机动轨迹大斜视SAR成像方法、装置及终端设备与流程

机动轨迹大斜视sar成像方法、装置及终端设备
技术领域
1.本发明属于sar成像技术领域，尤其涉及一种机动轨迹大斜视sar成像方法、装置及终端设备。


背景技术：

2.sar(synthetic aperture radar，合成孔径雷达)作为一种微波有源成像系统，具有实时获取目标区域二维高精度图像的能力，是一种重要的战场侦察手段。而调频连续波(frequency modulated continuous wave,fmcw)sar具有体积小、造价低和抗干扰能力强等优点，成为当前研究热点。
3.然而，对于fmcw
‑
sar来说，由于机动轨迹的非线性，一方面，脉内运动导致的多普勒频移、快时间与方位向的二次耦合严重影响了sar的聚焦质量；另一方面，sar斜距历程中方位平移不变性不再成立，传统的斜距模型不再适用，并且加速度和下降速度的存在使成像参数存在明显的距离空变性和方位空变性，导致sar的成像质量差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种机动轨迹大斜视sar成像方法、装置及终端设备，以提高大斜视下sar的成像质量。
5.本发明实施例的第一方面提供了一种机动轨迹大斜视sar成像方法，包括：
6.基于预先构建的斜距模型获取大斜视下sar的第一回波信号；
7.去除第一回波信号中的多普勒频移项和快时间二次耦合项，得到第二回波信号；
8.根据预设的线性距离徙动校正函数和距离时域扰动函数对第二回波信号进行距离向处理，得到第三回波信号；
9.根据预设的方位时域扰动函数、方位频域相位滤波函数和高次相位补偿函数对第三回波信号进行方位向处理，得到大斜视下sar的聚焦图像。
10.可选的，斜距模型的构建方法包括：
11.在每个合成孔径时段内建立空间坐标系xoyz，空间坐标系的xoy平面为地平面，空间坐标系的z轴为地平面法向量方向，t
a
＝0时sar的合成孔径中心点为b(0,0,h)；
12.当sar在空间坐标系xoyz中以加速度a＝(a
x
,a
y
,a
z
)进行恒加速度曲线运动经过t
a
＝0时sar的合成孔径中心点b时，sar的三维速度为v＝(v
x
,0,v
z
)，经过时间t
n
后sar移动到点c，此时sar在xoy平面上的波束照射中心点q[x
n
(r
n
,t
n
),y
n
(r
n
,t
n
)]的瞬时斜距为r
n
，则建立斜距模型
[0013][0014]
对斜距模型在t
r
＝0处和t
a
＝t
n
处进行泰勒展开，将斜距模型重写为
[0015][0016]
式中，t
a
为慢时间变量，t
r
为快时间变量，f
a
为方位多普勒频率，λ为sar的发射信号波长，k
i
(r
n
,t
n
)为第i阶泰勒级数展开系数，n为泰勒阶数。
[0017]
可选的，基于预先构建的斜距模型获取的大斜视下sar的第一回波信号为：
[0018][0019]
去除多普勒频移项和快时间二次耦合项后得到的第二回波信号为：
[0020][0021]
上式中，γ为调频率，c为光速，为多普勒频移项，exp(j2πf
a
t
r
)为快时间二次耦合项。
[0022]
可选的，根据预设的线性距离徙动校正函数和距离时域扰动函数对第二回波信号进行距离向处理，得到第三回波信号，包括：
[0023]
对第二回波信号进行距离向分块和方位向快速傅里叶反变换；
[0024]
根据线性距离徙动校正函数对第二回波信号进行第一校正处理；
[0025]
根据距离时域扰动函数对第二回波信号进行第二校正处理；
[0026]
对第二回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并对第二回波信号进行距离压缩处理，以及将距离压缩处理后的第二回波信号进行距离向快速傅里叶变换，得到第三回波信号。
[0027]
可选的，线性距离徙动校正函数为：
[0028][0029]
距离时域扰动函数为：
[0030][0031]
距离向处理后得到的第三回波信号为：
[0032][0033]
上式中，k
10
为k1(r
n
；t
n
)中的非空变部分，q
i
为距离扰动系数，f
r
为距离多普勒频率，f
c
为sar的载频，t
p
为sar的发射信号脉冲宽度，w
a
(t
a
)为方位向窗宽，φ
a
(t
a
；r
new
)为目标方位时域调制相位，
[0034]
可选的，根据预设的方位时域扰动函数、方位频域相位滤波函数和高次相位补偿函数对第三回波信号进行方位向处理，得到大斜视下sar的聚焦图像，包括：
[0035]
对第三回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，并根据方位时域扰动函数对第三
回波信号进行第三校正处理；
[0036]
对第三校正处理后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并根据方位频域相位滤波函数对第三回波信号进行第四校正处理；
[0037]
对第四校正处理后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，并根据高次相位补偿函数补偿第三回波信号的高次相位；
[0038]
