專利名稱：用于合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合成孔徑雷達(dá)的成像處理方法，更特別地說，是指一種用于合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法。

背景技術(shù)：
1999年10月哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社出版、劉永坦編著的《雷達(dá)成像技術(shù)》指出，合成孔徑雷達(dá)安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，按照一定的重復(fù)頻率發(fā)射、接收脈沖，將在一段時(shí)間內(nèi)接收的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行相干疊加，從而獲得大孔徑天線陣列的探測(cè)效果，實(shí)現(xiàn)高方位分辨率，同時(shí)采用脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)高距離分辨率。
2005年第5期《電子學(xué)報(bào)》俞根苗等發(fā)表的《彈載側(cè)視合成孔徑雷達(dá)信號(hào)分析及成像研究》、2006年第4期《北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》孫兵等發(fā)表的《基于俯沖模型的SAR成像處理和幾何校正》中都指出處理雷達(dá)錄取的信號(hào)時(shí)，可以考慮采用全孔徑的一部分來處理，即子孔徑處理，從而減小運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不穩(wěn)定性的影響以及減小運(yùn)算量。
合成孔徑雷達(dá)子孔徑成像處理算法包括頻譜分析算法和擴(kuò)展線性變標(biāo)算法。前者算法簡(jiǎn)單，計(jì)算量小而且可以先做距離向處理，從而充分利用數(shù)據(jù)積累時(shí)間，有利于實(shí)時(shí)處理，但是頻譜分析算法不能很好的校正距離彎曲，在斜視成像中應(yīng)用受限。擴(kuò)展線性變標(biāo)算法相對(duì)于頻譜分析在距離徙動(dòng)校正方面有了很大的改進(jìn)，而且適應(yīng)于子孔徑處理，在數(shù)據(jù)量壓縮方面表現(xiàn)良好，但是由于其在距離向采用經(jīng)典線性變標(biāo)方式進(jìn)行距離徙動(dòng)校正，距離-多普勒域的相位采用二次模型來描述，調(diào)頻率采用參考距離的調(diào)頻率而不進(jìn)行沿距離向的更新。
對(duì)于前斜視情況，二次模型已經(jīng)不能描述回波信號(hào)在距離-多普勒域的相位，需要三次或更高階的信號(hào)模型，同時(shí)要對(duì)距離向調(diào)頻率的變化進(jìn)行補(bǔ)償才能實(shí)現(xiàn)聚焦。2003年10月《電子與信息學(xué)報(bào)》劉光炎等發(fā)表的《非線性CS算法的前斜視成像》提出了一種用于前斜視成像處理的非線性變標(biāo)方法。但是，非線性變標(biāo)方法方位向處理數(shù)據(jù)量相對(duì)于真正方位向采樣的數(shù)據(jù)量有2～16倍的擴(kuò)展，造成了極大的成像處理效率降低。同時(shí)，成像結(jié)果數(shù)據(jù)量大。2006年1月王海亮提交的西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文《合成孔徑雷達(dá)成像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)研究》指出雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)中信號(hào)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)與處理算法有關(guān)。2003年2月朱寧儀提交的南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文《SAR圖像處理與質(zhì)量評(píng)估若干問題研究》指出質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)以輸入數(shù)據(jù)文件作為評(píng)估對(duì)象。因此，質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)開辟內(nèi)存的大小與成像處理結(jié)果的數(shù)據(jù)量密切相關(guān)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種適用于合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法，該方法運(yùn)行在雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的信號(hào)處理系統(tǒng)中，是對(duì)合成孔徑雷達(dá)在前斜視情況下獲取的子孔徑回波數(shù)據(jù)，首先采用非線性變標(biāo)方法進(jìn)行距離向處理，然后采用頻譜分析方法進(jìn)行方位向處理，從而實(shí)現(xiàn)了合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像，成像一致性好，并且顯著地降低了成像處理的計(jì)算量。
