一种基于工程实现的极坐标格式多模高分辨SAR成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于工程实现的极坐标格式多模高分辨SAR成像方法，用于雷达对地观测成像与目标识别，包括：多普勒中心频率估计；匹配滤波和运动补偿；距离重采样；方位重采样；空不变运动补偿；分块子图图像移位自聚焦；几何失真校正；子块图像拼接。本发明专利技术实现了高分辨对地观测精细成像，扩展PFA的应用范围（聚束SAR成像、条带SAR成像）、降低运算量，利于工程实现，提升目标识别和分辨能力。提升目标识别和分辨能力。提升目标识别和分辨能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于工程实现的极坐标格式多模高分辨SAR成像方法


[0001]本专利技术涉及一种基于工程实现的极坐标格式多模高分辨SAR成像方法，属于雷达信号处理微波成像


技术介绍

[0002]合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）是通过信号处理技术对地面景物进行成像的一种新体制雷达，是现代雷达发展的前沿技术。它的出现极大地扩展了原有的雷达概念，使雷达具有了对目标（如地面、坦克、装甲车辆等）进行成像和识别的能力，能够为人们提供越来越多的有用信息。作为一种微波有源系统，SAR能够不受光照和气候条件的限制实现全天时、全天候对地观察，而且，选择合适的雷达波长，SAR 还能够穿透植被和地表等遮蔽物, 发现埋在地下数米深的目标。这些特点使SAR在农业、林业、水文、地质、海洋、洪水检测、测绘、减灾防灾以及军事等领域具有独特的优势，因此具有广泛的应用前景和发展潜力。
[0003]提高成像分辨率始终是雷达成像不懈追求的目标。在成像雷达出现之前，目标在雷达终端通常显示为一个“点”，含有的有用信息非常有限，因此雷达的功能也仅限于对目标进行定位和简单的参数估计，而很难对其进行可靠的识别。改善雷达分辨率，是提高其目标识别概率的主要技术途径之一。成像雷达的出现极大地扩展了原有雷达的功能，使得雷达具有了对目标进行可靠识别甚至对目标进行精细描述的能力。其中，作为应用最广泛的雷达成像技术，合成孔径雷达由于其具有两维高分辨率特性，从诞生之日起就一直受到广泛关注，经过五十多年的研究和发展，其分辨率已从最初的几十米发展到亚米级，场景成像质量已经能够达到或接近同类用途的光学图像的质量，这使得雷达的目标识别概率得到极大提升。目前，诸如桥梁、港口、机场、导弹发射架、坦克、甚至坦克上的炮管等都已能够实现可靠的识别。随着SAR技术的不断成熟和完善，人们并不满足于仅对目标进行识别，还希望能够对其进行更加精细的描述，因此对 SAR系统分辨率提出了更高的要求，如要对飞机类目标进行描述，分辨率要求达到0.15m，要对车辆目标进行描述，分辨率要求达到0.05m。
[0004]当前高分辨SAR成像方法面临平台大机动、算法步骤繁琐、运算量大、成像模式单一、应用范围窄等难题，难以保持高质量聚焦成像，不利于工程实现及应用拓展。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于工程实现的极坐标格式多模高分辨SAR成像方法，实现高分辨对地观测精细成像。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于工程实现的极坐标格式多模高分辨SAR成像方法，包括如下步骤：步骤1，对于每幅SAR图像取M个脉冲的回波数据，计算每个距离门的相关系数，并求取每个距离门所对应的多普勒中心频率，将所有距离门对应的多普勒中心频率从小到大进行排序，取中间值作为多普勒中心频率的估计，根据模糊倍数，得到最终的多普勒中心频
率的估计值；步骤2，将回波数据变换到距离频域，利用最终的多普勒中心频率的估计值及惯导斜视角信息，进行运动补偿处理，将运动补偿处理结果与参考函数相乘得到匹配滤波后的数据，并转换为矩形格式数据；步骤3，对步骤2得到的矩形格式数据进行距离重采样，得到距离重采样后的信号数据；步骤4，对距离重采样后的信号数据进行方位重采样，得到方位重采样后的信号数据；步骤5，对方位重采样后的信号数据做逆傅里叶变换IFFT，在结果中截取部分图像数据，通过自聚焦处理方法，估计相位误差，补偿到整个图像数据，完成空不变运动补偿；步骤6，将整个图像数据划分为多个子块图像数据，对子块图像数据采用移位自聚焦处理方法进行相位误差估计，将各个子块图像数据估计的相位误差进行拼接，得到整个图像的误差估计，并补偿到整个图像数据中，完成空变运动补偿；步骤7，对经步骤6处理得到的各子块图像进行几何失真校正；步骤8，对经几何失真校正得到的各子块图像进行拼接，得到最终的成像结果。
[0007]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤1的具体过程如下：1.1，对于第1幅SAR图像采用回波数据最前面的M个脉冲进行估计，从第2幅SAR图像开始，采用上一幅图像的最后M个脉冲来估计当前图像的多普勒中心频率，计算每个距离门的相关系数，第n个距离门所对应的相关系数为：其中，均为回波数据，m为每幅图所取脉冲所对应的脉冲序号，n为距离门序号，N为回波数据的距离门数；1.2，计算第n个距离门的多普勒中心频率：其中，为距离向采样频率，angle表示求角度；对所有的从小到大进行排序，取中间值作为多普勒中心频率的估计；1.3，考虑模糊问题，不模糊为：其中，v为载机地速，为斜视角，为波长；则模糊倍数为：因此，最终的多普勒中心频率的估计值为：。
