一种用于互质采样星载SAR的成像处理方法技术

本发明专利技术公开了一种用于互质采样星载SAR的成像处理方法，属于信号处理领域。本发明专利技术方法在获得成像参数、回波数据及互质采样矩阵之后，首先对方位互质采样SAR回波信号进行距离向脉冲压缩，然后从第一个距离门开始，依据各距离门的多普勒参数计算该距离门回波信号跨越的距离门个数以及构造相应的稀疏字典，并以此为基准截取二维观测信号，最后用改进的二维观测信号稀疏度自适应的稀疏重构算法对二维观测信号进行重构，由此得到场景目标的后向散射信息。本发明专利技术补偿了成像参数随距离门变化对稀疏重构造成的影响，可实现全场景精确聚焦，能够实现互质采样工作模式下的成像处理，并且成像精度高、实用性强。

An Image Processing Method for Mutual Mass Sampling Spaceborne SAR

The invention discloses an imaging processing method for mutual prime sampling spaceborne SAR, which belongs to the field of signal processing. After obtaining the imaging parameters, echo data and mutual prime sampling matrix, the method first compresses the range pulse of azimuth mutual prime sampled SAR echo signal, then calculates the number of range gates crossed by the range gate echo signal according to the Doppler parameters of each range gate, and constructs the corresponding sparse dictionary, and intercepts the two-dimensional view as a reference. Finally, the improved sparse reconstruction algorithm is used to reconstruct the two-dimensional observation signal, and the backscattering information of the scene target is obtained. The invention compensates the influence of imaging parameters on sparse reconstruction with the change of distance gates, realizes accurate focusing of the whole scene, realizes imaging processing under the working mode of mutual quality sampling, and has high imaging accuracy and strong practicability.

【技术实现步骤摘要】
一种用于互质采样星载SAR的成像处理方法
本专利技术属于信号处理领域，涉及一种星载SAR成像处理方法，具体涉及一种用于互质采样星载SAR的成像处理方法。
技术介绍
合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)是一种主动式微波成像传感器，其通过发射宽带信号，结合合成孔径技术，能够在距离向和方位向上同时获得高分辨率图像，实现对目标区域的远距离主动成像。与传统光学遥感和高光谱遥感相比，SAR具备全天候、全天时、高分辨对地观测的能力，还具有一定的穿透性，是实现军事侦察、自然资源普查、自然灾害监测等的重要技术手段。高分辨率和宽测绘带对地观测是星载SAR的发展趋势之一。对于传统的星载SAR系统，方位空间分辨率与距离向测绘幅宽对SAR系统的脉冲重复频率(PluseRepeatedFrequency，PRF)提出了相互矛盾的约束要求：一方面，方位高分辨率要求SAR系统的PRF足够高，以保证方位采样满足奈奎斯特采样定理；另一方面，宽测绘带要求SAR系统的PRF足够低，以保证测绘带回波在两次脉冲发射间隔时间内被完整接收。