一種合成孔徑雷達非線性調頻變標的成像方法
2023-10-11 20:55:14 2
專利名稱：一種合成孔徑雷達非線性調頻變標的成像方法
技術領域：
本發明屬於合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)成像技術領域，特別是涉及利用勒讓德(Legendre)正交多項式、對合成孔徑雷達非線性調頻變標(Nonlinear Chirp Scaling, NCS)方法中的二維頻域信號進行三階展開的成像處理方法。
背景技術：
合成孔徑雷達是一種具有高解析度的成像雷達，其原理是通過平臺的運動來形成一個等效的天線孔徑，從而獲得較高的方位向解析度；通過發射寬帶信號來獲得高的距離向解析度。與光學傳感器相比，SAR具有全天時、全天候的工作能力，目前已廣泛地應用於地球遙感，海洋研究、資源勘探、災情預報和軍事偵察等領域。SAR成像的基本原理是通過對回波信號的距離向匹配濾波，完成距離向信號的脈衝壓縮，然後進行方位向匹配濾波得到聚焦的SAR圖像。常見的成像處理方法包括距離-都卜勒(Range-DopplenR-D)成像方法，線性調頻變標(Chirp Scaling, CS)成像方法、波數域成像方法及非線性調頻變標等成像處理的方法。R-D成像處理方法由於效率高而被廣泛應用，但對有一定斜視角處理變得複雜甚至無效；波數域成像處理方法較為精確，且能適應大的斜視角及距離徙動(Range Cell Migration)較大的情況，但是由於成像處理過程中需要插值處理，引起計算量的增加和成像精度的下降；線性調頻變標的成像處理方法不需要插值處理，僅通過復乘和快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)就可以實現成像處理，且成像精度較高，但傳統的線性調頻變標成像處理方法無法實現較大斜視角的聚焦成像。NCS成像處理方法由於考慮了隨距離線性變化的二次距離壓縮，因此可以適用於較大的斜視角，是對較大斜視角成像的一種較理想的SAR成像處理方法。在NCS成像方法的處理過程中，一股對回波信號的二維頻域信號進行泰勒(Taylor)多項式三階展開，在展開過程中採用了近似處理，相位誤差較大，成像精度不高；若想提高成像的處理精度及在大斜視角下對目標進行成像，必須將回波信號的二維頻域信號進行四階或者高於四階的泰勒多項式展開，此時雖然可以達到成像的精度要求，但卻存在成像處理方法複雜、成像的效率及精度低等缺陷。
發明內容
本發明的目的是針對背景技術存在的缺陷，改進設計一種合成孔徑雷達非線性調頻變標的成像方法，採用基于勒讓德正交多項式三階展開的高解析度SAR非線性調頻變標處理、以達到在有效提高成像處理的精度及滿足大斜視角成像要求的前提下，降低成像處理的複雜度、提高成像處理的效率等目的。本發明的解決方案是首先對雷達接收到的回波信號分別進行距離向和方位向的快速傅立葉變換、將回波信號變換到二維頻域信號，並將其在勒讓德正交多項式下進行三階展開；然後通過非線性調頻函數與經傅立葉變換所得回波信號的二維頻域表達式相乘，以完成對回波信號二維頻域信號表達式中三次相位項的濾波處理；再將濾波處理後的信號變換到都卜勒頻域-距離時間域，並通過非線性調頻變標函數與該都卜勒頻域-距離時間域的信號相乘，以完成非線性調頻變標處理；然後將非線性調頻變標處理後的信號沿距離向作傅立葉變換、得到經非線性調頻變標處理後的二維頻域信號，並通過距離向參考函數與其相乘，以完成距離壓縮和距離徙動校正；再將經距離壓縮和距離徙動校正後的信號變換到都卜勒頻域-距離時間域，並通過方位向參考函數與該距離時間域-都卜勒頻域的信號相乘，以完成方位壓縮和殘餘相位補償；最後將經方位壓縮和殘餘相位補償後的信號沿方位向作傅立葉逆變換，從而完成對目標的成像處理。