基于多核dsp的前側(cè)視sar實時成像方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理技術(shù)領域，涉及一種合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR)實時成像方法，可用于機載/彈載雷達對地面目標的檢測與識別。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著SAR成像技術(shù)的發(fā)展，正側(cè)視和小斜視SAR技術(shù)已不斷成熟和完善，獲得了越 來越廣泛的應用。與此同時，SAR正朝著多模式、多通道、多功能方向發(fā)展，現(xiàn)代SAR系統(tǒng)已 不僅僅局限于高分辨對地觀測，基于SAR圖像的目標檢測、識別、跟蹤等功能正在不斷發(fā)展 中。前側(cè)視SAR因其在機載火控雷達及彈載精確制導雷達中的應用需求，近年來受到了關 注，裝備有前側(cè)視SAR系統(tǒng)的飛行器與武器系統(tǒng)被認為是將來戰(zhàn)場上的制勝法寶。
[0003] 前側(cè)視SAR信號獨特的觀測幾何使其具有以下兩個不同于傳統(tǒng)正側(cè)視與小斜視 SAR的特點：大距離徙動與窄多普勒帶寬。大距離徙動尤其是距離徙動的空變性在成像過 程中需要進行精確校正才能使得回波信號包絡對齊；窄多普勒帶寬使得前側(cè)視SAR方位分 辨率降低，且容易出現(xiàn)方位多普勒突變。以上問題使得傳統(tǒng)距離多普勒RD類算法、線頻調(diào) 變標CS類算法與前側(cè)視SAR模型失配而不能獲得良好聚焦圖像，故研宄新的前側(cè)視SAR成 像算法具有重要意義。
[0004] 前側(cè)視SAR模型可以等效為大斜視模型，針對大斜視SAR成像算法，文章 ^Extended NCS Based on Method of Series Reversion for Imaging of Highly Squinted SAR，IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, Vol. 8, NO. 3, May2011 " 通過引入級 數(shù)反演算法，提出了一種擴展的非線性調(diào)頻變標（Nolinear CS, NCS)算法，提高了斜視SAR 信號的距離向數(shù)據(jù)處理性能，但是該算法可處理斜視角度仍然有限，仿真實驗驗證該算法 適用的前側(cè)視角不可小于 40°。文章 "Focus Improvement of Highly Squinted Data Based on Azimuth Nonlinear Scaling， IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 49, NO. 6, June 2011"進一步應用方位非線性變標算法提高可處理的斜視角 度，但是所提算法復雜度高、計算量大、實時性差。此外，以上兩種算法均未使用實測數(shù)據(jù)驗 證，故忽略了實測數(shù)據(jù)中的雷達運動誤差對算法性能的影響，不具有廣泛適用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，在考慮雷達平臺運動誤差對算法性 能影響的前提下，以前側(cè)視SAR成像實時處理系統(tǒng)為應用背景，采用目前先進的多核DSP處 理芯片，結(jié)合前側(cè)視SAR "窄波束平地"的假設，提出一種基于多核DSP的前側(cè)視SAR實時 成像方法，以減小成像處理的前側(cè)視角度，降低運算量，擴大其應用范圍。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是：采用迭代方式由實測前側(cè)視SAR回波數(shù)據(jù)估計運 動誤差，對包絡補償與相位補償之后的數(shù)據(jù)進行距離走動校正，利用優(yōu)化斜距表達式，進行 空變距離彎曲校正和二次距離壓縮，通過方位短孔徑二階匹配濾波聚焦獲得SAR圖像，其 具體實現(xiàn)步驟包括如下：
[0007] 1)將距離向N點、方位向M點的回波數(shù)據(jù)S依方位向平均分為Li夬，并將第
【主權(quán)項】