对补偿后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并对第三回波信号进行方位压缩处理，以及对方位压缩处理后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，得到大斜视下sar的聚焦图像。
[0039]
可选的，方位时域扰动函数为：
[0040][0041]
方位频域相位滤波函数为：
[0042][0043][0044]
高次相位补偿函数为：
[0045][0046]
方位向处理后的第三回波信号为：
[0047][0048]
上式中，r
f
为距离向处理后重新定义的距离单元，p
i
为方位扰动系数，e0(r
f
,t
n
)为常数相位，f
r
为距离多普勒频率，t
p
为sar发射信号脉冲宽度，w
a
(t
a
)为方位向窗宽，k
10
为k1(r
n
；t
n
)中的非空变部分。
[0049]
本发明实施例的第二方面提供了一种机动轨迹大斜视sar成像装置，包括：
[0050]
获取模块，用于基于预先构建的斜距模型获取大斜视下sar的第一回波信号；
[0051]
第一处理模块，用于去除第一回波信号中的多普勒频移项和快时间二次耦合项，得到第二回波信号；
[0052]
第二处理模块，用于根据预设的线性距离徙动校正函数和距离时域扰动函数对第二回波信号进行距离向处理，得到第三回波信号；
[0053]
第三处理模块，用于根据预设的方位时域扰动函数、方位频域相位滤波函数和高次相位补偿函数对第三回波信号进行方位向处理，得到大斜视下sar的聚焦图像。
[0054]
本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述任一项机动轨迹大斜视sar成像方法的步骤。
[0055]
本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项机动轨迹大斜视sar成像方法的步骤。
[0056]
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
[0057]
本发明实施例构建了适用于非线性机动轨迹斜距模型，通过斜距模型获取大斜视下sar的回波信号并去除回波信号中的多普勒频移项和快时间二次耦合项，有效消除了快时间对斜距历程的影响，提高了sar的聚焦质量；并且，通过线性距离徙动校正函数和距离时域扰动函数对回波信号进行距离向处理，能够校正方位空变的距离单元徙动，通过方位时域扰动函数、方位频域相位滤波函数和高次相位补偿函数对回波信号进行方位向处理，能够校正方位向空变，进一步提高了sar的聚焦质量。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0059]
图1是本发明实施例提供的机动轨迹大斜视sar成像方法的实现流程图；
[0060]
图2是本发明实施例提供的斜距模型的结构示意图；
[0061]
图3是本发明实施例提供的机动轨迹大斜视sar成像方法的详细流程图；
[0062]
图4是本发明实施例提供的仿真场景示意图；
[0063]
图5是本发明实施例提供的不同算法的rcmc结果对比图；
[0064]
图6是本发明实施例提供的不同算法的等高线对比图；
[0065]
图7是本发明实施例提供的不同算法成像后的方位响应曲线对比图；
[0066]
图8是本发明实施例提供的机动轨迹大斜视sar成像装置的结构示意图；
[0067]
图9是本发明实施例提供的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
[0068]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0069]
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0070]
sar作为一种微波有源成像系统，具有全天时全天候获取目标区域二维高精度图像的能力，是一种重要的战场侦察手段。面对日益复杂的战场环境和多样化的应用需求，基于匀速直线运动平台的常规sar成像的应用局限性日益凸显。高速机动平台具有灵活多变的飞机轨迹，将sar与高速平台结合，将极大提升其战场生存能力、精确制导及打击能力，拓宽了sar适用范围。探测设备微型化也是sar平台发展的重要方向，但传统脉冲sar普遍存在设备复杂，造价高昂和抗干扰能力差等缺点，一定程度上制约了sar在精确制导武器和旋翼无人机等小型平台上的应用。随着集成半导体、大规模集成电路等技术的发展，与调频连续
波技术相结合的高分辨fmcw
‑
sar具有体积小、造价低和抗干扰能力强等优点，能够很好的适用于微小型平台，已成为当前的研究热点，具有重大的军事意义与研究价值。
[0071]
然而，机动轨迹的非线性使得距离向和方位向严重耦合，且sar斜距历程中方位平移不变性不再成立，因此建立适用于机动轨迹成像的精准斜距模型是算法设计的基础。加速度和下降速度的存在使成像参数存在明显的距离和方位二维空变性。此外，不同于传统脉冲sar成像，fmcw
‑
sar中走停模型失效，需要对平台在脉冲持续时间内运动所产生的附加影响进行校正。二维频谱的精确性直接影响成像精度，与加速度相结合的波束域成像算法存在二维频谱近似，导致其算法的聚焦深度有限。而时域成像算法难以与运动补偿结合，对轨迹精度要求较高，相比之下，频域成像算法更适合机动轨迹大斜视成像。
