二维波数均匀映射高分辨成像方法与流程

1.本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及一种单基波数域的成像方法，可用于在调频连续波体制下的高分辨sar雷达系统。


背景技术：

2.调频连续波sar既有调频连续波雷达造价低、体积小、重量轻和抗干扰能力强等特点，还拥有传统sar的高分辨成像的特点，能够很好的适用于低成本要求的民事应用如无人机、轻型飞机等微小型平台，成为小型化sar雷达的重要发展方向。但调频连续波sar的二维频率支撑域与脉冲sar有明显的不同。如果将脉冲成像算法直接用于处理调频连续波数据,必然会降低成像质量。为此，国内外众多研究者针对调频连续波sar的特点，提出了多种解决方案。
3.耿淑敏.等人在“fm-cw sar信号处理关键技术研究[d].国防科学技术大学,2008.”中提出了改进的距离多普勒算法，该算法首先将其中的线性走动分量项以及多普勒中心加以校正，其次对距离压缩、多普勒频移和距离徙动进行校正，再利用相位保持函数补偿参考距离的影响，最后进行方位脉冲压缩处理。但该方法只适用于小斜视角，在大斜视角的情况下存在较大的残余相位误差。
[0004]
张双喜等人在“基于级数反演的斜视fmcw sar成像算法研究[j].电子学报，2013,41(03)：532-538.”中利用级数反演的方法推导出斜距展开到三次项时回波信号的距离多普勒频谱表达式，并在距离多普勒域上对三次项进行包络和相位滤波，同时考虑到时域走动校正带来的方位空变性问题,利用方位非线性变标算法ncs解决其沿方位空变性问题。但该算法由于引入了额外的相位分量，会引起方位时域展宽，导致方位频域虚像，成像效果差。


技术实现要素：

[0005]
本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出二维波数均匀映射高分辨成像方法，以减小大斜视角下的残余相位误差，避免方位频域的虚像，提升场景目标点的成像效果。
[0006]
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
[0007]
(1)获得原始回波信号，对其进行泰勒展开，得到目标回波信号泰勒展开表达式表示快时间，tm表示慢时间；
[0008]
(2)利用斜置误差补偿因子h
oef
，对目标回波信号在距离频域去除斜置误差，得到去除斜置误差的回波信号
[0009]
(3)构造多普勒二维压缩补偿因子：
[0010]hdrc
＝exp[jk
rf
(δtr δt
a,ref
)]
[0011]
其中，j为虚数单位，k
rf
为距离变换因子，δtr为快时间引起的时间误差项，δt
a,ref
为以场景中心为参考的时间误差；
[0012]
(4)利用补偿因子h
drc
对去除斜置误差的回波信号进行快时间时间误差项移位补偿，得到方位粗聚焦后的信号s2(k
rf
,tm)；
[0013]
(5)对方位粗聚焦后的信号s2(k
rf
,tm)进行泰勒展开，得到方位粗聚焦泰勒展开信号根据该信号构造出距离映射因子ky：
[0014][0015]
其中，δ(x0,y0,r
ref
)为以场景中心(x0,y0)为参考的映射系数，δy(tm)为压缩后时间误差项t
δ
对距离位置y一阶泰勒展开系数；
[0016]
(6)利用距离映射因子ky对方位粗聚焦泰勒展开后信号进行距离维均匀映射，得到距离维均匀映射后的信号并从距离维均匀映射后的信号中得出方位映射因子k
x
：
[0017][0018]
(7)利用方位映射因子k
x
对中的信号进行距离维均匀映射后的粗聚焦泰勒展开信号方位维均匀映射，完成解耦，得到方位维均匀映射后的二维解耦信号s3(k
rf
,tm)，并对其进行二维傅里叶变换，得到二维高分辨成像图。
