一种Ka波段机载SAR系统的实时成像方法和系统与流程

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种Ka波段机载SAR系统的实时成像方法和系统。

背景技术：

高分辨率机载SAR系统要求载机匀速直线飞行，但是由于受气流和载机自身等因素影响，其飞行轨迹常常偏离设定航迹，因此会引入运动误差。运动误差的大小对机载SAR实时成像的效果影响不同，轻则造成图像的信噪比下降、分辨率降低，重则造成图像散焦无法使用。不同频段SAR系统对运动误差的敏感程度也不同，频段越高的雷达对运动误差越敏感，因此ka波段机载SAR系统对运动误差的敏感程度相对于常见的X波段机载SAR系统要高很多。

机载SAR系统的实时成像通常将机载惯导数据和基于回波数据的多普勒参数估计相结合的方法。由于以往我国机载SAR系统使用的惯导系统精度不高，所以一般只用惯导数据进行粗补偿，然后再利用基于回波数据的多普勒参数估计进行精补偿，以达到高分辨率成像的要求。近几年虽然国外的一些高精度惯导设备的引进和国产惯导精度的提高，但是由于ka波段机载SAR系统的特点，Ka波段机载SAR系统的实时成像还未实现。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种Ka波段机载SAR系统的实时成像方法和系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种Ka波段机载SAR系统的实时成像方法，包括如下步骤：

S1，对机载SAR系统的原始成像数据进行预处理；

S2，根据机载SAR系统得到的惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿；

S3，对经多普勒中心频率补偿后的原始成像数据依次进行方位预滤波、抽取、运动误差补偿和距离徙动校正处理；

S4，根据S3处理后的原始成像数据计算多普勒调频率，依据所述多普勒调频率对经距离徙动校正处理的原始成像数据进行相位补偿；

S5，对经相位补偿的原始成像数据进行方位脉冲压缩处理，及横向位移补偿处理，得到输出数据；

S6，根据所述输出数据得到单视实图像，对单视实图像进行量化和多视处理得到每个单幅实图像，对相邻单幅实图像进行拼接得到实时成像数据。

本发明的有益效果是：对机载SAR系统的原始成像数据进行预处理，根据惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿，再依次进行方位预滤波、抽取、运动误差补偿和距离徙动校正处理，实现在实时成像时间内相邻图像中心位置和相位一致，依据多普勒调频率进行相位补偿，实时微调，方位脉冲压缩处理后进行横向位移补偿，得到输出数据，再经过量化和多视处理得到单幅实图像，拼接得到实时成像数据，实现实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述S2包括：根据机载SAR系统测量得到的惯导数据计算多普勒中心频率f_dc，f_dc的表达式是：

其中，λ表示雷达工作波长，R表示雷达瞬时斜距，V_N表示载机北向速度，V_E表示载机东向速度，V_D表示载机地向速度，H表示载机相对目标场景的高度，Θ表示载机俯仰角，α表示载机航迹角，所述λ是机载SAR系统参数，R、V_N、V_E、V_D、H、Θ和α均是所述惯导数据；；

根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿。

采用上述进一步方案的有益效果是：根据惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿，实现实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

进一步，所述S1包括：对机载SAR系统的原始成像数据进行距离向的脉冲压缩处理，所述原始成像数据包括回波信号数据。

进一步，所述运动误差补偿处理包括：根据惯导数据解算出的一次运动误差和二次运动误差对经距离向的脉冲压缩、多普勒中心频率补偿、方位预滤波和抽取处理后的原始成像数据进行运动误差补偿。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过惯导数据解算出的一次运动误差和二次运动误差对经距离向的脉冲压缩、多普勒中心频率补偿、方位预滤波和抽取处理后的原始成像数据进行运动误差补偿实现在实时成像时间内相邻图像中心位置和相位一致，实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

进一步，所述S5包括：对经相位补偿的原始成像数据进行方位脉冲压缩处理，再进行横向位移补偿处理，得到输出数据，所述横向位移Δx的表达式是：

其中，Δx表示横向位移，f_dc表示所述多普勒中心频率，v表示载机飞行速度，R表示雷达瞬时斜距，θ表示载机俯仰角，所述λ是机载SAR系统参数，v、R和θ均是所述惯导数据；

所述输出数据Xa的表达式是：

x_a＝ifft(S(f)×H(f)×exp(j2πf×Δx/v))

其中，所述S(f)表示回波信号频谱，H(f)表示滤波器频谱，f表示多普勒频率，所述S(f)由回波信号数据计算得出，H(f)由机载SAR系统参数和惯导数据计算得出，所述多普勒频率是将时域信号转化为频率域信号的变量。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过方位脉冲压缩处理后再进行横向位移补偿，得到输出数据，实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