[0072]
现有技术虽然也有对sar成像的传统rd算法进行改进，但是各有缺点。例如：现有技术一分析了斜视引起的相位误差，现有技术二校正了距离包络的空变，但他们均未校正方位相位空变；现有技术三推导了基于快时间一阶展开的机动轨迹fmcw
‑
sar波束域成像方法，但高机动情况下，仅去除快时间的一阶项，会导致距离向散焦。现有技术四讨论了快时间二次展开项的影响，并对传统双曲函数形式的斜距表达式进行一定程度的修正，但该算法利用一个线性因子近似3次及以上方位空变性的方式，在高机动的情况下的误差较大。现有技术五将lrcmc处理后的信号视为小斜视情况，只考虑方位调频率的空变性，这种处理方式的残余误差较大，且仅适用于平飞轨迹，并且方位重采样法也被多次用于校正多普勒参数的空变性，这种方法只对多普勒参数的一阶空变有效，通常用于星载sar成像。现有技术六通过划分高度段动态选取prf的方式设计适用于机载sar的算法，但该算法需逐个遍历数据子段并进行参数调整，极大的降低了成像效率。
[0073]
针对上述问题，本发明实施例提出了一种机动轨迹大斜视sar成像方法，参照图1所示，该方法包括以下步骤：
[0074]
步骤s101、基于预先构建的斜距模型获取大斜视下sar的第一回波信号。
[0075]
在本发明实施例中，由于sar非线性的机动轨迹，导致距离向和方位向严重耦合，方位平移不变性不再成立，平飞双曲线斜距模型不再适用于机动轨迹sar，设计高效成像算法需要先建立合理的机动轨迹斜距模型。目前，现有技术七提出的斜距模型没有对成像场景做假设，虽然适用于任意成像场景，但是该斜距模型依赖散射点坐标，难以在斜距平面上分析和校正成像参数的空变性。现有技术八提出的斜距模型是基于数据录取参量的，但在平台加速度不为零时，模型误差较大。现有技术九在现有技术八的基础上进行了改进，克服了无法精确描述地平面上散射点的斜距历程的局限性，但该模型没有考虑快时间在斜距中的影响。基于现有技术中斜距模型的缺点，本发明实施例结合fmcw
‑
sar的特点，建立了适用于fmcw
‑
sar的机动轨迹斜距录取模型。
[0076]
步骤s102、去除第一回波信号中的多普勒频移项和快时间二次耦合项，得到第二回波信号。
[0077]
在本发明实施例中，通过去除回波信号中的多普勒频移项和快时间二次耦合项，能够消除快时间对斜距历程的影响，提高sar的聚焦质量。
[0078]
步骤s103、根据预设的线性距离徙动校正函数和距离时域扰动函数对第二回波信号进行距离向处理，得到第三回波信号。
[0079]
在本发明实施例中，距离向通过线性距离徙动校正函数(lrcmc)和距离时域扰动
函数校正方位空变的距离单元徙动，提高了成像质量。
[0080]
步骤s104、根据预设的方位时域扰动函数、方位频域相位滤波函数和高次相位补偿函数对第三回波信号进行方位向处理，得到大斜视下sar的聚焦图像。
[0081]
在本发明实施例中，方位向经方位时域扰动函数、方位频域相位滤波函数校正，去除了1～3阶多普勒参数的线性空变和方位调频率的二阶空变性，同时通过高次相位补偿函数补偿了4阶多普勒参数的非空变部分和高次相位，进一步提高了成像质量。
[0082]
可见，本发明实施例构建了适用于非线性机动轨迹斜距模型，通过斜距模型获取大斜视下sar的回波信号并去除回波信号中的多普勒频移项和快时间二次耦合项，有效消除了快时间对斜距历程的影响，提高了sar的聚焦质量；并且，通过线性距离徙动校正函数和距离时域扰动函数对回波信号进行距离向处理，能够校正方位空变的距离单元徙动，通过方位时域扰动函数、方位频域相位滤波函数和高次相位补偿函数对回波信号进行方位向处理，能够校正方位向空变，进一步提高了sar的聚焦质量。
[0083]
可选的，作为一种可能的实施方式，参照图2所示，斜距模型的构建方法可以详述为：
[0084]
在每个合成孔径时段内建立空间坐标系xoyz，空间坐标系的xoy平面为地平面，空间坐标系的z轴为地平面法向量方向，t
a
＝0时sar的合成孔径中心点为b(0,0,h)；当sar在空间坐标系xoyz中以加速度a＝(a
x
,a
y
,a
z
)进行恒加速度曲线运动经过点b时，sar的三维速度为v＝(v
x
,0,v
z
)，经过时间t
n
后sar移动到点c，此时sar在xoy平面上的波束照射中心点q的瞬时斜距为：
[0085][0086]
根据几何关系，q点在地平面的坐标[x
n
(r
n
,t
n
),y
n
(r
n
,t
n
)]可以表示为：
[0087][0088]
将q点坐标代入r
n
，并考虑快时间变量，得到改进的适用于fmcw
‑
sar的机动轨迹斜距模型：
[0089][0090]
为后续直观分析快时间的影响，将斜距模型在t
r
＝0处进行泰勒展开：
[0091]
[0092]
其中，为任意方位时刻sar沿x轴、y轴、z轴的速度矢量在斜距矢量上的投影和，其可表示为f
a
为方位多普勒频率，λ是发射信号波长，则斜距模型可以重写为：
[0093][0094]
其中，r(t
a
；r
n
,t
n
)是仅含慢时间变量的斜距：
[0095][0096]
从式(6)中可以看出，斜距模型是二维空变的，采用关于慢时间t
a
展开的斜距模型更便于构造高效的频域成像算法，并且对于条带sar成像，t
n
为点目标的波束中心穿越时刻，在t
a
＝t
n
