一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法技术

本发明专利技术涉及一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，包括步骤：接收飞机姿态信息、瞬时速度信息和天线角度信息；对飞机姿态信息、天线角度信息和瞬时速度信息进行预处理，得到载机到参考点的斜距历程；对SAR成像系统接收的回波信号依次进行下变频、距离脉压处理，得到距离脉压后的距离频率域回波信号；根据斜距历程对距离脉压后的距离频率域回波信号进行一致相位补偿，得到一致相位补偿后的距离频率域回波信号；对一致相位补偿后的距离频率域回波信号进行二维插值，得到基于二维非线性映射关系插值空间的信号；对基于二维非线性映射插值空间的信号进行二维逆傅里叶变换，得到SAR聚焦图像。该补偿方法解决了现有技术中运动补偿效果不佳的问题。

A SAR motion compensation method based on two-dimensional nonlinear mapping

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法
本专利技术属于雷达
，具体涉及一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法。
技术介绍
SAR作为一种主动式对地观测系统，极大地提高了获取地面信息的能力，并已广泛用于国防领域。近年来，随着飞行器技术的快速发展，无人飞行器(UAV)常被用于遥感检测。由于机载SAR系统具有远距离、高分辨率、成像范围广等优点，通常与光电、红外设备配合使用，通过融合，极大地丰富了图像信息；特别是对于探测和识别地面移动目标，机载SAR系统一直扮演着非常重要的角色。与星载SAR系统不同，载机在飞行过程中会受到气流的影响，导致速度和姿态发生变化，从而引起运动误差；特别是对于无人机等小型载机，在低空低速飞行时，气流引起的运动误差较大，会对成像产生较大影响。一方面，姿态变化引起的运动误差会影响天线的波束指向，斜视角度的变化会引起回波频率中心在方位角上的偏移，情况严重时，频谱也会发生折叠。另一方面，由速度变化引起的运动误差会引起轨道波动，可改变斜距历程，带来新的非线性相位误差并导致图像散焦；特别是对于机载高分辨率SAR系统，累积的运动误差将随着合成孔径长度的增加而增加。因此，需要一种有效而准确的运动补偿方法来获得可以满足实际要求的效果。传统的运动补偿方法有两种：一种是通过参数估计方法从回波中获取由运动误差引起的非线性相位误差，这些参数包括相位梯度自动聚焦(PGA)、多普勒中心估计和多普勒调频，在没有高精度惯性导航系统(INS)的SAR系统中，这些参数有重要作用。但是为了提高估计的准确性，算法中采用了一些复杂的流程，例如迭代，运算量也增加了，不适合实时SAR系统；另一个方法是基于来自惯性测量单元(IMU)和全球定位系统(GPS)的运动参数，这些参数提供了瞬时运动参数，用以构造成像几何形状并估算运动误差。例如申请公布号为CN106291548A，名称为“基于惯导信息和回波数据的Ka调频连续波SAR运动补偿方法”，公开了基于惯导信息和回波数据的SAR运动补偿方法，包括：步骤一、根据惯导数据计算误差补偿函数，结合该误差补偿函数进行成像处理，得到初步聚焦图像；步骤二、基于所述聚焦图像的自聚焦处理，得到残余的距离向和高度向偏差；步骤三、结合残余的距离向和高度向偏差对误差补偿函数进行更新；步骤四、结合更新后的误差补偿函数进行成像处理，得到聚焦图像。但当SAR平台垂直航向法平面时，此时航向补偿效果不理想。此外，使用该方法将斜距历程展开，得到相对应的调频阶数，但是此时高阶调频存在近似，并且各阶方位维与俯仰维存在耦合，导致运动补偿效果变差。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术实施例提供了一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，包括步骤：S1、在一个脉冲周期内M个采样点下，接收惯性测量单元输出的飞机姿态信息和东北天坐标系下的瞬时速度信息，并接收雷达状态信息系统输出的天线角度信息；S2、结合运动方程，对所述飞机姿态信息、所述天线角度信息和所述瞬时速度信息进行预处理，得到载机到参考点的斜距历程；S3、对SAR成像系统接收的回波信号进行下变频，得到SAR成像系统接收的基带回波信号；S4、对所述基带回波信号进行距离脉压处理，得到距离脉压后的距离频率域回波信号；S5、根据所述斜距历程，对所述距离脉压后的距离频率域回波信号进行一致相位补偿，得到一致相位补偿后的距离频率域回波信号；S6、对所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号进行二维插值，得到基于二维非线性映射关系插值空间的信号；S7、对所述基于二维非线性映射关系插值空间的信号进行二维逆傅里叶变换，得到SAR聚焦图像。在本专利技术的一个实施例中，步骤S2包括：S21、在所述东北天坐标系下，对所述瞬时速度信息中东向瞬时速度、北向瞬时速度、天向瞬时速度分别进行拟合，并与所述运动方程进行结合，分别得到初始东向瞬时速度、初始北向瞬时速度、初始天向瞬时速度及各阶次的东向瞬时加速度、各阶次的北向瞬时加速度、各阶次的天向瞬时加速度；S22、对所述初始东向瞬时速度、所述各阶次的东向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的东向坐标；对所述初始北向瞬时速度、所述各阶次的北向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的北向坐标；对所述初始天向瞬时速度、所述各阶次的天向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的天向坐标；根据所述东向坐标、所述北向坐标和所述天向坐标得到载机的实际路径；S23、根据所述飞机姿态信息和所述天线角度信息计算天线波束的斜视角；S24、根据所述天线波束的斜视角计算载机到参考点的斜距矢量；S25、根据所述载机到参考点的斜距矢量和所述载机的实际路径计算得到所述载机到参考点的斜距历程。