一种机载合成孔径雷达多普勒中心偏移计算方法与流程

本发明涉及微波遥感技术，特别是涉及一种机载合成孔径雷达多普勒中心偏移计算方法。

背景技术

在合成孔径雷达(syntheticapertureradar,sar)探测数据中，多普勒中心频率代表探测回波的相位信息，直接影响图像信噪比、方位模糊信号比以及成像后的目标位置，主要应用于雷达成像领域。近几年，随着搭载平台测量设备测量速度和精度的提高，人们在处理sar探测回波数据时发现，平台运动状态数据计算的多普勒中心频率和海洋探测回波数据计算的多普勒中心频率始终存在特定差异，并开始认识到这种差异可能来自于海洋表层运动的影响。基于这一假设，学者们将sar海洋探测回波数据和平台运动状态数据计算多普勒中心频率存在差异定义为多普勒中心偏移(dopplercentroidshift，dcs)，进而开展海面风场、海表流场等海洋环境参数反演研究。

目前，在多普勒中心频率计算研究方面，针对平台运动状态数据，raney等和bezvesilniy等[bezvesilniyoo,vavrivdm.syntheticapertureradarsystemsforsmallaircrafts:dataprocessingapproaches[m].intechopenaccesspublisher,2012,p465-498.]分别提出了星载、机载sar多普勒中心频率计算方法。针对探测回波数据，研究人员按照探测回波数据处理的不同阶段，提出了多种多普勒中心频率计算方法[herlandea.seasatsarprocessingatthenorwegiandefenceresearchestablishment(designandoperationofadigitalprocess)[j].esaappl.ofremotesensingdataonthecontinentalshelfp247-253(seen82-1455305-43),1981.]。但是针对多普勒中心偏移计算方法的研究尚比较少，只有hansen等利用envisatasar探测数据计算了多普勒中心偏移，并对处理误差进行分析[hansenmw,collardf,dagestadk,etal.retrievalofseasurfacerangevelocitiesfromenvisatasardopplercentroidmeasurements[j].ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing,2011,49(10):3582-3592.]。然而，该方法主要针对星载sar，不适用于机载sar多普勒中心偏移的计算，且存在着计算精度低的不足。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种机载合成孔径雷达多普勒中心偏移计算方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种机载合成孔径雷达多普勒中心偏移计算方法，包括以下步骤：

步骤1、读取sar探测回波数据，进行方位向fft，获取多普勒功率谱；

步骤2、对多普勒功率谱进行小波分析滤波，确定基于回波数据的多普勒中心频率；

步骤3、读取机载sar惯性导航数据和雷达性能参数，计算基于惯导数据的多普勒中心频率；

步骤4、根据基于回波的多普勒中心频率和基于惯导数据的多普勒中心频率，确定多普勒中心偏移。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明利用基于回波的多普勒中心频率和基于惯导的多普勒中心频率计算多普勒中心偏移，方法简单有效；2)本发明在多普勒谱分析中加入小波分析去除噪声的影响，提高了计算精度；3)本发明解决了机载sar的多普勒中心偏移计算问题，为未来的海洋环境应用提供了有利条件。

附图说明

图1是本发明机载sar探测几何关系图。

图2是本发明多普勒中心频率的计算示例图，其中图(a)是一个脉冲序列的全极化回波数据排列，图(b)是读取的vv极化探测回波，图(c)是fft后的探测回波，图是(d)多普勒功率谱。

图3是本发明探测数据20120726-011的姿态信息图，其中图(a)是载机飞行探测的俯仰角、偏航角和横滚角，图(b)是载机飞行速度，图(c)是载机飞行高度。

图4是本发明机载合成孔径雷达多普勒中心偏移计算方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步描述本发明方案。

