一种基于径向速度场的SAR海面成像方法

一种基于径向速度场的sar海面成像方法
技术领域
1.本发明属于合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar)信号处理技术领域，具体涉及一种基于径向速度场的sar海面成像方法。


背景技术：

2.合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar)是一种高分辨率成像雷达，在距离向上，它通过发射宽带脉冲信号获得较高的距离向分辨率；在方位向上，sar利用雷达平台的运动，通过信号处理形成一个较长的“孔径”，从而获得较高的方位分辨率。与传统光学传感器相比，sar具有全天时、全天候、分辨率高、观测范围广的优势。海洋观测是sar的重要应用方向之一，sar可以探测海浪、内波、涡旋、锋面等多种海洋现象，可以反演风场、流场等矢量信息，而且可以对油膜、舰船进行识别分类。sar海面成像是对海观测的基础，但是由于海面整体的随机运动，通常给海面成像带来挑战。
3.目前常用的sar成像算法主要有rd算法、cs算法、omega-k算法以及bp算法。sar主要用来对地面静止目标或场景成像，当sar对海观测时必须要考虑海面的随机运动，否则会严重降低sar图像的质量。
4.海面散射点随机运动产生的径向速度分量会引起多普勒中心偏移，这将导致海面散射点位置发生偏移。由于海面整体的随机运动，每个散射点的偏移量均不相同，这将导致不同位置散射点之间可能会累加在一起，进而导致sar图像中一些微弱的细节信息的丧失，给sar图像解译、目标识别带来困难。
5.综上所述，现有的sar海面成像算法大多直接应用陆地的成像算法，没有考虑不同海面散射点之间径向速度差异导致的方位向偏移，这将导致在sar图像中丢失一些海面纹理信息，严重影响sar图像解译和目标探测。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种基于径向速度场的sar海面成像方法，能够实现基于sar数据的海面成像。
7.本发明提供的一种基于径向速度场的sar海面成像方法，包括：
8.步骤1、根据sar接收的原始数据生成并保存单视复图像；
9.步骤2、将所述单视复图像分割成多个数据子块，估计所有数据子块的多普勒中心频率；
10.步骤3、计算各数据子块对应的径向速度，由所有数据子块的径向速度组成径向速度场；
11.步骤4、将所述单视复图像进行方位向傅里叶变换，得到距离-多普勒域数据，并根据所述径向速度场对所述距离-多普勒域数据进行相位补偿；
12.步骤5、将补偿后的距离-多普勒域数据变换到二维时域，完成海面成像。
13.进一步地，所述步骤1中生成并保存单视复图像的过程中采用无权匹配滤波器实
现脉冲压缩。
14.进一步地，所述数据子块的尺寸为100m*100m。
15.进一步地，所述数据子块的多普勒中心频率由斜视角产生的分量和动目标产生的分量组成，表示为：f
dc
＝f
dc_θ
f
dc_tar
，其中，f
dc_θ
表示斜视角产生的多普勒中心偏移，f
dc_tar
表示动目标产生的多普勒中心偏移。
16.进一步地，所述数据子块对应的径向速度采用如下公式计算：
[0017][0018]
其中，vr(i,j)表示第(i,j)个数据子块的径向速度，λ为雷达波长；
[0019]
由此所述径向速度场表示为：
[0020][0021]
进一步地，所述步骤4中根据所述径向速度场对所述距离-多普勒域数据进行相位补偿的补偿因子为：其中，v为径向速度场，λ为雷达波长，j为虚数单位，t为慢时间变量。
[0022]
进一步地，所述步骤5中将补偿后的距离-多普勒域数据变换到二维时域的方式为：将补偿后的距离-多普勒域数据进行方位傅里叶逆变换。
[0023]
有益效果：
[0024]
本发明通过基于sar数据获得径向速度场，从而实现海面成像，能够提升海面纹理聚焦效果，进而提升sar海面图像的可解译性，同时能够提升sar海洋数据的利用率，有助于提升海面纹理特征，为后续的目标探测奠定基础。
附图说明
[0025]
图1为本发明提供的一种基于径向速度场的sar海面成像方法的流程图。
[0026]
图2为本发明提供的一种基于径向速度场的sar海面成像方法的详细流程图。
[0027]
图3为实施例中采用的仿真点目标示意图。
[0028]
图4(a)为采用本发明提供的一种基于径向速度场的sar海面成像方法中采用omega-k算法获取的成像结果图。
[0029]
图4(b)为采用本发明提供的一种基于径向速度场的sar海面成像方法获取的成像结果。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0031]
受海面随机运动的影响，海面不同散射点之间的径向速度均不相同，这将导致不
