斜视高轨SAR非停走相位调制补偿方法及装置

斜视高轨sar非停走相位调制补偿方法及装置
技术领域
1.本公开涉及合成孔径雷达（synthetic aperture radar，sar）信号处理技术领域，具体涉及星载合成孔径雷达成像处理技术领域，更具体地涉及一种斜视高轨sar非停走相位调制补偿方法及装置。


背景技术：

2.随着星载sar技术的发展，一种将sar载荷放置在地球同步轨道卫星上的遥感器成为sar领域的新兴研究热点。相对于低轨道sar而言,地球同步轨道sar具有覆盖范围大、重访周期短、抗打击和抗摧毁能力强等优势，在民用和军事方面都具有非常广泛的应用前景。
3.星载sar采用脉冲体制，以固定脉冲重复频率（pulse repeat frequency，prf）发射和接收信号。sar信号以光速传播，形成快时间轴（也即距离时间轴），平台运动速度远小于光速，形成慢时间轴（也即方位时间轴）。“停-走”假设认为：脉冲信号从发射到接收的过程中卫星与目标相对静止，不随快时间和慢时间的变化，斜距始终不变，可以用发射脉冲时刻雷达与目标瞬时斜距的2倍代替实际双程斜距。
4.由于地球同步轨道sar的轨道高度是低轨道sar的几十倍，造成目标回波的延迟时间长、目标合成孔径时间长，导致经典的平台匀速直线运动模型以及“停-走”假设等都不再适用。另外，地球同步轨道sar中的距离和方位空变性都明显大于低轨道sar。因此，若直接采用低轨道sar的成像方法将难以实现地球同步轨道sar的精确聚焦。
5.在斜视高轨sar停走相位调制补偿方面，现有技术主要存在两方面问题：第一，对于高轨卫星，停走假设模型不再适用，一般性星载sar二维时域回波信号模型描述不够精确；第二，脉内停走误差补偿的方法不够简便。具体来说，现有技术主要存在以下缺陷：（1）现有技术基于停走假设，没有考虑脉冲发射到接收相隔的几个甚至几十个脉冲时间内，平台运动距离的变化以及斜距随快时间的变化。
6.（2）现有技术在推导发射斜距和接收斜距中利用线性偏导等数学近似，将一元高次方程简化为线性方程进行求解，虽然计算过程简单，但引入了额外的误差。
7.（3）现有技术在补偿“停-走”假设带来的误差时往往与特定的成像算法处理流程相结合，不具有普适性。
8.因此，现有的技术方案对斜视高轨卫星的星地持续运动的考虑还不够全面，这使得斜视高轨sar二维时域回波信号模型不够精确，由此引起调制相位误差，而该误差会随着合成孔径时间的增大、斜视成像角度的增大、以及卫星轨道高度的增大而加剧，影响到精确聚焦。


技术实现要素：

9.鉴于现有技术存在的上述技术问题，本公开提供了一种斜视高轨sar非停走相位调制补偿方法及装置。
10.本公开一方面提供了一种斜视高轨sar非停走相位调制补偿方法，包括：在星地持
续运动下，建立雷达脉冲从发射到接收的斜距模型，其中，斜距模型与快时间的变化相关；预设雷达的发射脉冲为线性调频信号，根据斜距模型，对线性调频信号进行正交解调，得到点目标在二维时域内的基带回波信号；对基带回波信号进行傅里叶变换，得到二维频域回波信号，以及由星地持续运动引起的二维频域调制相位；对二维频域调制相位进行预处理，以初步补偿二维频域调制相位；对预处理后的二维频域回波信号依次进行成像处理和后处理，以二次补偿二维频域调制相位，得到距离多普勒域内的目标回波信号。
11.本公开另一方面提供了一种斜视高轨sar非停走相位调制补偿装置，包括：斜距模型建立模块，用于在星地持续运动下，建立雷达脉冲从发射到接收的斜距模型，其中，斜距模型与快时间的变化相关；基带回波信号确定模块，用于预设雷达的发射脉冲为线性调频信号，根据斜距模型，对线性调频信号进行正交解调，得到点目标在二维时域内的基带回波信号；调制相位确定模块，用于对基带回波信号进行傅里叶变换，得到二维频域回波信号，以及由星地持续运动引起的二维频域调制相位；初步补偿模块，用于对二维频域调制相位进行预处理，以初步补偿二维频域调制相位；二次补偿模块，用于对预处理后的二维频域回波信号依次进行成像处理和后处理，以二次补偿二维频域调制相位，得到距离多普勒域内的目标回波信号。