处展开斜距模型时，可以最大化的降低展开误差。将式(6)在t
a
＝t
n
处进行n阶泰勒级数展开得：
[0097][0098]
其中k
i
(r
n
,t
n
)为第i阶泰勒级数展开系数，即n为泰勒阶数，最终得到斜距模型为：
[0099][0100]
可选的，在一种可能的实现方式中，基于预先构建的斜距模型获取的大斜视下sar的第一回波信号为：
[0101][0102]
去除多普勒频移项和快时间二次耦合项后得到的第二回波信号为：
[0103][0104]
上式中，γ为调频率，c为光速，为多普勒频移项，exp(j2πf
a
t
r
)为快时间二次耦合项。
[0105]
在本发明实施例中，sar平台所发射的线性调频连续波经dechrip后，所得的差频
信号在二维时域的表达式为：
[0106][0107]
式中，参考信号取自距离为r
ref
处的回波，δr＝r(t
a
,t
r
；r
n
,t
n
)
‑
r
ref
。为便于分析，假设回波信号强度恒为1，且r
ref
＝0。第一项是rvp项，第二项包含距离信息，第三项包含方位相位历程信息。
[0108]
将斜距模型(8)代入差频信号的表达式(9)，得到回波信号：
[0109][0110]
式中，第一项含有目标距离向信息；第二项包含目标方位向相位历程；第三项是由于fmcw
‑
sar在高机动的情况下不能忽略快时间在距离向中的影响而产生的快时间二次耦合项，其引入的最大相位误差为这一项影响距离向聚焦质量，与常规机载fmcw
‑
sar不同，在高速机动平台这一特定条件下，运载飞行器较高的飞行速度使得的差频信号中的快时间二次耦合项不能忽略；第四项是由于脉内运动产生的多普勒频移项，它会对目标距离向位置产生一个偏移；最后一项是由于解线频调产生的残余相位项，成像过程中通常忽略这一项的影响，得到第一回波信号为：
[0111][0112]
由于在fmcw
‑
sar中不能忽略脉内走动对成像带来的影响，因此需要去除多普勒频移项和快时间二次耦合项。
[0113]
去除多普勒频移项的函数为：
[0114]
h
dop
＝exp(
‑
j2πf
a
t
r
)
ꢀꢀ
(12)
[0115]
去除快时间二次耦合项对应的相位函数为：
[0116][0117]
去除多普勒频移项和快时间二次耦合项后得到的第二回波信号为：
[0118][0119]
可选的，在一种可能的实现方式中，根据预设的线性距离徙动校正函数和距离时域扰动函数对第二回波信号进行距离向处理，得到第三回波信号，可以详述为：
[0120]
对第二回波信号进行距离向分块和方位向快速傅里叶反变换；
[0121]
根据线性距离徙动校正函数对第二回波信号进行第一校正处理；
[0122]
根据距离时域扰动函数对第二回波信号进行第二校正处理；
[0123]
对第二回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并对第二回波信号进行距离压缩处理，以及将距离压缩处理后的第二回波信号进行距离向快速傅里叶变换，得到第三回波信号。
[0124]
可选的，在一种可能的实现方式中，线性距离徙动校正函数为：
[0125][0126]
距离时域扰动函数为：
[0127][0128]
距离向处理后得到的第三回波信号为：
[0129][0130]
上式中，k
10
为k1(r
n
；t
n
)中的非空变部分，q
i
为距离扰动系数，f
r
为距离多普勒频率，f
c
为sar的载频，t
p
为sar的发射信号脉冲宽度，w
a
(t
a
)为方位向窗宽，φ
a
(t
a
；r
new
)为目标方位时域调制相位，
[0131]
在本发明实施例中，将r(t
a
；r
n
,t
n
)的泰勒展开式(8)代入第二回波信号(14)，得到基于四阶展开斜距模型的差频信号：
[0132][0133]
在机动大斜视的情况下，距离徙动中的主要分量是线性分量，构造lrcmc函数用以校正线性分量中的非空变部分，这一部分是由斜视角以及轨迹的非线性对全场景产生的影响，在距离时域
‑
方位时域乘以相反的线性走动分量项，同时校正多普勒中心，lrcmc函数为：
[0134][0135]
其中k
10
＝k1(r
refr
；0)表示k1(r
n
；t
n
)中非空变的部分且距离向空变通过距离向分块来解决，r
ref
为距离分块中的参考距离单元，lrcmc函数中的第一项去除方位多普勒中心，第二项校正非空变lrcm项。
[0136]
经lrcmc函数校正后，二维时域的信号变为：
[0137][0138]
其中，r
lrcm
＝r
n
‑
k
10
t
n
是引入lrcmc函数后各散射点所对应的新斜距；k
res
(r
lrcm
；t
n
)
＝k1(r
lrcm
；t
n
)
‑
k
10
为残余的空变lrcm项,k
i
(r
lrcm
；t
n
)是由r
lrcm
表示的斜距展开系数。由于斜距展开系数r
lrcm
中仍然包含方位时间t
n
，不同方位位置目标的徙动曲线的弯曲程度不同，无法进行统一的距离徙动校正。为构造空变模型并简化后续分析，将k
res
(r
lrcm
；t
n
)、k2(r
lrcm
；t
n
)和k3(r
lrcm
；t
n
)在t
n
＝0处进行1阶泰勒展开，得到：
[0139][0140]
其中，由于线性分量是斜距展开系数的主要成分，为校正一至三阶展开系数的线性方位空变分量，建立四阶距离时域扰动函数：
