一种机载SAR实时成像的方法与流程

本发明涉及机载雷达成像技术领域，尤其涉及一种机载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)实时成像方法。

背景技术：

SAR是一种能够全天候、全天时工作的微波成像系统，可提供目标观测区域大范围高分辨率的雷达图像。广泛应用于国土资源调查、农作物监视、洪水、地震等灾害监测，以及国防等诸多领域。由于大气的扰动，机载SAR平台的实际飞行相对于理想航线常存在一定的偏差，从而造成成像处理的图像散焦，机运动误差是回波数据相位误差的主要来源。如何快速地获得高质量的图像是目前机载SAR实时成像急需解决的重要问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种机载SAR实时成像方法，以实现高分辨率低延时成像。

(二)技术方案

一种机载SAR实时成像方法，包括：

估计运动误差偏移量以及相位误差，对原始数据进行距离向空变运动补偿处理，得到运动补偿后的数据；

对运动补偿后的数据进行方位向预处理；

对方位向预处理后的数据在距离向进行双通道频带合成压缩；

对距离向压缩后的数据进行三页式二维转置，并对转置后的数据进行距离徙动校正；

对距离徙动校正后的数据进行改进的PGA自聚焦；以及，

对自聚焦后的数据进行方位压缩、逆转置和实时压缩，得到SAR压缩图像。

上述方案中，所述估计运动误差偏移量以及相位误差，对原始数据进行距离向空变运动补偿处理，得到运动补偿后的数据，包括：

根据惯导参数、脉冲重复频率及不同距离单元的下视角，获取实际航迹相对于理想航迹的运动误差偏移量；

由运动误差偏移量得到回波信号的相位误差；

将相位误差的指数函数与原始数据相乘，得到运动补偿后的数据。

上述方案中，所述对运动补偿后的数据进行方位向预处理，包括：

对运动补偿后的数据进行杂波锁定，得到多普勒中心补偿后的数据；

对多普勒中心补偿后的数据进行方位向预滤波。

上述方案中，所述对运动补偿后的数据进行杂波锁定，得到多普勒中心补偿后的数据，包括：

对运动补偿后的数据进行小孔径数据缓存，采用能量均衡法对小孔径缓存数据进行多普勒中心估计；

根据估计的多普勒中心补偿运动补偿后的数据。

上述方案中，所述对多普勒中心补偿后的数据进行方位向预滤波，包括：

多普勒中心补偿后的数据与低通FIR滤波器进行时域卷积；

对时域卷积后的数据进行降采样，得到方位向预处理后的数据。

上述方案中，所述对距离徙动校正后的数据进行改进的PGA自聚焦，包括：

根据能量和对比度选取散射点；

对散射点循环移位；

进行加窗处理；

估计残余相位误差；

校正残余相位误差。

上述方案中，所述距离徙动校正是在距离多普勒域，采用线性插值方法完成。

上述方案中，所述运动误差偏移量表示为：

Δr(t；i)＝Δy(t)·sinθ_i+Δz(t)·cosθ_i

cosθ_i＝H/r_i

其中，Δr(t；i)是第i个距离像素在t时刻至SAR的距离误差；θ_i表示第i个距离像素对应的雷达下视角；r_i表示第i个距离像素对应的斜视距离；H为载机相对于照射目标面的飞行高度；Δy(t)、Δz(t)分别为距离向和垂直高度方向的距离误差。

上述方案中，所述回波信号的相位误差表示为：

其中，λ为载波波长，Δr(t；i)是第i个距离像素在t时刻至SAR的距离误差。

上述方案中，所述相位误差的指数函数为exp(-j·phai(t；i))。

(三)有益效果

本发明提供的机载SAR实时成像的方法采用距离多普勒域成像算法，结合沿距离向的空变运动补偿、杂波锁定、距离向双通道频带合成技术、改进的自聚焦和定时快发等技术，具备较高的成像处理质量和较低的处理器延时。

附图说明

图1为本发明实施例提供的机载SAR实时成像方法流程示意图。

图2为本发明实施例提供的机载SAR实际航迹与理想航迹的几何关系示意图。

图3为本发明实施例提供的杂波锁定和方位预处理结合的流程示意图。

图4为本发明实施例提供的改进PGA自聚焦处理方法流程示意图。

图5为本发明实施例提供的SAR成像装置结构示意图。

图6为本发明实施例提供的实时成像处理后的图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例提供了一种机载SAR实时成像方法，参见图1，该方法包括：

步骤S1：估计运动误差偏移量以及相位误差，对原始数据进行距离向空变运动补偿处理，得到运动补偿后的数据。

本步骤中，首先根据载机惯导系统测量到的惯导参数、脉冲重复频率及不同距离单元的下视角，获取实际航迹相对于理想航迹的运动误差偏移量，由运动误差偏移量得到回波信号的相位误差，采用包络校正的方法进行运动补偿，包络校正以观察场景中心为基准点进行校正，对相位误差沿距离向进行空变的运动补偿处理。