进一步，所述S4中所述多普勒调频率是所述多普勒中心频率的变化量。

本发明解决上述技术问题的另一个技术方案如下：一种Ka波段机载SAR系统的实时成像系统，包括：

预处理模块，用于对机载SAR系统的原始成像数据进行预处理；

多普勒中心频率补偿模块，用于根据机载SAR系统得到的惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿；

第一处理模块，用于对经多普勒中心频率补偿后的原始成像数据依次进行方位预滤波、抽取、运动误差补偿和距离徙动校正处理；

相位补偿模块，根据第一处理模块处理后的原始成像数据计算多普勒调频率，依据所述多普勒调频率对经距离徙动校正处理的原始成像数据进行相位补偿；

方位脉冲压缩及位移补偿处理模块，用于对经相位补偿的原始成像数据进行方位脉冲压缩处理，及横向位移补偿处理，得到输出数据；

第二处理模块，用于根据所述输出数据得到单视实图像，对单视实图像进行量化和多视处理得到每个单幅实图像，对相邻单幅实图像进行拼接得到实时成像数据。

本发明的有益效果是：预处理模块对机载SAR系统的原始成像数据进行预处理，多普勒中心频率补偿模块根据惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿，第一处理模块依次进行方位预滤波、抽取、运动误差补偿和距离徙动校正处理，实现在实时成像时间内相邻图像中心位置和相位一致，相位补偿模块依据多普勒调频率进行相位补偿，实时微调，方位脉冲压缩及位移补偿处理模块进行方位脉冲压缩处理后进行横向位移补偿，得到输出数据，第二处理模块进行量化和多视处理得到单幅实图像，拼接得到实时成像数据，实现实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述多普勒中心频率补偿模块包括：用于根据机载SAR系统测量得到的惯导数据计算多普勒中心频率f_dc，f_dc的表达式是：

其中，λ表示雷达工作波长，R表示雷达瞬时斜距，V_N表示载机北向速度，V_E表示载机东向速度，V_D表示载机地向速度，H表示载机相对目标场景的高度，Θ表示载机俯仰角，α表示载机航迹角，所述λ是机载SAR系统参数，R、V_N、V_E、V_D、H、Θ和α均是所述惯导数据；

根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过多普勒中心频率补偿模块根据惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿，实现实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

进一步，所述预处理模块包括：对机载SAR系统的原始成像数据进行距离向的脉冲压缩处理，所述原始成像数据包括回波信号数据。

进一步，所述运动误差补偿包括：根据惯导数据解算出的一次运动误差和二次运动误差对经距离向的脉冲压缩、多普勒中心频率补偿、方位预滤波和抽取处理后的原始成像数据进行运动误差补偿。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过惯导数据解算出的一次运动误差和二次运动误差对经距离向的脉冲压缩、多普勒中心频率补偿、方位预滤波和抽取处理后的原始成像数据进行运动误差补偿实现在实时成像时间内相邻图像中心位置和相位一致，实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

进一步，所述方位脉冲压缩及位移补偿处理模块包括：用于对经相位补偿的原始成像数据进行方位脉冲压缩处理，再进行横向位移补偿处理，得到输出数据，所述横向位移Δx的表达式是：

其中，Δx表示横向位移，f_dc表示所述多普勒中心频率，v表示载机飞行速度，R表示雷达瞬时斜距，θ表示载机俯仰角，所述λ是机载SAR系统参数，v、R和θ均是所述惯导数据；

所述输出数据Xa的表达式是：

x_a＝ifft(S(f)×H(f)×exp(j2πf×Δx/v))

其中，所述S(f)表示回波信号频谱，G(f)表示滤波器频谱，f表示多普勒频率，所述S(f)由回波信号数据计算得出，H(f)由机载SAR系统参数和惯导数据计算得出,所述多普勒频率是将时域信号转化为频率域信号的变量。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过方位脉冲压缩处理后再进行横向位移补偿，得到输出数据，实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

附图说明

图1为现有技术中载机的实际航线和理想航线示意图；

图2为本发明实施例提供的一种Ka波段机载SAR系统的实时成像方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种Ka波段机载SAR系统的实时成像系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

由于载机受气流和载机自身因素等影响，其飞行轨迹常常偏离设定轨迹，造成运动误差，由于运动误差使得载机的实时成像效果差。

如图1所示，实际飞行轨迹偏离设定轨迹，造成运动误差ΔR，其表达式为：

Δr_R＝Y(t_m)sinβ+(H-Z(t_m))cosβ

其中，β表示载机上雷达天线侧视角，v表示载机飞行速度，H表示载机相对目标场景的高度，Rs表示载机设定轨迹相对于地面成像条带中心的距离，Xn表示目标在X轴上的坐标，tm表示时间，X(t_m)、Y(t_m)和Z(t_m)表示载机上雷达天线相位中心在tm时刻的坐标，Δr_R表示视线误差，Δr_N表示航线误差，R0和R1分别是载机上雷达天线相位中心参考位置和实际位置相对于散射点A的斜距。

