CN108254728B - 基于局部线性误差模型的调频连续波sar运动补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法，包括：获取雷达回波数据起始点的位置信息；根据获取的雷达回波数据起始点的位置信息，采用局部线性误差模型对每个雷达工作脉冲内天线相位中心的运动误差进行分段线性拟合；以及结合分段线性拟合的运动误差构建脉内运动补偿函数。该方法对脉冲内每个点运动误差的计算量只需要一次乘法，相对传统脉冲内运动补偿方法，其计算量大大降低，且运动补偿后的目标聚焦效果良好；且该方法适用于加速度100g以内的平台，适用范围广。
Description
技术领域
本公开属于雷达信息获取与处理技术领域，涉及一种基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法。
背景技术
调频连续波合成孔径雷达(FMCW SAR)结合了调频连续波技术和合成孔径雷达技术，具有体积小、重量轻、功率低的特点，在地球观测领域特别是军事应用领域发挥着越来越重要的作用。
在脉冲体制SAR中，由于占空比很小(通常不大于10％)，可以利用“停-走”(“stop-and-go”)模型来计算运动误差，即假设在接收回波信号时运动误差不变，忽略了信号传输期间的雷达运动以及发射、接收信号期间的雷达运动，如图1所示，采用水平线表示运动误差，换言之，该假设对应于一种局部常数误差模型。
而在调频连续波体制SAR中，占空比达到100％，在数据接收期间平台已发生明显的移动，所以“停-走”模型不再成立，传统的局部常数误差模型也不再成立。目前调频连续波SAR的运动补偿可以利用天线相位中心的运动数据对每个脉冲内的运动误差进行逐点补偿，但对应处理的是每个数据点的真值，而每个脉冲内的数据点数目繁多，进行逐点补偿的计算量太大，影响了调频连续波SAR的处理效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法，包括：获取雷达回波数据起始点的位置信息；根据获取的雷达回波数据起始点的位置信息，采用局部线性误差模型对每个雷达工作脉冲内天线相位中心的运动误差进行分段线性拟合；以及结合分段线性拟合的运动误差构建脉内运动补偿函数。
在本公开的一些实施例中，调频连续波SAR运动补偿方法，还包括：根据脉内运动补偿函数对雷达回波数据进行运动补偿和成像处理。
在本公开的一些实施例中，雷达回波数据起始点的位置信息是根据雷达回波数据获取时间与天线相位中心运动轨迹的获取时间的关系提取的。
在本公开的一些实施例中，将雷达回波数据的获取时间和天线相位中心运动轨迹的获取时间建立在统一的UTC时间基准上，对应雷达回波数据起始点时间从天线相位中心运动轨迹数据中提取雷达回波数据起始点的位置信息。
在本公开的一些实施例中，采用局部线性误差模型对每个雷达工作脉冲内天线相位中心的运动误差进行分段线性拟合，该运动误差满足：
其中，ΔR(nPRT+tr)为第n个脉冲到第n+1个脉冲内的运动误差；PRT为脉冲重复周期；tr为快时间，0≤tr＜PRT；ΔR((n+1)PRT)为第n+1个脉冲对应的运动误差；ΔR(nPRT)为第n个脉冲对应的运动误差。
在本公开的一些实施例中，结合分段线性拟合的运动误差构建的所述脉内运动补偿函数，满足：
其中，h(R，tr)为脉内运动补偿函数；K为信号调频率；fc为载频；c为光速。
在本公开的一些实施例中，采用所述脉内运动补偿函数逐点进行补偿的方式对雷达回波数据进行运动补偿。
在本公开的一些实施例中，进行运动补偿后的雷达回波数据的运动函数h(fr)满足：
其中，ΔR(nPRT)为第n个脉冲对应的运动误差；ΔRref(nPRT)为第n个脉冲对应的参考斜距运动误差。
在本公开的一些实施例中，雷达回波数据是通过将调频连续波信号经过去调频处理之后接收得到的。
在本公开的一些实施例中，雷达回波数据满足：
其中，s(tr)为去调频接收之后的雷达回波数据；tr为快时间，0≤tr＜PRT；K为信号调频率；fc为载频；c为光速；R(nPRT)为第n个脉冲天线相位中心距离目标的距离；ΔR(nPRT+tr)为第n个脉冲到第n+1个脉冲内的运动误差。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法，具有以下有益效果：
采用局部线性误差模型对每个雷达工作脉冲内天线相位中心的运动误差进行分段线性拟合，然后以此构建脉内完全运动补偿因子，对脉冲内每个点运动误差的计算量只需要一次乘法，相对传统脉冲内运动补偿方法，其计算量大大降低，且运动补偿后的目标聚焦效果良好；且该方法适用于加速度100g(g为重力加速度)以内的平台，适用范围广。
附图说明
图1为现有技术中局部常数误差模型的示意图。
图2为根据本公开实施例的基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法的流程图。
图3为根据本公开实施例的基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法的具体实施过程图。
