本發(fā)明屬于sar成像和散射機(jī)理領(lǐng)域，更具體地涉及一種合成孔徑雷達(dá)圖像中滑動(dòng)散射中心方位向相位誤差的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，合成孔徑雷達(dá)(syntheticapertureradar，sar)系統(tǒng)飛速發(fā)展，sar圖像分辨率迅速提高，高分辨率sar圖像的細(xì)節(jié)顯著增加。與光學(xué)圖像不同，在sar圖像中，人造目標(biāo)通常是以離散的散射中心的形式存在。因此，散射中心是sar圖像細(xì)節(jié)的重要組成部分，針對(duì)散射中心特征的理解和分析對(duì)人造目標(biāo)高分辨率sar圖像的理解具有較為重要的價(jià)值。

在中低分辨率的sar圖像中，由于同一個(gè)分辨率單元包含大量的強(qiáng)散射單元，因此不僅散射中心數(shù)目較少，且單個(gè)散射中心往往是很多較強(qiáng)散射中心的疊加，通常對(duì)應(yīng)一個(gè)強(qiáng)散射區(qū)域，這個(gè)散射區(qū)域的峰值、旁瓣等特征往往難以定量分析；在高分辨率sar圖像中，這樣的情況發(fā)生了改善，由于分辨率單元變小了，對(duì)于很多人造目標(biāo)而言，多數(shù)分辨率單元中僅包含一個(gè)強(qiáng)散射中心，這樣的分辨單元在圖像上表現(xiàn)為一個(gè)實(shí)質(zhì)上的散射中心，而不是一個(gè)強(qiáng)散射區(qū)域。因此，散射中心的細(xì)節(jié)特征會(huì)呈現(xiàn)在圖像中，例如：散射中心的峰值通常僅對(duì)應(yīng)某種單一的散射機(jī)理；散射中心的主瓣寬度和旁瓣等信息能夠與這種單一的散射機(jī)理的散焦程度關(guān)聯(lián)起來(lái)。

滑動(dòng)散射中心代表著目標(biāo)散射機(jī)制中一種重要的散射中心，在高分辨率sar圖像中，滑動(dòng)散射中心會(huì)出現(xiàn)不符合理想點(diǎn)散射中心模型而導(dǎo)致的散焦情況，而散焦的程度可以用相位誤差近似的表征。

該散焦會(huì)使得提取的目標(biāo)信息不準(zhǔn)確，且在圖像仿真中，若不考慮此散焦情況，則仿真結(jié)果會(huì)與試驗(yàn)結(jié)果相差很大，不利于對(duì)目標(biāo)信息的準(zhǔn)確提取和分析。

現(xiàn)有技術(shù)中，在sar圖像仿真中會(huì)有涉及到散射中心的仿真問(wèn)題，sar圖像仿真中有兩類經(jīng)典的方法：二維頻域法和基于投影映射的方法。其中，基于投影映射的方法近似忽略了滑動(dòng)散射中心散焦的問(wèn)題；基于二維頻域的sar圖像仿真方法雖然可以獲得滑動(dòng)散射中心的散焦特征，但由于該方法是對(duì)該特征的數(shù)值分析方法，并不能給出表征散焦情況的方位向相位誤差的計(jì)算方法。因此，在目前的研究中，針對(duì)人造目標(biāo)滑動(dòng)散射中心散焦情況的問(wèn)題并沒(méi)有準(zhǔn)確的表達(dá)和專門的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上問(wèn)題，本發(fā)明的主要目的在于提出一種滑動(dòng)散射中心方位向相位誤差的計(jì)算方法，用于解決以上技術(shù)問(wèn)題的至少之一。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種滑動(dòng)散射中心方位向相位誤差的計(jì)算方法，包括以下步驟：

步驟1、參數(shù)化表示目標(biāo)局部產(chǎn)生的滑動(dòng)散射中心的表面曲率；

步驟2、根據(jù)表面曲率得到滑動(dòng)散射中心對(duì)應(yīng)回波的調(diào)頻率k；

步驟3、根據(jù)調(diào)頻率k得到方位向相位誤差δe。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述步驟1具體包括以下步驟：

假設(shè)所述目標(biāo)局部產(chǎn)生的滑動(dòng)散射中心的表面曲率的變化為方位向時(shí)間的二階函數(shù)，則目標(biāo)局部產(chǎn)生的滑動(dòng)散射中心在η時(shí)刻對(duì)應(yīng)的表面曲率可表示為：

r(η)＝aη²+bη+c；

其中，系數(shù)a、b、c根據(jù)所述滑動(dòng)散射中心產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù)進(jìn)行表面曲率的二次曲線擬合得到；η為方位向慢時(shí)間。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述步驟2具體包括以下步驟：