本发明实施例通过消除视线误差解决运动误差的问题，进而实现实时成像效果的改善。

本发明实施例提供一种Ka波段机载SAR系统的实时成像方法和系统，如图2所示，Ka波段机载SAR系统的实时成像方法，包括如下步骤：

S1，对机载SAR系统的原始成像数据进行预处理；

S2，根据机载SAR系统得到的惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿；

S3，对经多普勒中心频率补偿后的原始成像数据依次进行方位预滤波、抽取、运动误差补偿和距离徙动校正处理；

S4，根据S3处理后的原始成像数据计算多普勒调频率，依据所述多普勒调频率对经距离徙动校正处理的原始成像数据进行相位补偿；

S5，对经相位补偿的原始成像数据进行方位脉冲压缩处理，及横向位移补偿处理，得到输出数据；

S6，根据所述输出数据得到单视实图像，对单视实图像进行量化和多视处理得到每个单幅实图像，对相邻单幅实图像进行拼接得到实时成像数据。

对机载SAR系统的原始成像数据进行预处理，根据惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿，再依次进行方位预滤波、抽取、运动误差补偿和距离徙动校正处理，实现在实时成像时间内相邻图像中心位置和相位一致，依据多普勒调频率进行相位补偿，实时微调，方位脉冲压缩处理后进行横向位移补偿，得到输出数据，再经过量化和多视处理得到单幅实图像，拼接得到实时成像数据，实现实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

具体地，该实施例中，所述S2包括：根据机载SAR系统测量得到的惯导数据计算多普勒中心频率f_dc，f_dc的表达式是：

其中，λ表示雷达工作波长，R表示雷达瞬时斜距，V_N表示载机北向速度，V_E表示载机东向速度，V_D表示载机地向速度，H表示载机相对目标场景的高度，Θ表示载机俯仰角，α表示载机航迹角，所述λ是机载SAR系统参数，，R、V_N、V_E、V_D、H、Θ和α均是所述惯导数据；

根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿。

采用现有技术中的基于回波数据的多普勒中心频率f_dc估计方法，对地面特殊场景采用现有技术中的估计方法和本发明实施例提供的方法分别计算f_dc，该地面特殊场景采用基于回波数据的多普勒中心频率f_dc估计方法可以得到准确的f_dc，本发明实施例提供的f_dc的计算方法与现有技术的f_dc值一致。

根据惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿，实现实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

具体地，该实施例中，所述S1包括：对机载SAR系统的原始成像数据进行距离向的脉冲压缩处理，所述原始成像数据包括回波信号数据。所述原始成像数据由机载雷达得到。

具体地，该实施例中，所述运动误差补偿处理包括：根据惯导数据解算出的一次运动误差和二次运动误差对经距离向的脉冲压缩、多普勒中心频率补偿、方位预滤波和抽取处理后的原始成像数据进行运动误差补偿。

通过惯导数据解算出的一次运动误差和二次运动误差对经距离向的脉冲压缩、多普勒中心频率补偿、方位预滤波和抽取处理后的原始成像数据进行运动误差补偿实现在实时成像时间内相邻图像中心位置和相位一致，实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

具体地，该实施例中，所述S5包括：对经相位补偿的原始成像数据进行方位脉冲压缩处理，再进行横向位移补偿处理，得到输出数据，所述横向位移Δx的表达式是：

其中，Δx表示横向位移，f_dc表示所述多普勒中心频率，v表示载机飞行速度，R表示雷达瞬时斜距，θ表示载机俯仰角，所述λ是机载SAR系统参数，v、R和θ均是所述惯导数据；

方位向位移即横向位移，方位向信号可以等效为线性调频信号，若线性调频信号调制一个多普勒中心频率，对其进行脉冲压缩会产生横向位移，横向位移的表达式是：

其中：f_dc是多普勒中心频率，μ是多普勒调频率，v是载机飞行速度。其多普勒调频率的表达式是：

其中：v是载机飞行速度，θ表示载机俯仰角，R表示雷达瞬时斜距，所述λ是机载SAR系统参数。

将多普勒调频率的表达式带入横向位移的表达式中可得：

所述输出数据Xa的表达式是：

x_a＝ifft(S(f)×H(f)×exp(j2πf×Δx/v))

其中，所述S(f)表示回波信号频谱，H(f)表示滤波器频谱，f表示多普勒频率，所述S(f)由回波信号数据计算得出，H(f)由机载SAR系统参数和惯导数据计算得出,所述多普勒频率是将时域信号转化为频率域信号的变量，所述时域信号是回波信号等。