12.与现有技术相比，本公开提供的斜视高轨sar非停走相位调制补偿方法及装置，至少具有以下有益效果：（1）本公开利用星地持续运动关系，相对于脉内停走假设而言，更充分地考虑了星地相对位置在脉冲发射到接收过程中，随快时间和慢时间的变化，以及由此造成的斜距随快时间的变化。
13.（2）本公开建立了斜视高轨sar在星地持续运动下的斜距模型，基于斜距模型，提出了一种利用每一个脉冲发射时刻的卫星和目标位置、速度精确计算斜视高轨sar脉冲发射斜距和接收斜距的方法，由此获得的发射斜距和接收斜距是二元二次方程组的精确解，没有利用数学近似，计算结果精度更高，不会引入额外的误差。
14.（3）本公开在补偿非停走相位调制的过程中，首先在预处理中进行补偿，然后进行成像操作，最后在成像后处理中进行精细补偿，没有改变成像过程，该补偿方法通过包括成像预处理和后处理的两步补偿非停走相位调制，可以适用于任一成像算法，更具有普适性。
附图说明
15.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：图1示意性示出了根据本公开实施例的斜视高轨sar非停走相位调制补偿方法的流程图；图2示意性示出了根据本公开实施例的雷达脉冲从发射到接收的斜距模型的几何关系图；图3示意性示出了根据本公开实施例的确定二维频域调制相位的流程图；图4示意性示出了根据本公开实施例的预处理的流程图；图5示意性示出了根据本公开实施例的成像处理的流程图；图6示意性示出了根据本公开实施例的后处理的流程图；
图7示意性示出了根据本公开实施例的斜视高轨sar非停走相位调制补偿装置的结构框图。
具体实施方式
16.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
17.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
18.在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
19.附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
20.因此，本公开的技术可以硬件和/或软件（包括固件、微代码等）的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。在本公开的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘（hdd）；光存储装置，如光盘（cd-rom）；存储器，如随机存取存储器（ram）或闪存；和/或有线/无线通信链路。
21.图1示意性示出了根据本公开实施例的斜视高轨sar非停走相位调制补偿方法的流程图。
22.如图1所示，该实施例的斜视高轨sar非停走相位调制补偿方法包括操作s110~操作s150。
23.在操作s110，在星地持续运动下，建立雷达脉冲从发射到接收的斜距模型，其中，斜距模型与快时间的变化相关。
24.在操作s120，预设雷达的发射脉冲为线性调频信号，根据斜距模型，对线性调频信号进行正交解调，得到点目标在二维时域内的基带回波信号。
25.在操作s130，对基带回波信号进行傅里叶变换，得到二维频域回波信号，以及由星地持续运动引起的二维频域调制相位。
26.在操作s140，对二维频域调制相位进行预处理，以初步补偿二维频域调制相位。
27.在操作s150，对预处理后的二维频域回波信号依次进行成像处理和后处理，以二次补偿二维频域调制相位，得到距离多普勒域内的目标回波信号。
28.由此，本实施例考虑在星地持续运动的情况下，建立斜距模型并获得基带回波信
号，基于该基带回波信号获得由星地持续运动引起的二维频域调制相位，通过包括成像预处理和后处理的两步补偿非停走相位调制，没有改变成像过程，可以适用于任一成像算法，更具有普适性。
29.以下通过图2~图6对图1概述的本公开实施例的斜视高轨sar非停走相位调制补偿方法进行详细描述。
