CN107037430A - 用于飞行机载sar运动补偿的估计方法 - Google Patents

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Abstract

用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，包括以下步骤：1)对原始的SAR数据进行距离压缩，将数据变换到二维时域；2)估计模糊的多普勒中心fDB；3)对距离压缩后的数据做方位向FFT，变换到距离时域，方位频域；4)解多普勒模糊数n；5)根据模糊的多普勒中心fDB和模糊数n，计算得到估计的多普勒中心fD；6)再将数据变换到距离压缩后的二维时域，利用估计出的多普勒中心fD进行距离徙动校正；7)估计多普勒调频fr；8)根据估计出多普勒参数完成SAR二维成像处理。本发明具有以下有益效果：完成对SAR平台不平稳运动的补偿，获取高质量的SAR图像。

Description

用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法
技术领域
本发明属于信号特征控制技术领域，具体涉及用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法。
背景技术
机载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)运动补偿技术可分为基于仪器和基于 数据两类。基于仪器的SAR运动补偿主要利用SAR运动测量单元提供的数据计算多普勒中 心和多普勒调频率两个成像参数。但实际中，经常发生运动测量单元的测量数据不能满足成 像质量要求，为此，产生了基于数据的SAR运动补偿技术。从SAR信号处理的角度而言， 提起SAR运动补偿一般专指后者，即基于数据的运动补偿技术。
迄今为止，所有SAR成像的理论模型均以SAR平台做匀速直线运动为前提推导得出。因 此，早期的SAR运动补偿方法是通过杂波锁定以及自聚焦等手段获取更加准确的SAR平台 飞行速度以及天线指向，从而获得准确的能满足成像质量要求的SAR多普勒中心和多普勒调 频率。但对于不平稳飞行的SAR，此时，传统的方法已不能生搬硬套、不加修正地加以应用。 实践表明，对于不平稳飞行SAR数据，即使是能适应SAR高阶运动误差的著名的PGA(Phase Gradient Autofocus)自聚焦算法也往往失效。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，该方法能 有效克服SAR不平稳飞行对成像质量的影响，获得清晰的、可分辨的SAR图像。
本发明通过以下技术方案实现。
用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，包括以下步骤：1)对原始的SAR数据进行距 离压缩，将数据变换到二维时域；2)估计模糊的多普勒中心fDB；3)对距离压缩后的数据做方位向FFT，变换到距离时域，方位频域；4)解多普勒模糊数n；5)根据模糊的多普勒 中心fDB和多普勒模糊数n，计算得到估计的多普勒中心fD；6)再将数据变换到距离压缩 后的二维时域，利用估计出的多普勒中心fD进行距离徙动校正；7)估计多普勒调频fr；8) 根据估计出多普勒参数完成SAR二维成像处理。
作为优选，步骤2中，用能量均衡法估计模糊的多普勒中心fDB，设在距离压缩后的二 维时域中，第k个距离单元、第i个方位单元的信号为x(k,i)，能量均衡法的实现过程为：2.1)利用公式计算互相关系数，公式中x*(·)为x(·)的复共轭， 2.2)根据互相关系数C(k)计算第k个距离单元对应的fDB(k)，公式为
作为优选，步骤4中，当SAR具有大的线性走动时，其线性走动斜率与多普勒中心有关， 设该斜率为kD，则有通过检测直线斜率估计kD，进而获得fD的估计值则可得多普勒模糊数为
作为优选，步骤5中，进行多普勒中心fD估计，多普勒中心fD估计需要获取两个参数， 一个是模糊的多普勒中心fDB，一个是多普勒模糊数n，多普勒中心fD与这两个参数的关系 为fD＝n·fP+fDB，其中fP为雷达PRF；
作为优选，步骤7中，多普勒调频率fr估计方法为相位差分法。
作为优选，步骤7中，多普勒调频率fr估计方法为子孔径相关法。
