一种基于keystone变换的合成孔径雷达逆投影成像方法与流程

本发明属于雷达
技术领域：
，特别涉及一种基于keystone变换的合成孔径雷达逆投影成像方法。
背景技术：
：合成孔径雷达是一种全天时、全天候的现代高分辨率微波遥感成像雷达，它利用雷达天线和目标区域间的相对运动来获得空间的高分辨率。在地形测绘、植被分析、海洋及水文观测、环境及灾害监视、资源勘探以及地壳微变检测等领域，合成孔径雷达发挥了越来越重要的作用。keystone变换是一种尺度变换，在不需要目标运动参数先验信息的情况下，通过在距离频率-方位时间域对慢时间域进行插值重构可以校正合成孔径雷达目标的距离徙动，由于keystone变换不需要任何先验信息即可有效的去除距离徙动，keystone变换在雷达目标检测与成像等领域得到了广泛的应用。逆投影成像算法是基于时域处理的一种精确的雷达成像算法，是一种逐点成像的雷达算法。根据图像像素位置计算雷达天线和像素点之间的距离延时，将雷达回波数据根据时延信息反向投影到图像域，并在每个像素点分别进行相干累加，从而得到二维图像。这种算法可以在任意成像几何下使用，对雷达平台运动轨迹没有特殊要求，是一种具有普适性的算法。由于雷达平台在实际飞行过程中，飞行轨迹存在较大的运动误差，而传统的逆投影算法需要精确的运动轨迹来实现雷达目标成像，所有运动误差的存在会导致传统逆投影算法散焦，无法实现雷达目标的精确聚焦成像。技术实现要素：针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于keystone变换的合成孔径雷达逆投影成像方法，解决实际飞行过程中的运动误差导致传统逆投影成像算法散焦的问题，从而实现sar的精确聚焦成像。一种基于keystone变换的合成孔径雷达逆投影成像方法，包括以下步骤：步骤1，建立sar空间几何结构，初始化参数；步骤2，获取sar到地面任意点目标的距离历程；步骤3，获取sar的点目标回波；步骤4，对回波进行距离向脉冲压缩；步骤5，对距离向脉冲压缩后的回波进行一阶keystone变换，校正一阶距离走动；步骤6，计算距离走动校正后每个成像区域网格的距离历程；步骤7，进行逆投影成像，获取聚焦的sar图像进一步地，所述步骤1包括以下流程：在直角坐标系中，场景中心为坐标原点o，p(x,y,0)为地面任意目标点，其中，x为该地面目标的x轴坐标，y为该地面目标的y轴坐标；采用单基地sar模式，雷达零时刻的位置坐标为(x0,0,h0)，其中，x0、h0分别为接收站的x、z轴坐标；雷达的飞行速度为v，飞行速度与y轴平行。进一步地，所述步骤2包括以下流程：获取sar到地面任意目标点p(x,y,0)的距离历程r(t；x,y)，表示为r(t；x,y)＝r0+αt+βt2+o(t2)其中，r0为方位时间t＝0时的距离历程，α为包含运动误差的距离历程一次项系数，β为距离历程的二次项系数，o(t2)为泰勒展开式的高阶项，t为方位时间变量。进一步地，所述步骤3包括以下流程：点目标p(x,y,0)反射的回波经下变频后的表达式为其中，τ为距离向时间变量，wr[·]为距离时间窗，wa[·]为方位时间窗，tc＝y/v为发射信号的调频斜率，c为电磁波速度，fc为发射信号中心频率。进一步地，所述步骤4包括以下流程：获取sar的目标回波的距离频域、方位时域的表达式s(fτ,t；x,y)，表示为s(fτ,t；x,y)＝wr(fτ)wa(t)exp{jφ(fτ,t)}其中，wr[·]为距离频率窗，fτ为距离频率变量，φ(fτ,t)为二维图像距离频域、方向位时域表达式的相位；距离压缩后的φ(fτ,t)为进一步地，所述步骤5包括以下流程：对sar的距离频域、方位时域回波进行一阶keystone变换，变换关系为其中，ξ为一阶keystone变换后的方位时间变量，则φ(fτ,t)转换为进行一阶keystone变换后，一阶距离走动校正后的回波为s(fτ,ξ；x,y)＝wr(fτ)wa(ξ)exp{jφ(fτ,ξ)}。进一步地，所述步骤6包括以下流程：sar在方位时刻ξ的多普勒质心为其中，θ为方位中心时刻的雷达斜视角，λ为雷达波长；成像区域网格化后的像素点集为(xi,yj,0)，通过keystone变换校正一阶距离走动后，距离历程为r′ij(ξ；xi,yj)＝2rij(ξ；xi,yj)+λfdcξ其中，xi、yj、0分别表示成像区域网格中像素点的x轴、y轴、z轴坐标，rij(ξ；xi,yj)为keystone变换前像素点(xi,yj,0)的距离历程。进一步地，所述步骤7包括以下流程：根据距离走动校正后的距离历程r′ij(ξ；xi,yj)，计算其时延tij(ξ)＝r′ij(ξ；xi,yj)/c根据时延在距离走动校正后的回波域中搜寻到相应的回波位置，通过插值的方法得到回波值；相干累加所需的补偿相位因子为对keystone变换后的回波进行距离向逆傅里叶变换，为s′(τ,ξ；x,y)＝ifft{s(fτ,ξ；x,y)}其中，ifft{·}为距离向傅里叶变换；通过累积曲线上的信号相干相加，实现逆投影成像，获取聚焦的sar图像为本发明的有益效果：本发明提供了一种基于keystone变换的合成孔径雷达逆投影成像方法，采用基于keystone变换的距离走动校正和逆投影成像算法相结合的思想，有效解决了实际飞行过程中的运动误差导致传统逆投影成像算法散焦的问题。