专利名称：一种基于回波数据的sar图像运动目标姿态角提取方法
技术领域：
本发明属于图像处理领域，涉及在SAR图像中的目标特征提取，特别涉及获取运动目标的姿态角。
背景技术：
合成孔径雷达(SAR)是一种全天时全天候的高分辨率成像雷达，其图像广泛用于军事侦察，资源探测和海洋观测等领域。在军事侦察中，目标的姿态角是目标的一个重要特征。 现有的目标姿态角提取方法，都是从直接对图像进行处理。根据目标的峰值位置或主导边界走向，通过统计的方法，估计出目标的姿态角。上述方法对图像质量要求高，当图像质量下降时，会影响目标姿态角的估计精度。 利用目标的峰值位置提取姿态角的方法参阅文献《SAR图像目标峰值特征提取与方位角估计方法研究》，宇航学报，第25巻第1期，2004年1月。 利用目标主导边界走向提取姿态角的方法参阅文献《SAR图像目标分割与方位角估计》，国防科技大学学报，第23巻第5期，2001年。
发明内容
为了避免在提取目标姿态角时图像质量对提取结果的影响，本发明提出了一种基于回波数据的SAR图像运动目标姿态角提取方法。该方法直接对雷达回波数据(图像由回波数据生成)进行处理，通过偏置相位中心天线(DPCA，Dispatch Phase Center Antenna)技术估计运动目标的速度，然后通过目标的速度直接提取出运动目标的姿态角。该方法可以比较准确的提取出目标的姿态角，且精度不受图像质量影响。
本发明的技术方案如下 1.对回波数据进行DPCA处理，通过干涉相位得到目标的距离向速度。
DPCA技术是一种采用多孔径天线的地杂波抑制技术。该技术通过对消杂波(静止目标信号)，提高运动目标的信杂比，实现对运动目标的检测。根据杂波对消后的运动目标的数学表达形式，可以提取出目标的距离向速度。在DPCA处理中，共用到三个通道的数据。具体流程如下 1)分别对三个通道的数据进行距离向压縮，得到三个回波信号Sl(t)， s2(t)和s3(t)。 2)将第一个回波信号Sl(t)延迟一个脉冲时间，使用补偿因子C对第二个回波信号&(t)进行相位补偿。然后将两路处理后的信号相减，得到杂波对消后的信号&(t)。
3)将进行补偿后的第二个回波信号延迟一个脉冲时间。然后将该数据与第三个回波信号s3(t)相减，得到杂波对消后的信号S32(t)。 4)使用相位补偿因子Cjt)对Sa(t)进行相位补偿，然后进行方位向傅立叶变换，得到频域上杂波对消后的信号I21 (f)。
5)使用相位补偿因子Q(t)和C2(t)对S32(t)进行相位补偿，然后进行方位向傅立叶变换，得到频域上杂波对消后的信号I32(f)。 6)将I21(f)与132(f)进行干涉处理，得到I21(f)与132(f)的相位差A①(f)，进
而得到目标的多普勒中心频率的估计值fd。—est。 7)根据目标在图像中的位置得到目标中心频率的真实值fdc real。 8)通过fdc est和fdc Mal计算得到目标的距离向速度V" 2.对DPCA处理后的数据进行多普勒参数估计，得到目标的方位向速度。
目标的方位向速度可由目标的多普勒调频率和目标的距离向速度计算得到。常见
的目标多普勒调频率估计方法包括最优对比度法、子孔径相关法、频移相关法和相位梯度
等。本方案采用最优对比度法。 1)根据载频信号波长、参考斜距、载机平台速度以及目标的速度矢量确定初始多
普勒调频率fr—。。 2)以初始多普勒调频率fr—。为中心，使用不同的多普勒调频率fr对目标进行成像。得到图像对比度与多普勒调频率的关系曲线。 3)寻找图像对比度最大值对应的多普勒调频率fr作为多普勒调频率的估计值
^r—est15 4)根据多普勒调频率的估计值fr—est和目标的距离向速度1计算得到目标的方位
向速度vx。 3.根据目标的距离向速度和方位向速度确定目标的速度矢量，提取目标的姿态角。 本发明的有益效果是 1)可以通过回波数据，根据目标的数学表达式提取目标的姿态角。
2)目标姿态角的精度不受图像质量的影响。
图1基于回波数据的SAR图像目标姿态角提取方法流程图； 图2多通道天线空间几何关系示意图； 图3 DPCA处理流程图； 图4最优对比度法处理流程图； 图5对比度与多普勒调频率的关系曲线(步长0. 2Hz/s); 图6对比度与多普勒调频率的关系曲线(步长0. 002Hz/s)。
具体实施例方式