作为优选，所述的多普勒模糊数n取整运算。
作为优选，利用多个距离单元上的估计值提高估计精度。
与现有技术相比：完成对SAR平台不平稳运动的补偿，获取高质量的SAR图像。
附图说明
图1为本发明机载SAR实测数据RD域信号强度图像。
图2为本发明机载SAR不平稳飞行实测数据RD域信号强度图像。
图3为本发明有多普勒模糊的机载SAR实测数据RD域信号强度图像。
图4为本发明使用传统方法成像得到的结果。
图5为本发明使用不平稳飞行SAR运动补充得到的结果。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式，对本发明做进一步描述。
用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，包括以下步骤：1)对原始的SAR数据进 行距离压缩，将数据变换到二维时域；2)估计模糊的多普勒中心fD；3)对距离压缩后 的数据做方位向FFT，变换到距离时域，方位频域；4)解多普勒模糊数n；5)根据模 糊的多普勒中心fD和模糊数n，计算得到估计的多普勒中心fD；6)再将数据变换到距 离压缩后的二维时域，利用估计出的多普勒中心fD进行距离徙动校正；7)估计多普勒 调频fr；8)根据估计出多普勒参数完成SAR二维成像处理。
当SAR做匀速直线运动时，斜距相同、方位位置不同的目标，由于其距离徙动轨迹形状相同，在距离压缩后的RD域(距离时域方位频域)，它们就完全叠加到了一起， 根据这个特点，可以得出，对于平稳飞行的SAR，如果场景沿距离向有起伏，在方位未 聚焦的RD域的强度图像中，将会看到或明或暗的条纹，而条纹的形状就是距离徙动轨 迹。图1是某机载SAR实测数据的RD域信号强度图像，从中可以容易地看出代表距离 徙动轨迹的条纹。
同时通过图1也验证了平稳飞行SAR方位向回波的时间与频率之间的锁定关系，即对于LFM信号来说，信号的瞬时频率与时间是一一对应的。
图2示出了某机载SAR不平稳飞行实测数据的RD域信号强度图像。由图2可见， 由于飞行不平稳，RD域信号强度图像已辨别不出代表距离徙动轨迹的条纹。对这样的数 据，传统成像处理方法，甚至包括素以稳健著称的PGA已不再有效。
从理论上来说，机载正侧视SAR的斜视与其飞行不平稳是两个概念。但实际中，SAR的飞行不平稳往往伴有斜视存在。
图3示出了某机载正侧视SAR多普勒模糊数为-1的实测数据RD域信号强度图像，图中也能辨别出距离徙动轨迹条纹，但有点模糊，说明在这段飞行期间，SAR在斜视的 同时伴有轻度的不平稳。
可见，尽管从概念上来说，SAR的斜视与飞行不平稳是两个问题，但两者往往共同存在，因此，不平稳飞行SAR的运动补偿必须同时考虑并解决斜视问题。
一、首先进行多普勒中心fD估计。
对于不平稳飞行SAR来说，有效的运动补偿首先要求准确地估计多普勒参数。根据前面的分析，不平稳飞行的机载SAR往往伴有多普勒模糊现象，因此多普勒中心的估计 还需要解多普勒模糊。
多普勒中心fD估计需要获取两个参数，一个是模糊的多普勒中心fDB，一个是多普勒模糊数n，多普勒中心fD与这两个参数的关系为
fD＝n·fP+fDB (1)
(1)式中，fP为雷达PRF。
估计模糊的多普勒中心fDB
fDB的估计方法有多种，比较著名的有能量均衡法，CDE(Correlation DopplerEstimator)法等。CDE法在方位时域里进行，计算量小，精度高，在实际的SAR***中 得到了广泛的应用。
设在距离压缩后的二维时域中，第k个距离单元、第i个方位单元的信号为x(k,i)，CDE方法的实现过程为：
1)计算互相关系数
(2)式中x*(·)为x(·)的复共轭。
2)根据互相关系数C(k)计算第k个距离单元对应的fDB(k)
可以利用多个距离单元上的fDB估计值提高估计精度。
(2)解多普勒模糊数n
当SAR具有大的线性走动时，其线性走动斜率与多普勒中心有关，设该斜率为kD，则有
因此，可以通过检测直线斜率估计kD，进而获得fD的估计值则可得多普勒模糊数为
(5)式中，round{·}表示取整运算。
二、其次进行多普勒调频率fr估计。
当SAR斜视时，由于同一目标的方位向回波信号分布在多个距离单元内，造成某一距离单元上信号的信噪比降低。这一信噪比的降低将会严重影响多普勒调频率fr的估计精度，为此，利用估计出的多普勒中心fD首先在距离压缩后的二维时域内进行距离走动 校正，然后再进行多普勒调频率fr的估计。