[0019]
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0020]
第一，本发明利用构造的多普勒二维压缩补偿因子，对回波信号进行快时间时间误差项移位补偿，解决了快时间造成的方位散焦影响，有效提升了场景目标点的聚焦效果。
[0021]
第二，本发明利用构造的距离映射因子ky和方位映射因子k
x
对方位粗聚焦信号进行二维均匀映射，实现二维解耦合，突破了距离多普勒算法成像的限制，解决了大斜视角情况下残余相位误差较大的问题，同时克服了现有技术中ncs算法会引起方位时域展宽，解决了方位频域虚像的问题，具有良好的场景适用能力。
附图说明
[0022]
图1是本发明的实现流程图；
[0023]
图2是仿真使用的高分辨sar成像几何构型和场景布点图；
[0024]
图3是分别用现有非线性频调的变标ncs算法和本发明在图2场景下对点目标的成像结果图；
[0025]
图4是用现有距离多普勒算法进行成像处理的各点方位脉压剖面图；
[0026]
图5是用本发明方法进行成像处理的各点方位脉压剖面图；
[0027]
图6是用现有距离多普勒算法进行成像处理的各点的二维等高线图；
[0028]
图7是用本发明方法进行成像处理的各点的二维等高线图。
具体实施方式
[0029]
以下结合附图，对本发明的实施例及效果作进一步详细说明。
[0030]
参照图1，本实例基于调频连续波体制改进的极坐标成像方法，实现步骤如下：
[0031]
步骤1，获取回波信号，并计算回波信号的泰勒展开。
[0032]
(1.1)雷达发射线调频连续波lfmcw信号，经接收机解线频调后获得高分辨模式下调频连续波目标回波信号为方便描述，本实例不对回波信号中窗函数的变化作具体分析，因此目标回波信号表示如下：
[0033][0034]
式中，为快时间，tm为慢时间，j为虚数单位，fc为载频，γ为调频率，为受到快时间和慢时间影响的时间误差项，为整体斜距误差，为目标到雷达的瞬时斜距，r
ref
为参考距离，c为光速；
[0035]
(1.2)将时间误差项δt
r,a
在处泰勒展开得到：
[0036]
δt
r,a
＝δta δtr[0037]
式中，δta为慢时间引起的时间误差项，δtr为快时间引起的时间误差项；
[0038]
(1.3)将泰勒展开后的时间误差项表达式代入原始回波信号得到目标回波信号的泰勒展开表达式
[0039][0040]
式中，第一个指数项为方位维的相位历程，第二个指数项为距离维信号，第三个指数项为斜置误差项。
[0041]
步骤2，利用斜置误差补偿因子h
oef
对目标回波信号泰勒展开表达式在距离频域进行斜置误差补偿。
[0042]
由于目标回波信号的泰勒展开表达式存在斜置误差项，影响后续的成像聚焦效果，因此需要对回波信号进行斜距误差补偿，实现步骤如下：
[0043]
(2.1)选用如下斜置误差补偿因子h
oef
：
[0044]hoef
＝fft(s
oe
)
[0045]
其中，s
oe
＝exp[-jπγ(δta δtr)2]为斜置误差项，γ为调频率，δta为慢时间引
起的时间误差项，δtr为快时间引起的时间误差项，j为虚数单位；
[0046]
(2.2)利用误差补偿因子h
oef
对目标回波信号泰勒展开表达式在距离频域去除斜置误差，得到去除斜置误差后的回波信号
[0047][0048]
其中，为距离变换因子，fc为载频，r
ref
为参考距离，c为光速。
[0049]
步骤3，构造多普勒二维压缩补偿因子，对去除斜置误差的回波信号进行快时间时间误差项移位补偿。
[0050]
由于步骤2中得到的去除斜置误差后的回波信号存在快时间斜距误差项移位，需要构造多普勒二维压缩补偿因子对其进行补偿，同时进行方位压缩粗补偿，以减小相位误差，其实现步骤如下：
[0051]
