一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法技术

本发明专利技术公开了一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法，它是通过利用宽幅大场景区域中目标区域相对很小且分布稀疏以及目标相对于背景有高信噪比的特点，来解决现有方法在大幅宽成像中成像速度慢和成像质量低的问题。本发明专利技术采用去斜和子孔径成像得到低分辨回波数据以便快速成像，然后利用恒虚警方法提取目标，最后使用原始回波数据对目标进行高分辨成像，本发明专利技术与现有的快速成像方法相比，更加适用于实际情况中大场景未知观测目标时的高分宽幅SAR快速成像，具有成像质量高、运算效率高的优势，本发明专利技术可以应用于合成孔径雷达成像和地球遥感等领域。成像和地球遥感等领域。成像和地球遥感等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法


[0001]本专利技术属于雷达
，它特别涉及了高分宽幅合成孔径雷达(SAR)成像


技术介绍

[0002]合成孔径雷达具有全天时、全天候的特点，被广泛应用于海洋监测、灾害预警等领域。高分辨率和大幅宽(HRWS)成像是合成孔径雷达(SAR)成像的重要研究方向，高分辨率可以提供观测区域内更多细节，而宽幅测绘带可以获得更大范围的信息，可以提供地球表面动态过程的系统观测，尤其适用于广阔的海洋区域监测。对于宽幅测绘带，如宽幅海面，如果要进行全场景且高精度的成像，处理数据量非常大，导致成像时间长，无法满足海域舰船快速侦查、海上救援、海面溢油监测等实际应用需求。因此研究适用于高分宽幅SAR的高效成像方法有很大意义。详见文献“邓云凯,禹卫东,王宇.高分辨率宽幅星载SAR海洋监视与信息反演[J].科技导报,2017,35(20):69
‑
76.”。
[0003]对于宽幅成像，多通道技术通常用于解决传统单通道SAR在同时获得高分辨率与宽幅测绘带上存在的矛盾。详见文献“郭振永,袁新哲,张平.一种多通道SAR高分辨率宽测绘带成像算法[J].电子与信息学报,2008(02):310
‑
313.”。目前高分宽幅多通道SAR快速成像技术的研究还处于初级阶段，相关的快速成像方法大多基于将多通道SAR回波数据通过补偿等效转换为多个单通道SAR数据的方式进行处理。现有的快速成像方法可以分为以下三类：基于频域处理的快速SAR成像方法，主要有距离<br/>‑
多普勒算法(RDA)，距离徙动算法(RMA)。这类算法在大幅宽成像情况下，场景中各目标与雷达平台的斜距远超常规SAR系统，导致目标回波性质更加复杂，需要采用更高阶的模型去表征回波模型，增加了系统实现的复杂度，同时采用大量近似，损耗了成像的精度；基于时域处理的快速SAR成像方法，主要有后向投影(BP)算法，由于不存在近似，能够很好地消除距离
‑
方位向耦合。但由于其运算复杂度大，无法在大数据规模成像场景下应用；加速BP算法的快速时域方法主要有快速后向投影(FBP)算法和快速分解后向投影(FFBP)算法。这类算法将合成孔径分解为若干子孔径，将子孔径对应距离压缩数据投影到孔径为中心的局部极坐标网络得到子图像，通过将子图像融合得到最终图像，其中图像合成一定程度上会造成误差，影响成像质量。
[0004]因此，为解决现有方法在大幅宽成像中成像速度慢和成像质量低的问题，本专利技术提出了一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法。该方法先以低分辨率快速获得整个场景的成像结果，再快速检测到目标区域并精确提取，然后对目标区域进行高分辨率成像，由此提升成像效率的同时保持高成像质量。

