基于距離徙動(dòng)改進(jìn)算法的實(shí)時(shí)sar成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域，涉及一種實(shí)時(shí)SAR成像方法，可用于自然災(zāi)害實(shí) 時(shí)評(píng)估和國(guó)土資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑雷達(dá)SAR作為主動(dòng)式探測(cè)器，可以在全天候條件下日夜工作。此外，SAR 可以在不同頻率和不同極化模式下工作，這些特性使得SAR在軍事和民用領(lǐng)域有著巨大的 應(yīng)用，近年來(lái)對(duì)機(jī)載合成孔徑雷達(dá)SAR也展開了很多研宄。
[0003] 對(duì)于機(jī)載SAR系統(tǒng)，大氣湍流和載機(jī)平臺(tái)速度的不穩(wěn)定性造成的雷達(dá)非理想運(yùn) 動(dòng)，這不僅導(dǎo)致SAR成像結(jié)果嚴(yán)重模糊，而且使得SAR圖像幾何失真的。盡管雷達(dá)非理想運(yùn) 動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)誤差可以從導(dǎo)航系統(tǒng)中得到，之后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償MOCO,然而要實(shí)現(xiàn)高精度的 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償MOCO,運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量精度必須在亞波長(zhǎng)級(jí)別，這超過了我國(guó)一般慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 的測(cè)量精度。因此，導(dǎo)航測(cè)量通常只提供運(yùn)動(dòng)誤差粗補(bǔ)償，隨后采取自聚焦方法來(lái)估計(jì)剩余 的運(yùn)動(dòng)誤差。
[0004] 然而自聚焦方法依賴于原始數(shù)據(jù)，該方法從原始數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)運(yùn)動(dòng)誤差，然后對(duì)數(shù) 據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償。相位梯度自聚焦PGA作為最有效的自動(dòng)聚焦算法之一，有著很多改 進(jìn)的PGA算法，如PGA最大似然相位估計(jì)法，其可以估計(jì)任意階相位誤差，具有很好的魯棒 性；還有基于加權(quán)最大范數(shù)的自聚焦方法，其通過求解二范數(shù)最大化的優(yōu)化函數(shù)對(duì)目標(biāo)特 征向量進(jìn)行估計(jì)，避免了特征值的分解過程；但是這些方法都是基于全孔徑的數(shù)據(jù)，也就是 說，只有在全孔徑完整的方位數(shù)據(jù)被接收后，才開始估計(jì)運(yùn)動(dòng)誤差，進(jìn)行成像處理，因而限 制了 SAR成像的實(shí)時(shí)處理，不能滿足日益增長(zhǎng)的實(shí)時(shí)成像需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于距離徙動(dòng)改進(jìn)算法的 實(shí)時(shí)SAR成像方法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)載合成孔徑雷達(dá)SAR實(shí)時(shí)成像處理。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0007] (1)接收原始合成孔徑雷達(dá)SAR回波信號(hào)的第η個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)Tn，并對(duì)該數(shù)據(jù)依 次進(jìn)行距離徙動(dòng)和去斜操作等預(yù)處理，得到波數(shù)域的回波信號(hào)；
[0008] (2)對(duì)波數(shù)域的回波信號(hào)依次進(jìn)行距離壓縮和相位梯度估計(jì)，得到第η個(gè)子孔徑 的相位誤差Δ%和運(yùn)動(dòng)誤差A(yù)S n;
[0009] (3)對(duì)第（η+1)個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)Τη+1重復(fù)步驟⑴和步驟（2)，得到第（η+1)個(gè)子孔 徑的運(yùn)動(dòng)誤差A(yù)S n+1;
[0010] ⑷計(jì)算第η個(gè)子孔徑和第（η+1)個(gè)子孔徑各自運(yùn)動(dòng)誤差Λ Sn和Λ S n+1重疊部分 的差值，得到差值的線性項(xiàng)％和常數(shù)項(xiàng)a μ
[0011] (5)利用第η個(gè)子孔徑的運(yùn)動(dòng)誤差Λ Sn對(duì)第η個(gè)子孔徑原始接收數(shù)據(jù)Tn進(jìn)行運(yùn) 動(dòng)誤差補(bǔ)償，并對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償后的信號(hào)?依次進(jìn)行距離徙動(dòng)、距離壓縮和方位脈壓處理， 得到子孔徑粗聚焦成像結(jié)果In;
