專利名稱：一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像方法。
背景技術(shù)：
星載SAR是一種先進(jìn)的天基信息獲取的有效載荷，是取得制信息權(quán)的一種重要的手段，能克服云霧雨雪和夜暗條件的限制對(duì)地面目標(biāo)成像，能實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候、高分辨率、大幅面對(duì)地觀測(cè)，在海洋觀測(cè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源勘查、地質(zhì)測(cè)繪、政府公共決策等方面有著廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著其它空間遙感手段無(wú)法替代的作用。合成孔徑概念提出已經(jīng)歷六十年的時(shí)間，在此期間，合成孔徑雷達(dá)技術(shù)有著翻天覆地的變化，成像模式越來(lái)越多、分辨率越來(lái)越高。其中，高分辨率在目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)跟蹤等眾多方面具有極其重要的價(jià)值，已經(jīng)成為當(dāng)前星載SAR的發(fā)展趨勢(shì)。
·
但是，隨著分辨率的提高，星載SAR合成孔徑時(shí)間變長(zhǎng)，衛(wèi)星飛行軌道不能簡(jiǎn)單的近似為直線軌道，采用傳統(tǒng)的等效斜距模型將會(huì)帶來(lái)高階多普勒項(xiàng)殘余誤差，其中起主要影響作用的是多普勒三次項(xiàng)。此外SAR成像處理與回波信號(hào)的多普勒歷程密切相關(guān)，只有準(zhǔn)確知道回波信號(hào)的多普勒歷程，才能在成像處理時(shí)精確設(shè)計(jì)與之相匹配的參考函數(shù)或補(bǔ)償因子，得到高質(zhì)量的圖像。而當(dāng)存在多普勒三次項(xiàng)誤差時(shí)，將導(dǎo)致成像壓縮方位向輸出產(chǎn)生非對(duì)稱性畸變，也就是右側(cè)旁瓣電平增高，而主瓣向左側(cè)展寬，而這種旁瓣電平的增高在強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)情況將造成圖像上目標(biāo)重影，嚴(yán)重影響了星載SAR方位向成像質(zhì)量，因此在高分辨率條件下，多普勒三次項(xiàng)的精確計(jì)算顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，針對(duì)多普勒三次項(xiàng)誤差給高分辨率星載SAR高精度成像帶來(lái)的影響，基于傳統(tǒng)的滑動(dòng)聚束模式成像方法，提出了一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法。一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法，包括以下幾個(gè)步驟步驟一讀入星載SAR滑動(dòng)聚束模式回波仿真數(shù)據(jù)S(T，t;r)以及相應(yīng)的成像參數(shù)，包括方位向采樣點(diǎn)數(shù)凡，距離向采樣點(diǎn)數(shù)隊(duì)，信號(hào)采樣率fs，信號(hào)帶寬Bw，脈沖寬度τ，脈沖重復(fù)頻率PRF，參考斜距R&，多普勒中心頻率fd(l，多普勒調(diào)頻率fro，衛(wèi)星速度Pv，等效斜視角，信號(hào)波長(zhǎng)λ ,信號(hào)傳播速度C ;步驟二 將回波仿真數(shù)據(jù)S(T，t;r)依次進(jìn)行方位向去旋轉(zhuǎn)處理、方位向傅里葉變換、調(diào)頻線性變標(biāo)處理、距離向傅里葉變換處理，得到二維頻域信號(hào)S1(Ij);步驟三設(shè)定多普勒三次項(xiàng)初值fa、迭代門限Th以及迭代步長(zhǎng)Λ fa ；步驟四在二維頻域內(nèi)信號(hào)SJfnf)同距離補(bǔ)償因子O1(Id)相乘，得到經(jīng)距離補(bǔ)償后的信號(hào)S2 (f τ，f)，具體可以分為以下幾個(gè)步驟(a)獲取完成距離徙動(dòng)校正和距離聚焦處理的補(bǔ)償因子Φη( ·τ，f);