步驟21、計(jì)算合成孔徑雷達(dá)與目標(biāo)及與表面曲率的曲率中心之間的最小斜距；

步驟22、計(jì)算得到合成孔徑雷達(dá)在當(dāng)前時(shí)刻距離目標(biāo)的距離；

步驟23、根據(jù)調(diào)頻率定義公式得到滑動(dòng)散射中心對(duì)應(yīng)回波的調(diào)頻率k。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述合成孔徑雷達(dá)與目標(biāo)之間的最小斜距近似表示為：

則，合成孔徑雷達(dá)與表面曲率的曲率中心之間的最小斜距近似表示為：

r0＝r1+r(η0)；

其中，h為合成孔徑雷達(dá)的飛行高度；θ為合成孔徑雷達(dá)的波束入射角度；r(η0)為在波束中心時(shí)刻η0時(shí)表面曲率的值。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述步驟22具體包括以下步驟：

根據(jù)步驟1中計(jì)算得到的表面曲率，以及步驟21中計(jì)算得到的合成孔徑雷達(dá)與表面曲率的曲率中心之間的最小斜距，計(jì)算得到合成孔徑雷達(dá)在當(dāng)前時(shí)刻距離目標(biāo)的距離r(η)，具體表達(dá)式如下：

其中，vr為合成孔徑雷達(dá)的飛行速度，r(η)為在時(shí)刻η時(shí)表面曲率的值。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述步驟23中的調(diào)頻率定義公式為

根據(jù)調(diào)頻率定義公式，及合成孔徑雷達(dá)在當(dāng)前時(shí)刻距離目標(biāo)的距離r(η)，在拋物線近似的條件下，計(jì)算得到滑動(dòng)散射中心對(duì)應(yīng)回波的調(diào)頻率k；該調(diào)頻率k的具體表達(dá)式如下：

其中，λ為合成孔徑雷達(dá)的工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，a、b、c為根據(jù)滑動(dòng)散射中心產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù)進(jìn)行表面曲率的二次曲線擬合得到的系數(shù)。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述步驟3具體包括以下步驟：

步驟31、計(jì)算合成孔徑雷達(dá)的合成時(shí)間，及成像處理時(shí)的方位向調(diào)頻率k1；

步驟32、根據(jù)相位誤差的計(jì)算公式、合成時(shí)間及方位向調(diào)頻率k1，得到滑動(dòng)散射中心方位向的相位誤差。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述合成孔徑雷達(dá)的合成時(shí)間為：

其中，λ為合成孔徑雷達(dá)的工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；r0為合成孔徑雷達(dá)與表面曲率的曲率中心之間的最小斜距；ρa(bǔ)為方位向分辨率；vr為合成孔徑雷達(dá)的飛行速度。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述成像處理時(shí)的方位向調(diào)頻率k1為：

其中，r1為合成孔徑雷達(dá)與目標(biāo)之間的最小斜距。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述步驟32中相位誤差的計(jì)算公式為：

則，根據(jù)合成時(shí)間及方位向調(diào)頻率k1，滑動(dòng)散射中心方位向的相位誤差表示為：

本發(fā)明提出的滑動(dòng)散射中心方位向相位誤差的計(jì)算方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明將滑動(dòng)散射中心的產(chǎn)生機(jī)理與sar工作原理、成像過(guò)程結(jié)合，給出了一種滑動(dòng)散射中心方位向相位誤差的近似計(jì)算方法，該方法定量化給出了滑動(dòng)散射中心的散焦程度，建立了目標(biāo)局部結(jié)構(gòu)參數(shù)與散射中心在合成孔徑雷達(dá)圖像上特征的相互關(guān)聯(lián)，為滑動(dòng)散射中心在合成孔徑雷達(dá)圖像上特征的有效模擬和定量化分析提供了理論依據(jù)；

本發(fā)明為合成孔徑雷達(dá)圖像中目標(biāo)特征的解譯、基于高分辨率合成孔徑雷達(dá)圖像中目標(biāo)信息的高準(zhǔn)確性提取提供了支撐。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提出的滑動(dòng)散射中心方位向相位誤差的計(jì)算方法的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例得到的相位誤差δe隨表面曲率半徑與分辨率比值的變化曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

針對(duì)合成孔徑雷達(dá)(sar)圖像中滑動(dòng)散射中心散焦情況的研究，傳統(tǒng)的研究沒(méi)有給出定量的計(jì)算方案。只是在sar圖像仿真中會(huì)模擬滑動(dòng)散射中心的圖像特征。sar圖像仿真主要有基于投影映射的方法和基于二維頻域的方法，這些研究的缺點(diǎn)是：