[0012] (6)利用誤差估計(jì)的線性項(xiàng)&1和常數(shù)項(xiàng)a ^，對(duì)第η個(gè)子孔徑粗聚焦成像結(jié)果1"進(jìn) 行后向投影（BPA)，得到投影平面上的SAR圖像；
[0013] (7)對(duì)剩余子孔徑數(shù)據(jù)重復(fù)步驟⑴至步驟（6)的操作，得到剩余子孔徑圖像的粗 聚焦成像結(jié)果Ιη+1，Ιη+2, Ιη+3,......，并依次將其投影到投影平面，再拼接成全孔徑圖像，實(shí) 現(xiàn)對(duì)SAR的實(shí)時(shí)成像。
[0014] 本發(fā)明由于其的運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)是基于子孔徑數(shù)據(jù)的，隨著SAR數(shù)據(jù)流的到達(dá)，可 以對(duì)每一個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像聚焦處理，并將每一個(gè)子孔徑成像結(jié)果依次投影到 投影平面，得到分辨率逐漸提高的SAR圖像，最終達(dá)到全孔徑的成像結(jié)果，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像處 理；同時(shí)由于本發(fā)明是基于子孔徑數(shù)據(jù)處理的，因此適用于多種SAR模式，如正側(cè)視SAR，循 序漸進(jìn)地形掃描SAR (TOPS-SAR)，聚束SAR和滑動(dòng)聚束SAR。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明的雷達(dá)數(shù)據(jù)流產(chǎn)生示意圖；
[0017] 圖3是本發(fā)明的兩個(gè)子孔徑的估計(jì)運(yùn)動(dòng)誤差差值的計(jì)算線性項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)的示意 圖；
[0018] 圖4是本發(fā)明中不同數(shù)目子孔徑數(shù)據(jù)投影后的圖像；
[0019] 圖5是本發(fā)明中不同數(shù)目子孔徑投影后的點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果的方位剖面圖；
[0020] 圖6是應(yīng)用本發(fā)明對(duì)P波段正側(cè)視SAR數(shù)據(jù)處理的成像結(jié)果圖；
[0021] 圖7是應(yīng)用本發(fā)明對(duì)Ku波段TOPS SAR數(shù)據(jù)處理的成像結(jié)果圖；
[0022] 圖8是應(yīng)用本發(fā)明對(duì)X波段下機(jī)載聚束SAR數(shù)據(jù)處理的成像結(jié)果圖；
[0023] 圖9是應(yīng)用本發(fā)明對(duì)X波段機(jī)載滑動(dòng)聚束SAR數(shù)據(jù)處理的成像結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明對(duì)SAR數(shù)據(jù)處理成像的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0025] 步驟1，對(duì)接收的合成孔徑雷達(dá)SAR回波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。
[0026] 本發(fā)明的合成孔徑雷達(dá)SAR回波數(shù)據(jù)產(chǎn)生示意圖如圖2所示，其中，圖2(a)表示 雷達(dá)從P 1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P 2點(diǎn)時(shí)，雷達(dá)接收機(jī)接收的雷達(dá)回波信號(hào)為第1個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)T 1;圖 2 (b)表示雷達(dá)從P2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P 3點(diǎn)時(shí)，雷達(dá)接收機(jī)接收的雷達(dá)回波信號(hào)為第2個(gè)子孔徑數(shù) 據(jù)T2;以此類推，雷達(dá)從P "點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P n+1點(diǎn)時(shí)，雷達(dá)接收機(jī)接收的雷達(dá)回波信號(hào)為第η個(gè)子 孔徑數(shù)據(jù)Τη，η為大于等于1的整數(shù)。
[0027] 對(duì)雷達(dá)SAR回波數(shù)據(jù)的預(yù)處理就是對(duì)每個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)的預(yù)處理，其步驟如下：
[0028] la)對(duì)合成孔徑雷達(dá)SAR的第η個(gè)子孔徑回波數(shù)據(jù)Tn，利用距離徙動(dòng)算法RMA，將 回波數(shù)據(jù)從時(shí)域轉(zhuǎn)化到波數(shù)域；
[0029] Ib)對(duì)波數(shù)域數(shù)據(jù)進(jìn)行Stolt插值操作，完成對(duì)子孔徑回波數(shù)據(jù)的距離徙動(dòng)校正， 得到距離徙動(dòng)校正后的回波數(shù)據(jù)，其中，距離徙動(dòng)校正后的回波數(shù)據(jù)中包括有效視頻項(xiàng)和 剩余視頻項(xiàng)RVP ;
