一种太赫兹SAR高频振动误差补偿方法与流程

本发明涉及雷达信号处理技术领域，特别涉及一种太赫兹sar高频振动误差补偿方法。

背景技术：

太赫兹波通常指频率在0.1thz～10thz之间的电磁辐射，波长为3mm～30μm。从频率上看，太赫兹波介于毫米波与红外光之间；从能量上看，太赫兹波介于电子和光子之间。由于太赫兹波的特殊性质，将其用于合成孔径雷达成像可以打破传统光学雷达和毫米波雷达成像的诸多瓶颈。与光学雷达相比，太赫兹合成孔径雷达(terahertzsyntheticapertureradar，thz-sar)具有高透射性，能穿透介质材料探测隐蔽物体，可用于安检、质检领域；与微波、毫米波雷达相比，太赫兹sar分辨率高、对目标微动敏感，可用于微动目标检测等领域。因此，太赫兹sar成像技术已成为当前太赫兹领域的重要研究方向之一。

微波sar中，常见的运动误差分为位置误差和姿态误差。通常，姿态误差可采用天线伺服平台控制波束指向，稳定飞行姿态，对成像结果影响较小；而位置误差会导致回波信号包络和相位的畸变，对成像结果影响较大，需重点补偿。低频段的相位误差主要来源于航向速度、加速度及视线加速度的误差，三者的限制条件都与波长成反比，而高频段相位误差的限制条件均与波长成正比；并且太赫兹sar平台的高频振动误差虽然振幅很小不会影响航迹，却会严重影响回波相位，使成像结果恶化，而现有运动传感器也尚未达到检测毫米级高频振动误差的精度。因此太赫兹sar对高频振动误差的补偿要求更高。

关于太赫兹sar高频振动误差，目前已有光学隔振平台结合回波数据自聚焦的补偿方法，但光学隔振平台体积大，不方便安装于机载平台，价格也比较贵。另一种使用较多的方法为参数化自聚焦，其中对振动频率的估计采用短时傅里叶变换(stft)，该方法存在分辨率单一、高频分辨率低且无法同时达到时间、频率分辨率最优等问题。因此，需要研究精确度更高、更为实用的高频振动参数估计方法，以便应用于实际太赫兹sar平台的运动补偿。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种太赫兹sar高频振动误差补偿方法，首先根据太赫兹sar机载平台的振动几何模型，得到平台振动对sar成像瞬时斜距的影响，建立太赫兹sar高频振动下的回波信号模型；分析回波经距离脉压后，平台高频振动会对信号的距离走动产生影响同时引入二次相位，采用基于多普勒keystone变换的太赫兹sar高频振动成像方法完成成对回波的聚焦；然后针对成像结果的相位与平台振动参数之间的关系，引入小波多分辨分析进行平台振动频率估计，利用频率估计值结合参数空间投影法估计振动幅相，并构造相位补偿函数实现太赫兹sar高频振动误差的精确补偿，实现了太赫兹sar高频振动误差的精确补偿，能有效地提升实际太赫兹sar平台的成像质量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种太赫兹sar高频振动误差补偿方法，该方法包含以下步骤：

s1、根据太赫兹合成孔径雷达平台成像几何关系，建立回波信号模型，采用基于多普勒keystone变换的太赫兹合成孔径雷达高频振动成像方法实现初步成对回波的聚焦成像；

s2、将太赫兹合成孔径雷达初步成像结果转换到距离多普勒域，提取一距离单元信号的相位，经解缠得到实际相位；

s3、对真实相位做小波多分辨分析，根据高频振动的频率范围确定分解层数，提取相应频率范围的高频小波系数，通过小波重构恢复出该频率范围的信号，再利用快速傅里叶变换分析信号频谱，获得平台振动频率估计值；

s4、采用振动频率估计值构造基函数，将提取的距离单元信号向该基函数构成的两维参数空间投影，并在此空间中搜索最大值，估计出平台振动幅相；

s5、利用估计出的平台振动参数构造相位补偿函数，抵消掉距离单元信号中与平台振动有关的相位，经方位向逆傅里叶变换回到图像域，得到太赫兹合成孔径雷达高频振动误差补偿后的成像结果。