受固定PRF的限制，传统星载SAR不能同时实现高分辨率和宽测绘带对地观测。互质阵列和互质采样是近些年在阵列信号领域中被提出的一种新颖的稀疏非均匀阵列及采样方式。互质阵列由两个均匀线性阵列(UniformLinearArray,ULA)组成，如图1所示，第一个ULA包含M个阵元，阵元间隔为Nλ/2，第二个ULA包含N个阵元，阵元间隔为Mλ/2，其中M和N为互质数，λ为工作波长。由于两个子阵共用第一个阵元，一个(M,N)-互质阵列仅有M+N-1个阵元，但其可提供的自由度达到MN，远大于其物理阵元数。此外，互质阵列还有阵元间互耦影响小及硬件上易于实现的优点，因此在空间谱估计，也称波达方向(Direction-Of-Arrival，DOA)估计，波束形成等领域得到广泛的关注和应用。互质采样星载SAR将互质采样技术引入星载SAR系统，其利用互质阵列可由低物理阵元数提供高自由度的特点，在采样率远低于奈奎斯特采样定律的条件下实现具有稀疏特性场景的精确重构，有效减小雷达系统所需要的方位采样数目。此时，若进一步采用时分复用技术，如图2所示，在非互质采样时刻将波束切换至其他测绘带区域，可有效增加SAR系统的测绘带宽度。由于在方位向采用了互质稀疏采样，如何实现互质采样星载SAR回波信号成像处理变得十分困难。目前对于互质采样SAR成像方法的研究中，均假设在SAR回波的距离方位耦合和二维空变特性可忽略不计的情况下，引入压缩感知(CS)理论，构造由方位调频信号组成的稀疏字典，采用压缩感知理论中的稀疏重构算法对各方位信号进行重构。参考文献1[TaoY,ZhangG,LiD.Coprimesamplingwithdeterministicdigitalfiltersincompressivesensingradar[C]//CieInternationalConferenceonRadar.IEEE,2017:1-4.]提出一种采用确定性滤波器实现的互质采样方式用于CS雷达采样。参考文献2[史洪印,贾宝京,齐兆龙.基于压缩感知的非均匀脉冲SAR欺骗性干扰抑制方法[J].仪器仪表学报,2016,37(3):525-532.]将SAR信号方位向互质采样方式与嵌套稀疏采样方式同CS算法相结合，不但可以抑制欺骗式干扰，而且能够在远低于Nyquist采样率的条件下实现目标的高分辨成像。参考文献3[HanB,WangP,FangY,etal.TheResearchofSARImagingBasedonCo-PrimeArraysSampling[C]//AdvancesinMaterials,Machinery,ElectricalEngineering.2017.]在距离向和方位向均进行互质采样，并采用CS算法实现SAR信号的二维精确聚焦。上述几篇文献是从不同角度探讨互质采样在SAR中的应用，有不同的侧重点，但对于互质采样SAR成像方面，他们主要侧重分析用压缩感知成像的可行性，因此都是在忽略SAR回波信号二维耦合和空变特性情况下，直接对SAR回波的一维方位向信号进行压缩感知重构，采用的重构算法也基本是压缩感知中最普遍的OMP算法，并且采用这种重构算法需要已知信号稀疏度，不能实现稀疏度自适应。所以针对目前由于完全忽略了SAR回波信号的二维耦合及二维空变特性，无法实现回波信号距离方位二维耦合补偿处理及成像参数空变补偿处理的情况，本专利技术实现了一种用于互质采样星载SAR的成像处理方法，主要侧重于互质采样SAR成像算法的精确性及实用性。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决互质采样模式下星载SAR的成像问题，提出了一种用于互质采样星载SAR的成像处理方法，能够完成距离方位二维耦合不可忽略情况下的精确聚焦处理。本专利技术的用于互质采样星载SAR的成像处理方法，实现步骤包括：步骤一：读入成像参数，包括互质数co1、co2以及回波数据方位向采样点数M、回波数据距离向采样点数Nr；根据回波数据方位向采样点数M和回波数据距离向采样点数Nr读入互质采样星载SAR的回波数据Scos。步骤二：根据互质数co1、co2以及回波数据方位向采样点数M构造互质采样矩阵Φ。步骤三：对回波数据Scos进行距离向脉冲压缩；设距离向脉冲压缩后的回波数据表示为Scos_rc(τ,η)，τ表示距离向时间，η表示方位向时间。