[0008]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤2的具体过程如下：利用驻留相位原理，对回波数据做距离向Fourier 变换，得到回波数据距离频域表达式：其中，t为方位慢时间，为距离采样频率点，为方位孔径时间，为信号带宽，j为复数符号，k为信号线性调频斜率，c为电波传播速度，为发射信号载频，为天线相位中心到目标的瞬时距离；将乘以如下参考函数：其中，为天线相位中心到场景中心的瞬时距离值，得到匹配滤波后的数据：在平面波前的假设，差分距离表示为：其中，为场景中分布点目标P的位置坐标，和分别为天线相位中心的瞬时方位角和俯仰角；将其代入，并忽略信号幅度影响，得到：令、分别表示对应于x、y轴的波数坐标轴，则上式表示为：采用极坐标格式算法对在空间频域平面内呈极坐标格式排列的数据进行二维重采样，转换为矩形格式数据。
[0009]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤3的具体过程如下：
3.1，将步骤2得到的矩形格式数据乘以二次相位函数：其中，为快时间变量，为调频斜率，为距离向尺度变换因子，，为场景中心俯仰角；3.2，对3.1的结果进行傅里叶变换FFT；3.3，将FFT处理后的数据乘以滤波器函数：3.4，对3.3的结果进行逆傅里叶变换IFFT；3.5，将3.4的结果乘以二次相位函数：3.6，对3.5的结果进行傅里叶变换FFT；3.7，将3.6的结果乘以运动补偿滤波因子：其中，为波长；距离重采样后的信号表示为：。
[0010]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤4的具体过程如下：方位重采样逐距离频率进行，方向的输入坐标为：其中，，，N为回波数据的距离门数，为距离空间频域输出采样间隔，，为距离向采样频率；输出坐标按照距离重采样后各脉冲中心距离频率采样点在地面的投影坐标为参考选择，则方位空间频域采样间隔为：
其中，为每个脉冲所对应的俯仰地角，为脉冲数；方向的输出坐标为：令为方位向尺度变换因子，方位重采样后的信号表示为：。
[0011]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤5的具体过程如下：5.1，将变换到时域，对时域结果数据进行中心圆周移位，即从时域结果数据中，选取每个距离单元中的最强散射点并将其中心圆周移位到零多普勒单元；5.2，对中心圆周移位后的数据，利用海明窗对其进行加窗处理；5.3，对加窗处理后的数据进行傅里叶变换FFT处理；5.4，用线性无偏最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于工程实现的极坐标格式多模高分辨SAR成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，对于每幅SAR图像取M个脉冲的回波数据，计算每个距离门的相关系数，并求取每个距离门所对应的多普勒中心频率，将所有距离门对应的多普勒中心频率从小到大进行排序，取中间值作为多普勒中心频率的估计，根据模糊倍数，得到最终的多普勒中心频率的估计值；步骤2，将回波数据变换到距离频域，利用最终的多普勒中心频率的估计值及惯导斜视角信息，进行运动补偿处理，将运动补偿处理结果与参考函数相乘得到匹配滤波后的数据，并转换为矩形格式数据；步骤3，对步骤2得到的矩形格式数据进行距离重采样，得到距离重采样后的信号数据；步骤4，对距离重采样后的信号数据进行方位重采样，得到方位重采样后的信号数据；步骤5，对方位重采样后的信号数据做逆傅里叶变换IFFT，在结果中截取部分图像数据，通过自聚焦处理方法，估计相位误差，补偿到整个图像数据，完成空不变运动补偿；步骤6，将整个图像数据划分为多个子块图像数据，对子块图像数据采用移位自聚焦处理方法进行相位误差估计，将各个子块图像数据估计的相位误差进行拼接，得到整个图像的误差估计，并补偿到整个图像数据中，完成空变运动补偿；步骤7，对经步骤6处理得到的各子块图像进行几何失真校正；步骤8，对经几何失真校正得到的各子块图像进行拼接，得到最终的成像结果。2.根据权利要求1所述的基于工程实现的极坐标格式多模高分辨SAR成像方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：1.1，对于第1幅SAR图像采用回波数据最前面的M个脉冲进行估计，从第2幅SAR图像开始，采用上一幅图像的最后M个脉冲来估计当前图像的多普勒中心频率，计算每个距离门的相关系数，第n个距离门所对应的相关系数为：其中，均为回波数据，m为每幅图所取脉冲所对应的脉冲序号，n为距离门序号，N为回波数据的距离门数；1.2，计算第n个距离门的多普勒中心频率：其中，为距离向采样频率，angle表示求角度；对所有的从小到大进行排序，取中间值作为多普勒中心频率的估计；1.3，考虑模糊问题，不模糊为：
其中，v为载机地速，为斜视角，为波长；则模糊倍数为：因此，最终的多普勒中心频率的估计值为：。3.根据权利要求1所述的基于工程实现的极坐标格式多模高分辨SAR成像方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：利用驻留相位原理，对回波数据做距离向Fourier 变换，得到回波数据距离频域表达式：其中，t为方位慢时间，为距离采样频率点，为方位孔径时间，为信号带宽，j为复数符号，k为信号线性调频斜率，c为电波传播速度，为发射信号载频，为天线相位中心到目标的瞬时距离；将乘以如下参考函数：其中，为天线相位中心到场景中心的瞬时距离值，得到匹配滤波后的数据：在平面波前的假设，差分距离表示为：其中，为场景中分布点目标P的位置坐标，和分别为天线相位中心的瞬时方位角和俯仰角；将其代入，并忽略信号幅度影响，得到：
令、分别表示对应于x、y轴的波数坐标轴，则上式表示为：采用极坐标格式算法对在空...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄柏圣，陈小娇，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：