图4为根据本公开实施例调频连续波SAR的***框图。
图5为根据本公开实施例局部线性误差模型的示意图。
图6A为对非参考距离处目标采用针对参考斜距的脉内运动补偿函数进行补偿后的目标成像结果示意图。
图6B为对非参考距离处目标采用脉内运动补偿函数逐点进行完全补偿后的目标成像结果示意图。
图7为根据本公开实施例对非参考距离处目标采用基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法补偿后的目标成像结果示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法，采用局部线性误差模型对每个雷达工作脉冲内天线相位中心的运动误差进行分段线性拟合，然后以此构建脉内完全运动补偿因子，对脉冲内每个点运动误差的计算量只需要一次乘法，相对传统脉冲内运动补偿方法，其计算量大大降低，且运动补偿后的目标聚焦效果良好；且该方法适用于加速度100g(g为重力加速度)以内的平台，适用范围广。
本公开中，“PRT”表示表示脉冲持续时间，也称脉冲重复周期，表示一个脉冲和下一个脉冲之间的时间间隔，为时间纲量，大小等于脉冲重复频率的倒数；“PRF”表示脉冲重复频率(PRF，Pulse-Recurrence-Frequency)指的是每秒钟产生的触发脉冲数目，为频率纲量。
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。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法。
图2为根据本公开实施例的基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法的流程图。图3为根据本公开实施例的基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法的具体实施过程图。
参照图2和图3所示，本公开的基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法，包括：
步骤S202：根据雷达回波数据获取时间与运动轨迹时间关系提取雷达回波数据起始点的位置信息；
本步骤S202中，参照图3所示，将雷达回波数据的获取时间和SAR天线相位中心运动轨迹的获取时间建立在统一的UTC时间基准上；然后根据雷达数据获取时间与运动轨迹获取时间的关系，对应雷达数据起始点时间从天线相位中心运动轨迹数据中提取雷达起始点的位置信息。
步骤S204：根据获取的雷达回波数据起始点的位置信息，采用局部线性误差模型对每个雷达工作脉冲内天线相位中心的运动误差进行分段线性拟合；
图4为根据本公开实施例调频连续波SAR的***框图；图5为根据本公开实施例局部线性误差模型的示意图。
参照图4所示，信号源产生的调频连续波信号经一个通道由发射天线发射出去，该通道对应为发射通道Ct；另一路的信号经另一个通道进入混频器，作为参考信号，另一个通道对应为参考通道Cref；由接收天线接收的回波信号经接收通道Cr进入混频器中，经过去调频接收处理Cs之后经过模数转换器(ADC，Analog-to-Digital Converter)输出信号。
经过去调频接收后的雷达回波数据满足如下表达式：
其中，s(tr)为去调频接收之后的雷达回波数据；tr为快时间，0≤tr＜PRT；K为信号调频率；fc为载频；c为光速；R(nPRT)为第n个脉冲天线相位中心距离目标的距离；ΔR(nPRT+tr)为第n个脉冲到第n+1个脉冲内的运动误差。
采用局部线性误差模型对每个雷达工作脉冲内天线相位中心的运动误差进行分段线性拟合，该拟合公式如下：
其中，第n个PRF处运动误差的斜率为：
其中，ΔR((n+1)PRT)为第n+1个脉冲对应的运动误差；ΔR(nPRT)为第n个脉冲对应的运动误差。
步骤S206：结合分段线性拟合的运动误差构建脉内运动补偿函数；
通常的脉内运动补偿函数h(R，tr)满足：
其中，ΔR0(nPRT+tr)表示采用常规方法获得的第n个脉冲到第n+1个脉冲内的运动误差。
由于脉内运动补偿需要在时域进行，而不同斜距R上的目标脉内补偿函数并不相同，导致每个脉冲内距离向各点数据需要进行逐点补偿，每个点运动误差计算量包括5次加法，3次乘法，1次开方，耗费大量的计算资源。
本实施例中，以机载Ku波段调频连续波SAR***，带宽500MHz，信号脉冲宽度1ms为例，对采用针对参考斜距的脉内运动补偿函数进行补偿、采用脉内运动补偿函数逐点进行完全补偿的方式的结果进行对比说明，然后确认一种优化的补偿方式。
图6A为对非参考距离处目标采用针对参考斜距的脉内运动补偿函数进行补偿后的目标成像结果示意图。图6B为对非参考距离处目标采用脉内运动补偿函数逐点进行完全补偿后的目标成像结果示意图。
采用针对参考斜距的脉内运补函数进行补偿会导致残余误差，参照图6A的结果所示，方位向出现散焦现象。而采用脉内运动补偿函数逐点进行完全补偿后的结果如图6B所示，目标的聚焦效果良好。
由此，本实施例中，优选采用脉内运动补偿函数逐点进行完全补偿的方式进行误差补偿，并且该补偿因子中的运动误差采用步骤S204获得的分段线性拟合的运动误差来计算。