针对回波数据Scos_rc(τ,η)，按照距离门次序，从它的第一个距离门开始，依次对每个距离门执行步骤四～步骤六。步骤四：二维观测信号截取；利用雷达的等效斜视距离模型，获取距离门k对应的雷达波束中心照射到点目标的斜距Rk，并得到相应的波束照射范围内的最短斜距与斜距Rk之差跨越的距离门数Δk1、波束照射范围内的最大斜距与斜距Rk之差跨越的距离门数Δk2；判断k＞Δk1及k+Δk2＜Nr是否成立，若是，在Scos_rc(τ,η)上截取第k-Δk1～k+Δk2个距离门作为二维观测数据y；否则，停止对当前距离门k的操作，k自增1，继续对距离门k执行步骤四。步骤五：对步骤四截取的二维观测数据y构造稀疏字典。首先，计算距离向脉冲压缩包络pr(τl)，τl,l＝1,…,Nr为距离向采样时刻序列；然后，构造二维参考信号sk_rc(τl,ηi)如下：sk_rc(τl,ηi)＝pr[τl-2R(ηi)/c]exp{-j4πf0R(ηi)/c},τl∈[τa,τb]其中，τa＝2min[R(R(ηi)＞0)]/c，τb＝2max[R(ηi)]/c；c为光速；R(R(ηi)＞0)表示R(ηi)中所有非零值；min(·)表示求最小值函数，max(·)表示求最大值函数；ηi,i＝1,…,Na为方位时间序列，R(ηi)是在距离门k对应的波束照射范围内的斜距；f0为雷达工作频率；最后，将二维参考信号sk_rc(τl,ηi)在方位向进行循环移位，舍去由于循环移位导致有效回波位置不连续的原子，得到对应于观测数据y的稀疏字典步骤六：利用互质采样矩阵Φ和稀疏字典Ψ对观测数据y进行稀疏重构。在稀疏重构时，首先获得传感矩阵A＝ΦΨ，然后将A中所有二维原子均拉成一维列向量，将二维观测信号y也拉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于互质采样星载SAR的成像处理方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：读入成像参数，包括互质数co1、co2以及回波数据方位向采样点数M、回波数据距离向采样点数Nr；根据回波数据方位向采样点数M和回波数据距离向采样点数Nr读入互质采样星载SAR的回波数据Scos；步骤二：根据互质数co1、co2以及回波数据方位向采样点数M构造互质采样矩阵Φ，并计算原始回波数据的方位向长度Na；步骤三：对回波数据Scos进行距离向脉冲压缩，设距离向脉冲压缩后的回波数据表示为Scos_rc(τ,η)，τ表示距离向时间，η表示方位向时间；针对回波数据Scos_rc(τ,η)，按照距离门次序，从它的第一个距离门开始，依次对每个距离门执行步骤四～步骤六；设距离门编号为k,k∈{1,2,…,Nr}；步骤四：截取二维观测数据；利用雷达的等效斜视距离模型，获取距离门k对应的雷达波束中心照射到点目标的斜距Rk，并得到相应的波束照射范围内的最短斜距与斜距Rk之差跨越的距离门数Δk1、波束照射范围内的最大斜距与斜距Rk之差跨越的距离门数Δk2；判断k＞Δk1及k+Δk2＜Nr是否成立，若是，在Scos_rc(τ,η)上截取第k‑Δk1～k+Δk2个距离门作为二维观测数据y；否则，停止对当前距离门k的操作，k自增1，继续对下一个距离门执行步骤四；步骤五：对步骤四截取的二维观测数据y构造稀疏字典；首先，计算距离向脉冲压缩包络pr(τl)；其中τl,l＝1,…,Nr为距离向采样时刻序列；然后，构造二维参考信号sk_rc(τl,ηi)如下：sk_rc(τl,ηi)＝pr[τl‑2R(ηi)/c]exp{‑j4πf0R(ηi)/c},τl∈[τa,τb]其中，τa＝2min[R(R(ηi)＞0)]/c，τb＝2max[R(ηi)]/c，c为光速，R(R(ηi)＞0)表示R(ηi)中所有非零值，ηi,i＝1,…,Na为方位时间序列，R(ηi)是在距离门k对应的波束照射范围内的斜距；min(·)表示求最小值函数，max(·)表示求最大值函数；f0为雷达工作频率；最后，将二维参考信号sk_rc(τl,ηi)在方位向进行循环移位，舍去由于循环移位导致有效回波位置不连续的原子，得到对应于观测数据y的稀疏字典Ψ；步骤六：利用互质采样矩阵Φ和稀疏字典Ψ对观测数据y进行稀疏重构；在稀疏重构时，首先获得传感矩阵A＝ΦΨ，然后将A中所有二维原子均拉成一维列向量，将二维观测信号y也拉成一个一维列向量，然后对观测数据y进行稀疏重构。...