机载合成孔径雷达多普勒中心偏移计算方法，包括以下步骤：

步骤1、读取sar探测回波数据，进行方位向fft，获取多普勒功率谱。

如果目标场景均匀(如海洋、草地)，后向散射系数ξ(t,r)满足高斯分布，方位向回波信号可表示为：

式中，t表示接收时间，r表示探测斜距，ha(t,r)是方位向系统响应函数。将上式变换到频域，方位向功率谱(又称多普勒功率谱)可表示为：

式中，f表示频率，r表示探测斜距，ξ0表示后向散射系数，ha(f,r)表示方位向系统响应函数。

步骤2、对多普勒功率谱进行小波分析滤波，确定基于回波数据的多普勒中心频率。

小波基函数通常定义为：

式中，ψa,b(x)是小波母函数ψ(x)经过平移和缩放的结果，a为尺度因子，b为缩放因子，x表示自变量。

小波函数选取是小波分析应用研究中重要的科学问题。sar数据处理中，我们发现mexican-hat母小波函数具有任意阶的正则性，同时具有较好的时域和频域局部化特性及信号能量集中特性，有利于去除噪声对多普勒功率谱的影响。mexican-hat小波函数为高斯函数的二阶导数，可表示为：

式中，ψ(x)表示小波母函数，x表示自变量。

步骤3、读取机载sar惯性导航数据和雷达性能参数，计算基于惯导数据的多普勒中心频率。

机载sar姿态变化时构成的探测几何关系如图1所示。载机沿着x轴以速度v在h高度平行于平面(xoy)开展探测飞行。雷达天线指向用矢量表示，为天线方向图与平面(xoy)的切线，α为俯仰角，β为偏航角，(xr,yr)为天线波束中心到探测目标的指向点。

此时，天线波束中心到地面指向点的坐标为：

则多普勒中心频率计算公式为：

式中，λ表示雷达波长，v表示搭载平台飞行速度，r表示探测斜距，xr表示天线波束指向在x轴的投影，其中，h表示载机飞行高度，α表示俯仰角，β表示偏航角。

步骤4、将基于回波的多普勒中心频率和基于惯导数据的多普勒中心频率作差，确定多普勒中心偏移：

式中，fdcs表示多普勒中心偏移，表示基于回波数据计算的多普勒中心频率，表示基于惯导数据计算的多普勒中心频率。

为了验证本专利的实用性，利用机载sar探测数据开展计算效果检验。

机载sar的飞行探测时间为2012年7月26日14时到21时，载机飞行高度为3000m，探测分辨率为1.5m、3m，雷达中心入射角为30°、40°。惯性导航参数及性能指标、机载sar工作参数及指标分别如表1,2所示。

表1hjg-5惯性导航系统输出参数及性能指标

表2机载sar工作参数及指标

机载sar的探测回波为全极化数据，本实施例采用vv极化回波数据计算多普勒中心频率。

本专利以探测数据20120726-011为例，介绍机载sar多普勒中心偏移的计算方法。首先，利用探测回波数据计算多普勒中心频率。读取机载sar探测回波数据，一个脉冲序列的全极化回波数据排列如图2(a)所示，图中幅度显著变化部分为回波信号，极化方式依次为hh、hv、vh和vv，其余部分为噪声。从中读取vv极化回波数据(图2(b)，512×512)，作方位向fft，所得图像如图2(c)所示，图中明亮部分为天线方向图中心指向区域。将fft后的探测回波沿方位向叠加，得到多普勒功率谱(图2(d)，细实曲线)，再利用mexican-hat小波函数滤波，平滑多普勒功率谱(图2(d)，粗虚曲线)，最终依据多普勒功率谱能量中心位置确定多普勒中心频率结果为61.5hz。

其次，利用惯性导航数据计算多普勒中心频率。探测数据20120726-011采用的雷达入射角为40°，俯仰角、偏航角、飞行速度和高度等姿态信息，如图3所示。

将俯仰角、偏航角、飞行速度、高度以及雷达入射角输入计算公式(6)和(8)，计算多普勒中心频率结果为46.2hz。

然后，计算探测数据的多普勒中心偏移。采用减去计算多普勒中心偏移fdcs，数值为15.3hz。

按照上述过程，我们计算7月26日9组探测数据的多普勒中心偏移，并以cdop(c-banddopplershift)地球物理模型函数计算结果作为比对验证真值，计算结果如表3所示。

表3多普勒中心偏移计算结果比对验证(单位：hz)

由表3可知，9组探测数据多普勒中心偏移计算误差的绝对值均小于2hz，均方根误差为1.4hz。由cdop地球物理模型函数计算结果可知，多普勒中心偏移的误差小于2hz时，可满足海洋环境应用需求。比对验证结果表明，本专利提出的多普勒中心偏移计算方法有效，可满足海洋环境要素反演精度要求。