(3.1)构造多普勒二维压缩补偿因子h
drc
，表示如下：
[0052]hdrc
＝exp[jk
rf
(δtr δt
a,ref
)]
[0053]
其中，j为虚数单位，k
rf
为距离变换因子，δtr为快时间引起的时间误差项，δt
a,ref
为以场景中心为参考的时间误差；
[0054]
(3.2)将多普勒距离移位补偿因子h
drc
与去除斜置误差的信号相乘，得到方位粗聚焦后的信号s2(k
rf
,tm)：
[0055][0056]
其中，j为虚数单位，k
rf
为距离变换因子，δta为慢时间引起的时间误差项，δt
a,ref
为以场景中心为参考的时间误差，t
δ
＝δt
a-δt
a,ref
为压缩后时间误差项。
[0057]
步骤4，对方位粗聚焦后的信号s2(k
rf
,tm)进行泰勒展开，得到方位粗聚焦泰勒展开信号根据该信号构造距离映射因子ky。
[0058]
(4.1)将方位粗聚焦后的信号s2(k
rf
,tm)中的t
δ
进行泰勒展开成如下形式：
[0059]
t
δ
＝δ
x
(tm)
·
x δy(tm)
·y[0060]
其中，x为场景方位位置，y为场景距离位置，δ
x
(tm)、δy(tm)分别为压缩后时间误差项t
δ
对方位位置x的一阶泰勒展开系数和对距离位置y的一阶泰勒展开系数；
[0061]
(4.2)将展开后的t
δ
带入方位粗聚焦后的信号s2(k
rf
,tm)，得到方位粗聚焦泰勒展开后信号
[0062][0063]
其中，k
rf
为距离变换因子，j为虚数单位,k
rf
δy(tm)相位项下的数据为极坐标的扇形格式；
[0064]
(4.3)将上式中扇形格式的距离支撑域映射为以场景中心δ(x0,y0,r
ref
)为参考的梯形格式距离支撑域，即kyδ(x0,y0,r
ref
)＝k
rf
δy(tm)进行移项变形，得到距离映射因子：
[0065][0066]
步骤5，利用距离映射因子ky对方位粗聚焦泰勒展开后信号进行距离维均匀映射，并从距离维均匀映射后信号得出方位映射因子k
x
。
[0067]
步骤3得到的回波信号在大斜视角的情况下存在严重的二维耦合，场景适用能力差，为对距离方位维进行解耦合，利用步骤4得到的距离映射因子ky对方位粗聚焦泰勒展开后信号进行距离维均匀映射，得到距离维均匀映射后的信号并从距离维均匀映射后的信号中得出方位映射因子k
x
，实现如下：
[0068]
(5.1)将距离映射因子移项变形，得距离变换因子k
rf
：
[0069][0070]
其中，δy(tm)为压缩后时间误差项t
δ
对距离位置y的一阶泰勒展开系数，δ(x0,y0,r
ref
)为以场景中心(x0,y0)为参考的映射系数；
[0071]
(5.2)将距离变换因子k
rf
带入方位粗聚焦泰勒展开后信号得距离维均匀映射后的信号
[0072][0073]
其中，x为场景方位位置，y为场景距离位置，δ
x
(tm)为压缩后时间误差项t
δ
对方位位置x的一阶泰勒展开系数；
[0074]
(5.3)令距离维均匀映射后信号中解耦的相位项为方位映射因子k
x
，即：
[0075][0076]
步骤6，利用方位映射因子k
x
对距离维均匀映射后的信号进行方位维
均匀映射，得到方位维均匀映射后的二维解耦信号s3(k
rf
,tm)，并对二维解耦信号进行二维傅里叶变换，得到二维聚焦后的高分辨成像结果图。
[0077]
(6.1)将方位映射因子k
x
带入到距离维均匀映射后的信号s
δx
,ky(k
rf
,tm)，得方位维均匀映射后的二维解耦信号s3(k
rf
,tm)：
[0078]
s3(k
rf
,tm)＝exp[-jk
x
·
x-jkyδ(x0,y0,r
ref
)
·
y]
[0079]
其中，x为场景中目标方位位置，y为场景中目标距离位置，δ(x0,y0,r
ref
