一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法，该方法是为了获得超分辨的SAR图像。具体处理步骤为：二维回波信号的方位向傅里叶变换→补余徒动校正→距离向傅里叶变换→一致徒动校正和距离压缩→距离向傅里叶逆变换→附加相位校正→方位向傅里叶逆变换→融合反演矩阵的方位压缩。相较于匹配滤波等常规的成像处理方式，本发明处理的成像结果能量更加集中，显著提高空间分辨率，达到超分辨的目的。相较于完全基于矩阵的SAR数据处理，本发明与高效率的传统成像算法相结合，因而显著提高处理效率。
【专利说明】一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种合成孔径雷达的SAR信号处理方法，更特别地说，是指一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法。
【背景技术】
[0002]星载SAR (Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)是一种具有全天候、全天时的能力的成像系统，不受云、雨、雾、黑夜等自然条件的限制，在军事领域、地形测绘等许多领域有广泛的应用价值。星载SAR系统原始回波信号的模拟对SAR系统设计、成像算法研究等有重要意义。
[0003]1999年10月哈尔滨工业大学出版社出版、刘永坦编著的《雷达成像技术》指出，合成孔径雷达(SAR, Synthetic Aperture Radar)安装在运动平台上,按照一定的重复频率发射、接收脉冲，形成回波信号。SAR系统的结构框图如图1所示，SAR系统包括有星上雷达系统、卫星平台及数据下传系统和地面系统三部分，对合成孔径雷达成像处理是在地面系统中完成的。地面系统通过地面接收站接收卫星平台及数据下传系统下发的回波信号，该回波信号经SAR信号处理器进行成像处理，获得SAR图像；所述SAR图像存储于备档操作系统中。
[0004]2012年6月电子工业出版社出版，Ian G.Cumming及Frank H.Wong编著的《合
成孔径雷达成像-算法与实现》在第75页中指出，合成孔径雷达(Synthetic Aperture
Radar,简称SAR)传统信号处理的核心思想是基于对SAR回波信号进行距离和方位两个方向上的匹配滤波。
[0005]2001年2月科学出版社出版，魏钟铨等编著的《合成孔径雷达卫星》在第202页中指出，空间分辨率定义为匹配滤波的点目标冲击响应半功率点处的宽度，它是衡量SAR系统分辨两个相邻地物目标最小距离的尺度。
[0006]1989年11月科学出版社出版、张澄波编著的《综合孔径雷达原理、系统分析与应用》在第86页中指出运用匹配滤波进行成像处理，点目标冲击响应的主瓣宽度的压窄在方位向主要靠增加综合孔径长度，亦即增加回波多普勒带宽；在距离向上则主要是增加线性带宽。因此，本质上，主瓣宽度主要与两个维度上的信号带宽有关，也即合成孔径雷达的空间分辨率主要受限于信号带宽。
[0007]2001年5月美国Sandia国家实验室的Fred M.Dickey等人发表的文章《Superresolution and Synthetic Aperture Radar》的摘要中提到超分辨概念指的是一种超过传统分辨率极限的潜力。
[0008]2006年10月科学出版社出版，王正明及朱炬波等著的《SAR图像提高分辨率技术》第4页中提到SAR系统理论分辨率的局限性是影响SAR图像分辨率的重要因素。针对上述影响因素一般采用数据软处理方式，使获取的SAR图像的分辨率超过系统理论分辨率(即超分辨)。目前，SAR超分辨方法有谱估计方法、正则化方法等方法。但上述方法尚有缺陷:取决于点目标的先验信息，而先验信息不易获得，因而大大限制了适用点目标的范围。[0009]目前针对任何一点目标处理的，传统的匹配滤波原理的SAR成像算法处理结果的分辨率(等于系统理论分辨率)，主要受限于信号带宽，不可实现超分辨；而现有的SAR超分辨方法需要拥有先验信息的点目标才有效。
【发明内容】