本发明利用keystone变换校正具有运动误差的距离走动，然后计算距离走动校正后的目标距离历程，再利用逆投影算法实现目标回波能量的重新聚焦，从而解决了实际飞行过程中的运动误差导致传统逆投影成像算法散焦的问题，完成具有运动误差条件下的sar成像。附图说明图1为本发明实施例的流程图。图2为本发明实施例采用的sar几何结构图。图3为经步骤3后的sar回波图像。图4为经步骤4后的sar回波距离压缩图像。图5为经步骤5后的sar回波keystone变换后的图像。图6为经步骤7后的sar成像结果图像。具体实施方式本发明主要采用仿真实验的方式进行验证，仿真验证平台为。下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。请参阅图1，本发明提供了一种基于keystone变换的合成孔径雷达逆投影成像方法，通过以下步骤实现：步骤1，建立sar空间几何结构，初始化参数。请参阅图2，本发明实施例采用的sar几何结构如图所示。初始化的参数如下表(一)所示。在直角坐标系中，雷达零时刻的位置坐标为(x0,0,h0)为(-15km，-5km，15km)，雷达的飞行速度为v＝200m/s，飞行速度与y轴平行，并加入随机误差，以仿真模拟实际飞行过程中的运动误差。发射信号的中心频率f0为10ghz，信号带宽b为300mhz，脉冲信号宽度tp为5us，电磁波速度c为3×108m/s。参数符号数值sar平台位置(x0,0,h0)(-15km,-5km,15km)sar平台飞行速度v250m/s发射信号中心频率f010ghz发射信号带宽b300mhz发射信号脉冲宽度tp5us电磁波速度c3×108m/s目标位置(x,y,0)(0，0，0)表(一)sar系统参数表步骤2，获取sar到地面任意点目标的距离历程。本实施例中，获取sar到地面任意目标点p(x,y,0)的距离历程r(t；x,y)，表示为r(t；x,y)＝r0+αt+βt2+o(t2)其中，r0为方位时间t＝0时的距离历程，α为包含运动误差的距离历程一次项系数，β为距离历程的二次项系数，o(t2)为泰勒展开式的高阶项，t为方位时间变量。步骤3，获取sar的点目标回波。本实施例中，sar从点目标p(x,y,0)反射的回波经下变频后的表达式为其中，τ为距离向时间变量，wr[·]为距离时间窗，wa[·]为方位时间窗，tc＝y/v为发射信号的调频斜率，c为电磁波速度，fc为发射信号中心频率。经过步骤3后获得的sar回波图像如图3所示。步骤4，对回波进行距离向脉冲压缩。本实施例中，获取sar的目标回波的距离频域、方位时域的表达式s(fτ,t；x,y)，表示为s(fτ,t；x,y)＝wr(fτ)wa(t)exp{jφ(fτ,t)}其中，wr[·]为距离频率窗，fτ为距离频率变量，φ(fτ,t)为二维图像距离频域、方向位时域表达式的相位。在距离频域，方位时域乘以距离频率的二次项，从而去除距离频率的二次项，完成距离向脉冲压缩处理，距离压缩后的φ(fτ,t)为经过步骤四后获得的sar距离压缩图像如图4所示。步骤5，对距离向脉冲压缩后的回波进行一阶keystone变换，校正一阶距离走动。本实施例中，对sar的距离频域、方位时域回波进行一阶keystone变换，变换关系为其中，ξ为一阶keystone变换后的方位时间变量，则φ(fτ,t)转换为从上式可以看出，进行一阶keystone变换后，距离频率fτ与方位时间ξ的一次项的耦合已被去除，即带有运动误差的一阶距离走动已被去除，一阶距离走动校正后的回波为s(fτ,ξ；x,y)＝wr(fτ)wa(ξ)exp{jφ(fτ,ξ)}经过步骤5的一阶keystone变换处理后的sar图像如图5所示，可以看出一阶距离走动已被去除。步骤6，计算距离走动校正后每个成像区域网格的距离历程。本实施例中，sar在方位时刻ξ的多普勒质心为其中，θ为方位中心时刻的雷达斜视角，λ为雷达波长。成像区域网格化后的像素点集为(xi,yj,0)，通过keystone变换校正一阶距离走动后，距离历程变为r′ij(ξ；xi,yj)＝2rij(ξ；xi,yj)+λfdcξ其中，xi、yj、0分别表示成像区域网格中像素点的x轴、y轴、z轴坐标，rij(ξ；xi,yj)为keystone变换前像素点(xi,yj,0)的距离历程。步骤7，进行逆投影成像，获取聚焦的sar图像本实施例中，根据距离走动校正后的距离历程r′ij(ξ；xi,yj)，计算其时延tij(ξ)＝r′ij(ξ；xi,yj)/c，根据时延在距离走动校正后的回波域中搜寻到相应的回波位置，通过插值的方法得到回波值。由于keystone变换校正一阶距离走动，只是改变了成像区域每个网格的距离历程大小，而其相位并没有发生变化，所以，相干累加所需的补偿相位因子为对keystone变换后的回波进行距离向逆傅里叶变换，为s′(τ,ξ；x,y)＝ifft{s(fτ,ξ；x,y)}其中，ifft{·}为距离向傅里叶变换；通过累积曲线上的信号相干相加，实现逆投影成像，获取聚焦的sar图像为请参阅图6，图6是本实施例中采用本发明的方法得到的sar成像结果示意图。本发明实现了在运动误差情况下sar的成像聚焦。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。当前第1页12