)为以场景中心(x0,y0)为参考的映射系数；
[0080]
(6.2)对得到的二维均匀映射后解耦信号s3(k
rf
,tm)进行二维傅里叶变换，得到二维聚焦后的高分辨成像结果图。
[0081]
本发明的效果可以通过下述仿真实验得到进一步的说明：
[0082]
(一)仿真条件
[0083]
设调频连续波体制下的高分辨sar雷达系统的信号载频为94ghz，脉冲重复频率为4khz，脉宽250us,斜视角75
°
，高分辨sar的成像几何和场景布点如图2所示，其中，图2(a)为高分辨sar的成像几何构型三维示意图，图2(b)为场景布点示意图，其成像域初始布点为3
×
3点阵。
[0084]
仿真使用的对比方法是：基于文献“基于级数反演的斜视fmcw sar成像算法研究[j].电子学报,2013,41(03):532-538.”所提ncs算法和基于文献“fm-cw sar信号处理关键技术研究[d].国防科学技术大学,2008.”所提距离多普勒算法进行对比。
[0085]
(二)仿真内容
[0086]
仿真1，在上述条件下，用本发明和现有调频连续波体制下的高分辨sar雷达系统分别对图2(b)中九点场景进行成像仿真，结果如图3所示，其中图3(a)为现有调频连续波体制下的高分辨sar雷达系统的成像结果；图3(b)为本发明的仿真结果。
[0087]
从图3(a)可看出，现有方法虽然点目标聚焦效果良好，但是边缘点存在虚影，这是由该算法引入额外的相位分量所导致的。
[0088]
从图3(b)可知，不仅点目标聚焦效果良好，且边缘点无虚影，表明本发明相比现有技术提高了成像的质量。
[0089]
仿真2，用文献“fm-cw sar信号处理关键技术研究[d].国防科学技术大学,2008.”所提距离多普勒算法对图2(b)中边缘点1、3和中心点2这三点场景进行成像仿真。方位脉压剖面结果如图4所示，二维等高线结果如图6所示，其中，
[0090]
图4(a)表示边缘点1的方位脉压剖面图；
[0091]
图4(b)表示中心点2的方位脉压剖面图；
[0092]
图4(c)表示边缘点3的方位脉压剖面图；
[0093]
图6(a)表示边缘点1的二维等高线图；
[0094]
图6(b)表示中心点2的二维等高线图；
[0095]
图6(c)表示边缘点3的二维等高线图；
[0096]
由图4可知，现有距离多普勒算法处理的场景边缘点1和3在无法精确聚焦，这是因为利用现有距离多普勒算法处理回波时，由于大斜视角的情况下距离方位二位耦合严重，难以准确的实现解耦合，结果仍存在较大的相位误差。
[0097]
由图6可知，现有距离多普勒算法对边缘点1和3的二维主瓣均出现扭曲现象，说明
这两点的距离徙动校正存在残余量，且主瓣和副瓣之间存在明显耦合。
[0098]
仿真3，用本发明方法对图2(b)中边缘点1、3和中心点2这三点场景进行成像仿真,其方位脉压剖面结果如图5所示，二维等高线结果如图7所示，其中：
[0099]
图5(a)表示边缘点1的方位脉压剖面图；
[0100]
图5(b)表示中心点2的方位脉压剖面图；
[0101]
图5(c)表示边缘点3的方位脉压剖面图；
[0102]
图7(a)表示边缘点1的二维等高线图；
[0103]
图7(b)表示中心点2的二维等高线图；
[0104]
图7(c)表示边缘点3的二维等高线图；
[0105]
由图5可知，本发明对场景边缘点1和3及场景中心点2均呈现出良好聚焦效果，各点峰值旁瓣比较低，主瓣和第一旁瓣区分明显，聚焦深度良好。
[0106]
由图7可知，本发明对场景边缘点1和3和场景中心点2均呈现良好的“十字”交叉效果，主瓣和副瓣之间实现解耦合。
[0107]
综上，本发明通过联合多普勒二维压缩补偿和二维波数均匀映射解耦合，实现了调频连续波体制高分辨sar的精确聚焦，验证了本发明的准确性和有效性。