本实施例中，结合分段线性拟合的运动误差构建的脉内运动补偿函数，满足如下表达式：
其中，ΔR(nPRT+tr)为公式(2)中获得的运动误差。
这样一来，脉冲内每个点运动误差的计算量只需要一次乘法，相对传统的脉内运动补偿方法，其计算量大大降低。
步骤S208：根据脉内运动补偿函数对雷达回波数据进行运动补偿和成像处理；
本步骤S208中，进行运动补偿后的运动函数h(fr)满足：
其中，ΔRref(nPRT)为第n个脉冲对应的参考斜距运动误差。
利用本实施例的基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法对非参考距离处目标进行了成像实验。
图7为根据本公开实施例对非参考距离处目标采用基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法补偿后的目标成像结果示意图。参照图7所示，采用基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法补偿后的目标聚焦效果良好。
另外，针对Ku波段SAR，结合成像结果对允许的残余运动误差大小为波长的十六分之一进行分析，进一步结合小SAR参数推导飞机平台的速度和加速度的要求，得出如下结论：在加速度为100g(g为重力加速度)以内的绝大部分平台均可使用本公开提出的方法，可见，本公开的运动补偿方法还具有适用范围广的优点。
综上所述，本公开提供了一种基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法，采用局部线性误差模型对每个雷达工作脉冲内天线相位中心的运动误差进行分段线性拟合，然后以此构建脉内完全运动补偿因子，对脉冲内每个点运动误差的计算量只需要一次乘法，相对传统脉冲内运动补偿方法，其计算量大大降低，且运动补偿后的目标聚焦效果良好；且该方法适用于加速度100g(g为重力加速度)以内的平台，适用范围广。
当然，根据实际需要，本公开基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法还包含其他的方法和步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
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。
Claims (8)
1.一种基于局部线性误差模型的调频连续波SAR运动补偿方法，包括：
获取雷达回波数据起始点的位置信息；
根据获取的雷达回波数据起始点的位置信息，采用局部线性误差模型对每个雷达工作脉冲内天线相位中心的运动误差进行分段线性拟合；以及
结合分段线性拟合的运动误差构建脉内运动补偿函数；
其中，所述采用局部线性误差模型对每个雷达工作脉冲内天线相位中心的运动误差进行分段线性拟合，该运动误差满足：
其中，ΔR(nPRT+tr)为第n个脉冲到第n+1个脉冲内的运动误差；PRT为脉冲重复周期；tr为快时间，0≤tr＜PRT；ΔR((n+1)PRT)为第n+1个脉冲对应的运动误差；ΔR(nPRT)为第n个脉冲对应的运动误差；
结合分段线性拟合的运动误差构建的所述脉内运动补偿函数，满足：
其中，h(R，tr)为脉内运动补偿函数；R为斜距；K为信号调频率；fc为载频；c为光速。
2.根据权利要求1所述的调频连续波SAR运动补偿方法，还包括：
根据脉内运动补偿函数对雷达回波数据进行运动补偿和成像处理。
3.根据权利要求1所述的调频连续波SAR运动补偿方法，所述雷达回波数据起始点的位置信息是根据雷达回波数据获取时间与天线相位中心运动轨迹的获取时间的关系提取的。
4.根据权利要求3所述的调频连续波SAR运动补偿方法，其中，将所述雷达回波数据的获取时间和天线相位中心运动轨迹的获取时间建立在统一的UTC时间基准上，对应雷达回波数据起始点时间从天线相位中心运动轨迹数据中提取雷达回波数据起始点的位置信息。
5.根据权利要求2所述的调频连续波SAR运动补偿方法，其中，采用所述脉内运动补偿函数逐点进行补偿的方式对所述雷达回波数据进行运动补偿。
6.根据权利要求2所述的调频连续波SAR运动补偿方法，其中，所述进行运动补偿后的雷达回波数据的运动函数h(fr)满足：
其中，ΔR(nPRT)为第n个脉冲对应的运动误差；ΔRref(nPRT)为第n个脉冲对应的参考斜距运动误差。
7.根据权利要求1至6任一项所述的调频连续波SAR运动补偿方法，其中，所述雷达回波数据是通过将调频连续波信号经过去调频处理之后接收得到的。
8.根据权利要求7所述的调频连续波SAR运动补偿方法，其中，所述雷达回波数据满足：
其中，s(tr)为去调频接收之后的雷达回波数据；tr为快时间，0≤tr＜PRT；K为信号调频率；fc为载频；c为光速；R(nPRT)为第n个脉冲天线相位中心距离目标的距离；ΔR(nPRT+tr)为第n个脉冲到第n+1个脉冲内的运动误差。
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