StaggeredSAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法技术

StaggeredSAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法，属于微波遥感技术领域。本发明专利技术解决了现有StaggeredSAR体制下三维摆动舰船目标成像频谱混叠严重，散焦严重的问题。本发明专利技术建立基于StaggeredSAR体制的运动目标信号回波模型，利用所述运动目标信号回波模型检测运动目标的回波信号；利用最优线性无偏估计插值方法将检测的运动目标的回波信号进行采样，获得均匀的目标信号；基于二维频谱利用级数反演法将均匀的目标信号转化为SAR图像；对SAR图像进行距离方位逆变换至回波域，获得等效ISAR回波信号；利用距离

【技术实现步骤摘要】
Staggered SAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法


[0001]本专利技术属于微波遥感


技术介绍

[0002]海面舰船目标SAR成像对高分辨率宽测绘带提出迫切需求。高分辨率的SAR图像提供了海上目标的宝贵信息，例如在低分辨率图像中很难被检测出来的小型船只，有助于识别船只类型与海上安全、监测和管理相关的信息。广阔的覆盖范围(即幅宽)使得卫星能够更频繁地对广阔的海上区域进行观测，以便观察这些区域的变化。现有的高分辨率宽(HRWS)系统主要用于静止场景成像，但对于运动目标的成像受限。典型的HRWS SAR系统采用沿方位方向排列的多个接收通道，结合了运动目标指示(MTI)系统，以实现杂波抑制和运动目标成像。然而，低脉冲重复频率(PRF)的操作会加剧方位模糊，而且天线尺寸长，增加了系统复杂度。Staggered SAR(变脉冲重复频率合成孔径雷达)通过变脉冲重复周期(PRI)结合俯仰维多波束技术可以实现连续无盲区的高分宽幅成像，该技术拟被应用于Tandem
‑
L和NISAR卫星。由于接收和发射时序的冲突，方位维的回波会存在脉冲缺失和非均匀采样，需要进行重建。然而，现有的重建算法是针对静止场景设计的，对于复杂的运动目标会产生明显的图像虚焦。相较于传统的均匀采样，Staggered SAR体制本身存在的非均匀采样会导致频谱发生混叠，而动目标的复杂运动会加重频谱混叠的程度，导致舰船目标成像发生散焦，降低重建效果。

