专利名称：一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法
技术领域：
本发明属于信号处理领域，特别涉及一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像方法。
背景技术：
星载SAR是一种先进的天基信息获取的有效载荷，是取得制信息权的一种重要的手段，能克服云雾雨雪和夜暗条件的限制对地面目标成像，能实现全天时、全天候、高分辨率、大幅面对地观测，在海洋观测、精细农业、环境保护、灾害监测、资源勘查、地质测绘、政府公共决策等方面有着广泛的应用，发挥着其它空间遥感手段无法替代的作用。合成孔径概念提出已经历六十年的时间，在此期间，合成孔径雷达技术有着翻天覆地的变化，成像模式越来越多、分辨率越来越高。其中，高分辨率在目标识别、目标跟踪等众多方面具有极其重要的价值，已经成为当前星载SAR的发展趋势。
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但是，随着分辨率的提高，星载SAR合成孔径时间变长，卫星飞行轨道不能简单的近似为直线轨道，采用传统的等效斜距模型将会带来高阶多普勒项残余误差，其中起主要影响作用的是多普勒三次项。此外SAR成像处理与回波信号的多普勒历程密切相关，只有准确知道回波信号的多普勒历程，才能在成像处理时精确设计与之相匹配的参考函数或补偿因子，得到高质量的图像。而当存在多普勒三次项误差时，将导致成像压缩方位向输出产生非对称性畸变，也就是右侧旁瓣电平增高，而主瓣向左侧展宽，而这种旁瓣电平的增高在强点目标情况将造成图像上目标重影，严重影响了星载SAR方位向成像质量，因此在高分辨率条件下，多普勒三次项的精确计算显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，针对多普勒三次项误差给高分辨率星载SAR高精度成像带来的影响，基于传统的滑动聚束模式成像方法，提出了一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法。一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法，包括以下几个步骤步骤一读入星载SAR滑动聚束模式回波仿真数据S(T，t;r)以及相应的成像参数，包括方位向采样点数凡，距离向采样点数队，信号采样率fs，信号带宽Bw，脉冲宽度τ，脉冲重复频率PRF，参考斜距R&，多普勒中心频率fd(l，多普勒调频率fro，卫星速度Pv，等效斜视角，信号波长λ ,信号传播速度C ;步骤二 将回波仿真数据S(T，t;r)依次进行方位向去旋转处理、方位向傅里叶变换、调频线性变标处理、距离向傅里叶变换处理，得到二维频域信号S1(Ij);步骤三设定多普勒三次项初值fa、迭代门限Th以及迭代步长Λ fa ；步骤四在二维频域内信号SJfnf)同距离补偿因子O1(Id)相乘，得到经距离补偿后的信号S2 (f τ，f)，具体可以分为以下几个步骤(a)获取完成距离徙动校正和距离聚焦处理的补偿因子Φη( ·τ，f);
(b)获取三次相位误差补偿因子φ12( ·τ，f)；(c)获取补偿多普勒三次项4带来相位误差后的补偿因子Φ13( \， ·);(d)获取最终距离补偿因子O1(U);(e)利用补偿因子O1(U)获取经距离补偿后的信号S2 (f\，f)；步骤五将信号S2(f\，f)依次进行距离向傅里叶逆变换、方位补偿处理、方位向线性变标处理、方位向去斜处理得到成像结果信号S3(^f);步骤六在信号S3(T，f)中，选取场景中心周围nXn大小的数据S4(T，f)，做插值处理到NXN大小的数据S5( τ，f)，提取出S5( τ，f)中最大值所在列的一维信号g(PN)，并计算该一维信号g(PN)的最大值gmax(P)及位置Pmax，具体可以分为以下几个步骤(a)选取场景中心周围nXn大小的数据S4(T，f)； (b)对数据S4( τ , f)做插值处理到NXN大小的数据S5( τ , f)；(c)提取出数据S5(If)中最大值所在列的一维信号g(P)，信号长度为N ；(d)获取该一维信号g⑵的最大值gmax⑵及位置Pmax ;步骤七获取一维信号g(P)主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILlrft，具体可以分为以下几个步骤(a)令 I = Pfflax ；(b)比较g(l)与g(l-l)，若g(l) >g(1-1)，则I = 1-1，并且重复此步骤，直到第一次出现g(I) < g(1-1)，进入下一步骤；(c)记此时 I = Pleft ；(d)获取一维信号g⑵在(0，Pleft)范围内的最大值gmax (P0 