具体地，图2示出了正侧视模式下的载机实际航迹与理想航迹的几何关系。其中，x轴平行于飞行方向，即方位向，y轴垂直于飞行方向，即距离向，z轴为垂直高度方向。点P为测绘带内任意点目标，θ为雷达下视角，H为载机相对于照射目标面的飞行高度。理想航迹与实际航迹的运动误差偏移量可以分解为三个方向轴的分量。其中，载机前进方向的误差偏移量即为飞行方向x轴方向的分量，可通过实时调整脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency，简称PRF)消除。雷达视线方向误差分量由y轴方向的分量Δy(t)和z轴方向的分量Δz(t)组成，是回波信号误差的主要来源。理想情况下，雷达在同一高度，沿着直线飞行，然而，实际飞行时，根据惯导系统实时测到的沿z轴方向的速度分量，造成偏移量Δz(t)。沿y轴方向的速度分量，造成偏移量Δy(t)。视线方向运动误差偏移量可以表示为：

Δr(t；i)＝Δy(t)·sinθ_i+Δz(t)·cosθ_i

cosθ_i＝H/r_i

其中，Δr(t；i)是第i个距离像素在t时刻至SAR的距离误差；r(t；i)表示第i个距离像素在t时刻至SAR的距离；θ_i表示第i个距离像素对应的雷达下视角；r_i表示第i个距离像素对应的斜视距离。不同距离像素对应的雷达视角不同，距离像素间隔是c/2f_s，其中，c是光速，f_s是距离向采样率。

实际中，由运动误差偏移量得到回波信号的相位误差可表示为：

其中，λ为载波波长。

将相位误差的指数函数exp(-j.phai(t；i))与SAR的原始数据相乘，得到运动补偿后的数据，完成对原始数据沿距离向的空变运动误差补偿。这种运动补偿的结果，可以将条带大部分的运动误差去掉。

步骤S2：对运动补偿后的数据进行方位向预处理。

参见图3，步骤S2包括：

子步骤S21：对运动补偿后的数据进行杂波锁定，得到多普勒中心补偿后的数据。

在实际飞行时，雷达载机飞行姿态的不稳定性，以及雷达照射场景的不均匀性，都会造成回波中心在频率轴上摆动。采用能量均衡法，该方法把横向功率谱直接分成两部分，使两部分的能量相等，则能量等分点处的频率即为多普勒中心。相关运算在频域进行，利用FFT的高效率以减小运算量。

对运动补偿后的数据，实时地循环缓存1024点的方位向数据，即进行小孔径数据缓存，采用上述能量均衡法对小孔径缓存数据进行多普勒中心估计后，再根据估计的多普勒中心补偿运动补偿后的数据：

式中：s₀(n)是运动补偿后的数据；s(n)是多普勒中心补偿后的信号；n表示方位向采样点数；f_dc表示估计的多普勒中心，PRF为脉冲重复频率。根据傅立叶变换的性质可知，时域相位补偿，相当于把回波信号的能量在频域的中心频率处移到零频附近。

子步骤S22：对多普勒中心补偿后的数据进行方位向预滤波。

机载SAR的方位向采样率通常大于方位向处理所需的多普勒带宽，属于过采样。适当地降低回波在方位方向的采样率，在满足图像质量的前提下，可以极大地降低雷达系统整体的数据率，使得存储量和计算量降低，从而满足实时成像的要求。直接作方位向降采样，有可能导致方位向功率谱混叠，造成成像质量严重下降。因此，在方位向降采样之前，可以对多普勒中心补偿后的数据在方位向进行线性相位的FIR低通滤波。一方面抑制降采样后的混叠干扰；另一方面，利用FIR的线性相位特性，保留回波的相位信息。把多普勒中心补偿后的数据，与低通FIR滤波器进行时域卷积：

式中：h(n)是具有线性相位的低通FIR滤波器，M是滤波器阶数，决定了滤波器的过渡带和滚降率；可以通过窗函数法、频域综合法、拉格朗日乘子法等构造低通FIR滤波器。其中窗函数法由于算法简单并且有显式的结果，因此得到广泛应用。采用窗函数法时，降采样率K_p和截止频率，需要根据SAR的实时处理器的处理能力和所需方位向处理条带宽度来确定，不同模式取值不同，K_p常见的取值有3、4、5、6。y(n)的值不必全点计算，只有在方位向点序号是K_p整数倍时才计算结果，用于输出。

对时域卷积后的数据进行降采样。降采样后的输出结果为：

y_out(k)＝y(K_pn)

式中：K_p为方位向降采样率；y_out(k)是方位向预处理后的输出。

如图3所示为杂波锁定和方位预滤波结合的流程示意图，经过小孔径缓存，采用能量均衡法估计出多普勒中心，对运动补偿后的数据，在方位向进行多普勒中心补偿，把回波能量变换到零频附近，然后通过实数的低通滤波器作滤波，得到方位向预处理后的输出结果。