技术实现思路
：
[0005]本专利技术属于高分宽幅合成孔径雷达(SAR)成像
，公开了一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法，该方法基于宽幅大场景区域中目标区域相对很小且分布稀疏以及目标相对于背景有高信噪比的特点，用来解决现有方法在大幅宽成像中成
像速度慢和成像质量低的问题。该方法主要包括整个场景的快速低分辨成像，低分辨成像结果的目标区域检测提取和目标区域的高分辨成像三个部分。对于大幅宽目标稀疏场景，本专利技术在距离向上采用去斜处理、在方位向采用子孔径成像快速实现低分辨成像，再利用恒虚警检测方法对低分辨率图像进行目标检测和提取，然后对目标区域采用大带宽全孔径回波数据进行成像，最终获得了高分辨的目标图像。所提方法相比现有的快速成像方法而言解决了大幅宽成像中成像质量与速度之间的矛盾，在获得快速成像结果的同时并未造成成像质量的下降。
[0006]为了方便描述本专利技术的内容，首先作以下术语定义：
[0007]定义1、脉冲重复频率(PRF)
[0008]PRF(pulse repetition frequency)即脉冲重复频率，简称重频，每秒钟发射的脉冲数目，是脉冲重复间隔(pulse repetition interval,PRI)的倒数。脉冲重复间隔就是一个脉冲和下一个脉冲之间的时间间隔。周期性的脉冲重复间隔时间为脉冲重复周期。脉冲重复频率详细内容可参考文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。
[0009]定义2、多通道高分宽幅(HRWS)SAR
[0010]为了获得方位的高分辨，传统的单通道合成孔径雷达系统在满足方位天线面积最小的同时还必须满足高脉冲重复频率(PRF)要求。但设置有限高的PRF是为了获得距离宽测绘带而需要克服距离模糊的必要条件，即单通道合成孔径雷达系统中，高分辨和宽测绘带是一对矛盾的性能指标。多通道合成孔径雷达系统的应用可以很好地解决这个问题，它结合数字波束形成技术(Digital Beam
‑
Forming，DBF)可高效地实现高分辨宽测绘带对地观测，在地面动目标检测、高分宽幅成像及抑制干扰方面有显著优势，多通道高分宽幅SAR详见文献：郭晓江.高分宽幅SAR成像处理关键技术研究[D].上海交通大学,2018.
[0011]定义3、等效相位中心(EPC)原理
[0012]对于多通道SAR系统，可以看作是在位于发射机和接收机中间的等效相位中心(EPC)上发送和接收信号的SAR，等效相位中心原理详见文献G.Krieger,N.Gebert,and A.Moreira,“Unambiguous sar signal reconstruction from nonuniform displaced phase center sampling,”IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,vol.1,no.4,pp.260
–
264,2004.
[0013]定义4、合成孔径雷达距离向压缩方法
[0014]合成孔径雷达距离向压缩方法是指利用合成孔径雷达发射参数进行匹配滤波的过程，主要包括：采用距离向参考信号对合成孔径雷达距离向回波信号进行匹配滤波压缩和距离徙动补偿得到合成孔径雷达的成像。传统合成孔径雷达距离向压缩方法详细内容可参考文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。
[0015]定义5、范数
[0016]设X是数域上线性空间，表示复数域，若它满足如下性质：||X||≥0，且||X||＝0仅有X＝0；||aX||＝|a|||X||，a为任意常数；||X1+X2||≤||X1||+||X2||，则称||X||为X空间上的范数(norm)，其中X1和X2为X空间上的任意两个值。对于定义1中的N
×
1维离散信号向量X＝[x1,x2,
…
,x
N
]T
，向量X的LP范数表达式为其中x
i
为向量X的第i个
元素，∑|
·
|表示绝对值求和符号，向量X的L1范数表达式为向量X的L2范数表达式为向量X的L0范数表达式为且x本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于多通道高分宽幅SAR的多级分辨快速成像方法，其特征是它包括以下步骤：步骤1、初始化高分宽幅SAR多级分辨成像所需要的多通道SAR系统参数：初始化高分宽幅SAR多级分辨成像所需要的多通道SAR系统参数，包括：多通道SAR的观测空间为地面三维坐标系，记为X