[0010]为了实现SAR处理器输出SAR图像的超分辨获取，本发明的目的是提出一种可用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法。该方法通过四个参考方程与方位向、距离向的时域信息进行融合，解决了传统Chirp Scaling算法不能实现超分辨SAR图像获取的缺陷。
[0011]本发明对合成孔径雷达过采样数据的超分辨处理包括有下列九个处理步骤:
[0012]第一步:SAR信号处理器一方面接收地面接收站输出的回波信号Ekjm,另一方面对接收到的回波信号Eedm进行方位向傅里叶变换处理，获得第一距离多普勒域信号Ea ；
[0013]第二步:将第一步得到的第一距离多普勒域信号Ea与第一个参考方程Φ^τ, fn；Rref)相乘，得到第一补偿后的距离多普勒域信号Eb ；
[0014]第三步:对第二步得到的第一补偿后距离多普勒域信号Eb进行距离向傅里叶变换，得到二维频域信号E。；
[0015]第四步:将第三步得到的二维频域信号E。与第二个参考方程Φ2(?\，?.η)相乘，得到补偿后二维频域信号Ed ；
[0016]第五步:对第四步得到的补偿后二维频域信号Ed进行距离向傅里叶逆变换，得到第二距离多普勒域信号Ef ；
[0017]第六步:将第五步得到的第二距离多普勒域信号Ef与第三个参考方程Φ3( τ，fn)相乘，得到第二补偿后的距离多普勒域信号Ee ；
[0018]第七步:对第六步得到的第二补偿后距离多普勒域信号Ee进行方位向傅里叶逆变换，得到距离时域一方位时域信号Eh ；
[0019]第八步:利用第四个参考方程Φ4α)构建观测矩阵E1，对观测矩阵E1求广义逆，得到反演矩阵E1;
[0020]第九步:将第七步得到的距离时域一方位时域信号Eh和反演矩阵E1进行矩阵相乘，得到方位压缩的时域信号Eimage;所述的方位压缩的时域信号Eimage输出给备档操作系统。
[0021]在合成孔径雷达成像处理中，应用本发明的方法具有如下优点:与传统的基于匹配滤波原理SAR成像算法相比，本发明方法可以在方位向上实现超分辨，方位向分辨率不再完全受限于多普勒带宽，也可以通过提高方位向采样率来提高方位向分辨率(见图4与图5、图6与图7之间的对比)。且本发明实现超分辨的方法不受限于目标的稀疏性。由于方位向是在过采样条件下，像素点分割的较匹配滤波成像点大小更加细密，而利用本发明改进的信号处理的倒丁字状点目标冲击函数使得点目标的能量集中于一个像素点内，因而分辨能力大幅提高， 超过传统Chirp Scaling算法理论分辨率,即实现了超分辨。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是SAR系统的结构框图。[0023]图2是本发明用于合成孔径雷达过采样数据进行超分辨处理成像的流程图。
[0024]图3是雷达数据获取的几何位置关系示意图。
[0025]图4是针对同一距离门上方位向上两点目标利用传统Chirp Scaling算法成像处理的等高线图(方位向采样率是多普勒带宽的两倍)。 [0026]图5是针对同一距离门上方位向上两点目标利用本发明成像处理的等高线图(两点目标相隔距离恰为系统理论分辨率大小、方位向采样率是多普勒带宽的两倍)。
[0027]图6是针对同一距离门上方位向上两点目标利用传统Chirp Scaling算法成像处理的三维图(方位向采样率是多普勒带宽的两倍)。
[0028]图7是针对同一距离门上方位向上两点目标利用本发明成像处理的三维图(两点目标相隔距离恰为系统理论分辨率大小、方位向采样率是多普勒带宽的两倍)。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合附图和仿真实例对本发明做进一步的详细说明。
[0030]本发明针对过采样数据的超分辨处理是在SAR信号处理器(参见图1所示)中完成的。具体地，是对地面接收站输出的过采样下的雷达原始数据进行方位向超分辨成像处理，得到超分辨SAR图像。具体的合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法的处理流程，如图2所示。所述过采样下的雷达原始数据记为回波信号Ε_。。
[0031]本发明对合成孔径雷达过采样数据的超分辨处理包括有下列九个处理步骤:
[0032]第一步:SAR信号处理器一方面接收地面接收站输出的回波信号Eec;h。,另一方面对接收到的回波信号Eedm进行方位向傅里叶变换处理，获得第一距离多普勒域信号Ea ；
[0033]在本发明中，对回波信号进行方位向傅里叶变换是为了将回波信号从方位时域变换成方位频域的信号。
[0034]第二步:将第一步得到的第一距离多普勒域信号Ea与第一个参考方程Φ^τ, fn；Rref)相乘，得到第一补偿后的距离多普勒域信号Eb ；
[0035]在本发明中，引入第一个参考方程是为了进行第一距离多普勒域信号Ea的相位补偿，该补偿是为了实现使所有点目标的距离徙动轨迹一致化。
[0036]第三步:对第二步得到的第一补偿后距离多普勒域信号Eb进行距离向傅里叶变换，得到二维频域信号E。；
[0037]在本发明中，将第一补偿后距离多普勒域信号Eb采用距离向傅里叶变换是为了从距离时域变换至距离频域。
[0038]第四步:将第三步得到的二维频域信号E。与第二个参考方程Φ2(?\，?.η)相乘，得到补偿后二维频域信号Ed ；
[0039]在本发明中，引入第二个参考方程是为了进行二维频域信号Ε。的相位补偿，该补偿是为了实现距离压缩，二次距离压缩和一致徒动校正。
[0040]第五步:对第四步得到的补偿后二维频域信号Ed进行距离向傅里叶逆变换，得到第二距离多普勒域信号Ef ；
[0041 ] 在本发明中，将补偿后二维频域信号Ed进行距离向傅里叶逆变换是为了从距离频域变换至距离时域。
[0042]第六步:将第五步得到的第二距离多普勒域信号Ef与第三个参考方程Φ3( τ，fn)相乘，得到第二补偿后的距离多普勒域信号Ee ；
[0043]在本发明中，引入第三个参考方程是为了进行第二距离多普勒域信号Ef的相位补偿，该补偿是为了实现附加相位校正。
[0044]第七步:对第六步得到的第二补偿后距离多普勒域信号Ee进行方位向傅里叶逆变换，得到距离时域一方位时域信号Eh ；
[0045]在本发明中，将第二补偿后距离多普勒域信号Ee进行方位向傅里叶逆变换是为了从方位频域变换至方位时域。
[0046]第八步:利用第四个参考方程Φ4α)构建观测矩阵E1，对观测矩阵E1求广义逆，得到反演矩阵E1;
[0047]在本发明中，引入第四个参考方程来构建观测矩阵E1是为了满足点目标与回波信号之间精确匹配。
[0048]第九步:将第七步得到的距离时域一方位时域信号Eh和反演矩阵E1进行矩阵相乘，得到方位压缩的时域信号Eimage;所述的方位压缩的时域信号Eimage输出给备档操作系统。
[0049]在本发明中，方位压缩 时域信号Eimage利用距离时域一方位时域信号Eh与反演矩阵E1相乘，由于二维回波信号在方位向上是过采样得到的，像素点分割的较匹配滤波成像点的大小更加细密，而利用本发明改进的信号处理的倒丁字状点目标冲击函数使得点目标的能量集中于一个像素点内，因而分辨能力大幅提高，超过传统Chirp Scaling算法理论分辨率，即实现了超分辨。
[0050]在本发明中，方位向傅里叶变换、方位向傅里叶逆变换、距离向傅里叶变换和距离向傅里叶逆变换的具体内容，请参考2012年6月电子工业出版社、Ian G Cumming等著、洪文等译的《合成孔径雷达成像-算法与实现》一书，第117页至第122页、第209页至第211页。
[0051]一般情况下，傅里叶变换是一种分析信号的方法，它可分析信号的成分，也可用这些成分合成信号。许多波形可作为信号的成分，比如正弦波、方波、锯齿波等，傅里叶变换用正弦波作为信号的成分。
[0052]在本发明的第一步中，SAR处理器接收到的回波信号Eedw是二维数据，采用矩阵形
式表示为:
[0053]
【权利要求】
1.一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法，其特征在于:所述方法是对地面接收站输出的过采样下的雷达原始数据进行方位向超分辨成像处理；具体包括有下列步骤: 第一步:SAR信号处理器一方面接收地面接收站输出的回波信号Ε_。，另一方面对接收到的回波信号Eedw进行方位向傅里叶变换处理，获得第一距离多普勒域信号Ea ； SAR处理器接收到的回波信号Ε_。是二维数据，采用矩阵形式表示为:
2.根据权利要求1所述的一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法，其特征在于:所述的第一个参考方程为
3.根据权利要求1所述的一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法，其特征在于:所述的第二个参考方程为
4.根据权利要求1所述的一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法，其特征在于:所述的第三个参考方程为IL f I (IC3(Ax f 'V! + KrXRmfXmnfrtfK^J χ \JΦ|卜，/,) = —'/χ ?I ?I' ,其中，τ
sin#Jw/Sin^(Cxr 0 f
VrJI s/ I”_ ? j ____________ fA II1 ?:(? 11 I1 r^Vf 〔2 re/^I [fT^vj J ifi^vj J J
露 xexrxsin^x/
+’ χ ζοηφ
[F χ sin ^」为距离时间，Π为方位时间，fn为方位频率，j为虚部单位，JI为圆周率(3.14159), c为真空中光速，&发射信号调频率，λ为与雷达发射中心频率对应的波长，V为雷达有效速度，Rref为雷达与参考目标之丨B]的参考距尚，1Prtf为参考目标的等效斜视角，Ψ为等效斜视角。
5.根据权利要求1所述的一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法，其特征在于:所述的第四个参考方程为 ,P 7 " \2\.、
If I —.Ai —I j /χ 4.χ χ RΦ4(?=χχρ -jx4x^x J R^+lVx~~ ---1 ’其中，i 的取值范围为 I 至 IeJJ2Νε+1，Ν。为点目标方位向有效回波长度对应的采样点数的一半，j为虚部单位，Ji为圆周率(3.14159), R0为雷达与任意一点目标之间的目标最短斜距，V为雷达有效速度，Fa为方位向米样率，λ为与雷达发射中心频率对应的波长。
6.根据权利要求1所述的一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法，其特征在于:构建的观测矩阵E1形式为 "Φ4{-Afc) O0..O " Φ4(-1￥c+i) 04(-JVc) O … O
?*/ % r \**:: Φ4?):: φ4(Κ) ^ΛΝc-1) '...* οO?4(iVc) (I)4(iV厂I) ； Φ4(-Ν€) ? 且 Nb = Na-TaXFa, OO (!?) *.: OOO ; ; a...ft
OOOO Φ4 (Afe) ^ M
T % WKT _ a A aIV _ —o
2
7.根据权利要求1或6所述的一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法，其特征在于:对于未在合成孔径雷达有效的照射时间内的样点，在观测矩阵E1中都赋值为O0
8.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法，其特征在于:所述方法能够在方位向上实现超分辨，且方位向分辨率不再完全受限于多普勒带宽。
9.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种用于合成孔径雷达过采样数据处理的超分辨方法，其特征在于:所述方法不受限于目标的稀疏性； 由于方位向是在过采样条件下，像素点分割的较匹配滤波成像点大小更加细密，经所述方法处理的倒丁字状点目标冲击函数使得点目标的能量集中于一个像素点内，因而分辨能力大幅提高，超过传统Chi`rp Scaling算法理论分辨率,即实现了超分辨。
【文档编号】G01S13/90GK103558601SQ201310534340
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2013年11月1日
【发明者】于泽, 吴有明, 肖鹏, 李春升 申请人:北京航空航天大学