CN117233722A - 一种变采样起始的高分星载sar数据采集处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法，属于星载合成孔径雷达滑动聚束模式的回波采样领域，包括几何关系计算，计算每个方位采样点有效数据所在距离门范围；多项式拟合，根据斜视角大小与合成角大小，选取适当阶数对各方位向采样起始时刻进行拟合；采样数据分段，根据分段数量，计算采样起始段间步进长度和系统的采样长度；参数上传，将采样参数上传给雷达系统，雷达根据设定的参数进行采样，并将参数写入辅助数据；数据恢复，地面处理通过去斜方法完成距离压缩和方位孔径压缩，再通过空变参数校正完成二维聚焦。本发明在保证采样信号稳定的前提下，最大程度减小回波数据量并与后续处理算法匹配。

Description

一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法

技术领域

本发明属于星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)滑动聚束模式的回波采样领域，具体涉及一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法。

背景技术

滑动聚束模式是星载SAR实现方位亚米级分辨率与较大成像幅宽的主流模式，该模式通过调整天线波束在方位向上的扫描速率实现雷达信号发射与接收，其成像几何关系示意如图1所示：雷达运动方向为；天线波束距离向指向不变；方位向波束宽度为β，指向空间中一虚拟旋转点/>，工作模式中的“聚束”由此得来；天线波束在地面上照射的区域沿方位向缓慢移动，工作模式中的“滑动”由此得来。

从图1中可以看到，SAR工作在滑动聚束模式时，虚拟旋转点位于地面下且不是无穷远的地方。调整/>的位置，可以让SAR工作在不同的成像模式下：当/>位于地面上方时(通常是轨道上方)，SAR工作在TOPSAR模式；当/>位于地面上时，SAR工作在聚束模式；当/>位于地面下方且不是无穷远时，SAR工作在滑动聚束模式；当/>位于地面下方无穷远时，SAR工作在条带模式(对于星载SAR，由于轨道弯曲的影响，/>位于地面下方很远的位置，可以近似认为是无穷远)。

SAR在工作时周期性地通过天线发射脉冲，为了保证能够正常成像需要将天线波束照射区域内目标的回波信号完整地采集回来，即设置合理的参数以保证接收回波窗覆盖目标区域。这里仍以滑动聚束模式为例，如图2所示。在斜成像平面上，根据成像几何关系，计算方位采样点雷达到目标区域的最近距离/>和最远距离/>，则每条脉冲回波窗采样起始时刻/>和长度/>分别为：

，

，

其中，c是光速。

将记录回波数据以距离时间-方位脉冲的形式绘制在图3中，其中矩形虚线框为采集的所有数据，弧形框为目标区域的回波。由于雷达的移动，雷达与天线波束照射区域的距离也在不断变化，这使得有效回波的区域呈现弯曲变化。

从图3中可以发现，记录的回波数据有相当大一部分是无效的，这一部分无效数据包含了成像区域外的目标，虽然也能用来进行成像，但分辨率却达不到要求。这部分数据存在的原因在于每个脉冲时刻雷达到目标区域的最近距离和最远距离都在不停变化，为了保证回波的完整性，需要根据最近距离中的最小值和最远距离中的最大值设置回波窗参数。

需要的分辨率越高，就需要越大的合成角，雷达与成像区域的距离变化量越大，甚至要比回波窗宽度大很多，这是无效数据增加的主要原因。对于星载SAR而言，星上的存储空间是有限的，减小数据量可以提高雷达的工作效能。一个自然的想法是根据每个方位采样点的最近距离与最远距离确定采样起始时刻和采样持续时间。但这会导致占用大量上传资源，而且频繁更换采样起始时刻也会使采样误差变大，不利于信号的恢复。

分段变采样起始的采样策略可以将因改变采样起始时刻带来的误差与占用的储存资源进行折中。现有分段变采样起始的方法为等间隔分段变采样起始，即首先确定分段总数，然后通过方位采样点总数算出每段包含的采样点个数/>，每间隔/>个方位采样点改变一次采样起始时刻。这在一定程度上能节约星上存储空间，但通过图3不难观察到，当卫星处在距离成像场景较远的采样位置时，采样起始时刻变化率较大，而卫星处在距离成像场景较近的采样位置时，采样起始时刻变化率则较小。均匀分段的策略使得系统采样长度受到卫星离成像场景最远处方位采样点的限制，储存空间仅在卫星离成像场景较远时得到了最大程度的利用，而在卫星离成像场景较近时，仍有很大一部分的存储空间被无效数据占用。