【技术特征摘要】
1.一种用于互质采样星载SAR的成像处理方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：读入成像参数，包括互质数co1、co2以及回波数据方位向采样点数M、回波数据距离向采样点数Nr；根据回波数据方位向采样点数M和回波数据距离向采样点数Nr读入互质采样星载SAR的回波数据Scos；步骤二：根据互质数co1、co2以及回波数据方位向采样点数M构造互质采样矩阵Φ，并计算原始回波数据的方位向长度Na；步骤三：对回波数据Scos进行距离向脉冲压缩，设距离向脉冲压缩后的回波数据表示为Scos_rc(τ,η)，τ表示距离向时间，η表示方位向时间；针对回波数据Scos_rc(τ,η)，按照距离门次序，从它的第一个距离门开始，依次对每个距离门执行步骤四～步骤六；设距离门编号为k,k∈{1,2,…,Nr}；步骤四：截取二维观测数据；利用雷达的等效斜视距离模型，获取距离门k对应的雷达波束中心照射到点目标的斜距Rk，并得到相应的波束照射范围内的最短斜距与斜距Rk之差跨越的距离门数Δk1、波束照射范围内的最大斜距与斜距Rk之差跨越的距离门数Δk2；判断k＞Δk1及k+Δk2＜Nr是否成立，若是，在Scos_rc(τ,η)上截取第k-Δk1～k+Δk2个距离门作为二维观测数据y；否则，停止对当前距离门k的操作，k自增1，继续对下一个距离门执行步骤四；步骤五：对步骤四截取的二维观测数据y构造稀疏字典；首先，计算距离向脉冲压缩包络pr(τl)；其中τl,l＝1,…,Nr为距离向采样时刻序列；然后，构造二维参考信号sk_rc(τl,ηi)如下：sk_rc(τl,ηi)＝pr[τl-2R(ηi)/c]exp{-j4πf0R(ηi)/c},τl∈[τa,τb]其中，τa＝2min[R(R(ηi)＞0)]/c，τb＝2max[R(ηi)]/c，c为光速，R(R(ηi)＞0)表示R(ηi)中所有非零值，ηi,i＝1,…,Na为方位时间序列，R(ηi)是在距离门k对应的波束照射范围内的斜距；min(·)表示求最小值函数，max(·)表示求最大值函数；f0为雷达工作频率；最后，将二维参考信号sk_rc(τl,ηi)在方位向进行循环移位，舍去由于循环移位导致有效回波位置不连续的原子，得到对应于观测数据y的稀疏字典Ψ；步骤六：利用互质采样矩阵Φ和稀疏字典Ψ对观测数据y进行稀疏重构；在稀疏重构时，首先获得传感矩阵A＝ΦΨ，然后将A中所有二维原子均拉成一维列向量，将二维观测信号y也拉成一个一维列向量，然后对观测数据y进行稀疏重构。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤一中，读入的成像参数还包括：雷达工作频率f0、发射脉冲时宽Tr、发射脉冲调频率Kr、距离采样率fs、脉冲重复频率PRF、方位向波束宽度θbw、参考斜距Rref、雷达波束照射中心时刻ηc、各个距离门k的多普勒中心频率fD_k、各个距离门k的多普勒调频率fR_k。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中构造互质采样矩阵，包括：步骤201、计算原始回波数据So的方位向长度Na，如下：rate＝(co1+co2-1)/co1/co2其中，原始回波数据So表示未进行方位互质采样前的回波数据，大小为Na×Nr，rate表示互质采样的降采样率，表示向上取整；步骤202、计算互质采样时刻序列H，如下：其中，H中元素表示互质采样时刻，H中元素按升序排列且无重复元素，表示向下取整；步骤203、构造互质采样矩阵Φ，如下：其中，Hm表示互质采样时刻序列H中第m个元素。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤三采用匹配滤波的脉冲压缩方式对回波数据Scos进行距离向压缩，包括：步骤301、对距离向时间域的回波数据Scos(τ,η)进行距离向快速傅里叶变换得到距离向频域的回波数据Scos(fr,η)＝FFTτ{Scos(τ,η)}；其中，fr表示距离向频率，FFTτ{·}为进行距离向快速傅立叶变换；步骤302、在距离向频域构造滤波器H(fr)＝exp{jπfr2/Kr}；其中，j表示虚数单位，Kr为发射脉冲调频率；步骤303、将滤波器H(fr)与Scos(fr,η)相乘，再利用快速傅里叶逆变换将相乘的结果变换到距离向时域，完成距离向脉冲压缩；距离向脉冲压缩后的回波数据Scos_rc(τ,η)＝IFFTτ{Scos(fr,η)H(fr)}；其中，IFFTτ{·}表示进行距离向快速傅里叶逆变换。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤四中，计算Δk1和Δk2的步骤包括：步骤401、计算距离门k对应的斜距Rk如下：Rk＝Rref+(k-Nr/2)bin_rbin_r＝c/2/fs其中，Rref为参考斜距，bin_r表示距离采样间隔对应的斜距变化量，fs为距离采样率；步骤402、根据距离门k对应的多普勒中心频率fD_k和多普勒调频率fR_k计算等效速度Vk和等效斜视角如下：其中，λ表示波长；步骤403、方位时间序列ηi＝(i-Na/2)/PRF+ηc,i＝1,…,Na；其中，Na为原始回波数据So的方位向长度，PRF为脉冲重复频率，ηc为雷达波束照射中心时刻；步骤404、计算方位向包络wa(ηi)如下：其中，abs(·)表示求绝对值函数，表示雷达运动过程中在方位时间ηi波束中心偏离目标的方位离轴角在斜距平面上的投影；θbw为方位向波束宽度；步骤405、计算在波束...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏波，赵婉婉，胡凯期，周新凯，陈杰，李春升，郭亚男，潘向炜，王建，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11