一种旋转FrFT域构建SAR方位向分辨率成像方法技术

本发明专利技术公开了一种旋转分数阶Fourier变换(Fractional Fourier Transform，FrFT)域构建SAR(Synthetic Aperture Radar)方位向高分辨率成像方法，该方法通过对SAR方位向信号运用分数阶Fourier变换，得出方位向分数阶阶数的计算表达式，该阶数具有唯一性且取决于方位向调频率、方位向抽样序列长度和方位向抽样频率；进而以获得的分数阶阶数为基础完成旋转分数阶Fourier变换域和方位向高分辨率SAR成像方法的构建。本发明专利技术在合成孔径雷达成像中克服了传统方法方位向低精度成像的问题，提高了SAR方位向成像分辨率，满足了当前实际应用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转FrFT域构建SAR方位向分辨率成像方法
本专利技术涉及合成孔径雷达成像方法，尤其涉及一种旋转FrFT域构建SAR方位向分辨率成像方法。
技术介绍
作为一种主动式微波传感器，合成孔径雷达具有不受光照和气候条件限制而实现全天时、全天候对地观测的特点,可穿透地表或植被获取其掩盖的信息，在民用和军事领域具有广阔的应用前景。SAR通过把小孔径天线雷达装载在运动的载体上，利用雷达与地面测绘带内各种目标的相对运动进而利用相干处理实现距离向和方位向成像。常见的SAR成像方法有距离多普勒(RangeDoppler，RD)方法、波数域(ωK)方法和CS(ChirpScaling)方法，其中距离多普勒方法是SAR成像处理中最常见、最经典的方法。目前距离多普勒方法虽然在许多模式的SAR尤其是正侧视SAR成像处理中仍然广为使用，但是其较低质量的SAR图像越来越不能满足实际应用需求。众所周知，Fourier变换在传统距离多普勒方法成像处理中起着至关重要的作用，而同时Fourier变换也是分数阶Fourier变换(FractionalFourierTransform，FrFT)阶数为1时的特例。分数阶Fourier变换是一种广义的Fourier变换，它是一种统一的时频变换，随着变换阶数从0连续增长到1而展示出信号从时域逐步变化到频域的所有特征。将分数阶Fourier变换应用于SAR成像处理是近年以来的研究热点。已有文献针对线性调频(LinearFrequencyModulation，LFM)信号的参数估计问题提出在分数阶Fourier域进行二维谱峰搜索来确定分数阶Fourier变换的最佳变换阶数，该方法稳定性较好但搜索分数阶谱峰计算量大，同时有限数据样本会导致参数估计精度的降低。已有文献利用几何变换关系得到适用于线性调频信号的分数阶Fourier变换分数阶变换阶数，但相应的分数阶Fourier变换无法代替传统距离多普勒方法中的Fourier变换进而实现信号重构。已有文献将分数阶Fourier变换应用于传统的RD方法，虽然获得了SAR成像性能的提高，但同时计算复杂度也相应增加。已有文献通过局部最优处理来测量SAR回波信号的调频率并以此计算FrFT的分数阶阶数，所研究方法在提高弹载SAR成像性能方面是有效的但不具有适用的普遍性。为获得地面动目标清晰的SAR图像，已有文献提出分数阶Fourier变换与自适应迭代模糊数方法相结合的多普勒参数估计方法，已有文献提出联合利用Wigner-Ville分布和分数阶Fourier变换实时估计多普勒参数的方法，并且观测信号的WVD处理决定分数阶Fourier变换的旋转角。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提出一种旋转分数阶Fourier变换FrFT域构建SAR方位向分辨率成像方法，该方法提高了SAR方位向成像分辨率，解决了传统方法方位向成像质量低的问题。技术方案：本专利技术旋转分数阶Fourier变换FrFT域构建SAR方位向分辨率成像方法，该方法包括以下步骤：(1)SAR方位向信号变换分析；具体包括以下内容：(1.1)构建方位向信号模型；点目标回波在方位向为线性调频信号的形式，如公式(1)所示：sa(t)＝Wa(t)exp(j2πfdct+jπκat2)(1)其中fdc为多普勒中心频率，κa为方位向调频率，Wa(t)＝rect(t/Ta)，Ta为合成孔径时间，t为慢时间变量；其中连续信号f(x)的分数阶Fourier变换定义式为其中Kβ(u,x)为分数阶Fourier变换的核函数，如公式(3)所示β为旋转角度且ν为分数阶Fourier变换的阶数；(1.2)利用分数阶傅里叶变换处理方位向信号；(1.3)获取信号的驻定相位点；(1.4)获取泰勒展开级数并代入分析；(1.5)变量变换分析；(1.6)菲涅耳积分计算；(1.7)变量替换；(1.8)方位向分数阶阶数计算；(1.9)能量聚焦轴计算；(2)旋转分数阶Fourier变换域的构建；(3)方位向高分辨率成像方法的构建；包括以下内容：(3.1)利用已知的SAR成像参数，计算出方位向上的分数阶阶数νopt；(3.2)将相应的时频角旋转π/2变换至获得方位向分数阶阶数为ν′opt＝1-νopt；(3.3)对完成距离向信号处理的SAR回波方位向信号、方位压缩参考函数均作阶数为ν′opt的分数阶Fourier变换，完成方位向脉冲压缩；(3.4)对方位向信号作阶数为1的分数阶Fourier逆变换，完成方位向信号重构。步骤(2)中，对于SAR接收的原始回波信号作分数阶Fourier变换，采用公式(12)其中，κa为方位向调频率、Na为抽样序列长度，Fa为抽样频率，计算得到方位向分数阶阶数νopt。步骤(12)中，将公式(1)代入公式(2)得其中且β≠2nπ。步骤(13)中，通过公式(5)求得信号V(t)的驻定相位点步骤(1.7)中，假设SAR回波方位向信号抽样序列长度为Na，抽样频率为Fa，对方位向信号量纲归一化后调频率为κ′a，旋转角度为β′，代入公式(10)得步骤(1.8)中，根据公式(11)得到SAR回波方位向信号进行分数阶Fourier变换时的分数阶阶数其中arctan(·)为反正切函数。步骤(1.9)中，在获得分数阶阶数νopt情况下，令公式(4)中慢时间变量t的系数为零，得到Fβ′[sa(u)]的能量谱高度聚焦在分数阶Fourier变换域轴上，如公式(13)所示：其中工作原理：本专利技术通过对SAR方位向信号运用分数阶Fourier变换，得出方位向分数阶阶数的计算表达式，该阶数具有唯一性且取决于方位向调频率、方位向抽样序列长度和方位向抽样频率；进而以获得的分数阶阶数为基础完成旋转分数阶Fourier变换域和方位向高分辨率SAR成像方法的构建。本专利技术在合成孔径雷达成像中克服了传统方法方位向低精度成像的问题，提高了SAR方位向成像分辨率，满足当前实际应用需求。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术构建的旋转分数阶傅里叶变换域，显著提高了线性调频信号的方位向成像聚焦性能。(2)本专利技术显著提高了机载SAR仿真数据和星载SAR实测数据的方位向成像分辨率。(3)本专利技术应用于SAR数据成像时，明显降低峰值点目标方位向主瓣宽度，明显降低旁瓣电平，尤其是第一旁瓣能量显著降低。附图说明图1为本专利技术方位向信号时频域旋转图；图2为本专利技术方位向高分辨率成像方法的构建流程图；图3为本专利技术插值后点目标的轮廓图；其中，图(3a)为RD方法图；图(3b)为本专利技术方法图；图4为插值后峰值点目标成像方位向剖面图；图5为SAR实测数据成像；...