30.图2示意性示出了根据本公开实施例的雷达脉冲从发射到接收的斜距模型的几何关系图。
31.如图2所示，依据图中几何关系和余弦定理，上述操作s110中的雷达脉冲从发射到接收的斜距模型可以根据以下公式来建立：接收的斜距模型可以根据以下公式来建立：接收的斜距模型可以根据以下公式来建立：其中，r0为点目标到sar天线的最近斜距；r
tr
为从sar天线到点目标的发射斜距，与快时间和慢时间都相关；α为雷达脉冲在发射时刻的方向角；r
re
为从点目标到sar天线的接收斜距，与快时间和慢时间都相关；v为雷达运动速度；
∆
τ为雷达脉冲从发射到接收的用时，与快时间τ的变化相关；rn为每一个雷达脉冲在星地持续运动下的斜距模型。
32.预先设置τ为快时间，η为慢时间，则发射斜距r
tr
也可以表示为r
tr
(η τ)，接收斜距r
re
也可以表示为r
re
(η τ)。也即，在η τ)时刻接收到的雷达脉冲信号，经历了从sar天线到点目标的发射斜距r
tr
(η τ)、从点目标到sar天线的接收斜距r
re
(η τ)，根据上述公式可以求解得到随快时间变化的发射斜距和接收斜距。
33.由此，对于每一个雷达脉冲信号，在星地持续运动下的斜距模型可以进行精确计算。
34.根据已建立的斜距模型，在星地持续运动下，修正基于脉内停走假设的星载sar原始回波信号模型，得到具有一般性的信号模型，也即基带回波信号。
35.本公开实施例中，上述操作s120中的点目标在二维时域内的基带回波信号可以按以下公式计算得出：其中，s(τ,η)为点目标的基带回波信号；rect(
·
)为单位矩形窗；kr、w分别发射线性调频信号的调频率和脉宽；wa(η)为信号方位幅度；c为光速；fc为雷达的载波中心频率，也即载频；r(η τ)为斜距模型中的发射斜距r
tr
(η τ)和接收斜距r
re
(η τ)的平均值，也即平均斜距。
36.设置λ和fc为雷达波长和载频，存在c=λfc的关系，由此可以将上述点目标的基带回波信号s(τ,η)整理为：
其中，r(η)为斜距模型中的发射斜距r
tr
(η)和接收斜距r
re
(η)的平均值；
∆
fc、
∆
kr、
∆
w、
∆
r分别为载频、调频率、脉宽、平均斜距的改变量，并且都依赖于方位时刻。
37.图3示意性示出了根据本公开实施例的确定二维频域调制相位的流程图。
38.如图3所示，上述操作s130具体可以包括操作s1301~操作s1302。
39.在操作s1301，对基带回波信号进行距离向傅里叶变换，得到与方位时域相关的距离频域信号。
40.具体地，该距离频域信号s(f,η)根据以下公式计算得出：具体地，该距离频域信号s(f,η)根据以下公式计算得出：具体地，该距离频域信号s(f,η)根据以下公式计算得出：具体地，该距离频域信号s(f,η)根据以下公式计算得出：其中，f为距离频率轴；φ(f,η)为基础距离频域相位，与基于脉内停走假设的相位相同；
∆
φ1(f,η)为第一距离频域调制相位，
∆
φ2(f,η)为第二距离频域调制相位，第一距离频域调制相位和第二距离频域调制相位共同构成星地持续运动引起的距离频域内的相位调制。
41.在操作s1302，对距离频域信号进行方位向傅里叶变换，利用驻定相位原理，得到二维频域回波信号，以及由星地持续运动引起的二维频域调制相位，其中，二维频域调制相位包括距离信号调制相位和方位信号调制相位。
42.对上述得出的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，由于第一距离频域调制相位
∆
φ1(f,η)和第二距离频域调制相位
∆
φ2(f,η)远小于基础距离频域相位φ(f,η)，忽略二者对求解驻定相位表达式的影响，可得：者对求解驻定相位表达式的影响，可得：其中，ξ为方位频率轴；fd(η)为瞬时多普勒频率；v(η)为慢时间轴下的雷达运动速度。
43.接着，将上述方位频率轴ξ与距离频率轴f的关系式代入上述距离频域信号s(f,η)的关系式中，可以得到二维频域回波信号s(f,ξ)的表达式为：