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。 图1是本发明一种基于回波数据的SAR图像运动目标姿态角提取方法的流程图。本发明直接对雷达回波数据进行处理通过DPCA处理，通过目标的干涉相位得到距离向速度；通过多普勒中心频率估计，得到目标的方位向速度。最后，通过目标的速度矢量，得到目标的姿态角。下面分别就每一个步骤详细说明。 1.对回波数据进行DPCA处理，通过干涉相位得到目标的距离向速度。
首先对多通道回波数据进行DPCA处理，图2是多通道天线空间几何关系示意图。图中，雷达天线共有三个相位中心，Al， A2和A3，相当于三个天线。三个相位中心位于同一直线上，间距为d。该直线与雷达运动方向平行。雷达平台距地面高度为Ro，目标Tar距相
位中心所在直线的最近距离为<formula>formula see original document page 5</formula>在t = 0时刻，目标位于x。，。雷达天线由载机平台携带，以速度va向右行驶。目标在地面，距离向速度为Vr，方位向速度为vx。
其中<formula>formula see original document page 5</formula>目标的距离向速度、，地面距离向速度Vy，方位向速度、和目标的位置x。作
为参考，用于验证对速度估计的结果，为方便计算取<formula>formula see original document page 5</formula>。系统参数为波长A 二0.03m，脉冲发射间隔时间Tprf二0.001s。 (1)分别对三个通道的数据进行距离向压縮，得到三个回波信号Sl(t)， s2(t)和s3(t)。 根据上述空间几何关系，三个通道的数据经过脉冲压縮后可以用回波信号Sl(t)，
S2(t)禾P S3(t)表示
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中<formula>formula see original document page 5</formula>
(2)将第一个回波信号Sl(t)延迟一个脉冲时间，使用补偿因子C对第二个回波信号&(t)进行相位补偿。然后将两路处理后的信号相减，得到杂波对消后的信号&(t)。 补偿因子形式如下<formula>formula see original document page 5</formula> 因此经过相位补偿后进行杂波对消的信号形式如下
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，Tprf = 0. 001 s ，为发射脉冲间隔时间，取
o<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
带入s(t)，s2(t)和C整理后，形式如下
<formula>formula see original document page 6</formula>近似认为
(10)
4Rh
则可以得到
<formula>formula see original document page 6</formula>
(11)
<formula>formula see original document page 6</formula>(12) (3)将进行补偿后的第二个回波信号延迟一个脉冲时间。然后将该数据与第三个回波信号s3(t)相减，得到杂波对消后的信号S32(t)。
S32(t)的信号形式如下
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
近似认为
<formula>formula see original document page 6</formula>
得到
<formula>formula see original document page 6</formula>
(4)使用相位补偿因子Cjt)对&(t)进行相位补偿，然后进行方位向傅立叶变换，得到频域上杂波对消后的信号I21(f)。 补偿因子c2a)用于补偿s21a)中t的二次相位，形式如下
s32(t)
C2(t) = exp{j
:2u (vat)2
久Rh
补偿后的S"t)为:
<formula>formula see original document page 6</formula>
傅立叶变换后，得到L(f):<formula>formula see original document page 7</formula> 其中t = nTprf。故:
<formula>formula see original document page 7</formula> 其中&为采样点个数，取f'=
<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>(21) (5)使用相位补偿因子Q(t)和Cjt)对S^(t)进行相位补偿，然后进行方位向傅立叶变换，得到频域上杂波对消后的信号I32(f)。 补偿因子Q(t)和C2(t)用于补偿Sjt)中t的二次相位。C2(t)形式与公式(17)
中相同，如下Q (t)<formula>formula see original document page 7</formula> 补偿后的Sjt)为
<formula>formula see original document page 7</formula>
傅立叶变换后，得到L(f):
<formula>formula see original document page 7</formula> 其中I' 32(f) = I' 21(f) (6)将I21 (f)与I32 (f)进行干涉处理，得到I21 (f)与I32 (f)的相位差A①，进而得到目标的多普勒中心频率的估计值fd。—est。 用Ojf)表示I^(f)的相位，02(f)表示L(f)的相位，干涉后的相位差AO(f)可用下式表示
因此，根据相位差可以计算得到目标的实际位置x。
<formula>formula see original document page 7</formula> 将I21 (f)与I32 (f)进行干涉处理后得到相位差A①(f)位差计算得到目标位置的估计x。 = _5. 0755m。 由目标位置的估计可以得到目标的多普勒中心频率fd。，x0.2Va
<formula>formula see original document page 7</formula>(27)
(7)根据目标在图像中的位置得到目标中心频率的真实值fdc real。 图像中目标的多普勒中心频率fd。 Mal可用下式表示 fdc_reai = -平+尝.xo (28) 从图像中直接读取目标的多普勒中心频率(即目标峰值点的频率)为fd。—Mal
=-101. 8066Hz。 (8)通过、4和fdc Mal计算得到目标的距离向速度V"由fdc est和fdc Mal表达式可知 <formula>formula see original document page 8</formula> 带入X。和fd。—g得到Vr
(29)
2. 908m/s。理论值分别为Vr
1. 430m/s，相应的Vy1. 476m/s， Vy = 3m/s。 2.对DPCA处理后的数据进行多普勒参数估计，得到目标的方位向速度。
图4为最优对比度法处理流程图。首先根据系统参数，确定初始多普勒调频率4—。。然后以f^为中心，使用不同的多普勒调频率^对目标进行成像。每次成像后，记录图像的对比度。最后得到图像对比度与多普勒调频率的关系曲线。接着寻找图像对比度最
大时的多普勒调频率fr，并以此多普勒调频率fr作为多普勒调频率的估计fr，t。最后，根据多普勒调频率的估计值f^st和目标的距离向速度Vr计算得到目标的方位向速度Va。 1)根据载频波长、参考斜距、载机平台速度以及目标的速度矢量确定初始多普勒调频率fr—。。运动目标的多普勒调频率可用下述表达式计算<formula>formula see original document page 8</formula> (30) 上式中A为信号波长，Rh为参考斜距，Va为载机平台速度，Vx和1构成了目标的速度矢量。由于Vx未知，暂时取Vx = 0。得到4。 = 320. 499Hz/s。2)以初始多普勒调频率fr—。为中心，使用不同的多普勒调频率fr对目标进行成
像。得到图像对比度与多普勒调频率的关系曲线。 设置多普勒调频率fr的范围为300. OHz/s至340. OHz/s，步长为0. 2Hz/s，共200
个fr。使用每个fr对目标进行成像，并计算图像的对比度，得到图像对比度与多普勒调频
率的关系曲线，如图5所示。 3)寻找图像对比度最大值对应的fr作为多普勒调频率的估计f^st。