综上所述，如何在现有硬件系统与成像算法的基础上，仅上传给卫星少量参数，通过改变分段变采样的采样策略来在采样信号稳定的前提下进一步减小数据量，是一个具有很大意义的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法，其为非均匀分段变采样起始时刻的方法，该方法应用于聚束、滑动聚束，可在保证采样信号稳定，且不增加分段总段数的前提下，进一步减小记录回波所需的数据量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法，包括如下步骤：

步骤1、计算测绘区域的每个方位采样点的采样起始时刻/>和采样长度；

步骤2、利用多项式对采样起始时刻进行拟合，确定多项式系数；

步骤3、将采样数据进行分段，确定系统采样长度以及段间步进长度/>；

步骤4、将多项式系数、系统采样长度、段间步进长度/>上传给星载SAR系统，星载SAR系统根据设定参数进行采样；

步骤5、对星载SAR系统传回的采样数据进行处理，通过Dechirp方法完成数据恢复、距离压缩和方位孔径压缩，再通过空变参数校正完成二维聚焦。

有益效果：

本发明根据大合成角星载合成孔径雷达回波特点，利用非均匀分段变采样起始的采样策略，当星载合成孔径雷达运行在聚束模式、滑动聚束模式时，使用本发明进行采样可大幅降低回波信号数据量；本发明采样参数可随采样指令同时上传，上传数据量增加不多，且不需要改动卫星现有采样系统；得益于分段的采样策略，采样起始时刻不会捷变，可在降低数据量的同时，保证采样信号稳定；得益于对分段变采样起始的优化，非均匀分段变采样起始的采样策略，可以在分段数量不会增加的同时，进一步降低数据量；本发明利用逐行Dechirp进行聚焦，可以节省处理时占用的存储空间。

附图说明

图1为滑动聚束模式成像几何关系图；

图2为滑动聚束模式斜平面几何关系图；

图3为滑动聚束模式记录的回波数据图；

图4为本发明的一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法的流程图；

图5为步骤103涉及的部分参数示意图；

图6为步骤103涉及的部分参数示意以及与均匀分段变采样起始方法的对比图；

图7为传统采样方法滑动聚束模式回波示意图；

图8为均匀分段变采样起始在与图7相同场景下的回波示意图；

图9为本发明在与图7相同场景下的回波示意图。

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4所示，本发明的一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法包括如下步骤：

步骤101：计算每个方位采样点的采样起始时刻/>和采样长度/>。

根据雷达轨道和成像区域之间的几何关系，如图2所示，每个方位采样点都对应一个成像区域最近距离/>和一个成像区域最远距离/>。这可以由多个参考点确定，在测绘区域设置多个参考点，计算每个参考点与雷达方位采样点的距离，以此确定成像区域最近距离/>和成像区域最远距离/>。则雷达每个方位采样点/>的采样起始时刻/>与采样长度/>为：

，

，

其中c为光速。

步骤102：利用多项式对采样起始时刻进行拟合，确定多项式系数。

逐脉冲设置采样起始时刻对于星载SAR意味着这些参数需要随工作指令一同上传，需要占用大量的上传资源。单点目标的回波历程可用抛物线来大致描述，高分辨的聚束模式一般场景较小，成像区域目标的回波历程也大致符合抛物线规律，故可用多项式对多项式采样起始时刻/>进行描述。多项式采样起始时刻/>可以表示成有理多项式的形式，即：

，

其中，为多项式系数，/>代表与/>同阶的无穷小量。

根据斜视角大小与合成角大小，选取适当的多项式阶数进行拟合，只将拟合系数上传，上传数据量增加很少。通过对大量的仿真结果进行统计分析，目前的低轨SAR采用二阶拟合，即得到三个多项式系数，可以将拟合误差对应的距离控制在百米内；而对于未来的中轨甚至高轨SAR，可以采取更高的拟合系数。需要说明的是，增加多项式拟合阶数会进一步减小回波数据量，而对回波质量并无影响。

具体来讲，以二阶拟合的情况为例：二阶拟合最小需要三个样本点，可以选取成像开始时刻、成像中心时刻/>和成像结束时刻/>，计算三个时刻的最近距离/>、/>、/>。这里将成像时刻转换为脉冲序号，进行去时间相关的归一化操作。其中/>表示雷达对该场景采样的方位采样点总数。根据如下方程组，即可解出拟合系数/>、/>、/>。