本發(fā)明的一種適用于合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法，包括有下列處理步驟 第一步信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)EC進(jìn)行方位向傅里葉變換處理，獲得距離時(shí)域-多普勒域的第一信號(hào)EA；然后對(duì)EA進(jìn)行距離向傅里葉變換處理，獲得距離頻域-多普勒域的第二信號(hào)EB； 第二步采用二維頻域第一關(guān)系Φ1(h，f)對(duì)EB進(jìn)行相位補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的距離頻域-多普勒域的第三信號(hào)ED＝EB·Φ1(h，f)； 所述的二維頻域第一關(guān)系 ，且 第三步對(duì)ED信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉逆變換處理，得到距離時(shí)域-多普勒域的第四信號(hào)EF； 第四步采用線性變標(biāo)因子關(guān)系Φ2(τ，f)對(duì)EF進(jìn)行處理，得到在距離時(shí)域-多普勒域的第五信號(hào)EG＝EF·Φ2(τ，f)； 所述的線性變標(biāo)因子關(guān)系 第五步對(duì)EG信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉變換處理，得到在距離頻域-多普勒域的第六信號(hào)EH； 第六步采用二維頻域第二關(guān)系Φ3(h，f)對(duì)EH信號(hào)進(jìn)行距離補(bǔ)償，得到在距離頻域-多普勒域的第七信號(hào)EI＝EH·Φ3(h，f)； 所述的二維頻域第二關(guān)系 第七步對(duì)EI信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉逆變換處理，得到在距離時(shí)域-多普勒域的第八信號(hào)EJ； 第八步采用方位補(bǔ)償因子關(guān)系Φ4(τ，f)對(duì)EJ信號(hào)進(jìn)行處理，得到在距離時(shí)域-多普勒域的第九信號(hào)EK＝EJ·Φ4(τ，f)； 所述的方位補(bǔ)償因子關(guān)系 第九步對(duì)EK信號(hào)經(jīng)過方位向傅里葉逆變換處理，得到在距離時(shí)域-方位時(shí)域的第十信號(hào)EL； 第十步采用去除調(diào)頻因子關(guān)系Φ5(t)對(duì)EL信號(hào)進(jìn)行處理，得到在距離時(shí)域-方位時(shí)域的第十一信號(hào)EM＝EL·Φ5(t)； 所述的去除調(diào)頻因子關(guān)系 第十一步對(duì)EM信號(hào)進(jìn)行方位傅里葉變換處理后，得到合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理結(jié)果。
在合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理中，應(yīng)用本發(fā)明的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法具有如下優(yōu)點(diǎn) ①通過對(duì)合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑回波數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向去除調(diào)頻處理，獲得了無混疊的二維頻譜。
②本發(fā)明將方位補(bǔ)償因子關(guān)系Φ4(τ，f)與去除調(diào)頻因子關(guān)系Φ5(t)相結(jié)合對(duì)合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與非線性變標(biāo)方法相比，減少了成像處理的計(jì)算量。
③與非線性變標(biāo)方法相比，減小了采用擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法得到的成像處理結(jié)果所占的空間。
④降低了對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)中信號(hào)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求。
⑤將應(yīng)用關(guān)系使得質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)開辟較小的內(nèi)存就可以讀入成像處理結(jié)果，降低了內(nèi)存發(fā)生泄漏的可能性，同時(shí)縮短了評(píng)估時(shí)間，提高了效率。



圖1A是經(jīng)本發(fā)明方法處理后的點(diǎn)陣目標(biāo)回波信號(hào)實(shí)部圖像。
圖1B是經(jīng)本發(fā)明方法處理后的點(diǎn)陣目標(biāo)回波信號(hào)虛部圖像。
圖2是經(jīng)本發(fā)明方法處理后的點(diǎn)陣目標(biāo)成像處理結(jié)果的幅度圖像。

具體實(shí)施例方式 下面將結(jié)合附圖和仿真實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明是一種適用于合成孔徑雷達(dá)前斜視成像處理的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法，該方法運(yùn)行在雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的信號(hào)處理系統(tǒng)中，具體的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法包括有下列處理步驟 第一步信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)EC進(jìn)行方位向傅里葉變換處理，獲得距離時(shí)域-多普勒域的第一信號(hào)EA；然后對(duì)EA進(jìn)行距離向傅里葉變換處理，獲得距離頻域-多普勒域的第二信號(hào)EB； 在本發(fā)明中，方位向傅里葉變換采用2007年10月電子工業(yè)出版社出版、Ian GCumming等著、洪文等譯的《合成孔經(jīng)雷達(dá)成像-算法與實(shí)現(xiàn)》說明的方位向傅里葉變換。
在本發(fā)明中，距離向傅里葉變換采用2007年10月電子工業(yè)出版社出版、Ian GCumming等著、洪文等譯的《合成孔經(jīng)雷達(dá)成像-算法與實(shí)現(xiàn)》說明的距離向傅里葉變換。
