CN117761696B - 一种基于投影图抽取的sar快速后向投影成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于投影图抽取的SAR快速后向投影成像方法，涉及雷达技术领域，包括：步骤1、对SAR回波进行距离向脉冲压缩，得到脉压后回波；步骤2、根据SAR参数确定迭代次数和成像分块大小，并根据成像分块大小将成像区域分块，形成成像块；步骤3、对每块成像块截取相应的脉压后回波；步骤4、对每块成像块及其脉压后回波迭代进行方位向划分子块、子块投影图构造、投影图方位向抽取，直至达到预设迭代次数；步骤5、基于方位向抽取后投影图，对每个子块进行后向投影成像，拼接后获得该成像块的成像结果；步骤6、将所有成像块的结果拼接，得到成像区域的完整成像结果。本发明减少成像所需时间，提供一种高效的后向投影成像方法。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种合成孔径雷达（Synthetic ApertureRadar, SAR）成像算法。
背景技术
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）作为一种主动式成像雷达，具有全天时、全天候对地观测能力。SAR对目标区域从不同角度多次发射电磁波并接收回波信号，通过合成孔径成像算法处理，获得目标区域的二维图像。传统的频域成像算法具有较低的O(N2logN)运算复杂度，但基于直线雷达轨迹几何模型，对非直线轨迹SAR难以精确成像。而传统的时域后向投影（Back-Projection，BP）成像算法虽对任意雷达轨迹几何模型均可精确成像，但具有较高的O(N3)运算复杂度。因此，降低BP算法的运算复杂度是SAR成像领域的研究热点。
针对BP算法运算复杂度高的问题，基于子孔径图像方位向带宽低的原理，曾有许多快速BP算法被提出。然而这些算法均存在一定的局限性，例如经典的快速分级BP（FastFactorized Back-Projection，FFBP）算法（Ulander等，Synthetic-aperture radarprocessing using fast factorized back-projection，2003年发表于IEEETransactions on Aerospace and Electronic Systems）通过子孔径图像在局部极坐标下逐级合成的方法将复杂度降至O(N2logN)，但其成像结果存在旁瓣高的问题，影响成像质量；而近年来提出的直角坐标分级BP（Cartesian Factorized Back-Projection，CFBP）算法（CN104833974B，CN116643277A）通过对子孔径直角坐标系图像进行两步频谱压缩，实现了与BP算法相仿的成像质量，但由于其步骤较复杂，且第二步频谱压缩在距离频域进行，其运算复杂度稍高，为O(N2log2N)。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于投影图抽取的SAR快速后向投影成像方法，借鉴计算机断层成像中投影图的概念，通过对场景中点目标位置与其回波在SAR投影图中方位向频谱的关系，推导出基于投影图抽取的快速BP算法，可在保持高成像质量的同时，相比CFBP进一步降低运算复杂度，减少成像所需时间，为SAR，尤其是非直线轨迹SAR提供一种高效的后向投影成像方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于投影图抽取的SAR快速后向投影成像方法，包括如下步骤：
步骤1、对SAR回波进行距离向脉冲压缩，得到脉压后回波；
步骤2、根据SAR参数确定迭代次数和成像分块大小，并根据成像分块大小将成像区域分块，形成成像块；
步骤3、对每块成像块截取相应的脉压后回波；
步骤4、对每块成像块及其脉压后回波迭代进行方位向划分子块、子块投影图构造、投影图方位向抽取，直至达到预设迭代次数；