其中，φ(f,ξ)为基础二维频域相位；
∆
φ1(f,ξ)为距离信号调制相位；
∆
φ2(f,ξ)为方位信号调制相位。
44.由此可见，与现有的基于脉内停走假设的信号二维频域模型相比，由星地持续运动引起的二维频域调制相位主要包含以下两部分：其一，距离信号调制相位与目标距离无关，与距离频率和方位频率相关；其二，方位信号调制相位与目标距离、距离频率和方位频率都相关。
45.图4示意性示出了根据本公开实施例的预处理的流程图。
46.如图4所示，上述操作s140中的对二维频域调制相位进行预处理，具体可以包括操作s1401~操作s1402。
47.在操作s1401，对距离信号调制相位进行补偿。
48.在操作s1402，对参考点处的方位信号调制相位进行补偿，使预处理后的二维频域回波信号产生残余调制相位。
49.操作s1401和操作s1402可以同时进行，以同时补偿距离信号调制相位和参考点处的方位信号调制相位。具体地，根据上述得出的距离信号调制相位和方位信号调制相位，将初步补偿的相位因子设置为：初步补偿的相位因子设置为：其中，
∆
φ
2.0
(f,ξ)为参考点处的方位信号调制相位；r0(η(ξ))为参考点处的斜距；h1为初步补偿的相位因子。
50.由此，预处理后的二维频域回波信号根据以下公式来确定：
其中，s2(f,ξ)为预处理后的二维频域回波信号；
∆
φ3(f,ξ)为残余调制相位；r(η(ξ))为斜距模型中的发射斜距和接收斜距的平均值；
∆
r(η(ξ))为平均斜距的改变量。
51.图5示意性示出了根据本公开实施例的成像处理的流程图。
52.如图5所示，上述操作s150中的对预处理后的二维频域回波信号进行成像处理，可以以cs（chirp scaling）算法为例进行说明，具体可以包括操作s1501~操作s1503。
53.在操作s1501，在距离多普勒域内通过第一次相位相乘，完成补余距离徙动矫正中的chirp scaling操作。
54.在操作s1502，在二维频域内与参考函数相乘，完成距离压缩、二次距离压缩（src）和一致距离徙动矫正。
55.在操作s1503，在距离多普勒域内进行第二次相位相乘，完成方位压缩和剩余相位补偿，在二维时域得到sar图像。
56.具体地，对预处理后的二维频域回波信号进行成像处理，根据以下公式计算得出：具体地，对预处理后的二维频域回波信号进行成像处理，根据以下公式计算得出：具体地，对预处理后的二维频域回波信号进行成像处理，根据以下公式计算得出：其中，h
2,1
为操作s1501中的第一次相乘的相位因子；h
2,2
为操作s1502中的参考函数；h
2,3
为操作s1503中的第二次相乘的相位因子；s3(τ,ξ)为第一次相乘后的距离多普勒域内的回波信号；s4(τ,ξ)为与参考函数相乘后的二维频域内的回波信号；s5(τ,ξ)为成像处理后的距离多普勒域内的回波信号，也即成像处理后的二维频域回波信号。
57.图6示意性示出了根据本公开实施例的后处理的流程图。
58.如图6所示，上述操作s150中的对成像处理后的二维频域回波信号进行后处理，具体可以包括操作s1504。
59.在操作s1504，依次针对距离门内的每一个雷达脉冲，在距离多普勒域内对残余调制相位进行补偿，以二次补偿二维频域调制相位，得到距离多普勒域内的目标回波信号。
60.具体地，根据以下公式对成像处理后的二维频域回波信号进行后处理：理后的二维频域回波信号进行后处理：理后的二维频域回波信号进行后处理：理后的二维频域回波信号进行后处理：其中，x为距离门内的每一个雷达脉冲，x=1,2,
……ꢀ
,nr；nr为雷达脉冲的总个数；r
x
(η(ξ))为距离门内的第x个雷达脉冲在斜距模型中的平均斜距；r0(η(ξ))为参考点处的斜
距；
∆rx
(η(ξ))为第x个雷达脉冲的斜距的改变量；
∆
φ
3,x
(f,ξ)为第x个雷达脉冲的残余调制相位；h
3,x
为对第x个雷达脉冲进行二次补偿的相位因子；s5(τ,ξ)为成像处理后的距离多普勒域内的回波信号；s6(τ,ξ)为距离多普勒域内经过后处理的目标回波信号。