[0141][0142]
其中q
i
为待定的扰动系数，将距离时域扰动函数(19)与lrcmc后的回波信号(17)相乘，得到：
[0143][0144]
各阶展开系数关于t
n
的表达式为：
[0145][0146]
四阶系数的k
new2
空变性对rcmc的影响可以忽略，即k
40
＝k4(r
ref
,0)，k
new1
中的和中的为时域扰动校正引入的附加方位高次空变分量，对rcmc的影响可以忽略。令k
new1
、k
new2
和k
new3
的线性方位空变分量为0，可求得：
[0147][0148]
得到距离时域扰动校正后的斜距系数为：
[0149][0150]
对于高阶多项式(20)，采用级数反演法将其变换到距离时域
‑
方位频域：
[0151]
[0152]
将相位项φ(t
r
,f
a
)在t
r
＝0处进行2阶泰勒展开：
[0153][0154]
其中，φ
r_0
(f
a
)为方位调制项，φ
r_1
(f
a
)为残余的rcm项。
[0155]
构建距离压缩函数进行残余rcmc及二次距离压缩处理：
[0156][0157]
由于fmcw
‑
sar信号在接收时经过了dechrip处理，所以在距离向处理完成后只需要进行快速傅里叶变换就可以实现距离向的聚焦。
[0158]
距离压缩后的回波信号即第三回波信号：
[0159][0160]
式中，t
p
为sar的发射信号脉冲宽度，w
a
(t
a
)为方位向窗宽，φ
a
(t
a
；r
new
)为目标方位时域调制相位，为目标的距离向聚焦位置。
[0161]
可选的，在一种可能的实现方式中，根据预设的方位时域扰动函数、方位频域相位滤波函数和高次相位补偿函数对第三回波信号进行方位向处理，得到大斜视下sar的聚焦图像，可以详述为：
[0162]
对第三回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，并根据方位时域扰动函数对第三回波信号进行第三校正处理；
[0163]
对第三校正处理后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并根据方位频域相位滤波函数对第三回波信号进行第四校正处理；
[0164]
对第四校正处理后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，并根据高次相位补偿函数补偿第三回波信号的高次相位；
[0165]
对补偿后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并对第三回波信号进行方位压缩处理，以及对方位压缩处理后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，得到大斜视下sar的聚焦图像。
[0166]
可选的，在一种可能的实现方式中，方位时域扰动函数为：
[0167][0168]
方位频域相位滤波函数为：
[0169][0170][0171]
高次相位补偿函数为：
[0172][0173]
方位向处理后的第三回波信号为：
[0174][0175]
上式中，r
f
为距离向处理后重新定义的距离单元，p
i
为方位扰动系数，e0(r
f
,t
n
)为常数相位，f
r
为距离多普勒频率，t
p
为sar发射信号脉冲宽度，w
a
(t
a
)为方位向窗宽，k
10
为k1(r
n
；t
n
)中的非空变部分。
[0176]
在本发明实施例中，从距离向聚焦位置可以看出经lrcmc和距离时域扰动校正后，目标的距离向位置产生了明显的畸变，φ
a
(t
a
；r
new
)中包含太多的近似误差，且各阶多普勒参数包含较大的方位空变，直接进行方位压缩会导致聚焦失败。与距离向处理类似，方位向通过构造方位时域扰动函数及频域相位滤波函数，去除多普勒参数的空变性，最后在方位时域聚焦成像。
[0177]
具体的，将rcmc后的距离单元定义为r
f
，方位压缩前，方位时域调制相位的精确形式可以表示为：
[0178][0179]
其中，将φ
a
(t
a
；r
f
,t
n
)在t
a
＝t
n
处进行4阶泰勒级数展开，可得：
[0180][0181]
为第i阶展开系数，表示信号的第i阶多普勒参数，中含有方位时间t
n
，说明各阶多普勒参数中带有方位空，若直接进行方位压缩会导致方位成像质量下降，在后续的方位处理过程中需要去除。其中，的空变性的影响可以忽略，即将剩余3项展开系数在t
n
＝0处进行2阶泰勒级数展开，得到：
[0182][0183]
为去除1～3阶多普勒参数的方位线性空变量，构造四阶方位时域扰动函数：
[0184][0185]
其中，p
i
为待定的扰动系数，求解方法与距离时域扰动相同，将式(29)代入式(27)后与方位时域扰动函数(31)相乘，得到：
[0186][0187]
其中，
[0188][0189]
令和的线性方位空变分量为0，同时减弱方位非空变的残留多普勒中心，可求得：
[0190][0191]
由于4阶的方位时域扰动校正仅能去除方位相位中1～3阶多普勒参数的线性空变，为了校正方位调频率的二阶空变，还需要在方位频域引入相位滤波函数。将回波信号用级数反演法变至方位频域，然后对相位在f
a
＝0处进行4阶泰勒级数展开得到：
[0192][0193]
对φ
af_1
(t
n
)和φ
af_2
