一种方位宽波束分布式SAR频谱重构方法

一种方位宽波束分布式sar频谱重构方法
技术领域
1.本发明属于合成孔径雷达信号处理与频谱重构技术领域，尤其涉及一种方位宽波束分布式sar频谱重构方法。


背景技术：

2.合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar)是一种具备场景成像功能的高分辨雷达。sar由于其全天候、全天时、远距离和宽测绘带等优势，自上世纪五十年代提出以来就受到了广泛的关注，已被广泛应用于军事领域和民用领域。多通道sar系统为具备多个发射或接收通道的sar系统。相比于单通道sar，其具备更高维的自由度，可有效提高系统性能并扩展sar系统的应用范围，在高分宽幅成像、sar地面动目标指示、地形测绘等领域具有不可替代的作用。传统sar通过将整个天线阵列分割为多个子阵形成多通道sar系统，即集中式多通道sar。随着sar应用需求的日益提高，集中式多通道sar系统越来越复杂。为了避免集中式多通道sar系统的问题，研究人员提出了分布式sar。
3.高分宽幅成像模式作为分布式sar的重要发展方向，是热点研究领域。分辨率和测绘幅宽作为sar系统的主要性能指标，对于单通道sar系统，不论何种工作模式，受最小天线面积限制，在系统设计时相互矛盾，难以同时实现高方位分辨率和大距离幅宽测绘。分布式sar可以克服最小天线面积限制，同时获得高的方位分辨率和测绘幅宽。分布式sar高分宽幅成像关键技术包括：信号误差估计与补偿、频谱重构和sar成像。其中sar成像处理与传统单通道sar基本一致。而相比于传统集中式方位多通道sar，分布式sar在高分宽幅成像时面临着交轨基线和非奈奎斯特采样造成的通道误差估计和频谱重构困难等问题。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种方位宽波束分布式sar频谱重构方法，该方法能够解决方位宽波束分布式sar的通道失配方位空变不可忽略，传统传递函数法成像模糊；通道失配无法通过简单的对各个通道直接乘上通道失配的共轭进行补偿，需要联合多个通道处理的问题。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种方位宽波束分布式sar频谱重构方法，该方法的步骤包括：
7.s1，通过匹配滤波对原始回波数据进行距离压缩并进行距离向配准，进行距离压缩的目的是为了将通道失配局域化，进行距离向配准的目的是基于距离频域互相关法，完成由于交轨基线和距离采样时间延迟导致的通道间包络走动的估计并补偿，得到距离向配准后的数据；
8.s2，根据惯导数据对步骤s1得到的距离向配准后的数据进行距离空变相位失配补偿，得到失配补偿后的数据，具体方法为：通过惯导数据计算得到通道间的基线后，得到相应的距离空变相位失配，并在各通道通过共轭相乘完成距离空变相位失配补偿进行补偿，得到失配补偿后的数据；
9.s3，将步骤s2得到的失配补偿后的数据进行偏差校正osm通道的相位误差估计和补偿，得到误差补偿后的数据；
10.s4，对步骤s3得到的误差补偿后的数据进行处理，具体方法为：首先计算忽略方位空变时的成像误差，并对成像误差进行判断，当成像误差小于等于设定阈值时，成像误差能够忽略，则采用传递函数法对误差补偿后的数据进行频谱重构，当成像误差大于设定阈值时，成像误差不可忽略，则需要补偿对应的方位通道失配；
11.s5，对步骤s4得到的方位通道失配或频谱重构后的无模糊信号多普勒频谱进行sar成像，具体方法为：采用距离多普勒算法或线性调频算法进行成像处理，最终得到无模糊的sar图像。
12.所述的步骤s4中，成像误差不可忽略时，需要补偿方位通道失配，具体方法为：首先，分布式sar构成的线性系统的传递函数表示为：
13.h(r,fa)＝b(fa)p(r,fa)
ꢀꢀꢀ
(1)
14.其中：
[0015][0016]
p(r,fa)＝[p1(r,fa),p2(r,fa),...,pn(r,fa)]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0017][0018]
m表示通道个数，n表示多普勒模糊数，为实现误差估计，需要m》n。diag{}表示将括号内元素沿对角线排列的对角矩阵，为由通道m相位误差和通道位置测量误差导致的相位失配，其中m＝1,2,...,m，ym第m通道接收单元等效相位中心的y轴坐标，v
p
为飞行平台的速度，λ为载波波长，r为目标斜距，fa为多普勒频率，f
prf
表示脉冲重复频率，δr
″
m,i
(r,fa)为通道m与参考通道间由于交轨基线和方位波束引起的二维空变的残余斜距误差，利用上式可得重构滤波器h-1