，

，

，

其中，代表多项式常系数，因其与最终使用的多项式常系数/>有所区别，此处使用/>进行区分。

使用多项式采样起始时刻代替多项式采样起始时刻/>。

，

需要说明的是，此处用代表多项式采样起始时刻，因其在后续需要进行修正。此步骤解出的/>并不是最终使用多项式常系数/>，也还需要做出修正，以保证对于任意方位采样点/>，修正后的多项式采样起始时刻/>均小于/>，即采样系统能采到所有有效信号。

修正的方式为，先计算拟合误差：

，

其中，表示方位采样点/>的多项式采样起始时刻。/>表示采样起始时刻/>与多项式采样起始时刻/>的误差。

在本步骤中，需要修正步骤102中拟合的多项式常系数，使采样系统能采到所有有效信号。修正方式如下：

，

其中，表示所有方位采样点拟合误差的最小值，/>为采样系统最终采用的多项式拟合常系数。/>为用修正后的多项式系数拟合出的多项式采样起始时刻。

步骤103：将采样数据进行分段，确定系统采样长度以及段间步进长度/>。

系统采样长度逐脉冲变化导致雷达记录器的数据率时变，卫星平台不容易分配能源，也不利于硬件实现。所以应使用一固定的系统采样长度/>，所有方位采样点均使用此采样长度进行采样，此时回波数据仍会有少量是无效的，但相对于有效数据增加不多。

首先计算使用连续变采样起始的方式进行采样所需的系统采样长度，当卫星在每个方位采样点以/>时刻作为采样起始进行采样时，所需要的采样长度/>为：

，

采用连续变采样起始时刻的策略时，将系统采样长度设置为方位采样的最大采样长度/>即可将有效数据全部采集。

当需要分段时，系统采样长度需要设置的更大，才能在段内将有效数据全部采集。分段对数据质量带来的损失与分段的总段数有关，利用代价函数，可以在分段总段数与存储效率之间做出权衡。分段总数增加，无效数据占存储空间越小，存储效率越高，但数据质量损失越大；分段总数减少，无效数据会增多，存储效率下降，但数据质量损失越小。此函数无固定形式，需要根据成像场景与雷达系统确定。权衡得到最佳的分段数量。

段间步进长度可通过如下算式得到：

，

其中，代表卫星对成像区域第一个采样点的多项式采样起始时刻，代表卫星对成像区域最后一个采样点的多项式采样起始时刻，/>代表卫星在与成像区域距离最近采样点的多项式采样起始时刻。卫星在本段第一个采样点以某个采样起始时刻开始采样，当在某个方位采样点的多项式采样起始时刻相对本段第一个采样点的采样起始时刻改变超过/>时，卫星改变采样起始时刻，进入下一个分段区间。

由于卫星在实际运行中，开始采样和结束采样的方位采样点不一定关于最近斜距处的采样点对称，所以最终的分段数量可能比预计数量少一段，但几乎不影响整体性能。

则在需要分段时，卫星的系统采样长度应设置为：

，

此时，卫星的采样起始时刻可在计划的方位采样点处以进行步进，且可以采集到所有有效数据。当/>取零时，即收敛到连续变采样起始时刻的采样策略。

此方法为非均匀分段变采样起始时刻方法，相比均匀分段变采样起始时刻方法，本发明可以在不增加分段总数，即，不增加因分段导致的数据质量损失的前提下，进一步减小无效数据，提高存储和数据下传效率。为便于对比两者的区别以及更好的描述，本发明，图5对、/>、/>、/>、/>、/>进行了示意，中间区域为回波有效信号区域，区域左边界为/>轨迹曲线，区域在方位采样点/>的宽度为/>轨迹曲线，左侧虚线为修正/>后的/>轨迹曲线，/>轨迹曲线与中间区域右边界的宽度为轨迹曲线，在示例中/>出现在两侧的采样位置，其他场景中则不一定出现在两侧位置。图6对段间步进长度/>与系统采样长度/>进行了示意，并对 本发明与均匀分段变采样起始方法做出比较，两种方法都把整个采样过程分成六段进行变采样起始接收，左侧标注了本发明的分段区间，右侧标注了均匀分段变采样起始方法的分段区间。下方标注了用于本发明的段间步进长度/>，以及对两种方法系统采样长度的比较，本发明的系统采样长度用/>进行了标注，均匀分段变采样起始方法的系统采样长度用/>进行了标注。可见在分段总数相同的情况下，本发明能进一步减小系统采样长度，减小无效数据，提高卫星下传效率。