61.由此，后处理可以补偿不同距离门的残余方位信号调制相位，对每一个距离门内的信号进行精确补偿。
62.基于上述斜视高轨sar非停走相位调制补偿方法，本公开还提供了一种斜视高轨sar非停走相位调制补偿装置，以下将结合图7对该装置进行详细描述。
63.图7示意性示出了根据本公开实施例的斜视高轨sar非停走相位调制补偿装置的结构框图。
64.如图7所示，该实施例的斜视高轨sar非停走相位调制补偿装置700包括斜距模型建立模块710、基带回波信号确定模块720、调制相位确定模块730、初步补偿模块740和二次补偿模块750。
65.斜距模型建立模块710，用于在星地持续运动下，建立雷达脉冲从发射到接收的斜距模型，其中，斜距模型与快时间的变化相关。在一实施例中，斜距模型建立模块710可以用于执行前文描述的操作s110，在此不再赘述。
66.基带回波信号确定模块720，用于预设雷达的发射脉冲为线性调频信号，根据斜距模型，对线性调频信号进行正交解调，得到点目标在二维时域内的基带回波信号。在一实施例中，基带回波信号确定模块720可以用于执行前文描述的操作s120，在此不再赘述。
67.调制相位确定模块730，用于对基带回波信号进行傅里叶变换，得到二维频域回波信号，以及由星地持续运动引起的二维频域调制相位。在一实施例中，调制相位确定模块730可以用于执行前文描述的操作s130，在此不再赘述。
68.初步补偿模块740，用于对二维频域调制相位进行预处理，以初步补偿二维频域调制相位。在一实施例中，初步补偿模块740可以用于执行前文描述的操作s140，在此不再赘述。
69.二次补偿模块750，用于对预处理后的二维频域回波信号依次进行成像处理和后处理，以二次补偿二维频域调制相位，得到距离多普勒域内的目标回波信号。在一实施例中，二次补偿模块750可以用于执行前文描述的操作s150，在此不再赘述。
70.通过本公开的实施例，考虑在星地持续运动的情况下，建立斜距模型并获得基带回波信号，基于该基带回波信号获得由星地持续运动引起的二维频域调制相位，通过包括成像预处理和后处理的两步补偿非停走相位调制，没有改变成像过程，可以适用于任一成像算法，更具有普适性。
71.根据本公开的实施例，斜距模型建立模块710、基带回波信号确定模块720、调制相位确定模块730、初步补偿模块740和二次补偿模块750中的任意多个模块可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本公开的实施例，斜距模型建立模块710、基带回波信号确定模块720、调制相位确定模块730、初步补偿模块740和二次补偿模块750中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列（fpga）、可编程逻辑阵列（pla）、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路（asic），或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理
方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，斜距模型建立模块710、基带回波信号确定模块720、调制相位确定模块730、初步补偿模块740和二次补偿模块750中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
72.应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。
73.类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
74.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
75.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。