(fa)。
[0019]
为了进一步提升处理效率，可以计算得到δr
″
m,i
(r,fa)距离空变产生的成像误差，当在一定范围内该近似产生的模糊分量小于系统的方位模糊比(aasr)指标要求，则认为在此范围内δr
″
m,i
(r,fa)距离空变可忽略，可由δr
″
m,i
(r0,fa)表示，r0为目标场景中心斜距。此时，信号导向矩阵p(r,fa)可近似为p
′
(fa)，分布式sar构成的线性系统的传递函数可进一步简化为：
[0020]h′
(fa)＝b(fa)p
′
(fa)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0021]
其中，p
′
(fa)为将式(4)中δr
″
m,i
(r,fa)替换为δr
″
m,i
(r0,fa)的p(r,fa)，为一个列向量。利用上式可得简化后重构滤波器为h
′-1
(fa)，利用h
′-1
(fa)即可实现方位宽波束假设下的分布式sar频谱恢复。
[0022]
有益效果
[0023]
(1)本发明的方法中，基于惯导数据的距离空变相位失配补偿，为后续处理可以提供了更多的独立同分布单元。
[0024]
(2)本发明的方法中，方位宽波束分布式sar频谱重构算法，构建包含方位空变通道失配的重构函数，在频谱重构时补偿方位空变通道失配，提高了频谱重构精度。
[0025]
(3)本发明的方法中，在δr
″
m,i
(r,fa)距离空变产生的成像误差在设定阈值范围内且该近似产生的模糊分量小于系统的方位模糊比aasr指标要求时，可忽略δr
″
m,i
(r,fa)的距离空变，在重构性能几乎不损失的情况下，大幅减少了计算量。
[0026]
(4)本发明的方法中，δr
″
m,i
(r,fa)距离空变可忽略时，将重构函数进行矩阵分解，完成了距离空变和方位空变解耦，降低了频谱重构计算量，实现方位宽波束分布式sar快速高精度频谱重构，提高传递函数法对方位宽波束分布式sar系统的方位模糊抑制能力。
[0027]
(5)本发明的方法中，对重构的方位宽波束分布式sar频谱进行成像处理，得到了更为精确的sar图像。
附图说明
[0028]
图1为方位宽波束分布式sar高分宽幅成像流程图；
[0029]
图2为成像场景光学地图；
[0030]
图3(a)为传统方法频谱重构后成像结果；
[0031]
图3(b)为本发明的方法频谱重构后成像结果；
[0032]
图4(a)为目标a传统方法成像结果方位切面；
[0033]
图4(b)为目标b传统方法成像结果方位切面；
[0034]
图4(c)目标a所提方法成像结果方位切面；
[0035]
图4(d)目标b所提方法成像结果方位切面。
具体实施方式
[0036]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0037]
方位宽波束分布式sar高分宽幅成像，包括以下步骤：
[0038]
s1：距离压缩与距离向配准；
[0039]
s2：基于惯导数据的距离空变相位失配补偿；
[0040]
s3：基于偏差校正的正交子空间投影通道误差估计；
[0041]
s4：距离空变的相位误差估计与补偿
[0042]
s5：基于改进的方位频谱重构函数的无模糊频谱重构及sar成像处理。
[0043]
实施例
[0044]
如图1所示，方位宽波束分布式sar高分宽幅成像，包括以下步骤：
[0045]
s1，通过匹配滤波对原始回波数据进行距离压缩并进行距离向配准，进行距离压缩的目的是为了将通道失配局域化，进行距离向配准的目的是基于距离频域互相关法，完成由于交轨基线和距离采样时间延迟导致的通道间包络走动的估计并补偿，得到距离向配准后的数据；
[0046]
s2，基于惯导数据对步骤s1得到的距离向配准后的数据进行距离空变相位失配补偿，得到失配补偿后的数据，具体方法为：通过惯导数据计算得到通道间的基线后，得到相应的距离空变相位失配，并在各通道通过共轭相乘完成距离空变相位失配补偿进行补偿，得到失配补偿后的数据；
[0047]
s3，将步骤s2得到的补偿后的数据进行偏差校正osm通道的相位误差估计和补偿，
得到误差补偿后的数据；
[0048]
s4，对步骤s3得到的误差补偿后的数据进行频谱重构，具体方法为：首先计算忽略方位空变时的成像误差，并对成像误差进行判断，当成像误差小于等于设定阈值时，成像误差可以忽略，则采用传递函数法对误差补偿后的数据进行频谱重构，当成像误差大于设定阈值时，成像误差不可忽略，则需要补偿对应的方位通道失配；
[0049]