步骤5、基于方位向抽取后投影图，对每个子块进行后向投影成像，拼接后获得该成像块的成像结果；
步骤6、将所有成像块的结果拼接，得到成像区域的完整成像结果。
进一步地，所述步骤2包括：
根据成像区域中点目标的位置与该点目标的回波在投影图方位向频谱中所处的中心频率和带宽的关系，由SAR参数和迭代次数计算出最大成像块大小；
已知SAR参数包括：合成孔径长度、场景中心斜距/>、图像距离向分辨率/>、方位向分辨率/>，预设基数为任意大于1的整数/>，依据以下公式确定迭代次数和最大成像块大小：
首先确定成像块方位向长度，满足：
，
接下来确定迭代次数，满足：
，
最后确定成像块方位向宽度，满足：
，
其中，，/>为中间参数。
进一步地，所述步骤4包括：
根据成像区域中点目标的位置与该点目标的回波在投影图方位向频谱中所处的中心频率和带宽的关系，对成像块方位向划分子块后，各子块的投影图方位向带宽相应减小；通过对各子块的投影图进行方位向抽取，降低最终后向投影成像的运算复杂度；迭代进行方位向子块划分、子块投影图构造、投影图方位向抽取的操作，使整体方法的运算复杂度达到O(N2logN)。
其中划分的子块的个数为；
投影图定义为在距离向时间依照子块中心点回波时间对齐的距离向脉冲压缩后回波信号，表示为：
（5）
其中，为距离向脉冲压缩后回波信号，/>为子块中心点的回波时间，/>、/>分别为距离向时间、方位向时间，exp（）为指数函数，j为虚数，/>为雷达载频；
对投影图的方位向抽取包括方位向低通滤波和方位向降采样，方位向低通滤波所需的低通滤波器的归一化阻带频率为，降采样倍率为/>。
有益效果：
相比于现有的FFBP算法，本发明显著抑制了方位模糊，降低了旁瓣，提高了成像质量，冲击响应宽度（IRW）、峰值旁瓣比（PSLR）、积分旁瓣比（ISLR）指标接近BP算法的参考值；相比于现有的CFBP算法，本发明具有更低的O(N2logN)的运算复杂度，成像耗时降低30~60%。
附图说明
图1为本发明的一种基于投影图抽取的SAR快速后向投影成像方法的流程图。
图2（a），图2（b）为投影图抽取所采用的低通滤波器，其中：图2（a）为滤波器时域响应；图2（b）为滤波器频域响应。
图3（a），图3（b），图3（c），图3（d）为本发明与后向投影（BP）、快速分级后向投影（FFBP）、直角坐标分级后向投影（CFBP）的成像结果对比图，其中：图3（a）为BP成像结果；图3（b）为FFBP成像结果；图3（c）为CFBP成像结果；图3（d）为本发明成像结果。
图4为四种算法成像结果点目标方位向剖面对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，如图1所示，本发明的一种基于投影图抽取的SAR快速后向投影成像方法，包括如下步骤：
S101：对SAR回波进行距离向脉冲压缩，得到脉压后回波。
已知回波信号和距离调频率/>，其中/>和/>分别为距离向时间和方位向时间，则距离向脉冲压缩可表示为：
(1)
其中，表示脉压后回波信号，IFFT表示傅里叶逆变换，FFT表示傅里叶变换，exp（）表示指数函数，j表示虚数；
S102：根据SAR参数确定迭代次数和成像分块大小，并根据成像分块大小将成像区域分块，形成成像块。
此处以分块基数为2的分块为例，已知合成孔径长度、场景中心斜距/>、图像距离向分辨率/>、方位向分辨率/>，则成像块方位向长度/>确定为：
(2)
迭代次数确定为：
(3)
成像块方位向宽度确定为：
(4)
其中，，/>为中间参数。
上述算法防止后续迭代过程中各子成像块的投影图出现频谱混叠，从而保证最终成像的质量。
S103：对每块成像块截取相应的脉压后回波。
根据所采用的SAR成像模式，计算可接收到的成像块中任意点回波的方位向时间范围、距离向时间范围，依此截取脉压后回波。
S104：对每块成像块及其脉压后回波迭代进行方位向划分子块、子块投影图构造、投影图方位向抽取的操作，直至达到预设迭代次数。