为了消除由于多普勒中心频率造成的横向位移，可以采用在多普勒中心频率域，给信号频谱S(f)和滤波器频谱H(f)乘积再乘以一个线性相位项然后再经过逆傅立叶变换ifft()将信号转换成时域信号即可消除。

通过方位脉冲压缩处理后再进行横向位移补偿，得到输出数据，实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

具体地，该实施例中，所述S4中所述多普勒调频率是所述多普勒中心频率的变化量。

本发明实施例提供一种Ka波段机载SAR系统的实时成像系统，如图3所示，Ka波段机载SAR系统的实时成像系统，包括：

预处理模块，用于对机载SAR系统的原始成像数据进行预处理；

多普勒中心频率补偿模块，用于根据机载SAR系统得到的惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿；

第一处理模块，用于对经多普勒中心频率补偿后的原始成像数据依次进行方位预滤波、抽取、运动误差补偿和距离徙动校正处理；

相位补偿模块，用于根据第一处理模块处理后的原始成像数据计算多普勒调频率，依据所述多普勒调频率对经距离徙动校正处理的原始成像数据进行相位补偿；

方位脉冲压缩及位移补偿处理模块，用于对经相位补偿的原始成像数据进行方位脉冲压缩处理，及横向位移补偿处理，得到输出数据；

第二处理模块，用于根据所述输出数据得到单视实图像，对单视实图像进行量化和多视处理得到每个单幅实图像，对相邻单幅实图像进行拼接得到实时成像数据。

预处理模块对机载SAR系统的原始成像数据进行预处理，多普勒中心频率补偿模块根据惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿，第一处理模块依次进行方位预滤波、抽取、运动误差补偿和距离徙动校正处理，实现在实时成像时间内相邻图像中心位置和相位一致，相位补偿模块依据多普勒调频率进行相位补偿，实时微调，方位脉冲压缩及位移补偿处理模块进行方位脉冲压缩处理后进行横向位移补偿，得到输出数据，第二处理模块进行量化和多视处理得到单幅实图像，拼接得到实时成像，实现实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

具体地，该实施例中，所述多普勒中心频率补偿模块包括：用于根据机载SAR系统测量得到的惯导数据计算多普勒中心频率f_dc，f_dc的表达式是：

其中，λ表示雷达工作波长，R表示雷达瞬时斜距，V_N表示载机北向速度，V_E表示载机东向速度，V_D表示载机地向速度，H表示载机相对目标场景的高度，Θ表示载机俯仰角，α表示载机航迹角，所述λ是机载SAR系统参数，R、V_N、V_E、V_D、H、Θ和α均是所述惯导数据；

根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿。

通过多普勒中心频率补偿模块根据惯导数据计算多普勒中心频率，根据多普勒中心频率对经预处理的原始成像数据进行多普勒中心频率补偿，实现实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

具体地，该实施例中，所述预处理模块包括：对机载SAR系统的原始成像数据进行距离向的脉冲压缩处理，所述原始成像数据包括回波信号数据。

具体地，该实施例中，所述运动误差补偿包括：根据惯导数据解算出的一次运动误差和二次运动误差对经距离向的脉冲压缩、多普勒中心频率补偿、方位预滤波和抽取处理后的原始成像数据进行运动误差补偿。

通过惯导数据解算出的一次运动误差和二次运动误差对经距离向的脉冲压缩、多普勒中心频率补偿、方位预滤波和抽取处理后的原始成像数据进行运动误差补偿实现在实时成像时间内相邻图像中心位置和相位一致，实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

具体地，该实施例中，所述方位脉冲压缩及位移补偿处理模块包括：用于对经相位补偿的原始成像数据进行方位脉冲压缩处理，再进行横向位移补偿处理，得到输出数据，所述横向位移Δx的表达式是：

其中，Δx表示横向位移，f_dc表示所述多普勒中心频率，v表示载机飞行速度，R表示雷达瞬时斜距，θ表示载机俯仰角，所述λ是机载SAR系统参数，v、R和θ均是所述惯导数据；

所述输出数据Xa的表达式是：

x_a＝ifft(S(f)×H(f)×exp(j2πf×Δx/v))

其中，所述S(f)表示回波信号频谱，H(f)表示滤波器频谱，f表示多普勒频率，所述s(f)由回波信号数据计算得出，H(f)由机载SAR系统参数和惯导数据计算得出,所述多普勒频率是将时域信号转化为频率域信号的变量，所述时域信号是回波信号等。

通过方位脉冲压缩处理后再进行横向位移补偿，得到输出数据，实时成像效果好，聚焦效果好，满足ka波段机载SAR系统高分辨成像需求。

具体地，该实施例中，所述多普勒调频率是所述多普勒频率的变化量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。