s5，对步骤s4得到的方位通道失配和频谱重构后的无模糊信号多普勒频谱进行sar成像，具体方法为：采用传统的距离多普勒算法或线性调频算法进行成像处理，最终得到无模糊的sar图像。
[0050]
对于步骤s4中，成像误差不可忽略时，需要补偿方位通道失配，具体推导公式与过程如下。首先，分布式sar构成的线性系统的传递函数可以表示为：
[0051]
h(r,fa)＝b(fa)p(r,fa)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0052]
其中：
[0053][0054]
p(r,fa)＝[p1(r,fa),p2(r,fa),...,pn(r,fa)]
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0055][0056]
m表示通道个数，n表示多普勒模糊数，为实现误差估计，需要m》n。diag{}表示将括号内元素沿对角线排列的对角矩阵，为由通道m相位误差和通道位置测量误差导致的相位失配，其中m＝1,2,...,m，ym第m通道接收单元等效相位中心的y轴坐标，v
p
为飞行平台的速度，λ为载波波长，r为目标斜距，fa为多普勒频率，f
prf
表示脉冲重复频率，δr
″
m,i
(r,fa)为通道m与参考通道间由于交轨基线和方位波束引起的二维空变的残余斜距误差。利用上式可得重构滤波器h-1
(fa)。
[0057]
为了进一步提升处理效率，可以计算得到δr
″
m,i
(r,fa)距离空变产生的成像误差，当在一定范围内该近似产生的模糊分量小于系统的方位模糊比(aasr)指标要求，则认为在此范围内δr
″
m,i
(r,fa)距离空变可忽略，可由δr
″
m,i
(r0,fa)表示，r0为目标场景中心斜距。此时，信号导向矩阵p(r,fa)可近似为p
′
(fa)，分布式sar构成的线性系统的传递函数可进一步简化为：
[0058]h′
(fa)＝b(fa)p
′
(fa)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0059]
其中，p
′
(fa)为将式(4)中δr
″
m,i
(r,fa)替换为δr
″
m,i
(r0,fa)的p(r,fa)，为一个列向量。利用上式可得简化后重构滤波器为h
′-1
(fa)，利用h
′-1
(fa)即可实现方位宽波束假设下的分布式sar频谱恢复。
[0060]
为进一步验证本发明的效果，在陕西某地利用机载双通道sar对农田场景进行成像，开展了等效验证实验。图2为实验场景光学图。对于所提算法，双通道系统的信号处理流程与多通道完全一致，因此通过双通道系统即可验证所提算法。在场景中除农田外，存在一些散射较强的民房。所用系统为具有混合基线的双通道雷达系统，采用一发多收工作模式，具体工作参数如下表所示。
[0061][0062]
根据上表所示参数，通道间等效相位中心在x、y、z三个方向(飞机本体坐标系下的方位向，地距向和高度向)的间隔为1.85m、0.10m、0.04m。
[0063]
图3给出了采用传统频谱重构算法和所提频谱重构算法进行处理后成像结果。由图3(a)可知，传统传递函数法能够一定程度上的降低模糊能量，但对目标a和目标b等强散射目标仍存在较为明显的模糊残余。此外还可看出，与方位窄波束假设下相比，模糊分量由于在频谱重构后被恢复到了错误的频谱位置，距离徙动未被正确校正，成像结果存在较为严重的散焦。由图3(b)所示，所提方法进行频谱重构后成像结果中红框中模糊分量基本不可见，图像质量得到明显改善。
[0064]
采用传统算法进行频谱重构后，由图4(a)和图4(b)可以得到目标a在第11360个方位单元存在模糊分量，aasr约为-23.9db。目标b目标在第9816个方位单元存在模糊分量，aasr约为-18.5db。经过传统方法频谱重构后，模糊抑制度得到了改善。但sar系统设计中通常要求aasr要优于-25db，传统方法无法满足。如图4(c)和图4(d)所示，利用所提算法进行处理，模糊能量被抑制到杂波水平下，成像质量得到明显改善。
[0065]
综上，本小节利用实测数据处理充分地验证了所提算法的有效性。改进的方位宽波束分布式sar频谱重构算法能够有效的补偿方位空变通道失配并抑制模糊。
[0066]
当然，本发明还可有其他多种实例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
[0067]
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0068]
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。