第二步采用二維頻域第一關(guān)系Φ1(h，f)對(duì)EB進(jìn)行相位補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的距離頻域-多普勒域的第三信號(hào)ED，ED＝EB·Φ1(h，f)； 在本發(fā)明中，二維頻域第一關(guān)系Φ1(h，f)為 ，且 其中，h表示距離向頻率，f表示方位向頻率，j表示虛部單位，

R表示含徙動(dòng)因子的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)距目標(biāo)的最短距離，k表示徙動(dòng)因子，λ表示波長(zhǎng)，c表示光速，V表示運(yùn)動(dòng)平臺(tái)飛行速度，b表示發(fā)射信號(hào)調(diào)頻率，P表示在孔徑中心時(shí)刻沿波束中心指向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與場(chǎng)景的距離，φ表示天線波束中心指向與距離向的夾角，Q表示脈沖重復(fù)頻率，B表示合成孔徑雷達(dá)發(fā)射信號(hào)帶寬，g表示合成孔徑雷達(dá)載波信號(hào)的中心頻率，W表示合成孔徑雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中平臺(tái)距目標(biāo)的實(shí)際最短距離。
由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與場(chǎng)景中所有目標(biāo)之間的最短距離是沿距離向變化的，因此，在成像處理過程中R需要沿距離向更新。在本發(fā)明中，R的更新規(guī)律是 第三步對(duì)ED信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉逆變換處理，得到距離時(shí)域-多普勒域的第四信號(hào)EF； 在本發(fā)明中，距離向傅里葉逆變換采用2007年10月電子工業(yè)出版社出版、IanG Cumming等著、洪文等譯的《合成孔經(jīng)雷達(dá)成像-算法與實(shí)現(xiàn)》說明的距離向傅里葉逆變換。
第四步采用線性變標(biāo)因子關(guān)系Φ2(τ，f)對(duì)EF進(jìn)行處理，得到在距離時(shí)域-多普勒域的第五信號(hào)EG，EG＝EF·Φ2(τ，f)； 在本發(fā)明中，線性變標(biāo)因子關(guān)系Φ2(τ，f)為 τ表示距離向快時(shí)間。
第五步對(duì)EG信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉變換處理，得到在距離頻域-多普勒域的第六信號(hào)EH； 第六步采用二維頻域第二關(guān)系Φ3(h，f)對(duì)EH信號(hào)進(jìn)行距離補(bǔ)償，得到在距離頻域-多普勒域的第七信號(hào)EI，EI＝EH·Φ3(h，f)； 在本發(fā)明中，二維頻域第二關(guān)系Φ3(h，f)為 第七步對(duì)EI信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉逆變換處理，得到在距離時(shí)域-多普勒域的第八信號(hào)EJ； 第八步采用方位補(bǔ)償因子關(guān)系Φ4(τ，f)對(duì)EJ信號(hào)進(jìn)行處理，得到在距離時(shí)域-多普勒域的第九信號(hào)EK，EK＝EJ·Φ4(τ，f)； 在本發(fā)明中，方位補(bǔ)償因子關(guān)系Φ4(τ，f)為 第九步對(duì)EK信號(hào)經(jīng)過方位向傅里葉逆變換處理，得到在距離時(shí)域-方位時(shí)域的第十信號(hào)EL； 在本發(fā)明中，距離向傅里葉逆變換采用2007年10月電子工業(yè)出版社出版、IanG Cumming等著、洪文等譯的《合成孔經(jīng)雷達(dá)成像-算法與實(shí)現(xiàn)》說明的方位向傅里葉逆變換。
第十步采用去除調(diào)頻因子關(guān)系Φ5(t)對(duì)EL信號(hào)進(jìn)行處理，得到在距離時(shí)域-方位時(shí)域的第十一信號(hào)EM，EM＝EL·Ф5(t)； 在本發(fā)明中，去除調(diào)頻因子關(guān)系 t為方位向慢時(shí)間。
第十一步對(duì)EM信號(hào)進(jìn)行方位傅里葉變換處理后，得到合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理結(jié)果。
在某型機(jī)載SAR中，將本發(fā)明的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法下載至信號(hào)處理系統(tǒng)中，然后對(duì)合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像進(jìn)行成像處理。
表1成像參數(shù)設(shè)置 圖1A和圖1B分別是點(diǎn)陣目標(biāo)回波信號(hào)的實(shí)部圖像和虛部圖像。用本發(fā)明方法對(duì)該點(diǎn)陣目標(biāo)回波信號(hào)處理后得到圖2的圖像。從圖2中看到，方位向和距離向都得到了有效的壓縮。點(diǎn)目標(biāo)圖像質(zhì)量指標(biāo)列于表2，由表可見，方位向和距離向的分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比與理論值吻合較好，說明其合理性；同時(shí)，成像結(jié)果中的各個(gè)指標(biāo)的方差小，說明成像一致性好。可見，使用了本發(fā)明的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法能夠克服相位高次項(xiàng)和參考距離調(diào)頻斜率近似的影響，實(shí)現(xiàn)高精度的合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理。