(b)獲取三次相位誤差補(bǔ)償因子φ12( ·τ，f)；(c)獲取補(bǔ)償多普勒三次項(xiàng)4帶來(lái)相位誤差后的補(bǔ)償因子Φ13( \， ·);(d)獲取最終距離補(bǔ)償因子O1(U);(e)利用補(bǔ)償因子O1(U)獲取經(jīng)距離補(bǔ)償后的信號(hào)S2 (f\，f)；步驟五將信號(hào)S2(f\，f)依次進(jìn)行距離向傅里葉逆變換、方位補(bǔ)償處理、方位向線性變標(biāo)處理、方位向去斜處理得到成像結(jié)果信號(hào)S3(^f);步驟六在信號(hào)S3(T，f)中，選取場(chǎng)景中心周圍nXn大小的數(shù)據(jù)S4(T，f)，做插值處理到NXN大小的數(shù)據(jù)S5( τ，f)，提取出S5( τ，f)中最大值所在列的一維信號(hào)g(PN)，并計(jì)算該一維信號(hào)g(PN)的最大值gmax(P)及位置Pmax，具體可以分為以下幾個(gè)步驟(a)選取場(chǎng)景中心周圍nXn大小的數(shù)據(jù)S4(T，f)； (b)對(duì)數(shù)據(jù)S4( τ , f)做插值處理到NXN大小的數(shù)據(jù)S5( τ , f)；(c)提取出數(shù)據(jù)S5(If)中最大值所在列的一維信號(hào)g(P)，信號(hào)長(zhǎng)度為N ；(d)獲取該一維信號(hào)g⑵的最大值gmax⑵及位置Pmax ;步驟七獲取一維信號(hào)g(P)主瓣左側(cè)第一旁瓣峰值RSILlrft，具體可以分為以下幾個(gè)步驟(a)令 I = Pfflax ；(b)比較g(l)與g(l-l)，若g(l) >g(1-1)，則I = 1-1，并且重復(fù)此步驟，直到第一次出現(xiàn)g(I) < g(1-1)，進(jìn)入下一步驟；(c)記此時(shí) I = Pleft ；(d)獲取一維信號(hào)g⑵在(0，Pleft)范圍內(nèi)的最大值gmax (P0 left)，則gmax (P0 left)為主瓣左側(cè)第一旁瓣峰值RSILlrft ；步驟八獲取一維信號(hào)g(P)主瓣右側(cè)第一旁瓣峰值RSILHght，具體可以分為以下幾個(gè)步驟(a)令 I = Pfflax ；(b)比較g(l)與g(l+l)，若g(l) >g(1+1)，則I = 1+1，并且重復(fù)此步驟，直到第一次出現(xiàn)g(I) < g(1+1)，進(jìn)入下一步驟；(c)此時(shí)記 I = Pright ；(d)獲取一維信號(hào)g⑵在(Pright, N)范圍內(nèi)的最大值gmax (Pright N)，則gmax (Pright N)為主瓣右側(cè)第一旁瓣峰值RSILright;步驟九獲取左右第一旁瓣峰值RSILlrft與RSILright之間差的絕對(duì)值Λ RSIL ；步驟十比較ARSIL與門限Th，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行判斷，具體步驟如下(a)比較 Λ RSIL 與門限 Th ；(b)若 ARSIL > Th,比較 RSILleft 與 RSILright,若 RSILleft > RSILright,則
L =I + 4/β，若RSILleft ( RSILright,則/e =Js -|燄(其中Λ fa為迭代步長(zhǎng))，然后從步驟
53
四重復(fù)操作；(C)若Λ RSIL彡Th，則此時(shí)的匕即為多普勒三次項(xiàng)估計(jì)結(jié)果，且成像結(jié)束，得到星載合成孔徑雷達(dá)的成像結(jié)果，。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于
(I)精確性。本發(fā)明利用迭代法能得到高精度的多普勒三次項(xiàng)，而精確的多普勒三次項(xiàng)能很好的補(bǔ)償高分辨率條件下傳統(tǒng)斜距模型帶來(lái)的相位誤差，實(shí)現(xiàn)星載SAR高精度聚焦，得到高質(zhì)量的星載SAR圖像。(2)實(shí)用性強(qiáng)。本發(fā)明具有很強(qiáng)的實(shí)用性，尤其體現(xiàn)在利用本方法能得到多普勒三次項(xiàng)，進(jìn)而得到高分辨率星載SAR高質(zhì)量成像結(jié)果，適應(yīng)了星載SAR發(fā)展趨勢(shì)與發(fā)展需求。(3)高效性。本發(fā)明利用迭代法估計(jì)多普勒三次項(xiàng)，迭代法采用二分法提高迭代效率。(4)靈活性。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際精度需求設(shè)置迭代中的門限，根據(jù)速度需 求設(shè)置迭代步長(zhǎng)。