优选地，所述步骤s1中的太赫兹合成孔径雷达成像几何模型中：

令雷达工作于正侧视观测模式，在距地面高度h处沿y轴方向水平飞行，速度大小为va，下视角为θl；

若振动平台为单一高频振动，该单一高频振动的振动规律近似为简谐振动；

在t时刻，振动平台在雷达视线方向上的瞬时振动偏移量r(t)可表示成：

其中，av、fv、分别表示振动平台高频振动分量的振幅在雷达视线方向上的投影大小、振动频率及初相；定义当|fv·ta|≥1时，雷达平台的振动频率属于高频信号，ta表示合成孔径时间；

振动平台的相位中心c'点到目标p的瞬时斜距rc′(t)可以由无平台振动下的相位中心c点到目标p的瞬时斜距rc(t)叠加平台在雷达视线方向上的瞬时振动偏移量r(t)，可得：

其中，r0表示目标到雷达的最短斜距；

当雷达发射线性调频信号，振动平台接收的回波信号经过脉冲压缩后可表示为：

其中，j表示虚数单位符号，fτ是距离频率，t是方位时间，wr(·)代表距离频谱的包络，wa(·)代表方位时域包络，t0是波束中心穿越时刻，f0为雷达载频，c为光速。

优选地，所述步骤s1中，还包含以下过程：

采用基于多普勒keystone变换的太赫兹合成孔径雷达成像算法对公式(3)对应的信号进行处理，依次为：方位向多普勒keystone变换的距离走动校正、距离徙动校正、方位二次相位补偿以及剩余视频相位消除；其中，方位向多普勒keystone变换是对方位频率fa进行如式fa′＝(f0/(f0+fτ))·fa的比例缩放，最终得到二维时域的太赫兹合成孔径雷达成像结果如公式(4)：

其中，sinc{·}表示辛克函数，br是发射信号带宽，ba表示信号的多普勒带宽，τ表示距离快时间。

优选地，所述步骤s2中，还包含以下过程：

将二维时域的太赫兹合成孔径雷达成像结果变换到距离多普勒域的形式：

提取相位、经过解缠后的信号形式为：

公式(5)中的wa(fa′)是方位时域包络的频谱，公式(6)中的r0等价于低频信号，而等价于高频项。

优选地，所述步骤s3中，还包含以下过程：

基于小波多分辨分析的算法，对原始信号s进行逐层分解，每层分解都将信号分解为低频部分cai和高频部分cdi，再对该低频部分cai继续向下分解，进一步得到低频部分和高频部分，依此类推，则在i层分解后所得各分量与原始信号s的关系表示为：

s＝cai+cdi+cdi-1+…+cd1(7)；

其中，当原始信号s的采样频率为fs，则第i层分解的低频分量、高频分量所代表的频率范围分别为0～fs/2ⁱ和fs/2ⁱ～fs/2^i-1。

优选地，所述步骤s4中，还包含以下过程：

根据公式(5)的距离单元信号表达式构造基函数，可得：

式中，参数空间的范围是

将信号向该参数空间投影，得到投影结果

在该参数空间上搜索最大值，估计出相应的振动幅度和初相

优选地，所述步骤s5中，还包含以下过程：

利用估计的平台振动参数构造平台振动的相位补偿函数：

其中，估计的平台振动参数包含估计的振动幅度估计的振动频率和估计的初相

将公式(5)信号与vref(fa′)相乘，完成高频振动误差补偿，再对信号做方位向逆傅里叶变换回到两维时域：

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明实现了太赫兹sar高频振动误差的精确补偿，能有效地提升实际太赫兹sar平台的成像质量。

(2)本发明用于太赫兹sar平台的实际成像时无需额外安装隔振平台等设备，节约人力、成本。

(3)本发明与短时傅里叶变换相比，小波多分辨分析可以精确估计的振动频率范围更大，实际适用范围更广。

附图说明

图1本发明的太赫兹sar高频振动误差补偿方法的流程图；

图2本发明的太赫兹sar成像几何模型示意图；

图3本发明的小波多分辨分析的算法原理图。

具体实施方式

本发明公开了一种太赫兹sar高频振动误差补偿方法，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的一种太赫兹sar高频振动误差补偿方法，包括以下步骤：

步骤s1、根据太赫兹sar平台成像几何关系，建立回波信号模型，采用基于多普勒keystone变换(dopplerkeystonetransform，dkt)的太赫兹sar高频振动成像方法实现初步成对回波的聚焦成像。