技术实现思路

[0003]本专利技术是为了解决现有Staggered SAR体制下三维摆动舰船目标成像频谱混叠严重，散焦严重的问题，现提供一种Staggered SAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法。
[0004]本专利技术所述Staggered SAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法，包括：
[0005]步骤一：建立基于Staggered SAR体制的运动目标信号回波模型，利用所述运动目标信号回波模型检测运动目标的回波信号；
[0006]步骤二：利用最优线性无偏估计插值方法将检测的运动目标的回波信号进行采样，获得均匀的目标信号；
[0007]步骤三：基于二维频谱利用级数反演法将均匀的目标信号转化为SAR图像；
[0008]步骤四：对SAR图像进行距离方位逆变换至回波域，获得等效ISAR回波信号；
[0009]步骤五：利用距离
‑
瞬时多普勒的时频分析方法对等效ISAR回波信号进行聚焦，重建三维摆动舰船目标成像。
[0010]进一步地，本专利技术中，步骤一中，建立基于Staggered SAR体制的运动目标信号回波模型为：
[0011][0012]其中，S
r
(t
r
,t
a
)表示基于Staggered SAR体制的运动目标信号回波信号，t
r
是快时
间域，t
a
为慢时间域，σ
i
为第i个散射点的散射系数，λ为波长，γ为调频斜率，w
a
(
·
)为方位维窗函数，当脉冲发生丢失时，盲区矩阵B(t
r
,t
a
)值为0，当脉冲被完全接收时，盲区矩阵B(t
r
,t
a
)值为1，R
i
(t
a
)为卫星与第i个散射点之间的斜距，w
r
(
·
)为距离维窗函数，c为光速，T
p
为脉冲持续时间。
[0013]进一步地，本专利技术中，卫星与第i个散射点之间的斜距R
i
(t
a
)为：
[0014][0015]其中，k0是由雷达平台的运动引入的常数项，k1是由雷达平台运动引入的一阶项系数，k2是由雷达平台运动引入的二阶项系数，k3是由雷达平台运动引入的三阶项系数；Δk0是由目标运动引入的常数项，Δk1是由目标运动引入的一阶项系数，Δk2是由目标运动引入的二阶项系数，Δk3是由目标运动引入的三阶项系数；R
i0
(t
a
)为船体存在三维摆动时，第i个散射点在目标坐标系中的位置，R
s0
(t
a
)为卫星在目标坐标系中的位置。
[0016]进一步地，卫星在目标坐标系中的位置R
s0
(t
a
)为：
[0017][0018]其中，为坐标旋转矩阵，R
T
为从点P指向船目标的向量，点P为卫星传感器波束指向方向与地球表面的交点，所述O
e
Z
e
轴为地球角动量方向；R
s
(t
a
)为考虑到地球角速度和弯曲轨道时雷达在P
‑
XYZ坐标下的位置坐标。
[0019]进一步地，本专利技术中，船体存在三维摆动时，第i个散射点在目标坐标系中的位置R
i0
(t
a
)为：
[0020][0021]其中，x
i0
,y
i0
,z
i0
为舰船目标上的第i个散射点初始时刻在P
‑
X0Y0Z0坐标系的位置，v为舰船的平动速度；
[0022][0023][0024][0025]θ
roll
(t
a
)、θ
pitch
(t
a
)、θ
yaw
(t
a
)为舰船目标在海浪的影响下进行翻滚、俯仰和偏航三维摆动的正弦旋转角度。
[0026]进一步地，本专利技术中，θ
roll
(t
a
)、θ
pitch
(t
a
)和θ
yaw
(t
a
)的计算方法相同，具体为：
[0027][0028]其中，A
ξ
,T
ξ
,φ
ξ
分别表示摆动幅度、摆动周期和初始相位。
[0029]进一步地，本专利技术中，步骤二中，获得均匀的目标信号为：
[0030][0031]其中，表示均匀的目标信号，u＝[u(t1),u(t2),
…
u(t
q
)]T
，u(t
q
)表示方位向实际非均匀采样信号，q＝1,
……
Q，G为Q行Q列的矩阵，所述G的第q行第s列元素表示为g
qs
：
[0032]g
qs
＝R
un
(t
q
‑
t
s
),q＝1...Q,s＝1...Q；
[0033]R
un
(t
q
‑
t
s
)表示t...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.Staggered SAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法，其特征在于，包括：步骤一：建立基于Staggered SAR体制的运动目标信号回波模型，利用所述运动目标信号回波模型检测运动目标的回波信号；步骤二：利用最优线性无偏估计插值方法将检测的运动目标的回波信号进行采样，获得均匀的目标信号；步骤三：基于二维频谱利用级数反演法将均匀的目标信号转化为SAR图像；步骤四：对SAR图像进行距离方位逆变换至回波域，获得等效ISAR回波信号；步骤五：利用距离
‑
瞬时多普勒的时频分析方法对等效ISAR回波信号进行聚焦，重建三维摆动舰船目标成像。2.根据权利要求1所述的Staggered SAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法，其特征在于，步骤一中，建立基于Staggered SAR体制的运动目标信号回波模型为：其中，S
r
(t
r
,t
a
)表示基于Staggered SAR体制的运动目标信号回波信号，t
r
是快时间域，t
a
为慢时间域，σ
i
为第i个散射点的散射系数，λ为波长，γ为调频斜率，w
a
(
·
)为方位维窗函数，当脉冲发生丢失时，盲区矩阵B(t
r
,t
a
)值为0，当脉冲被完全接收时，盲区矩阵B(t
r
,t
a
)值为1，R
i
(t
a
)为卫星与第i个散射点之间的斜距，w
r
(
·
)为距离维窗函数，c为光速，T
p
为脉冲持续时间。3.根据权利要求2所述的Staggered SAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法，其特征在于，卫星与第i个散射点之间的斜距R
i
(t
a
)为：其中，k0是由雷达平台的运动引入的常数项，k1是由雷达平台运动引入的一阶项系数，k2是由雷达平台运动引入的二阶项系数，k3是由雷达平台运动引入的三阶项系数；Δk0是由目标运动引入的常数项，Δk1是由目标运动引入的一阶项系数，Δk2是由目标运动引入的二阶项系数，Δk3是由目标运动引入的三阶项系数；R
i0
(t
a
)为船体存在三维摆动时，第i个散射点在目标坐标系中的位置，R
s0
(t
a
)为卫星在目标坐标系中的位置。4.根据权利要求3所述的Staggered SAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法，其特征在于，卫星在目标坐标系中的位置R
s0
(t
a
)为：其中，为坐标旋转矩阵，R
T
为从点P指向船目标的向量，点P为卫星传感器波束指向方向与地球表面的交点，R
s
(t
a
)为考虑到地球角速度和弯曲轨道时雷达在P
‑
XYZ坐标系内的位置坐标。5.根据权利要求4所述的Staggered SAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法，其特征在于，船体存在三维摆动时，第i个散射点在目标坐标系中的位置R
i0
(t
a
)为：其中，x
i0
,y
i0
,z
i0
为舰船目标上的第i个散射点初始时
刻在P
‑
X0Y0Z0坐标系的位置，v为舰船的平动速度；坐标系的位置，v为舰船的平动速度；坐标系的位置，v为舰船的平动速度；θ
roll
(t
a
)、θ
pitch
(t
a
)、θ
yaw
(t
a
)为舰船目标在海浪的影响下进行翻滚、俯仰和偏航三维摆动的正弦旋转角度。6.根据权利要求5所述的Staggered SAR体制下三维摆动舰船目标成像重建方法，其特征在于，θ
roll
(t
a
)、θ

【专利技术属性】
技术研发人员：张云，齐欣，刘子滔，高若瑜，姜义成，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：