步骤104：将多项式系数、系统采样长度、段间步进长度/>上传给星载SAR系统，星载SAR系统根据设定参数进行采样。

将多项式系数、/>、/>…、系统采样长度/>、段间步进长度/>上传给星载SAR系统，雷达接收机在收到分段变采样起始的控制指令后，首先根据多项式系数拟合出，再根据/>算出分段的间断点与对应的采样起始时刻，并在每个分段区间以系统采样长度/>进行采样，最后将数据及参数写入辅助数据中供后续处理使用。

步骤105：对星载SAR传回的采样数据进行处理，通过Dechirp方法完成数据恢复、距离压缩和方位孔径压缩，再通过空变参数校正完成二维聚焦。

当地面处理系统接收到传回的采样数据后，对采用数据进行解析并提取其中的采样起始时刻参数；通过Dechirp方法完成数据恢复、距离压缩和方位孔径压缩，再通过空变参数校正完成二维聚焦。Dechirp以中心参考点为基准，在距离频域进行，受到分段影响，可以采用非解析的方法逐行进行Dechirp，减少处理数据使用的存储空间。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例1

本实施例采用一星载合成孔径雷达滑动聚束模式下回波数据验证本发明的技术方案的有效性。为便于观察，将采样数据分为16段，并选用较小的场景进行示意。采用传统方法采样得到的回波矩阵如图7所示。采用均匀变采样起始方法采样得到的回波矩阵如图8所示，采用 本发明得到的回波矩阵如图9所示。为便于对比，将三张图放在了同一尺度下。观察三张图可以发现，传统采样方法每个方位脉冲需要2800个距离采样点，均匀变采样起始方法方位脉冲需要510距离采样点，而本发明采样方法每个方位脉冲需要约360个距离采样点。如果将分段总段数进一步增加，即每段方位采样点个数进一步减少，数据率将进一步减少，最少每个方位脉冲仅需要约250个距离采样点，这与均匀变采样起始方法相同。

以上所述，仅为本发明的一个实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (6)

1.一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、计算测绘区域的每个方位采样点的采样起始时刻/>和采样长度/>；

步骤2、利用多项式对采样起始时刻进行拟合，确定多项式系数；

步骤3、将采样数据进行分段，确定系统采样长度以及段间步进长度/>；

步骤4、将多项式系数、系统采样长度、段间步进长度/>上传给星载SAR系统，星载SAR系统根据设定参数进行采样；

步骤5、对星载SAR系统传回的采样数据进行处理，通过Dechirp方法完成数据恢复、距离压缩和方位孔径压缩，再通过空变参数校正完成二维聚焦。

2.根据权利要求1所述的一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法，其特征在于，所述步骤1包括：

根据雷达和测绘区域之间的几何关系，在测绘区域设置多个参考点，计算每个方位采样点有效数据所在距离门范围；将第一个包含有效数据的距离门对应时刻作为该方位采样点的采样起始时刻/>，将包含有效数据的距离门个数所对应的时间作为该方位采样点/>的采样长度/>。

3.根据权利要求2所述的一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法，其特征在于，所述步骤2包括：

根据斜视角大小与合成角大小，选取多项式阶数；利用多项式采样起始时刻随方位采样点/>的变化规律，计算多项式系数；拟合时保证对于任意的方位采样点/>，多项式采样起始时刻/>均小于方位采样点/>的采样起始时刻/>。

4.根据权利要求3所述的一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法，其特征在于，所述步骤3包括：

根据多项式系数、各方位采样点的多项式采样起始时刻/>、采样起始时刻/>和采样长度/>，计算每段采样数据按照多项式拟合采样起始时刻/>进行采样的采样长度/>，找出连续变采样起始时最大所需的采样长度/>；根据分段代价函数算出分段总数/>，以及段间步进长度/>和系统采样长度/>。

5.根据权利要求4所述的一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法，其特征在于，所述步骤4包括：

将多项式系数、系统采样长度、段间步进长度/>上传给星载SAR系统，雷达接收机在收到分段变采样起始的控制指令后，根据多项式系数计算各方位采样点/>的多项式采样起始时刻/>，根据段间步进长度/>计算分段节点，每段采样长度相同，为系统采样长度/>。

6.根据权利要求5所述的一种变采样起始的高分星载SAR数据采集处理方法，其特征在于，所述步骤5包括：

当地面处理系统接收到星载SAR系统传回的采样数据后，对采样数据进行解析并提取其中的采样起始时刻参数；通过Dechirp方法完成数据恢复、距离压缩和方位孔径压缩，再通过空变参数校正完成二维聚焦。