‑
Y
‑
Z，其中X表示水平面横轴，Y表示水平面纵轴，Z表示水平垂直轴；雷达发射信号的带宽记为B，雷达发射信号脉冲宽度记为T，雷达发射信号调频斜率记为K
r
，雷达接收系统的采样频率记为f
s
；多通道SAR成像系统沿着Y轴平行方向进行匀速直线运动，平台速度矢量记为平台飞行高度记为h；多通道SAR的通道数目记为N，记第一个发射信号的通道为T
x
，它同时也是接收回波的第一个通道R
x1
；其余的通道仅仅接收回波，依次记为R
x2
,R
x3
,...,R
xN
；雷达中心频率记为f
c
，雷达系统发射信号的脉冲重复频率记为PRF，发射信号脉冲重复时间记为PRI；记每个通道之间的距离为d；记满足均匀时间采样的第n通道在第k次脉冲重复周期的采样时间为其中，k代表脉冲重复周期，取值k＝1,2,...,K，n代表通道，取值1,2,...,N；记回波为S
r
(τ(t,m),t)，距离向压缩后回波为s
r
(τ(t,m),t)，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；则回波的均匀时间采样可以表示为s
r
(τ(t
k,n
,m),t
k,n
)，其中，t
k,n
为方位向慢时间，τ(t
k,n
,m)为在方位向慢时间t
k,n
时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间；步骤2、初始化高分宽幅SAR多级分辨成像的观测场景目标空间参数：初始化高分宽幅SAR多级分辨成像的场景空间参数，包括：场景中心斜距记为r
o
、雷达系统的最远观测距离记为r
max
、雷达系统观测目标区域的距离向宽度记为
△
r、距离向像素数记为N
r
、方位向像素数量记为N
a
、总网格数记为M、距离向网格分辨率记为dr、方位向网格分辨率记为da；步骤3、初始化恒虚警检测参数：初始化虚警概率记为P
fa
，保护单元列数记为N
gc
，保护单元行数记为N
gr
，背景杂波列数记为N
tc
，背景杂波行数记为N
tr
；步骤4、生成接收的回波数据和参考信号：采用公式计算得到参考信号，记为S
ref
(t)，其中t为方位向慢时间，τ0＝2r0/c，r0为场景中心斜距，c为光速，T'＝2r
max
/c，r
max
为雷达系统的最大观测距离，T为雷达发射信号脉冲宽度，f
c
为雷达中心频率，K
r
为雷达发射信号调频斜率，rect[
·
]为矩阵窗函数；采用传统合成孔径雷达原始回波仿真方法生成多通道SAR的原始回波数据，记作S
r
(τ(t,m),t)，即步骤1中的回波，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图像域的第m个像素；步骤5、进行距离向去斜处理得到小带宽回波：对于步骤4中得到的原始回波信号S
r
(τ(t,m),t)与参考信号S
ref
(t)，采用公式计算得到去斜后的小带宽回波，记为S
o
(t)，其中t为方位向慢时间，τ为在方位向慢时间t时的从EPC到第m个像素的回波的双程延迟的距离向快时间，m是图
像域的第m个像素，为参考信号S
ref
(t)的共轭；采用公式计算得到去斜后回波窄带带宽，记为B'，其中K
r
为雷达系统发射调制斜率，
△
r为雷达系统观测目标区域的距离向宽度，c为光速；步骤6、方位向子孔径BP成像对于步骤5中得到的窄带带宽B'，采用公式计算得到距离向去斜后低分辨数据的分辨率，记为ρ'，其中c为光速；采用公式计算得到距离向去斜前高分辨数据的分辨率，记为ρ，其中c为光速，B为雷达发射信号的带宽；采用公式p＝ρ'/ρ，计算得到子孔径成像分辨率相对于全孔径成像分辨率的采样倍数，记为p；采用公式计算得到低分辨BP成像的距离向像素数，记为N
r
'；采用公式计算得到低分辨BP成像的方位向像素数量，记为N
a
'；采用公式计算得到低分辨BP成像的总网格数量，记为M'；采用公式dr'＝p
·
dr计算得到低分辨BP成像的距离向网格分辨率，记为dr'；采用公式da'＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓玲，张文思，许悦童晖，詹旭，师君，韦顺军，曾天娇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：