圖I是本發(fā)明的方法流程圖。圖2是本發(fā)明步驟四的方法流程圖。圖3是本發(fā)明步驟六的方法流程圖。圖4是本發(fā)明步驟七的方法流程圖。圖5是本發(fā)明步驟八的方法流程圖。圖6是本發(fā)明步驟十的方法流程圖。圖7是仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì)不意圖。圖8是本發(fā)明與傳統(tǒng)方法對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明是一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法，具體流程如圖I所示，包括以下步驟步驟一讀入星載SAR滑動(dòng)聚束模式回波仿真數(shù)據(jù)S(T，t;r)(其中，τ為快時(shí)間、t為慢時(shí)間、r為衛(wèi)星到目標(biāo)的距離)以及相應(yīng)的成像參數(shù)，包括方位向采樣點(diǎn)數(shù)Na，距離向采樣點(diǎn)數(shù)N,，信號(hào)采樣率fs，信號(hào)帶寬Bw，脈沖寬度τ，脈沖重復(fù)頻率PRF，參考斜距R,ef，多普勒中心頻率fd(l，多普勒調(diào)頻率&衛(wèi)星速度Ρν，等效斜視角β.:/ 信號(hào)波長(zhǎng)λ，信號(hào)傳播速度c ;步驟二 將回波仿真數(shù)據(jù)S(T，t;r)依次進(jìn)行方位向去旋轉(zhuǎn)處理、方位向傅里葉變換、調(diào)頻線性變標(biāo)處理、距離向傅里葉變換處理，得到二維頻域信號(hào)S1(Id)(其中，
為距離向頻率，f為方位向頻率);步驟三設(shè)定多普勒三次項(xiàng)初值fa、迭代門限Th以及迭代步長(zhǎng)Λ fa ；步驟四在二維頻域內(nèi)信號(hào)SJfnf)與距離補(bǔ)償因子相乘，得到經(jīng)距離補(bǔ)償后的信號(hào)S2 (f τ，f)，流程如圖2所示，具體可以分為以下幾個(gè)步驟(a)獲取完成距離徙動(dòng)校正和距離聚焦處理的補(bǔ)償因子O11(Id);Φ, ,(./；,/) = expH —......exp U^frRictCi (f)}(I)
MJ+ i Xf)] c其中，
權(quán)利要求
1.一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一讀入星載SAR滑動(dòng)聚束模式回波仿真數(shù)據(jù)S( τ ,t;r)以及相應(yīng)的成像參數(shù)，其中，τ為快時(shí)間、t為慢時(shí)間、r為衛(wèi)星到目標(biāo)的距離，包括方位向采樣點(diǎn)數(shù)凡，距離向采樣點(diǎn)數(shù)N,，信號(hào)采樣率fs，信號(hào)帶寬Bw，脈沖寬度τ，脈沖重復(fù)頻率PRF，參考斜距R,ef，多普勒中心頻率fd(l，多普勒調(diào)頻率U，衛(wèi)星速度Ρν，等效斜視角 V，信號(hào)波長(zhǎng)λ，信號(hào)傳播速度c ； 步驟二 將回波仿真數(shù)據(jù)S( τ，t;r)依次進(jìn)行方位向去旋轉(zhuǎn)處理、方位向傅里葉變換、調(diào)頻線性變標(biāo)處理、距離向傅里葉變換處理，得到二維頻域信號(hào)Sjf^f)，其中，f\為距離向頻率，f為方位向頻率； 步驟三設(shè)定多普勒三次項(xiàng)初值fa、迭代門限Th以及迭代步長(zhǎng)Λ fa ； 步驟四在二維頻域內(nèi)信號(hào)S1(Id)與距離補(bǔ)償因子OJU相乘，得到經(jīng)距離補(bǔ)償后的信號(hào)S2(f\，f)； 步驟五將信號(hào)S2(f\，f)依次進(jìn)行距離向傅里葉逆變換、方位補(bǔ)償處理、方位向線性變標(biāo)處理、方位向去斜處理得到成像結(jié)果信號(hào)S3(T，f); 步驟六在信號(hào)S3(^f)中，選取場(chǎng)景中心周圍nXn大小的數(shù)據(jù)S4( τ，f)，做插值處理到NXN大小的數(shù)據(jù)S5( τ，f)，提取出S5(Lf)中最大值所在列的一維信號(hào)g(PN)，并計(jì)算該一維信號(hào)g(PN)的最大值gmax(P)及位置Pmax ； 步驟七獲取一維信號(hào)g(p)主瓣左側(cè)第一旁瓣峰值RSILleft ； 步驟八獲取一維信號(hào)g(P)主瓣右側(cè)第一旁瓣峰值RSILHght ； 步驟九獲取左右第一旁瓣峰值RSILleft與RSILHght之間差的絕對(duì)值A(chǔ)RSIL ； 步驟十比較Λ RSIL與門限Th，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行判斷，具體步驟如下 (a)比較ARSIL與門限Th;(b)若Δ RSIL > Th,比較 RSILleft 與 RSILright，若 RSILleft > RSILright,則