第一，在基于投影映射的sar圖像仿真方法中，滑動(dòng)散射中心散焦的情況被忽略，不能給出與實(shí)際情況相符合的散焦特征，這在高分辨率sar圖像中表現(xiàn)的比較明顯；

第二，在基于二維頻域的sar圖像仿真方法中，利用目標(biāo)二維頻域散射數(shù)據(jù)生成仿真sar圖像，滑動(dòng)散射中心的散焦情況可以被仿真過(guò)程數(shù)值的模擬，但定量化的散焦程度的度量，即：相位誤差仍沒(méi)有近似的估算方法。

因此，本公開(kāi)提出一種滑動(dòng)散射中心方位向相位誤差的計(jì)算方法，包括以下步驟：

步驟1、參數(shù)化表示目標(biāo)局部產(chǎn)生的滑動(dòng)散射中心的表面曲率；

步驟2、根據(jù)表面曲率得到滑動(dòng)散射中心對(duì)應(yīng)回波的調(diào)頻率k；

步驟3、根據(jù)方位向調(diào)頻率k得到方位向相位誤差δe。

即本發(fā)明將滑動(dòng)散射中心的產(chǎn)生機(jī)理與sar工作原理、成像過(guò)程結(jié)合，給出了一種滑動(dòng)散射中心在sar圖像上方位向相位誤差的近似計(jì)算方法，該方法定量化地給出了滑動(dòng)散射中心的散焦程度，建立了目標(biāo)局部結(jié)構(gòu)參數(shù)與散射中心在sar圖像上特征的相互關(guān)聯(lián)，為滑動(dòng)散射中心在sar圖像上的特征的有效模擬和定量化分析提供了理論依據(jù)。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述步驟2具體包括以下步驟：

步驟21、計(jì)算合成孔徑雷達(dá)與目標(biāo)及與表面曲率的曲率中心之間的最小斜距；

步驟22、計(jì)算得到合成孔徑雷達(dá)在當(dāng)前時(shí)刻距離目標(biāo)的距離；

步驟23、根據(jù)調(diào)頻率定義公式得到滑動(dòng)散射中心對(duì)應(yīng)回波的調(diào)頻率k。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述步驟3具體包括以下步驟：

步驟31、計(jì)算合成孔徑雷達(dá)的合成時(shí)間，及成像處理時(shí)的方位向調(diào)頻率k1；

步驟32、根據(jù)相位誤差的計(jì)算公式、合成孔徑時(shí)間及方位向調(diào)頻率k1，得到滑動(dòng)散射中心方位向的相位誤差。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，通過(guò)計(jì)算散焦相位誤差，給出一種滑動(dòng)散射中心在sar圖像中散焦情況的定量化計(jì)算方法。具體過(guò)程為：基于目標(biāo)散射機(jī)理和sar工作、成像原理，圍繞產(chǎn)生滑動(dòng)散射中心的局部結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和該散射中心在圖像上的散焦相位誤差之間的關(guān)聯(lián)，給出方位向相位誤差的近似計(jì)算方法。

具體地包括以下步驟：

步驟1、參數(shù)化表示目標(biāo)局部產(chǎn)生的散射中心的表面曲率。

假設(shè)滑動(dòng)散射中心局部對(duì)應(yīng)的曲率變化為方位向時(shí)間的二階函數(shù)，忽略三次及更高階項(xiàng)曲率的影響。針對(duì)滑動(dòng)散射中心產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的表面幾何參數(shù)進(jìn)行表面曲率的二次曲線擬合獲得系數(shù)a、b、c。該系數(shù)a、b、c分別是表面曲率在二次曲線擬合下的二次項(xiàng)系數(shù)、一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)，曲線擬合的方法可以采用常見(jiàn)的最小均方誤差方法進(jìn)行擬合。

令η為方位向慢時(shí)間；r(η)表示目標(biāo)局部產(chǎn)生的滑動(dòng)散射中心在η時(shí)刻對(duì)應(yīng)的表面曲率。則滑動(dòng)散射中心對(duì)應(yīng)的表面曲率為：

r(η)＝aη²+bη+c；

步驟2、計(jì)算該散射中心對(duì)應(yīng)回波的調(diào)頻率k；具體計(jì)算方法如下：

首先需要事先設(shè)置好合成孔徑雷達(dá)的工作參數(shù)，主要包括：飛行速度vr；工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ；波束中心時(shí)刻η0；η0時(shí)刻下滑動(dòng)散射中心對(duì)應(yīng)的斜距r1；方位向分辨率ρa(bǔ)，波束入射角度θ及飛行高度h，隨后進(jìn)行具體的計(jì)算：