由图5可以看出对比度的峰值大致位于^ = 310.5Hz/s的位置，且误差不超过0. 2Hz/s。为了提高精度，以^ = 310Hz/s为中心，縮短步长为0. 002Hz/s，重新计算目标的对比度，得到图6。从图6中，得到对比度最大时，fr = 310. 412Hz/s。 4)根据多普勒调频率的估计值fr—est和目标的距离向速度1计算得到目标的方位向速度Vx。根据公式(30)中的表达式，计算得到目标的方位向速度l = 3.997m/s 3.根据目标的距离向速度和方位向速度确定目标的速度矢量，计算出目标的姿态
角。由前两步可得目标的速度矢量 VT = [vx， vy] = [3. 997，2. 908] 目标的姿态角可由下式计算得到<formula>formula see original document page 9</formula> 姿态角的理论值为atan 4/3 = 53.13° ，误差0.83° 。从该结果可以看出，本发明可用比较准确的估计出目标的姿态角。对比参考文献中的姿态角提取方法，本方法更为精确。此外，由于本方法直接对回波数据进行操作，避免了图像质量对目标姿态角提取精度的影响。
权利要求
一种基于回波数据的SAR图像运动目标姿态角提取方法，其特征在于步骤一、直接对回波数据进行DPCA处理，通过干涉相位得到距离向速度；步骤二、对DPCA处理后的数据进行多普勒参数估计，得到目标的方位向速度；步骤三、根据目标的距离向速度和方位向速度确定目标的速度矢量，提取目标的姿态角。
2. 根据权利要求1所述的SAR图像运动目标姿态角提取方法，其特征在于所述的步骤一具体过程为a) 分别对三个通道的数据进行距离向压縮，得到三个回波信号Sl(t)， s2(t)和s3(t);b) 将第一个回波信号sjt)延迟一个脉冲时间，使用补偿因子C对第二个回波信号S2(t)进行相位补偿，然后将两路处理后的信号相减，得到杂波对消后的信号S21(t);c) 将进行补偿后的第二个回波信号延迟一个脉冲时间，然后将该数据与第三个回波信 号S3(t)相减，得到杂波对消后的信号S^(t);d) 使用相位补偿因子cjt)对&(t)进行相位补偿，然后进行方位向傅立叶变换，得到频域上杂波对消后的信号I21(f);e) 使用相位补偿因子Q(t)和Cjt)对S^(t)进行相位补偿，然后进行方位向傅立叶变换，得到频域上杂波对消后的信号I32(f);f) 将I21(f)与132(f)进行干涉处理，得到I21(f)与132(f)的相位差A①(f)，进而得到目标的多普勒中心频率的估计值fd。—est;f)根据目标在图像中的位置得到目标中心频率的真实值fd。—Mal;h)通过fd。 est和fd。 Mal计算得到目标的距离向速度Vr。
3. 根据权利要求1所述的SAR图像运动目标姿态角提取方法，其特征在于步骤二所述的多普勒参数估计方法包括以下步骤a) 根据载频波长、参考斜距、载机平台速度以及目标的速度矢量确定初始多普勒调频 率f r—o ;b) 以初始多普勒调频率fr—。为中心，使用不同的多普勒调频率fr对目标进行成像，得到图像对比度与多普勒调频率的关系曲线；C)寻找图像对比度最大值对应的多普勒调频率fr作为多普勒调频率的估计值fr—est ;d)根据多普勒调频率的估计值f^st和目标的距离向速度l计算得到目标的方位向速度Vx。
4. 根据权利要求1所述的SAR图像运动目标姿态角提取方法，其特征在于步骤三具体过程为由步骤一和步骤二得目标的速度矢量<formula>formula see original document page 2</formula>目标的姿态角由下式计算得到<formula>formula see original document page 2</formula>
全文摘要
本发明公开了一种基于回波数据的SAR图像运动目标姿态角提取方法。本发明直接对回波数据进行DPCA处理，通过干涉相位得到距离向速度；然后对DPCA处理后的数据进行多普勒参数估计，得到目标的方位向速度；最后根据目标的距离向速度和方位向速度确定目标的速度矢量，提取目标的姿态角。该方法可以通过回波数据，根据目标的数学表达式提取目标的姿态角。目标姿态角的精度不受图像质量的影响。
文档编号G01S7/02GK101710176SQ20091024372
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者周荫清, 宋曦 申请人:北京航空航天大学