[0030] Ic)對(duì)距離徙動(dòng)校正后回波數(shù)據(jù)中的剩余視頻項(xiàng)RVP進(jìn)行去斜處理，完成回波數(shù) 據(jù)的相干檢波，得到預(yù)處理后的回波信號(hào)。
[0031] 步驟2,對(duì)預(yù)處理后的回波信號(hào)依次進(jìn)行距離壓縮和相位梯度估計(jì)，得到第η個(gè)子 孔徑的相位誤差Δ%和運(yùn)動(dòng)誤差Λ Sn。
[0032] 2a)對(duì)預(yù)處理后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離脈沖壓縮處理，得到距離脈壓后的回波數(shù) 據(jù)；
[0033] 2b)利用相位梯度法對(duì)距離脈壓后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相位估計(jì)，得到第η個(gè)子孔徑 的相位誤差:
[0034] 2c)利用第η個(gè)子孔徑的相位誤差計(jì)算第η個(gè)子孔徑的運(yùn)動(dòng)誤差Λ Sn:
[0035]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于距離徙動(dòng)改進(jìn)算法的實(shí)時(shí)SAR成像方法，包括如下步驟： (1) 接收原始合成孔徑雷達(dá)SAR回波信號(hào)的第n個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)T。，并對(duì)該數(shù)據(jù)依次進(jìn) 行距離徙動(dòng)和去斜操作等預(yù)處理，得到波數(shù)域的回波信號(hào)； (2) 對(duì)波數(shù)域的回波信號(hào)依次進(jìn)行距離壓縮和相位梯度估計(jì)，得到第n個(gè)子孔徑的相 位誤差A(yù)仍和運(yùn)動(dòng)誤差A(yù)S。； (3) 對(duì)第（n+1)個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)Tw重復(fù)步驟（1)和步驟（2)，得到第（n+1)個(gè)子孔徑的 運(yùn)動(dòng)誤差A(yù)S"+i; (4) 計(jì)算第n個(gè)子孔徑和第（n+1)個(gè)子孔徑各自運(yùn)動(dòng)誤差A(yù)S。和ASw重疊部分的差 值，得到差值的線性項(xiàng)ai和常數(shù)項(xiàng)a。； (5) 利用第n個(gè)子孔徑的運(yùn)動(dòng)誤差A(yù)S。對(duì)第n個(gè)子孔徑原始接收數(shù)據(jù)T。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤 差補(bǔ)償，并對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償后的信號(hào)巧依次進(jìn)行距離徙動(dòng)、距離壓縮和方位脈壓處理，得到 子孔徑粗聚焦成像結(jié)果I。； (6) 利用誤差估計(jì)的線性項(xiàng)ai和常數(shù)項(xiàng)a。，對(duì)第n個(gè)子孔徑粗聚焦成像結(jié)果I。進(jìn)行后 向投影炬PA)，得到投影平面上的SAR圖像； (7) 對(duì)剩余子孔徑數(shù)據(jù)重復(fù)步驟（1)至步驟做的操作，得到剩余子孔徑圖像的粗聚焦 成像結(jié)果1。+1，1。+2, 1。+3,……，并依次將其投影到投影平面，再拼接成全孔徑圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì) SAR的實(shí)時(shí)成像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于距離徙動(dòng)改進(jìn)算法的實(shí)時(shí)SAR成像方法，其中所述步 驟（1)中對(duì)子孔徑回波數(shù)據(jù)T。進(jìn)行距離徙動(dòng)和去斜等預(yù)處理，按如下步驟進(jìn)行： (la)對(duì)合成孔徑雷達(dá)SAR的第n個(gè)子孔徑回波數(shù)據(jù)T。，利用距離徙動(dòng)算法RMA，將其從 時(shí)域轉(zhuǎn)化到波數(shù)域； (化）對(duì)波數(shù)域數(shù)據(jù)進(jìn)行Stolt插值，完成對(duì)子孔徑回波數(shù)據(jù)的距離徙動(dòng)； (Ic)對(duì)距離徙動(dòng)后數(shù)據(jù)的剩余視頻項(xiàng)進(jìn)行去斜處理，完成回波數(shù)據(jù)的相干檢波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于距離徙動(dòng)改進(jìn)算法的實(shí)時(shí)SAR成像方法，其中所述步 驟（2)中對(duì)相干檢波后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離壓縮處理和相位梯度估計(jì)，按如下步驟進(jìn)行： (2a)對(duì)相干檢波后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離脈沖壓縮處理； (2b)利用相位梯度法對(duì)距離壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位估計(jì)，得到相位誤差A(yù)仍； (2c)利用第n個(gè)子孔徑的相位誤差A(yù)扣來(lái)計(jì)算第n個(gè)子孔徑的運(yùn)動(dòng)誤差，得到運(yùn)動(dòng)誤 差A(yù)S。；