与现有的自适应滤波方法不同，本发明不必存储全部的回波数据，只需存储1024个距离门用于多普勒中心估计，相对于整个雷达距离门点数，一般是32768或者65536点，是很小的存储量；二是用估计出的多普勒中心先补偿回波，把回波能量变换到零频附近，然后通过实数的低通滤波器作滤波。如果用N表示回波方位向总点数，M表示滤波器阶数，K_p为方位向降采样率，则本发明的运算量合计为(4N+2MN/K_p)次乘法、2N+2N/K_p(M-1)次加法；现有的自适应滤波方法的运算量是(2M+4MN/K_p)次乘法、N/K_p(4M-1)次加法。本发明较之自适应滤波的方法运算量减少一半，从而大大降低处理延迟，提高了实时性能。

步骤S3：对方位向预处理后的数据在距离向进行双通道频带合成压缩。

为提高SAR系统的距离分辨率，采用多通道频带合成的方法来提高信号带宽。双通道之间的相位失配参数由SAR系统决定，可以根据实验数据估计，通过主控加载相位失配参数到DSP进行实时处理。

对方位向预滤波后的数据进行距离向双通道频带合成压缩：在宽测绘带成像处理时，利用时域抽取分解完成较高次幂的FFT和IFFT运算，节省实时的运算时间和存储空间；在飞行实验前，根据雷达大闭环数据，估计出雷达系统的两通道的一次相位误差值和常数相位误差值，在飞行阶段，在频域拼接两通道的频谱，直接用该估计相位误差值实时地对两通道的相位误差进行补偿。

步骤S4：对距离向压缩后的数据进行三页式二维转置，并对转置后的数据进行距离徙动校正。

首先，为了在方位向的两帧数据之间保持一半的重叠率，利用三页式二维转置，完成SAR数据从距离向到方位向的转置。在发出方位向数据时，采用定时快速发方位向数据，发数的最快速度根据方位向的最大处理能力和算法运算量来确定。根据硬件DSP处理和传输能力，估计出最大的发送频率，保证在该时间帧内完成后面的处理量。

这样处理的好处是，对于每帧数据的成像处理延时基本不受前端PRF的影响，处理效率高，很大程度上降低了实时成像处理器的延时，提高了实时成像处理器的性能指标。

雷达与目标间的相对运动，一方面带来了方位向的相位调制，另一方面使同一个点目标在不同的方位上回波延时不同，即所谓的距离徙动。在转置操作后，在距离多普勒域，采用线性插值方法对转置后的数据进行距离徙动校正。经过徙动校正，使同一个目标能量聚集在同一距离门并沿方位向展开。

步骤S5：对距离徙动校正后的数据进行改进的PGA自聚焦。

对距离徙动校正后的数据进行改进的相位梯度自聚焦PGA处理，获取并校正SAR数据的残余误差相位，将SAR数据块沿方位向划分重叠的n个子孔径，n为自然数。对各数据块中的每个子孔径进行改进的PGA处理，标准PGA处理步骤包括：选取距离门，循环移位，加窗处理，相位梯度估计和迭代校正。在标准PGA处理步骤中，选择估计点时，首先根据最大值排序，本发明在此基础上进行改进，参见图4，在选择估计点时，首先根据最大值排序，然后增加对比度排序，在能量较大点中，筛选出对比度较大的散射点，这样利于选择出孤立的强散射点，提高相位误差估计的准确度。选择出对比度大的散射点后，对散射点循环移位，进行加窗处理，然后基于线性无偏最小方差估计出各SAR数据块中每个子孔径的残余相位误差梯度。最后把n个子孔径估计残余相位误差的进行拼接，把拼接后的相位误差补偿到距离徙动校正后的数据中。

步骤S6：对自聚焦后的数据进行方位压缩、逆转置和实时压缩，得到SAR压缩图像。

子步骤S61：对自聚焦后的数据进行方位压缩。

本步骤中，在频域完成，方位向滤波器匹配处理后，可得到高质量的SAR图像。

子步骤S62：对方位压缩后数据进行逆转置。

本步骤完成雷达数据从方位向转到距离向的转置，在实际飞行一个条带时，可以出沿方位向上的连续的实时图像。

子步骤S63：对逆转置后的数据进行实时压缩，得到SAR压缩图像。

本步骤，实现雷达图像数据压缩处理。根据数传速率的要求，选择不同的压缩比率。降低数据率后，图像传到地面，经过图像解压缩处理，地面可以观察到实时处理的图像。

本发明的SAR成像装置，处理芯片选用的是TMS320C6678，DSP处理板板上挂载的DDR3颗粒总容量为4GB。图5为本发明实施例提供的SAR成像装置结构功能图，采用DSP6678芯片完成机载SAR实时成像，每个DPS芯片完成一个或多个步骤，各芯片采用流水作业，保证在雷达飞行时，可以生成连续的稳定的高质量的实时雷达图像。图6是本发明装置对雷达回波数据处理后得到的雷达图像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。