致的距离徙动；
步骤5、进行基于加权累积互相关的脉冲配准，校正由于无法获取精密测定轨数据而测不准的卫星非理想运动误差；
步骤6、基于累积互相关获得的残余距离徙动包络曲线，进行残余相位误差的精细估计与补偿；
步骤7、进行方位聚焦处理，完成图像二维聚焦处理，得到月球雷达图像。
2.根据权利要求1所述的一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法，其特征在于，所述步骤1包括：
月球轨道SAR获取月表探测原始回波，/>表示距离时间，/>表示方位时间，基于雷达发射波形参数构造距离向匹配滤波器，对月表探测原始回波/>进行距离向的匹配滤波获得距离向匹配滤波后的回波数据。
3.根据权利要求2所述的一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法，其特征在于，所述步骤2包括：
对步骤1中的距离向匹配滤波后的回波数据，采用幅度法进行多普勒中心估计，首先对回波数据进行方位向快速傅里叶变换操作，得到距离多普勒域数据，其次对距离多普勒域数据进行幅度检波，将带相位的复图像转换为幅度图像，对幅度检波的结果沿距离向进行平均操作，得到多普勒域频谱幅度曲线，其中/>表示多普勒频率；
对多普勒域频谱幅度曲线进行多项式拟合，获得平滑的拟合曲线，对平滑的拟合曲线进行取峰值操作：
，
其中，表示取最大值操作，/>表示多项式拟合操作，/>表示寻找符合要求序列索引操作，/>为多普勒中心频率；
对步骤1中的距离向匹配滤波后的回波数据进行多普勒中心平移，基于傅里叶变换性质，频域平移相当于时域与对应线性相位相乘。
4.根据权利要求3所述的一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法，其特征在于，所述步骤4包括：
首先对距离压缩数据进行二维傅里叶变换，得到二维频域信号，接下来进行一致相位匹配，匹配函数为：
，
其中，表示最近斜距，/>表示真空光速，/>表示雷达发射载波中心频率，/>表示距离频率轴；
采用经典的距离徙动校正算法，采用距离向插值操作，如下式所示：
，
其中，为插值后新的距离频率轴，/>表示距离向插值前后/>与/>两个距离频率轴之间的转换过程，在方位向进行逆匹配滤波；
最后进行二维傅里叶逆变换，将经过匹配滤波相位匹配滤波之后的回波重新变换到二维时域，得到基于成像几何距离徙动校正的信号/>。
5.根据权利要求4所述的一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法，其特征在于，所述步骤5包括：
针对基于成像几何距离徙动校正的信号，首先选定首脉冲/>作为基准脉冲，基准脉冲进行插值升采样操作，通过在频域数据两端补零实现快速插值，并进行幅度检波操作；
选定第二个脉冲为待配准脉冲，与基准脉冲一样进行插值升采样操作，并进行幅度检波操作；
将待配准脉冲与基准脉冲进行互相关匹配操作：
，
其中，IFFT()表示快速傅里叶变换操作，FFT()表示傅里叶变换操作，表示共轭操作，/>表示矩阵相乘，/>表示待配准脉冲与基准脉冲互相关函数；
取最大值对应位置为两脉冲相关最强点，将待配准脉冲与基准脉冲进行对齐，然后乘以加权因子，与基准脉冲的幅值叠加作为新的基准脉冲；接下来取第三个脉冲作为待配准脉冲与新的基准脉冲进行匹配，重复以上操作，得到所有方位脉冲的相关最强位置P(ia),即非理想直线轨迹导致的残余距离徙动，ia=1，2……Na-1，/>表示回波方位向脉冲数，ia为方位向脉冲数的索引；
针对残余距离徙动，进行包络对齐，采用sinc插值实现，利用相位误差与包络误差的线性对应关系，补偿残余距离徙动导致的相位误差。
6.根据权利要求5所述的一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法，其特征在于，所述步骤6包括：
针对步骤5获得的回波数据，进行方位向分块获得数据块，逐数据块进行处理，针对第一数据块，首先进行方位向傅里叶变换，即FFTa：
，
将第一数据块在多普勒域分为前后两部分，分别对前后部分进行快速傅里叶变换，对前后分块后的数据块进行方位匹配滤波，得到部分多普勒频谱的两幅图像/>与/>，将得到的两幅图像/>与/>进行方位向互相关操作，寻找两幅图像/>与/>的峰值互相关偏移位置；根据峰值互相关偏移位置/>计算多普勒调频率偏差，对所有数据块重复进行以上步骤，获得所有数据块对应的多普勒调频率偏差；对多普勒调频率偏差进行方位向二次积分，即得到残余相位误差。
7.根据权利要求6所述的一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法，其特征在于，所述步骤7包括：
包络和相位误差补偿完成后，采用方位匹配滤波完成回波数据成像处理，得到完全聚焦的图像。
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| CN202311308680.9A CN117092649B (zh) | 2023-10-11 | 2023-10-11 | 一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法 |
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5237329A (en) * | 1991-07-08 | 1993-08-17 | Deutsche Forschungsanstalt Fur Luft- Und Raumfahrt E.V. | Method of correcting range migration in image generation in synthetic aperture radar |
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| CN103107969A (zh) * | 2013-01-07 | 2013-05-15 | 北京工业大学 | 一种快变ofdm系统的渐进迭代时变信道估计和ici消除方法 |
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-
2023
- 2023-10-11 CN CN202311308680.9A patent/CN117092649B/zh active Active
Patent Citations (8)
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 两步渐进迭代逼近法和收敛性;刘仲云等;《邵阳学院学报(自然科学版)》(第6期);正文全文 * |
| 地球同步轨道SAR曲线轨迹模型下的改进CS成像算法;包敏等;《电子与信息学报》;第88卷(第11期);正文全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117092649A (zh) | 2023-11-21 |
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