left)，则gmax (P0 left)为主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILlrft ；步骤八获取一维信号g(P)主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILHght，具体可以分为以下几个步骤(a)令 I = Pfflax ；(b)比较g(l)与g(l+l)，若g(l) >g(1+1)，则I = 1+1，并且重复此步骤，直到第一次出现g(I) < g(1+1)，进入下一步骤；(c)此时记 I = Pright ；(d)获取一维信号g⑵在(Pright, N)范围内的最大值gmax (Pright N)，则gmax (Pright N)为主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILright;步骤九获取左右第一旁瓣峰值RSILlrft与RSILright之间差的绝对值Λ RSIL ；步骤十比较ARSIL与门限Th，根据比较结果进行判断，具体步骤如下(a)比较 Λ RSIL 与门限 Th ；(b)若 ARSIL > Th,比较 RSILleft 与 RSILright,若 RSILleft > RSILright,则
L =I + 4/β，若RSILleft ( RSILright,则/e =Js -|燄(其中Λ fa为迭代步长)，然后从步骤
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四重复操作；(C)若Λ RSIL彡Th，则此时的匕即为多普勒三次项估计结果，且成像结束，得到星载合成孔径雷达的成像结果，。本发明优点在于
(I)精确性。本发明利用迭代法能得到高精度的多普勒三次项，而精确的多普勒三次项能很好的补偿高分辨率条件下传统斜距模型带来的相位误差，实现星载SAR高精度聚焦，得到高质量的星载SAR图像。(2)实用性强。本发明具有很强的实用性，尤其体现在利用本方法能得到多普勒三次项，进而得到高分辨率星载SAR高质量成像结果，适应了星载SAR发展趋势与发展需求。(3)高效性。本发明利用迭代法估计多普勒三次项，迭代法采用二分法提高迭代效率。(4)灵活性。在实际应用中可以根据实际精度需求设置迭代中的门限，根据速度需 求设置迭代步长。
图I是本发明的方法流程图。图2是本发明步骤四的方法流程图。图3是本发明步骤六的方法流程图。图4是本发明步骤七的方法流程图。图5是本发明步骤八的方法流程图。图6是本发明步骤十的方法流程图。图7是仿真场景设计不意图。图8是本发明与传统方法对比图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法，具体流程如图I所示，包括以下步骤步骤一读入星载SAR滑动聚束模式回波仿真数据S(T，t;r)(其中，τ为快时间、t为慢时间、r为卫星到目标的距离)以及相应的成像参数，包括方位向采样点数Na，距离向采样点数N,，信号采样率fs，信号带宽Bw，脉冲宽度τ，脉冲重复频率PRF，参考斜距R,ef，多普勒中心频率fd(l，多普勒调频率&卫星速度Ρν，等效斜视角β.:/ 信号波长λ，信号传播速度c ;步骤二 将回波仿真数据S(T，t;r)依次进行方位向去旋转处理、方位向傅里叶变换、调频线性变标处理、距离向傅里叶变换处理，得到二维频域信号S1(Id)(其中，
为距离向频率，f为方位向频率);步骤三设定多普勒三次项初值fa、迭代门限Th以及迭代步长Λ fa ；步骤四在二维频域内信号SJfnf)与距离补偿因子相乘，得到经距离补偿后的信号S2 (f τ，f)，流程如图2所示，具体可以分为以下几个步骤(a)获取完成距离徙动校正和距离聚焦处理的补偿因子O11(Id);Φ, ,(./；,/) = expH —......exp U^frRictCi (f)}(I)
MJ+ i Xf)] c其中，
权利要求
1.一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一读入星载SAR滑动聚束模式回波仿真数据S( τ ,t;r)以及相应的成像参数，其中，τ为快时间、t为慢时间、r为卫星到目标的距离，包括方位向采样点数凡，距离向采样点数N,，信号采样率fs，信号带宽Bw，脉冲宽度τ，脉冲重复频率PRF，参考斜距R,ef，多普勒中心频率fd(l，多普勒调频率U，卫星速度Ρν，等效斜视角 V，信号波长λ，信号传播速度c ； 步骤二 将回波仿真数据S( τ，t;r)依次进行方位向去旋转处理、方位向傅里叶变换、调频线性变标处理、距离向傅里叶变换处理，得到二维频域信号Sjf^f)，其中，f\为距离向频率，f为方位向频率； 