基於滑窗濾波的多通道合成孔徑雷達系統通道校準方法與流程
2023-05-31 04:50:06 1
本發明涉及物理領域，具體涉及一種基於滑窗濾波的多通道合成孔徑雷達系統通道校準方法。
背景技術：
在合成孔徑雷達(SAR)領域，SAR圖像中的運動目標通常被淹沒於強雜波背景中而無法加以辨別。為區分運動目標，需採用都卜勒濾波技術，在雜波的都卜勒頻帶外進行檢測。但SAR系統為了獲得比較寬的測繪條帶寬度，通常將脈衝重複頻率選得比較小，從而預留給進行運動目標檢測的雜波帶外檢測區域也很少。再加上SAR回波中的雜波和運動目標的都卜勒頻譜都被嚴重展寬，故運動目標和雜波的頻譜通常會有交疊，導致單純地在雜波帶外進行運動目標檢測的性能很有限。為了避免這種限制且能夠在雜波帶內區域進行運動目標檢測，最常用且最有效的解決方案是：利用多通道技術所獲得的空域自由度完成雜波抑制，然後再進行運動目標檢測。為了獲得較好的雜波抑制性能，通常需要對通道間的幅度和相位誤差進行補償，也即需要進行通道校準處理。
目前，合成孔徑雷達中的通道校準技術主要在二維頻率域進行。Ender在文獻「J.H.G.Ender,『The airborne experimental multi-channel SAR system AER-II,』in Proc.EUSAR,Germany,Mar.1996,pp.49–52.」中提出自適應二維校準(A2DC)方法，在二維頻率域以自適應迭代的方式完成通道校準。此外，Gierull在文獻「C.H.Gierull,『Digital channel balancing of along-track interferometricSAR data,』DRDC,Ottawa,ON,Canada,Tech.Rep.TM 2003-024,Mar.2003.」中引入了一種稱為解斜處理(de-trending)的方法，該方法實現簡單，但其僅僅補償了通道間的幹涉相位斜面，而對於幅度誤差則沒有進行補償。因此，對於一些幅度誤差補償也很重要的場合，更傾向於選擇A2DC方法。另一種有趣的方法是文獻「M.Soumekh,『Signal subspace fusion of uncalibrated sensors with application in SAR and diagnostic medicine,』IEEE Trans.on Image Process.,vol.8,no.1,pp.127-137,Jan.1999.」中提出的基於信號子空間處理(SSP)的通道校準技術，該方法通過將待校準的圖像數據投影至由參考圖像數據所表徵的信號子空間中，完成通道間的幅度和相位誤差的補償。由於SSP方法中的信號子空間表示與信號投影等操作均很耗時，實際應用中更傾向於選擇A2DC方法，但A2DC方法的缺點是需要進行迭代操作。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明提供了一種基於滑窗濾波的多通道合成孔徑雷達系統通道校準方法，通過在二維頻率域進行滑窗處理實現通道間的幅度和相位誤差補償，無需迭代操作，實現簡單。
本發明的目的通過以下技術方案來實現：基於滑窗濾波的多通道合成孔徑雷達系統通道校準方法，包括如下步驟：
S1、確定基準通道與待校準通道：
從多個並行通道中選定某一個通道作為參考通道，而其它通道為待校準通道；
S2、利用二維傅立葉變換將參考通道和待校準通道的數據變換至二維頻率域；
S3、挑選位於滑動窗內的樣本數據；
S4、利用滑動窗內的樣本計算濾波器係數；
S5、滑窗濾波：在二維頻率域利用濾波器係數對待校準通道進行通道校準；
S6、利用二維傅立葉逆變換，將校準後的通道數據變換回至二維時域。
其中，所述步驟S1中的待校準通道依據參考通道進行調整。
其中，所述步驟S4中濾波器係數的計算公式為：
式中，Zref(kr,ka)和Z2(kr,ka)分別為參考通道和待校準通道的二維頻率域數據，(·)*表示取複數的共軛操作，kr和ka分別表示距離頻率域和都卜勒頻率域的樣本點序號，Ωall為二維頻率域全體數據的坐標集，Ωwin為落入滑動窗內數據的坐標集，且Ωwin∈Ωall。
其中，所述步驟S5中的滑窗濾波操作描述為：
式中，Z2,cal(kr,ka)為待校準通道經過校準後的數據，為濾波器係數，Z2(kr,ka)為待校準通道的二維頻率域數據。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