同散射点在成像过程中导致的多普勒中心偏移不同，进而导致位置的偏移产生差异。由于不同散射点位置偏移之间的差异，采用传统的sar成像算法将会导致目标的混叠，致使一些信息的丢失。
[0032]
本发明提供的一种基于径向速度场的sar海面成像方法，流程如图1所示，包括以下步骤：
[0033]
步骤1、根据sar接收的原始数据生成并保存单视复图像，其中数据块大小为m*n。
[0034]
为了准确的估计多普勒中心频率进而获得精确的速度场，本发明在生成单视复图像时，采用无权匹配滤波器完成匹配滤波过程，实现脉冲压缩。采用rd、omega-k等sar成像算法对sar接收到的原始数据进行处理，得到单视复图像(single-look complex，slc)。
[0035]
步骤2、将步骤1得到的单视复图像分割成多个数据子块，得到m*n个数据子块，分别估计每个数据子块的多普勒中心频率。
[0036]
将单视复图像分割成多个子块，得到m*n个数据子块，其中每个子块的大小根据真实数据决定，一般可以选取100m*100m。估计m*n个数据子块的多普勒中心频率f
dc
，多普勒中心频率f
dc
由斜视角产生的分量和动目标产生的分量组成，可以表示为：
[0037]fdc
＝f
dc_θ
f
dc_tar
ꢀꢀꢀ
(1)。
[0038]
其中，f
dc_θ
表示斜视角产生的多普勒中心偏移，表示为：
[0039][0040]
v为载机飞行速度，θ为斜视角，λ为雷达波长；f
dc_tar
表示动目标产生的多普勒中心偏移。
[0041]
步骤3、计算m*n个数据子块对应的径向速度，将对应的径向速度组成速度场。
[0042]
采用如下公式计算数据子块对应的径向速度：
[0043][0044]
其中，vr(i,j)表示第(i,j)个数据子块的径向速度，i为数据子块的横向位置坐标，j为数据子块的纵向位置坐标。
[0045]
由此，由m*n个数据子块对应的径向速度组成的速度场v表示为：
[0046][0047]
步骤4、将单视复图像进行方位向傅里叶变换，得到距离-多普勒域数据，并根据步骤3得到的径向速度场，对距离-多普勒域数据进行相位补偿。
[0048]
将slc数据变换到距离-多普勒域，然后根据速度场v进行相位补偿，补偿因子表示为：
[0049]
[0050]
其中，j为虚数单位，t为慢时间变量。
[0051]
步骤5、将补偿后的距离-多普勒域数据变换到二维时域，实现海面成像。
[0052]
将补偿后的距离-多普勒域数据进行方位傅里叶逆变换，得到最终的成像结果，即海面成像。
[0053]
实施例：
[0054]
本实施例采用本发明提供的一种基于径向速度场的sar海面成像方法，方法的详细流程图如图2所示，对仿真数据进行处理，以验证方法的有效性。
[0055]
本实施例中设置四个运动的点目标位置及速度矢量示意图如图3所示，点目标1和点目标2位于相同距离门，运动速度不同，方向相反；点目标3和点目标4位于相同的距离门，运动速度相同，方向相反。用4个点目标模拟海面四个不同位置的散射点，根据四个点目标仿真sar回波信号，将仿真的sar原始回波信号采用omega-k算法生成并保存单视复图像，其中数据块大小为2048*2048(距离向点数m*方位向点数n)。
[0056]
将数据块分割成m*n个子块，在本实施例中，取m＝11，n＝2，每个子块的大小为100m*100m，采用能量均衡法估计每个子块的多普勒中心频率。
[0057]
在本实施例中，仿真sar系统为正侧视工作模式，斜视角θ＝0，可以根据公式计算得到f
dc_θ
＝0，因此，多普勒中心频率仅由散射点径向运动所导致，即f
dc_tar
＝f
dc
。
[0058]
将散射点径向运动引起的多普勒中心偏移f
dc_tar
带入公式(3)，计算所述每个数据子块对应的径向速度，将对应的径向速度组成速度场v，在本实施例中，仿真波长λ＝0.2308。
[0059]
在本实施例中，对单视复图像进行方位向傅里叶变换，得到距离-多普勒域数据，并将计算得到的径向速度场v代入公式(5)，对距离-多普勒域数据进行相位补偿。
[0060]
最后，将补偿后的距离-多普勒域数据变换到二维时域，实现海面成像。
[0061]
对所提方法处理前后的结果进行对比，采用ωk成像算法获取的成像结果如图4(a)所示，可以发现，由于目标径向速度导致散射点位置的偏移，使得相同距离门的散射点重叠在一起，在sar图像中仅可见二个点目标，经过基于径向速度场的sar海面成像方法获取的成像结果如图4(b)所示，通过本方法处理后，四个散射点被分离。该方法应用于海面成像具有重要意义，为后续sar图像解译、海洋目标探测奠定基础。
[0062]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。