(t
n
)在t
n
＝0处进行2阶泰勒级数展开得：
[0194][0195]
由于φ
af_3
(t
n
)、φ
af_4
(t
n
)的空变性较弱，可在频域滤波时一并去除，取φ
af_3
(t
n
)＝φ
af_3
(0)、φ
af_4
(t
n
)＝φ
af_4
(0)，构造方位频域相位滤波函数如下：
[0196][0197]
将方位频域相位滤波函数(37)与信号(35)相乘，并采用级数反演法变换至方位时域得到：
[0198][0199]
令调频率的二阶空变为0，可求得
[0200][0201]
频域相位滤波虽然去除了调频率的二阶空变，但又引入了高次相位，在方位压缩前需要在方位时域补偿高次相位，构造高次相位补偿函数如下：
[0202][0203]
对于条带sar，方位聚焦域应为方位时域，因此将高次相位补偿后的信号变至方位频域进行方位压缩，经级数反演法变至方位频域的信号为：
[0204][0205]
在方位频域构造的方位压缩函数为：
[0206][0207]
将方位压缩函数(42)与信号(41)相乘后，变至方位时域，即可得到sar聚焦图像。
[0208]
根据以上内容，参照图3，其示出了本发明实施例提供的机动轨迹大斜视sar成像方法的整体流程，如下：
[0209]
(1)获取sar原始数据，该sar原始数据即基于预先构建的斜距模型得到的大斜视下sar的回波信号，此时回波信号即第一回波信号；
[0210]
(2)对回波信号进行方位向快速傅里叶变换处理，去除回波信号中的普勒频移项和快时间二次耦合项，此时回波信号即第二回波信号；
[0211]
(3)对回波信号进行距离向分块和方位向快速傅里叶反变换，根据线性距离徙动校正函数对回波信号进行第一校正处理，根据距离时域扰动函数对回波信号进行第二校正处理；
[0212]
(4)对回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并根据距离压缩对回波信号进行残余rcmc及距离压缩处理，距离压缩处理后将回波信号进行距离向快速傅里叶变换，此时回波信号即第三回波信号；
[0213]
(5)对回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，并根据方位时域扰动函数对回波信号进行第三校正处理；
[0214]
(6)对第三校正处理后的回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并根据方位频域相位滤波函数对回波信号进行第四校正处理；
[0215]
(7)对第四校正处理后的回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，并根据高次相位补偿函数补偿回波信号的高次相位；
[0216]
(8)对补偿后的回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并对回波信号进行方位压缩处理，以及对方位压缩处理后的回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，得到大斜视下sar的聚焦图像。
[0217]
以下，仿真验证本发明实施例提供的机动轨迹大斜视sar成像方法的可行性，仿真数据参数如表1所示。
[0218]
表1仿真参数
[0219][0220]
在仿真数据中，地面场景设置如图4所示，在t
a
＝0时的雷达视线方向及垂直方向布置如图的3
×
3的目标矩阵，目标场景范围大致为500m*1700m。选取图4中标号为1～3的点目标进行分析，其中点2是场景中心点，点1和点3具有较强的空变性。首先分析空变距离徙动校正的有效性。图5是采用两种算法进行rcmc的结果对比。经前文分析可知，点1、2、3具有不同的距离弯曲校正量，并且位于同一距离单元的点目标由于方位空变的影响，也具有不同的弯曲校正量。从图5(a)中可以看出本文算法能够有效的校正空变的距离徙动。而对比算法以场景中心对应的等效斜视角和等效速度进行整体rcmc后，残余的空变距离徙动量仍然较大，非场景中心点的距离包络仍存在越距离单元的现象。这种越距离单元的现象对最终的成像质量影响很大，对比图6(a)和图6(b)中点1、3的等高线图可以看出，成像结果在距离向上存在明显的散焦，也恶化了方位压缩效果。为验证本文算法方位校正参数空变的有效性，先用本文算法的距离维处理方法进行rcmc，得到距离向聚焦良好的结果后再用对比算法的方位维处理方法进行方位压缩，得到图6(c)的结果。对比图6(a)和图6(c)可以看出，对比算法也能实现方位压缩，但点1、3的聚焦结果存在明显的方位散焦。
[0221]
为进一步量化评估本文算法的有效性，图7给出了3个点目标用不同算法成像后的方位响应曲线。图7(c)中点1、3的方位响应曲线相比点2的响应曲线，第一旁瓣较高，这是因为在机动大斜视的情况下，方位调频率二阶空变性以及多普勒高阶参数的空变性较强，对比算法利用线性因子近似的误差较大。本发明实施例所提的时频域扰动处理算法有效的校正了1～3阶多普勒参数的线性方位空变、方位调频率的二阶空变、以及4阶多普勒参数的非空变部分，对比图7(a)和图7(c)，图7(a)的方位响应曲线主副瓣清晰，且点1、3的结果与点2结果相近，本发明实施例算法具有更好的方位聚焦效果。
[0222]