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟四，具體包括以下步驟 (a)獲取完成距離徙動(dòng)校正和距離聚焦處理的補(bǔ)償因子O11(Id);
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟六，具體包括以下步驟 (a)選取場(chǎng)景中心周圍nXn大小的數(shù)據(jù)S4(τ，f)； (b)對(duì)數(shù)據(jù)S4(τ，f)做插值處理到NXN大小的數(shù)據(jù)S5( τ，f)； (c)提取出數(shù)據(jù)S5(Lf)中最大值所在列的一維信號(hào)g(P)，信號(hào)長(zhǎng)度為N； (d)獲取該一維信號(hào)g(P)的最大值gmax(P)及位置Pmax。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟七，具體包括以下步驟 (a)令I(lǐng) = P—； (b)比較g(l)與g(l-l)，若g(l)>8(1-1)，則1 = 1-1，并且重復(fù)此步驟，直到第一次出現(xiàn)g(l) < g(1-1)，進(jìn)入下一步驟；(c)記此時(shí)I = Pleft ；(d)獲取一維信號(hào)g(P)在(0，Pleft)范圍內(nèi)的最大值gmax(Pcrleft)，則gmax(PQ left)為主瓣左側(cè)第一旁瓣峰值RSILlrft。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟八，具體包括以下步驟 (a)令I(lǐng) = P—； (b)比較g(l)與g(l+l)，若g(l)>8(1+1)，則1 = 1+1，并且重復(fù)此步驟，直到第一次出現(xiàn)g(l) < g(1+1)，進(jìn)入下一步驟；(c)此時(shí)記I = Pright ； ⑷獲取一維信號(hào)g (P)在(Pright, N)范圍內(nèi)的最大值gmax(Pright N)，則gmax(Pright N)為主瓣右側(cè)第一旁瓣峰值RSILHght。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟九中絕對(duì)值A(chǔ)RSIL具體為 Δ RSIL = I RSILleft-RSILright(6)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多普勒三次項(xiàng)估計(jì)的星載合成孔徑雷達(dá)成像方法，包括1讀入星載SAR滑動(dòng)聚束模式回波仿真數(shù)據(jù)，2對(duì)回波仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到二維頻域信號(hào)，3設(shè)定多普勒三次項(xiàng)初值、迭代門限和迭代步長(zhǎng)，4獲取經(jīng)距離補(bǔ)償后的信號(hào)，5得到成像結(jié)果信號(hào)，6獲取一維信號(hào)的最大值及位置，7獲取一維信號(hào)主瓣左側(cè)第一旁瓣峰值；8獲取一維信號(hào)主瓣右側(cè)第一旁瓣峰值；9獲取左右第一旁瓣峰值之間差的絕對(duì)值；10比較絕對(duì)值與門限Th，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行判斷。本發(fā)明利用迭代法得到高精度的多普勒三次項(xiàng)，補(bǔ)償高分辨率條件下傳統(tǒng)斜距模型帶來(lái)的相位誤差，得到星載SAR高精度聚焦圖像，從而驗(yàn)證了本發(fā)明的有效性和精確性。
文檔編號(hào)G01S13/90GK102879780SQ20121034199
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者陳杰, 曾虹程, 楊威, 張豪杰, 匡輝, 王凱 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)