式中，A為載頻的波長(zhǎng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于距離徙動(dòng)改進(jìn)算法的實(shí)時(shí)SAR成像方法，其中所述步驟 (4)中計(jì)算第n個(gè)子孔徑和第（n+1)個(gè)子孔徑各自運(yùn)動(dòng)誤差A(yù)S。和AS"+連疊部分的差值， 按如下步驟進(jìn)行： (4a)畫出第n個(gè)子孔徑和第（n+1)個(gè)子孔徑運(yùn)動(dòng)誤差A(yù)S。和ASw的曲線圖像； (4b)取出AS。和AS。+1曲線圖像中重疊的線性部分Li和12; (4c)分別求出重疊的線性部分Li和L2的數(shù)學(xué)表達(dá)式E1和E2; Ei=bita+b。 E2=Cita+C〇; 式中，tg為重疊的線性部分的方位時(shí)間，bi是Li的線性項(xiàng)，b。是Li的常數(shù)項(xiàng)，Cl是L2 的線性項(xiàng)，C。是Li的常數(shù)項(xiàng)； (4d)將El和E2做差值處理，得到差值的線性項(xiàng)a1和常數(shù)項(xiàng)a。； ai= C i_bi， a〇=c〇-b〇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于距離徙動(dòng)改進(jìn)算法的實(shí)時(shí)SAR成像方法，其中所述步驟 (5)對(duì)原始第n個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償，按如下步驟進(jìn)行： 巧a)利用上述得到的第n個(gè)子孔徑的運(yùn)動(dòng)誤差A(yù)S。對(duì)原始第n個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn) 動(dòng)誤差補(bǔ)償操作，得到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的回波數(shù)據(jù)巧； 巧b)對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的回波數(shù)據(jù)巧，依次將其方位向轉(zhuǎn)化為波數(shù)域，并進(jìn)行距離徙動(dòng)校 正處理； 巧C)對(duì)距離徙動(dòng)校正處理后信號(hào)的距離向進(jìn)行逆快速傅里葉變換處理，得到距離壓縮 后的信號(hào)賢：
式中，
Kf。為距離波束域的中值，K, 為方位波束域，5 ( ?)為距離壓縮后結(jié)果，氏為斜距；x"=vtg為載機(jī)飛行距離，Rc為垂直 斜距，V為載機(jī)航行速度，X為目標(biāo)航跡位置，a。為誤差估計(jì)的常數(shù)項(xiàng)，a1為誤差估計(jì)的線性 項(xiàng)； 巧d)對(duì)壓縮后信號(hào)進(jìn)行去斜處理； 巧e)對(duì)去斜后的信號(hào)，進(jìn)行方位脈壓處理，得到聚焦的子孔徑圖像I。。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于距離徙動(dòng)改進(jìn)算法的實(shí)時(shí)SAR成像方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)不能實(shí)時(shí)成像的問題。其實(shí)現(xiàn)過程是：1)對(duì)第n個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和距離壓縮，并估計(jì)其運(yùn)動(dòng)誤差；2)對(duì)第n+1個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)估計(jì)運(yùn)動(dòng)誤差；3)根據(jù)第n個(gè)子孔徑和第n+1個(gè)子孔徑各自的運(yùn)動(dòng)誤差，得到誤差差值的線性項(xiàng)a1和常數(shù)項(xiàng)a0；4)將第n個(gè)子孔徑的運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償給第n個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)，并進(jìn)行成像得到粗聚焦圖像；5)將第n個(gè)子孔徑粗聚焦圖像投影到投影平面，6)將剩余子孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，得到粗聚焦圖像；7)將所有的粗聚焦圖像拼接成全孔徑圖像，完成實(shí)時(shí)成像。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)對(duì)SAR回波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)成像，可用于自然災(zāi)害實(shí)時(shí)評(píng)估和國(guó)土資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
【IPC分類】G01S13-90, G01S7-41
【公開號(hào)】CN104793196
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510209991
【發(fā)明人】孫光才, 景國(guó)彬, 邢孟道, 保錚
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月28日