为精确评估点目标的聚焦效果，计算由本发明实施例算法聚焦所得的各点性能指标参数如表2所示，可以看出本发明实施例算法的测量指标与理论值基本吻合，验证了算法的有效性。
[0223]
表2性能指标参数测量结果(未加窗)
[0224][0225]
另外，本发明实施实例还通过八旋翼无人机搭载fmcw
‑
sar雷达进行实测数据采集，进一步验证了算法的有效性。
[0226]
本发明实施例研究了机动平台大斜视fmcw
‑
sar成像中的脉内运动问题以及二维
空变校正问题。在改进的斜距模型的基础上，分析了脉内运动产生的影响，通过补偿多普勒频移项及快时间二次耦合项，有效去除了快时间对斜距历程的影响，提高了聚焦质量。进一步，距离向通过lrcmc和距离时域扰动函数校正距离单元徙动的方位空变性；方位向通过方位时域扰动函数和方位频域相位滤波函数去除了1～3阶多普勒参数的线性空变和方位调频率的二阶空变性，同时补偿了4阶多普勒参数的非空变部分和高次相位，进一步提高了成像质量，并通过仿真及实测数据验证了算法的有效性。
[0227]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0228]
本发明实施例提供了一种机动轨迹大斜视sar成像装置，参照图8所示，该装置80包括：
[0229]
获取模块81，用于基于预先构建的斜距模型获取大斜视下sar的第一回波信号。
[0230]
第一处理模块82，用于去除第一回波信号中的多普勒频移项和快时间二次耦合项，得到第二回波信号。
[0231]
第二处理模块83，用于根据预设的线性距离徙动校正函数和距离时域扰动函数对第二回波信号进行距离向处理，得到第三回波信号。
[0232]
第三处理模块84，用于根据预设的方位时域扰动函数、方位频域相位滤波函数和高次相位补偿函数对第三回波信号进行方位向处理，得到大斜视下sar的聚焦图像。
[0233]
可选的，作为一种可能的实现方式，在基于预先构建的斜距模型获取大斜视下sar的第一回波信号之前，获取模块81还用于：
[0234]
在每个合成孔径时段内建立空间坐标系xoyz，空间坐标系的xoy平面为地平面，空间坐标系的z轴为地平面法向量方向，t
a
＝0时sar的合成孔径中心点为b(0,0,h)；
[0235]
当sar在空间坐标系xoyz中以加速度a＝(a
x
,a
y
,a
z
)进行恒加速度曲线运动经过t
a
＝0时sar的合成孔径中心点b时，sar的三维速度为v＝(v
x
,0,v
z
)，经过时间t
n
后sar移动到点c，此时sar在xoy平面上的波束照射中心点q[x
n
(r
n
,t
n
),y
n
(r
n
,t
n
)]的瞬时斜距为r
n
，则建立斜距模型：
[0236][0237]
对斜距模型在t
r
＝0处和t
a
＝t
n
处进行泰勒展开，将斜距模型重写为：
[0238][0239]
式中，t
a
为慢时间变量，t
r
为快时间变量，f
a
为方位多普勒频率，λ为sar的发射信号波长，k
i
(r
n
,t
n
)为第i阶泰勒级数展开系数，n为泰勒阶数。
[0240]
可选的，作为一种可能的实现方式，基于预先构建的斜距模型获取的大斜视下sar的第一回波信号为：
[0241][0242]
去除多普勒频移项和快时间二次耦合项后得到的第二回波信号为：
[0243][0244]
上式中，γ为调频率，c为光速，为多普勒频移项，exp(j2πf
a
t
r
)为快时间二次耦合项。
[0245]
可选的，作为一种可能的实现方式，第二处理模块83用于：
[0246]
对第二回波信号进行距离向分块和方位向快速傅里叶反变换；
[0247]
根据线性距离徙动校正函数对第二回波信号进行第一校正处理；
[0248]
根据距离时域扰动函数对第二回波信号进行第二校正处理；
[0249]
对第二回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并对第二回波信号进行距离压缩处理，以及将距离压缩处理后的第二回波信号进行距离向快速傅里叶变换，得到第三回波信号。
[0250]
可选的，作为一种可能的实现方式，线性距离徙动校正函数为：
[0251][0252]
距离时域扰动函数为：
[0253][0254]
距离向处理后得到的第三回波信号为：
[0255][0256]
上式中，k
10
为k1(r
n
；t
n
)中的非空变部分，q
i
为距离扰动系数，f
r
为距离多普勒频率，f
c
为sar的载频，t
p
为sar的发射信号脉冲宽度，w
a
(t
a
)为方位向窗宽，φ
a
(t
a
；r
new
)为目标方位时域调制相位，
[0257]
可选的，作为一种可能的实现方式，第三处理模块84用于：
[0258]
对第三回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，并根据方位时域扰动函数对第三回波信号进行第三校正处理；
[0259]
对第三校正处理后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并根据方位频域相位滤波函数对第三回波信号进行第四校正处理；
[0260]
对第四校正处理后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，并根据高次相位补偿函数补偿第三回波信号的高次相位；