【技术保护点】
1.一种旋转FrFT域构建SAR方位向分辨率成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：/n(1)SAR方位向信号变换分析；具体包括以下内容：/n(1.1)构建方位向信号模型；/n点目标回波在方位向为线性调频信号的形式，如公式(1)所示：/ns

【技术特征摘要】
1.一种旋转FrFT域构建SAR方位向分辨率成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)SAR方位向信号变换分析；具体包括以下内容：
(1.1)构建方位向信号模型；
点目标回波在方位向为线性调频信号的形式，如公式(1)所示：
sa(t)＝Wa(t)exp(j2πfdct+jπκat2)(1)
其中fdc为多普勒中心频率，κa为方位向调频率，Wa(t)＝rect(t/Ta)，Ta为合成孔径时间，t为慢时间变量；
其中连续信号f(x)的分数阶Fourier变换定义式为



其中Kβ(u,x)为分数阶Fourier变换的核函数，如公式(3)所示



β为旋转角度且ν为分数阶Fourier变换的阶数；
(1.2)利用分数阶傅里叶变换处理方位向信号；
(1.3)获取信号的驻定相位点；
(1.4)获取泰勒展开级数并代入分析；
(1.5)变量变换分析；
(1.6)菲涅耳积分计算；
(1.7)变量替换；
(1.8)方位向分数阶阶数计算；
(1.9)能量聚焦轴计算；
(2)旋转分数阶Fourier变换域的构建；
(3)方位向高分辨率成像方法的构建；包括以下内容：
(3.1)利用已知的SAR成像参数，计算出方位向上的分数阶阶数νopt；
(3.2)将相应的时频角旋转π/2变换至获得方位向分数阶阶数为ν′opt＝1-νopt；
(3.3)对完成距离向信号处理的SAR回波方位向信号、方位压缩参考函数均作阶数为ν′opt的分数阶Fourier变换，完成方位向脉冲压缩；
(3.4)对方位向信号作阶数为1的分数阶Fourier逆变换，完成方位向信号重构。


2.根据权利要求1所述的旋转F...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振力，王群，马如坡，
申请(专利权)人：江苏警官学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32