1、相比A2DC方法，本發明沒有迭代處理步驟，實現簡單；
2、相比SSP方法，本發明在二維頻率域進行自適應權值訓練，沒有繁雜而又耗時的信號子空間表示與信號投影等操作，具有方法流程設計簡單、速度快和性能好的優點；
3、相比解斜處理(de-trending)方法，本發明同時補償了幅度誤差和相位誤差，具有更優的性能。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的基於滑窗濾波的多通道合成孔徑雷達系統通道校準方法的操作流程圖。
圖2為校準前後的通道2和參考通道1間的幅度失衡。
圖3為用參考通道1對校準前後的通道2進行歸一化後的平均幅度比。
圖4為通道2經校準後的殘餘相位差。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
如圖1所示，本發明實施例提供了一種基於滑窗濾波的多通道合成孔徑雷達系統通道校準方法，具體包括如下步驟：
首先輸入多通道的合成孔徑雷達數據。出於最優信雜噪比相參處理的考慮，假定已經對各通道的數據進行了距離壓縮和距離徙動校正等處理。不失一般性，僅考慮對兩個通道進行校準的情況。
步驟1、確定基準通道與待校準通道。從多個並行通道中選定某一個通道作為參考通道也即主通道，不失一般性，通常選定通道1。而其它通道為待校準通道也即從通道。此時，待校準通道依據參考通道進行調整。下面以對通道2進行校準為例對本發明方法進行設計。
步驟2、將數據轉換至二維頻率域。利用二維傅立葉變換將通道1和通道2的數據變換至二維頻率域，分別記為Zref(kr,ka)和Z2(kr,ka)，kr和ka分別表示距離頻率域和都卜勒頻率域的樣本點序號。
步驟3、挑選位於滑動窗內的樣本數據。在校準前，需挑選出落入滑動窗內的樣本數據，用於濾波器係數的計算，實際中通常使用的滑動窗尺寸為3×3、5×5或5×3。
步驟4、計算濾波器係數。利用滑動窗內的樣本估算濾波器係數。濾波器係數的計算公式為：
式中，Ωall為二維頻率域全體數據的坐標集，Ωwin為落入滑動窗內數據的坐標集，且Ωwin∈Ωall，(·)*表示取複數的共軛操作。
步驟5、滑窗濾波。在二維頻率域利用濾波器係數對通道2進行通道校準，該操作描述為：
式中，Z2,cal(kr,ka)為通道2經過校準後的數據，此時其與參考通道數據間的幅度誤差和相位誤差已經得到了補償。
步驟6、將數據變回至二維時域。利用二維傅立葉逆變換，將校準後的通道數據變換回至二維時域。此時，待校準通道與參考通道數據間的幅度誤差和相位誤差均已經得到了補償。
本發明的有效性可通過下面的實驗進行驗證。實驗所用的X波段實測數據來源於某次機載多通道合成孔徑雷達實驗。為了實現地面運動目標檢測的功能，實驗系統的天線採用沿航向排列配置。雷達參數如下：載波頻率9GHz、脈衝重複頻率840Hz、都卜勒帶寬530Hz、都卜勒中心頻率-90Hz、平臺速度110m/s、天線子孔徑間隔0.4m。實驗中使用的實測原始數據經SAR成像處理後的圖像解析度約為8m×8m。
圖2-圖4對本發明方法和A2DC方法(迭代次數為3)進行了性能對比，檢驗了採用本發明方法和A2DC方法對通道2進行校準前和校準後的通道間的幅度和相位失衡情況。圖2中顯示了四條性能曲線，它們依次為通道1、通道2、經本發明方法校準過的通道2和經A2DC方法校準過的通道2處獲得的平均幅度譜。圖3顯示的是平均幅度的比值，其通過將通道1的平均幅度譜比上通道2的平均幅度譜(校準前或校準後)獲得。為清楚起見，圖3中僅僅顯示了主瓣波束內的結果。可以看出，本發明方法的性能更加接近於理想性能曲線，也即更接近於平均幅度比為1的情況。同樣的結論也可從圖4獲得。從圖4可以看出，本發明方法的殘餘相位失衡更加接近於理想情況，也即0rad的情況。因此，可以斷定本發明方法能獲得更好的通道校準性能。
表1給出了本發明方法和A2DC方法的性能比較結果，其採用了雜波抑制比(CSR)作為性能指標。試驗中，A2DC方法的迭代次數為3。CSR指標的定義為：雜波抑制之前的功率與抑制之後的功率之比值。從表1可以看出，本發明方法與A2DC方法相比性能更優。
表1 性能比較結果
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。