每次迭代中，首先将每个成像块沿方位向一分为二。
投影图定义为在距离向时间依照子块中心点回波时间对齐的距离向脉冲压缩后回波信号，由下式计算得到：
(5)
其中，为成像块（子块）中心点的回波时间，/>为雷达载频。实现时，式(5)中信号时移可通过8点sinc插值完成。
对投影图的方位向抽取具体分为方位向低通滤波和方位向降采样两步。其中低通滤波可采用形状因子的凯泽（Kaiser）窗、归一化截止频率为0.45的30阶有限脉冲响应低通滤波器，其时域和频域响应分别如图2（a）、图2（b）所示。降采样倍率为2，与分块基数相同。
S105：基于方位向抽取后的投影图，对每个子块进行后向投影成像，拼接后获得该成像块的成像结果。
基于投影图的后向投影成像表示为：
(6)
其中，为成像点的回波时间，/>为成像点的二维坐标。
S106：将所有成像块的结果拼接，得到成像区域的完整成像结果。
实施例1
实施例为点目标仿真，仿真参数为机载SAR参数，成像模式为条带模式，在场景中设置3×3强点目标，以此来验证所提方法的可行性。
图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）分别展示后向投影（BP）、快速分级后向投影（FFBP）、直角坐标分级后向投影（CFBP）、本发明的成像结果。图4展示上述四种方法中心点目标成像结果的方位向剖面。可见FFBP点目标沿方位向出现了高旁瓣，而本发明成像质量高，与BP和CFBP相仿。表1展示上述四种方法中心点目标成像结果的冲击响应宽度（IRW）、峰值旁瓣比（PSLR）、积分旁瓣比（ISLR）和成像耗时，可见本发明在保证高质量成像的同时耗时最短。
表1
，
以上所述，仅为本发明的部分实施例而已，在其他情况下本发明仍然适用，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于投影图抽取的SAR快速后向投影成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、对SAR回波进行距离向脉冲压缩，得到脉压后回波；
步骤2、根据SAR参数确定迭代次数和成像分块大小，并根据成像分块大小将成像区域分块，形成成像块；
根据成像区域中点目标的位置与该点目标的回波在投影图方位向频谱中所处的中心频率和带宽的关系，由SAR参数和迭代次数计算出最大成像块大小；
已知SAR参数包括：合成孔径长度、场景中心斜距/>、图像距离向分辨率/>、方位向分辨率/>，预设基数为任意大于1的整数/>，依据以下公式确定迭代次数/>和最大成像块大小：
首先确定成像块方位向长度，满足：
，
接下来确定迭代次数，满足：
，
最后确定成像块方位向宽度，满足：/>，
其中，，/>为中间参数；
步骤3、对每块成像块截取相应的脉压后回波；
步骤4、对每块成像块及其脉压后回波迭代进行方位向划分子块、子块投影图构造、投影图方位向抽取，直至达到预设迭代次数；
根据成像区域中点目标的位置与该点目标的回波在投影图方位向频谱中所处的中心频率和带宽的关系，对成像块方位向划分子块后，各子块的投影图方位向带宽相应减小；通过对各子块的投影图进行方位向抽取，降低最终后向投影成像的运算复杂度；
划分的子块的个数为；
投影图定义为在距离向时间依照子块中心点回波时间对齐的距离向脉冲压缩后回波信号，表示为：
（5）
其中，为距离向脉冲压缩后回波信号，/>为子块中心点的回波时间，/>、/>分别为距离向时间、方位向时间，exp（）为指数函数，j为虚数，/>为雷达载频；
对投影图的方位向抽取包括方位向低通滤波和方位向降采样，方位向低通滤波所需的低通滤波器的归一化阻带频率为，降采样倍率为/>；
步骤5、基于方位向抽取后的投影图，对每个子块进行后向投影成像，拼接后获得该成像块的成像结果；
步骤6、将所有成像块的结果拼接，得到成像区域的完整成像结果。
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