步驟21、根據(jù)公式(1)近似計(jì)算合成孔徑雷達(dá)距離目標(biāo)的最小斜距

則，合成孔徑雷達(dá)距離表面曲率的曲率中心的最小斜距可近似計(jì)算為：

r0＝r1+r(η0)；(2)

步驟22、合成孔徑雷達(dá)在當(dāng)前時(shí)刻距離目標(biāo)的距離，該距離等式表示為：

步驟23、根據(jù)調(diào)頻率定義公式：

在拋物線近似的條件下，計(jì)算得到滑動(dòng)散射中心對(duì)應(yīng)的調(diào)頻率k為：

步驟3、根據(jù)方位向調(diào)頻率k計(jì)算得到方位向相位誤差δe，具體計(jì)算方法如下：

步驟31、計(jì)算合成孔徑雷達(dá)的合成孔徑時(shí)間為：

同時(shí)計(jì)算在拋物線近似下，成像處理時(shí)的方位向調(diào)頻率：

步驟32、根據(jù)合成孔徑時(shí)間、方位向調(diào)頻率k1及相位誤差的計(jì)算公式：

得到滑動(dòng)散射中心方位向的相位誤差的具體表達(dá)公式如下：

以下通過(guò)具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提出的滑動(dòng)散射中心方位向相位誤差的計(jì)算方法進(jìn)行詳細(xì)描述。

實(shí)施例

本實(shí)施例以針對(duì)球形滑動(dòng)散射中心的計(jì)算示例，提出一種滑動(dòng)散射中心方位向相位誤差的計(jì)算方法，該方法的依據(jù)原理圖如圖1所示，該方法包括以下步驟：

步驟1、參數(shù)化表示目標(biāo)局部產(chǎn)生的滑動(dòng)散射中心的表面曲率；

如圖1所示，針對(duì)球體而言，表面曲率半徑簡(jiǎn)化為球體半徑：r(η)＝c

這里將計(jì)算不同頻段下，不同半徑與波段情況下的滑動(dòng)散射中心的相位誤差。令方位向分辨率ρa(bǔ)為1m。下面將計(jì)算c＝0.1m、1m、2m到50m的計(jì)算結(jié)果，并分析得到的計(jì)算結(jié)果。

步驟2、根據(jù)表面曲率得到滑動(dòng)散射中心對(duì)應(yīng)回波的調(diào)頻率k；

合成孔徑雷達(dá)的參數(shù)設(shè)置為：飛行高度：5000m，入射角度θ：30度，飛行速度：100m/s。

則公式(1)中的r1＝5773.5m，當(dāng)合成孔徑雷達(dá)的工作頻率分別為1.2ghz、5ghz和9.5ghz時(shí)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為：0.25m、0.06m、0.03m，則根據(jù)公式(5)的演變式：

分別計(jì)算得到三種工作頻率下，對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)散射中心對(duì)應(yīng)回波的調(diào)頻率k與表面曲率c的關(guān)系式為：

步驟3、根據(jù)方位向調(diào)頻率k得到方位向相位誤差δe。

首先，根據(jù)公式(6)及公式(2)計(jì)算得到三種工作頻率下，合成孔徑雷達(dá)的合成孔徑；然后根據(jù)公式(7)計(jì)算得到三種工作頻率下，成像處理時(shí)的方位向調(diào)頻率，并將得到的參數(shù)代入公式(9)，計(jì)算得到三種工作頻率下，滑動(dòng)散射中心方位向的相位誤差與表面曲率的關(guān)系。

如圖2所示，即為三種工作頻率下，滑動(dòng)散射中心方位向的相位誤差與表面曲率的關(guān)系曲線圖，其中，f表示雷達(dá)的工作頻率，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)δe/π。從計(jì)算結(jié)果可以分析出，相位誤差大小隨著球體半徑的增大而增大，在頻率不變的情況下近似呈線性變化；在球體半徑不變，成像幾何不變的條件下，針對(duì)球體的滑動(dòng)散射中心而言，較小的雷達(dá)工作頻段得到的sar圖像會(huì)產(chǎn)生較大的相位誤差。這些符合實(shí)際的物理規(guī)律。以上的實(shí)驗(yàn)表明，該方法提供的滑動(dòng)散射中心方位向相位誤差的近似計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，從而為滑動(dòng)散射中心在合成孔徑雷達(dá)圖像上特征的有效模擬和定量化分析提供了理論依據(jù)；為合成孔徑雷達(dá)圖像中目標(biāo)特征的解譯、基于高分辨率合成孔徑雷達(dá)圖像中目標(biāo)信息的高準(zhǔn)確性提取提供了支撐。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。