[0261]
对补偿后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶变换，并对第三回波信号进行方位压缩处理，以及对方位压缩处理后的第三回波信号进行方位向快速傅里叶反变换，得到大斜视下sar的聚焦图像。
[0262]
可选的，作为一种可能的实现方式，方位时域扰动函数为：
[0263][0264]
方位频域相位滤波函数为：
[0265][0266][0267]
高次相位补偿函数为：
[0268][0269]
方位向处理后的第三回波信号为：
[0270][0271]
上式中，r
f
为距离向处理后重新定义的距离单元，p
i
为方位扰动系数，e0(r
f
,t
n
)为常数相位，f
r
为距离多普勒频率，t
p
为sar发射信号脉冲宽度，w
a
(t
a
)为方位向窗宽，k
10
为k1(r
n
；t
n
)中的非空变部分。
[0272]
图9是本发明一实施例提供的终端设备90的示意图。如图9所示，该实施例的终端设备90包括：处理器91、存储器92以及存储在存储器92中并可在处理器91上运行的计算机程序93。处理器91执行计算机程序93时实现上述各个机动轨迹大斜视sar成像方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤s101至s104。或者，处理器91执行计算机程序93时实现上述各装置实施例中各模块的功能，例如图8所示模块81至84的功能。
[0273]
示例性的，计算机程序93可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器92中，并由处理器91执行，以完成本发明。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序93在终端设备90中的执行过程。例如，计算机程序93可以被分割成获取模块81、第一处理模块82、第二处理模块83、第三处理模块84(虚拟装置中的模块)，各模块具体功能如下：
[0274]
获取模块81，用于基于预先构建的斜距模型获取大斜视下sar的第一回波信号。
[0275]
第一处理模块82，用于去除第一回波信号中的多普勒频移项和快时间二次耦合项，得到第二回波信号。
[0276]
第二处理模块83，用于根据预设的线性距离徙动校正函数和距离时域扰动函数对第二回波信号进行距离向处理，得到第三回波信号。
[0277]
第三处理模块84，用于根据预设的方位时域扰动函数、方位频域相位滤波函数和高次相位补偿函数对第三回波信号进行方位向处理，得到大斜视下sar的聚焦图像。
[0278]
终端设备90可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。终端设备90可包括，但不仅限于，处理器91、存储器92。本领域技术人员可以理解，图9仅仅是终端设备90的示例，并不构成对终端设备90的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或
者组合某些部件，或者不同的部件，例如终端设备90还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0279]
所称处理器91可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0280]
存储器92可以是终端设备90的内部存储单元，例如终端设备90的硬盘或内存。存储器92也可以是终端设备90的外部存储设备，例如终端设备90上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，存储器92还可以既包括终端设备90的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器92用于存储计算机程序以及终端设备90所需的其他程序和数据。存储器92还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0281]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0282]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0283]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0284]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0285]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0286]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以
是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0287]
集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0288]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。