在本专利技术的一个实施例中，步骤S23包括：S231、根据所述天线角度信息得到机载SAR平台照射波束的单位方向矢量ω；S232、在非理想情况下，根据所述单位方向矢量ω随所述飞机姿态信息的变化计算得到新的波束单位方向矢量ω′：ω′＝Tω其中，T为分别绕x、y、z轴旋转的三个Givens矩阵的乘积；S233、由所述新的波束单位方向矢量ω′计算得到所述天线波束的斜视角θr：θr＝asin(ω′)其中，a表示拟合后的加速度。在本专利技术的一个实施例中，步骤S4包括：S41、对所述基带回波信号进行傅里叶变换，得到变换后的距离频率域回波信号：S42、通过距离脉压函数对所述变换后的距离频率域回波信号进行距离脉压，得到所述距离脉压后的距离频率域回波信号。在本专利技术的一个实施例中，步骤S5包括：S51、根据所述斜距历程构建一致相位补偿函数H2(fτ,η)：其中，fτ表示距离频率，f0表示载频，c表示光速，|rref(η)|表示斜距历程；S52、利用所述一致相位补偿函数H2(fτ,η)对所述距离脉压后的距离频率域回波信号进行相位补偿，得到所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号。在本专利技术的一个实施例中，步骤S6包括：S61、构建二维非线性映射关系gτ、gη：其中，fτ表示距离频率，f0表示载频，c表示光速，ζ0(η)、ζ1(η)分别表示与慢时间η有关的系数gτ、gη；S62、利用所述二维非线性映射关系，将所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号变为所述基于所述二维非线性映射关系gτ、gη插值空间的信号。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术通过对非理想情况下机载SAR成像系统实时惯导系统和雷达系统输出的瞬时数据进行预处理，获取后续运动补偿所需要的参数；通过这些参数可以表示载机瞬时速度、加速度、斜视角和斜距矢量等信息；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，其特征在于，包括步骤：/nS1、在一个脉冲周期内M个采样点下，接收惯性测量单元输出的飞机姿态信息和东北天坐标系下的瞬时速度信息，并接收雷达状态信息系统输出的天线角度信息；/nS2、结合运动方程，对所述飞机姿态信息、所述天线角度信息和所述瞬时速度信息进行预处理，得到载机到参考点的斜距历程；/nS3、对SAR成像系统接收的回波信号进行下变频，得到SAR成像系统接收的基带回波信号；/nS4、对所述基带回波信号进行距离脉压处理，得到距离脉压后的距离频率域回波信号；/nS5、根据所述斜距历程，对所述距离脉压后的距离频率域回波信号进行一致相位补偿，得到一致相位补偿后的距离频率域回波信号；/nS6、对所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号进行二维插值，得到基于二维非线性映射关系插值空间的信号；/nS7、对所述基于二维非线性映射关系插值空间的信号进行二维逆傅里叶变换，得到SAR聚焦图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在一个脉冲周期内M个采样点下，接收惯性测量单元输出的飞机姿态信息和东北天坐标系下的瞬时速度信息，并接收雷达状态信息系统输出的天线角度信息；
S2、结合运动方程，对所述飞机姿态信息、所述天线角度信息和所述瞬时速度信息进行预处理，得到载机到参考点的斜距历程；
S3、对SAR成像系统接收的回波信号进行下变频，得到SAR成像系统接收的基带回波信号；
S4、对所述基带回波信号进行距离脉压处理，得到距离脉压后的距离频率域回波信号；
S5、根据所述斜距历程，对所述距离脉压后的距离频率域回波信号进行一致相位补偿，得到一致相位补偿后的距离频率域回波信号；
S6、对所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号进行二维插值，得到基于二维非线性映射关系插值空间的信号；
S7、对所述基于二维非线性映射关系插值空间的信号进行二维逆傅里叶变换，得到SAR聚焦图像。


2.如权利要求1所述的一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21、在所述东北天坐标系下，对所述瞬时速度信息中东向瞬时速度、北向瞬时速度、天向瞬时速度分别进行拟合，并与所述运动方程进行结合，分别得到初始东向瞬时速度、初始北向瞬时速度、初始天向瞬时速度及各阶次的东向瞬时加速度、各阶次的北向瞬时加速度、各阶次的天向瞬时加速度；
S22、对所述初始东向瞬时速度、所述各阶次的东向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的东向坐标；
对所述初始北向瞬时速度、所述各阶次的北向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的北向坐标；
对所述初始天向瞬时速度、所述各阶次的天向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的天向坐标；
根据所述东向坐标、所述北向坐标和所述天向坐标得到载机的实际路径；
S23、根据所述飞机姿态信息和所述天线角度信息计算天线波束的斜视角；
S24、根据所述天线波束的斜视角计算载机到参考点的斜距矢量；
S25、根据所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐世阳，张弛，张林让，任义，张娟，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61