1. 一種基于多核DSP的前側(cè)視SAR實時成像方法，包括如下步驟： 1) 將距離向N點、方位向M點的回波數(shù)據(jù)S依方位向平均分為L塊，并將第
-塊數(shù)據(jù)映射到多核DSP的第q核，對各塊數(shù)據(jù)進行距離走動校正，其中N、M、L均 為大于1的正整數(shù)，qE[〇, 1，…，Q-l]，Q為參與處理的DSP核數(shù)； 2) 利用走動較正之后的數(shù)據(jù)對空變距離彎曲進行校正： 2a)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至距離和方位這兩維頻域，并構(gòu)造頻域校正相位：
其中，&為點目標的波束射線向斜距，為距離頻率，fa為方位頻率，f^為方位最大多 普勒，c為光速，j表不虛數(shù)； 2b)將頻域校正相位4 (14 4)與方位頻域信號相乘，完成空變距離彎曲校正； 3) 對空變距離彎曲校正之后的數(shù)據(jù)進行距離向匹配濾波；將濾波后的數(shù)據(jù)變換至距 離和方位兩維時域，利用該兩維時域數(shù)據(jù)估計瞬時多普勒調(diào)頻率，再對瞬時多普勒調(diào)頻率 進行插值，獲得全孔徑運動誤差向量AR; 4) 利用運動誤差向量AR對原始雷達回波數(shù)據(jù)S進行包絡校正與相位補償，得到距離 非空變運動補償后的數(shù)據(jù)Y; 5) 利用距離非空變運動補償之后的數(shù)據(jù)Y進行距離徙動校正，將校正后的數(shù)據(jù)均分為 GXL塊，G為距離向塊數(shù)，L為方位向塊數(shù)；利用各塊數(shù)據(jù)估計瞬時多普勒調(diào)頻率，獲得GXL 維調(diào)頻率矩陣Q，對該調(diào)頻率矩陣Q的行向量進行M點插值，獲得GXM維空變運動誤差矩 陣步，其中G為大于1的正整數(shù)； 6) 利用空變運動誤差矩陣步對距離非空變運動誤差補償后的數(shù)據(jù)Y進行誤差補償，得 到距離空變運動補償后的數(shù)據(jù)Z，計算該數(shù)據(jù)Z的熵值Ez; 7) 重復1)~6)，直到前后兩次補償結(jié)果的熵差值小于0.01時認為滿足補償精度要 求，對運動補償之后的數(shù)據(jù)Z進行方位聚焦，如不滿足，則繼續(xù)迭代1)~6)，直到滿足補償 要求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟1)中對各塊回波數(shù)據(jù)進行距離走動校 正，按如下步驟進行： la)對各塊回波數(shù)據(jù)進行距離向傅里葉變換，得到距離頻域信號：
其中，aj?)和aa( ?)分別為線性調(diào)頻信號的距離向窗函數(shù)和方位向窗函數(shù)，b為信 號調(diào)頻率，A為雷達波長，f；為信號距離向頻率，f。為雷達載頻，t為方位慢時間，c為電磁 波在介質(zhì)中的傳播速度，Ra^XmlO為與某距離門中心點橫距為Xn的點目標在tm時刻到 平臺的瞬時斜距，R〇為點目標沿波束射線向的斜距，V為雷達平臺移動速度，0 3(1為前側(cè)視 角的余角，前側(cè)視角為波束中心射線與航線的夾角，Si中的最后一個指數(shù)項
包含距離走動； lb)構(gòu)造步驟la)中指數(shù)項
的距離走動校正相位H1:
其中，距離走動量AR(tm) =-(vsin0S(1)tm; 1(：)將距離頻域信號31此41^11，1〇乘以距離走動校正相位11 1此4"1)，得到距離走動 校正后的信號：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟2)中對距離走動校正之后的信號S2 (f；; 進行空變距離彎曲校正，按如下步驟進行： 2a)對距離走動校正之后的信號進行方位向傅里葉變換，得到二維頻 域信號：
其中，
P為波束射線瞬時斜視角，
等 效調(diào)頻率
，Rs(l為雷達到場景中心線的參考距離，
S3(fr;fa;Xn，R〇)的最后一 個指數(shù)項1
為距離彎曲項，該距離彎曲隨目標斜距R/變化，說 明彎曲具有空變性； 2b)構(gòu)造步驟2a)中指數(shù)項
的校正相位H2:
2c)將二維頻域信號S3(fr;fa;Xn，Rq)乘以校正相位H2(Rq，fr，fa)，得到空變距離彎曲校 正后的信號：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟3)中進行距離向匹配濾波，按如下步驟 進行： 3a)構(gòu)造空變距離彎曲校正后信號S4(f；;f 中二次調(diào)頻相位
的匹配函數(shù)H3:
3b)將&此汀與比此汀a;Rj相乘，并進行距離向逆傅里葉變換，得到距離匹 配濾波后的信號：
其中，f為距離向快時間，Af；為線性調(diào)頻信號帶寬。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟3)中估計誤差向量AR，按如下步驟進 行： 3c)對距離匹配濾波后的信號S, 夂,凡；)進行方位逆傅里葉變換，得到兩維時域信 號：
3d)利用兩維時域信號乂；)進行瞬時調(diào)頻率估計，得到調(diào)頻率向量： y = [y工，…y丄，…，yj， 其中1 = 1，2,…，L; 3e)對y進行M點插值，得到插值后的調(diào)頻率向量： 其中m= 1，2,…，M; 3f)對G進行二次積分，得到距離誤差向量：
其中sG[〇，tJ。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述步驟4)中利用運動誤差向量AR對原始雷達回 波數(shù)據(jù)S進行相位補償，按如下步驟進行： 4a)利用運動誤差向量AR構(gòu)造相位補償函數(shù)：
4b)將回波數(shù)據(jù)S與相位補償函數(shù)氏相乘，得到距離非空變運動補償數(shù)據(jù)：
其中?表不Hadamard乘積。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述步驟6)中利用空變運動誤差矩陣！D對距離非 空變運動補償后的數(shù)據(jù)Y進行誤差補償，按如下步驟進行： 6a)構(gòu)造空變運動補償相位矩陣： H5=exp(j邊）， 6b)將非空變運動補償之后的數(shù)據(jù)￥與4相乘，得到空變運動補償之后的數(shù)據(jù)：
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述步驟6)中數(shù)據(jù)Z的熵值Ez，按如下公式計算：
其中z(m，n)表示Z的第m行、第n列元素。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述步驟7)中對運動補償之后的數(shù)據(jù)Z進行方位聚 焦，按如下步驟進行： 7a)對運動補償之后的數(shù)據(jù)Z進行方位向傅里葉變換，得方位頻域信號：
其中Z(m，：）為數(shù)據(jù)Z的第m行，5#;的最后一個指數(shù)項
為方位匹配濾波項； 7b)構(gòu)造步驟7a)中方位匹配濾波項的補償函數(shù)H5:
7c)將方位頻域信號,/?"；)與補償函數(shù)％此，1〇相乘，并執(zhí)行方位向逆傅里 葉變換，得SAR圖像：
其中A匕為多普勒帶寬。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多核DSP的前側(cè)視SAR實時成像方法，主要解決現(xiàn)有前側(cè)視SAR成像算法處理前側(cè)視角度受限、計算量大，且未進行運動補償?shù)膯栴}。其實現(xiàn)過程是：1)將回波數(shù)據(jù)按方位向分塊，并將各塊數(shù)據(jù)映射至各DSP處理核；2)對各塊數(shù)據(jù)進行距離徙動校正和距離脈壓；3)利用脈壓后的數(shù)據(jù)估計距離非空變運動誤差；4)利用距離非空變運動誤差對回波數(shù)據(jù)進行包絡校正和誤差補償；5)利用補償后的數(shù)據(jù)估計距離空變運動誤差并進行距離空變誤差補償；6)對距離空變誤差補償后的數(shù)據(jù)進行方位聚焦，得到SAR圖像。本發(fā)明能有效估計運動誤差，提高SAR圖像分辨率，且運算效率較高，可用于機載/彈載雷達對地面目標的檢測與識別。
【IPC分類】G01S13-90
【公開號】CN104777479
【申請?zhí)枴緾N201510224341
【發(fā)明人】劉崢, 冉磊, 謝榮, 其他發(fā)明人請求不公開姓名
【申請人】西安電子科技大學
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年5月5日