表2給出了點(diǎn)陣中各個(gè)點(diǎn)目標(biāo)方位向和距離向指標(biāo)結(jié)果 對(duì)不同斜視角下，擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法(本發(fā)明方法)與非線性變標(biāo)方法(傳統(tǒng)方法)的運(yùn)算量進(jìn)行了對(duì)比。可以看出，采用本發(fā)明方法的計(jì)算量大大降低。分析中采用的平臺(tái)水平速度、平臺(tái)工作高度、波束中心入射角、方位向波束寬度、距離向波束寬度、波長(zhǎng)、線性調(diào)頻信號(hào)帶寬、采樣率、脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度同表1。
表3不同斜視角下的兩種變標(biāo)方法的計(jì)算量
權(quán)利要求
1.一種用于合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法，其特征在于擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法包括有下列處理步驟
第一步信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)EC進(jìn)行方位向傅里葉變換處理，獲得距離時(shí)域-多普勒域的第一信號(hào)EA；然后對(duì)EA進(jìn)行距離向傅里葉變換處理，獲得距離頻域-多普勒域的第二信號(hào)EB；
第二步采用二維頻域第一關(guān)系Ф1(h，f)對(duì)EB進(jìn)行相位補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的距離頻域-多普勒域的第三信號(hào)ED＝EB·Ф1(h，f)；
所述的二維頻域第一關(guān)系且
其中，h表示距離向頻率，f表示方位向頻率，j表示虛部單位，
R表示含徙動(dòng)因子的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)距目標(biāo)的最短距離，k表示徙動(dòng)因子，λ表示波長(zhǎng)，c表示光速，V表示運(yùn)動(dòng)平臺(tái)飛行速度，b表示發(fā)射信號(hào)調(diào)頻率，P表示在孔徑中心時(shí)刻沿波束中心指向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與場(chǎng)景的距離，φ表示天線波束中心指向與距離向的夾角，Q表示脈沖重復(fù)頻率，B表示合成孔徑雷達(dá)發(fā)射信號(hào)帶寬，g表示合成孔徑雷達(dá)載波信號(hào)的中心頻率，W表示合成孔徑雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中平臺(tái)距目標(biāo)的實(shí)際最短距離；
第三步對(duì)ED信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉逆變換處理，得到距離時(shí)域-多普勒域的第四信號(hào)EF；
第四步采用線性變標(biāo)因子關(guān)系Ф2(τ，f)對(duì)EF進(jìn)行處理，得到在距離時(shí)域-多普勒域的第五信號(hào)EG＝EF·Ф2(τ，f)；
所述的線性變標(biāo)因子關(guān)系
第五步對(duì)EG信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉變換處理，得到在距離頻域-多普勒域的第六信號(hào)EH；
第六步采用二維頻域第二關(guān)系Ф3(h，f)對(duì)EH信號(hào)進(jìn)行距離補(bǔ)償，得到在距離頻域-多普勒域的第七信號(hào)EI＝EH·Ф3(h，f)；
所述的二維頻域第二關(guān)系
第七步對(duì)EI信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉逆變換處理，得到在距離時(shí)域-多普勒域的第八信號(hào)EJ；
第八步采用方位補(bǔ)償因子關(guān)系Ф4(τ，f)對(duì)EJ信號(hào)進(jìn)行處理，得到在距離時(shí)域-多普勒域的第九信號(hào)EK＝EJ·Ф4(τ，f)；
所述的方位補(bǔ)償因子關(guān)系
第九步對(duì)EK信號(hào)經(jīng)過方位向傅里葉逆變換處理，得到在距離時(shí)域-方位時(shí)域的第十信號(hào)EL；
第十步采用去除調(diào)頻因子關(guān)系Ф5(t)對(duì)EL信號(hào)進(jìn)行處理，得到在距離時(shí)域-方位時(shí)域的第十一信號(hào)EM＝EL·Ф5(t)；
所述的去除調(diào)頻因子關(guān)系
第十一步對(duì)EM信號(hào)進(jìn)行方位傅里葉變換處理后，得到合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像處理的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法，其特征在于該擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法運(yùn)行在雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于合成孔徑雷達(dá)前斜視成像處理的擴(kuò)展非線性變標(biāo)方法，屬于合成孔徑雷達(dá)的成像技術(shù)領(lǐng)域；該方法對(duì)合成孔徑雷達(dá)在前斜視情況下獲取的子孔徑回波數(shù)據(jù)首先采用非線性變標(biāo)方法進(jìn)行距離向處理，采用三階模型描述回波信號(hào)在距離-多普勒域的相位特性，并補(bǔ)償距離向調(diào)頻率的變化，從而實(shí)現(xiàn)距離向聚焦；然后采用頻譜分析方法進(jìn)行方位向處理，實(shí)現(xiàn)合成孔徑雷達(dá)前斜視子孔徑成像，且成像一致性好，降低了成像處理的計(jì)算量。
文檔編號(hào)G01S17/89GK101819274SQ20101013356
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者于澤, 張巖, 李洲, 李春升 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)