对于不平稳飞行SAR，多普勒调频率fr估计可以在方位时域进行。此时，可以应用的多普勒调频率估计方法有相位差分法(Phase Difference,PD)，子孔径相关法(MapDrift, MD)等。
对于位于第k个距离单元的目标，其方位向回波信号可以表示为
(6)式中：p为发射脉冲序号，Ns为子孔径处理点数，frk称为第k个距离单元的 多普勒调频率。
将gk(p)分成两个长度为Ns-p0的子孔径信号
PD自聚焦方法的处理过程如下：
1)将g1k(p)的复共轭与g2k(p)相乘得
(8)式中上标‘*’表示复共轭操作。可见经过式(5-8)的变换，yk(p)成为了一 个单一频率的信号，其频率为frkp0/fP。
2)yk(p)长度通过补零变为N(N>NS-p0)，作N点DFT
3)求|Yk(l)|的峰值。设|Yk(l)|最大值出现在Lk处，则可得第k个距离单元的多普勒 调频率的估计值为
三、最后，利用估计得到的多普勒中心fD和多普勒调频率fr进行成像。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神 和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，包括以下步骤：1)对原始的SAR数据进行距离压缩，将数据变换到二维时域；2)估计模糊的多普勒中心fDB；3)对距离压缩后的数据做方位向FFT，变换到距离时域，方位频域；4)解多普勒模糊数n；5)根据模糊的多普勒中心fDB和多普勒模糊数n，计算得到估计的多普勒中心fD；6)再将数据变换到距离压缩后的二维时域，利用估计出的多普勒中心fD进行距离徙动校正；7)估计多普勒调频fr；8)根据估计出多普勒参数完成SAR二维成像处理。
2.根据权利要求1所述的用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，其特征在于，步骤2中，用能量均衡法估计模糊的多普勒中心fDB，设在距离压缩后的二维时域中，第k个距离单元、第i个方位单元的信号为x(k,i)，能量均衡法的实现过程为：2.1)利用公式计算互相关系数，公式中x*(·)为x(·)的复共轭，2.2)根据互相关系数C(k)计算第k个距离单元对应的fDB(k)，公式为式中fP是雷达的脉冲重复频率，k是某个距离单元，C(k)是第k个距离单元对应的互相关系数。
3.根据权利要求1所述的用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，其特征在于，步骤4中，当SAR具有大的线性走动时，其线性走动斜率与多普勒中心有关，设该斜率为kD，则有通过检测直线斜率估计kD，进而获得fD的估计值则可得多普勒模糊数为式中是多普勒中心的估计值，fP是雷达的脉冲重复频率。
4.根据权利要求1所述的用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，其特征在于，步骤5中，进行多普勒中心fD估计，多普勒中心fD估计需要获取两个参数，一个是模糊的多普勒中心fDB，一个是多普勒模糊数n，多普勒中心fD与这两个参数的关系为fD＝n·fP+fDB，其中fP为雷达PRF。
5.根据权利要求1所述的用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，其特征在于，步骤7中，多普勒调频率fr估计方法为相位差分法。
6.根据权利要求1所述的用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，其特征在于，步骤7中，多普勒调频率fr估计方法为子孔径相关法。
7.根据权利要求3所述的用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，其特征在于，所述的多普勒模糊数n取整运算。
8.根据权利要求2所述的用于飞行机载SAR运动补偿的估计方法，其特征在于，利用多个距离单元上的估计值提高估计精度。
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