如图2所示为太赫兹sar成像几何模型。不失一般性，令雷达工作于正侧视观测模式，在距地面高度h处沿y轴方向水平飞行，速度大小为va，下视角为θl。假设平台为单一高频振动，且其振动规律近似为简谐振动。平台无振动时的瞬时相位中心用c点表示，平台有振动时的瞬时相位中心位置在雷达视线方向(los方向)的投影为c'点，则t时刻，平台在los方向上的瞬时振动偏移量r(t)(即图2中的线条cc')可表示成：

其中，av、fv、分别表示载机平台高频振动分量的振幅在los上的投影大小、振动频率及初相(定义当|fv·ta|≥1时，雷达平台的振动频率属于高频信号，ta表示合成孔径时间)。

振动平台的相位中心c'点到目标p的瞬时斜距rc′(t)可以由无平台振动下的相位中心c点到目标p的瞬时斜距rc(t)叠加平台在los方向上的瞬时振动偏移量r(t)，可得：

其中，r0表示目标到雷达的最短斜距。

假设雷达发射线性调频信号，振动平台接收的回波信号经过脉冲压缩后可以表示为：

其中，j表示虚数单位符号，fτ是距离频率，t是方位时间，wr(·)代表距离频谱的包络，wa(·)代表方位时域包络，t0是波束中心穿越时刻，f0为雷达载频，c为光速。

采用基于多普勒keystone变换(dopplerkeystonetransform,dkt)的太赫兹sar成像算法对公式(3)对应的信号进行处理，依次为：方位向dkt的距离走动校正、距离徙动校正、方位二次相位补偿以及剩余视频相位(residualvideophase，rvp)消除，其中方位向dkt变换就是对方位频率fa进行如式fa′＝(f0/(f0+fτ))·fa的比例缩放，最终得到二维时域的太赫兹sar成像结果如公式(4)：

其中，sinc{·}表示辛克函数，br是发射信号带宽，ba表示信号的多普勒带宽，τ表示距离快时间。

步骤s2、将太赫兹sar初步成像结果转换到距离多普勒域，提取某一距离单元信号的相位，经解缠得到实际相位。具体如下：

将公式(4)变换到距离多普勒域的形式，如下：

其中，wa(fa′)是方位时域包络的频谱。

提取相位、经过解缠后的信号形式为：

公式(6)中r0有关的部分等价于低频信号，而后一项是与平台振动参数有关的部分，等价于高频项。

步骤s3、对真实相位做小波多分辨分析，根据高频振动的频率范围确定分解层数，提取相应频率范围的高频小波系数，通过小波重构恢复出该频率范围的信号，再利用快速傅里叶变换(fft)分析信号频谱，获得平台振动频率估计值。具体如下：

如图3所示为小波多分辨分析的算法原理，其中，s表示原始信号，每层分解都将信号分解为低频部分cai和高频部分cdi，然后再对该低频部分cai继续向下分解，进一步得到低频部分和高频部分，，依此类推(例如，将原始信号s分解为低频部分ca1和高频部分cd1，再将低频部分ca1继续进行分解得到低频部分ca2和高频部分cd2，再将低频部分ca2继续进行分解得到低频部分ca3和高频部分cd3，依此类推)。即在i层分解后所得各分量与原始信号s的关系可表示为：

s＝cai+cdi+cdi-1+…+cd1(7)

若原始信号s的采样频率为fs，那么第i层分解的低频分量、高频分量所代表的频率范围分别为0～fs/2ⁱ,fs/2ⁱ～fs/2^i-1。

步骤s4、采用振动频率估计值构造基函数，将提取的距离单元信号向该基函数构成的两维参数空间投影，并在此空间中搜索最大值，估计出平台振动幅相。具体如下：

根据公式(5)的距离单元信号表达式构造基函数：

其中，参数空间的范围是将信号向该参数空间投影，得到投影结果

在该参数空间上搜索最大值，可以估计出相应的振动幅度和初相

步骤s5、利用以上估计的平台振动参数构造相位补偿函数，抵消掉该距离单元信号中与平台振动有关的相位，经方位向逆傅里叶变换(ifft)回到图像域，得到太赫兹sar高频振动误差补偿后的成像结果。具体如下：

利用估计出来的平台振动参数(例如估计出的振动幅度估计出的振动频率及估计出的初相)，构造平台振动的相位补偿函数：

将公式(5)信号与vref(fa′)相乘，完成高频振动误差补偿，再对信号做方位向ifft回到两维时域：

综上所述，本发明的太赫兹sar高频振动误差补偿方法实现了太赫兹sar高频振动误差的精确补偿，能有效提升实际太赫兹sar平台的成像质量。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。