步骤三设定多普勒三次项初值fa、迭代门限Th以及迭代步长Λ fa ； 步骤四在二维频域内信号S1(Id)与距离补偿因子OJU相乘，得到经距离补偿后的信号S2(f\，f)； 步骤五将信号S2(f\，f)依次进行距离向傅里叶逆变换、方位补偿处理、方位向线性变标处理、方位向去斜处理得到成像结果信号S3(T，f); 步骤六在信号S3(^f)中，选取场景中心周围nXn大小的数据S4( τ，f)，做插值处理到NXN大小的数据S5( τ，f)，提取出S5(Lf)中最大值所在列的一维信号g(PN)，并计算该一维信号g(PN)的最大值gmax(P)及位置Pmax ； 步骤七获取一维信号g(p)主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILleft ； 步骤八获取一维信号g(P)主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILHght ； 步骤九获取左右第一旁瓣峰值RSILleft与RSILHght之间差的绝对值ARSIL ； 步骤十比较Λ RSIL与门限Th，根据比较结果进行判断，具体步骤如下 (a)比较ARSIL与门限Th;(b)若Δ RSIL > Th,比较 RSILleft 与 RSILright，若 RSILleft > RSILright,则
2.根据权利要求I所述的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤四，具体包括以下步骤 (a)获取完成距离徙动校正和距离聚焦处理的补偿因子O11(Id);
3.根据权利要求I所述的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤六，具体包括以下步骤 (a)选取场景中心周围nXn大小的数据S4(τ，f)； (b)对数据S4(τ，f)做插值处理到NXN大小的数据S5( τ，f)； (c)提取出数据S5(Lf)中最大值所在列的一维信号g(P)，信号长度为N； (d)获取该一维信号g(P)的最大值gmax(P)及位置Pmax。
4.根据权利要求I所述的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤七，具体包括以下步骤 (a)令I = P—； (b)比较g(l)与g(l-l)，若g(l)>8(1-1)，则1 = 1-1，并且重复此步骤，直到第一次出现g(l) < g(1-1)，进入下一步骤；(c)记此时I = Pleft ；(d)获取一维信号g(P)在(0，Pleft)范围内的最大值gmax(Pcrleft)，则gmax(PQ left)为主瓣左侧第一旁瓣峰值RSILlrft。
5.根据权利要求I所述的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤八，具体包括以下步骤 (a)令I = P—； (b)比较g(l)与g(l+l)，若g(l)>8(1+1)，则1 = 1+1，并且重复此步骤，直到第一次出现g(l) < g(1+1)，进入下一步骤；(c)此时记I = Pright ； ⑷获取一维信号g (P)在(Pright, N)范围内的最大值gmax(Pright N)，则gmax(Pright N)为主瓣右侧第一旁瓣峰值RSILHght。
6.根据权利要求I所述的一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤九中绝对值ARSIL具体为 Δ RSIL = I RSILleft-RSILright(6)。
全文摘要
本发明公开了一种基于多普勒三次项估计的星载合成孔径雷达成像方法，包括1读入星载SAR滑动聚束模式回波仿真数据，2对回波仿真数据进行处理，得到二维频域信号，3设定多普勒三次项初值、迭代门限和迭代步长，4获取经距离补偿后的信号，5得到成像结果信号，6获取一维信号的最大值及位置，7获取一维信号主瓣左侧第一旁瓣峰值；8获取一维信号主瓣右侧第一旁瓣峰值；9获取左右第一旁瓣峰值之间差的绝对值；10比较绝对值与门限Th，根据比较结果进行判断。本发明利用迭代法得到高精度的多普勒三次项，补偿高分辨率条件下传统斜距模型带来的相位误差，得到星载SAR高精度聚焦图像，从而验证了本发明的有效性和精确性。
文档编号G01S13/90GK102879780SQ20121034199
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者陈杰, 曾虹程, 杨威, 张豪杰, 匡辉, 王凯 申请人:北京航空航天大学
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