因而，本發明方法包括A. 二維頻域展開將接收到的回波信號分別通過距離向和方位向傅立葉變換、變換到二維頻域，並將所得回波信號的二維頻域信號通過勒讓德正交多項式進行三階展開， 以完成對回波信號的方 位向和距離向的解耦合處理；B.濾波處理將經步驟A所得解耦合處理後的信號與非線性調頻函數相乘、對步驟A所得信號的三次相位項進行濾波處理，以消除三次相位項對成像的影響；C.非線性調頻變標將步驟B所得信號通過距離向傅立葉逆變換(Inverse Fourier Transform)、變換到都卜勒頻域-距離時間域，然後將該都卜勒頻域-距離時間域的信號與非線性調頻變標函數相乘進行非線性調頻變標處理；D.距離壓縮及距離徙動校正將經步驟C所得信號通過距離向傅立葉變換、變換到二維頻域；然後將該二維頻域信號與距離向參考函數相乘進行距離壓縮及距離徙動校正處理；E.剩餘相位補償及方位壓縮將步驟D所得信號通過距離向傅立葉逆變換、變換到距離時間域-都卜勒頻域；接著將該距離時間域-都卜勒頻域的信號與方位向參考函數相乘，完成方位壓縮和剩餘相位補償處理；最後對方位壓縮和剩餘相位補償後的信號作方位向傅立葉逆變換、從而完成對目標的成像處理。本發明所述對回波信號的二維頻域信號進行勒讓德正交多項式的三階展開處理， 採用的展開式為
權利要求
1.一種合成孔徑雷達非線性調頻變標的成像方法，包括A.二維頻域展開將接收到的回波信號分別通過距離向和方位向傅立葉變換、變換到二維頻域，並將所得回波信號的二維頻域信號通過勒讓德正交多項式進行三階展開，以完成對回波信號的方位向和距離向的解耦合處理；B.濾波處理將經步驟A所得解耦合處理後的信號與非線性調頻函數相乘、對步驟A 所得信號的三次相位項進行濾波處理，以消除三次相位項對成像的影響；C.非線性調頻變標將步驟B所得信號通過距離向傅立葉逆變換、變換到都卜勒頻域-距離時間域，然後將該都卜勒頻域-距離時間域的信號與非線性調頻變標函數相乘進行非線性調頻變標處理；D.距離壓縮及距離徙動校正將經步驟C所得信號通過距離向傅立葉變換、變換到二維頻域；然後將該二維頻域信號與距離向參考函數相乘進行距離壓縮及距離徙動校正處理；E.剩餘相位補償及方位壓縮將步驟D所得信號通過距離向傅立葉逆變換、變換到距離時間域-都卜勒頻域；接著將該距離時間域-都卜勒頻域的信號與方位向參考函數相乘， 完成方位壓縮和剩餘相位補償處理；最後對方位壓縮和剩餘相位補償後的信號作方位向傅立葉逆變換、從而完成對目標的成像處理。
2.按權利要求1所述合成孔徑雷達非線性調頻變標的成像方法，其特徵在於所述對回波信號的二維頻域信號進行勒讓德正交多項式的三階展開處理，採用的展開式為式中Φ (f\，fn)為待展開回波信號的二維頻譜表達式，f\為距離向頻率，fn為方位向頻率，Rb為合成孔徑中心時刻雷達到目標的距離，λ為雷達發射信號波長，a0(fn), ai(fn),a2(fn),a3(fn)分別為勒讓德多項式展開的零次項、一次項、二次項和三次項係數。
3.按權利要求1所述合成孔徑雷達非線性調頻變標的成像方法，其特徵在於所述對經步驟A所得信號的三次相位項進行濾波處理，濾波處理通過
4.按權利要求1所述合成孔徑雷達非線性調頻變標的成像方法，其特徵在於所述非線性調頻變標處理，處理方法經下式進行S2Ya( τ , f η) = S2Y( τ , f η)Η2( τ , f η)其中，S2Ya(T，fn)為經非線性調頻變標處理後的信號，S2Y(x，f\)為S2Y(f\，f\)沿距離向進行傅立葉逆變換得到的信號，Η2( τ，fn)為非線性調頻變標函數。
5.按權利要求1所述合成孔徑雷達非線性調頻變標的成像方法，其特徵在於所述進行距離壓縮及距離徙動校正處理，處理方法通過下式進行SyR (f τ ， f ri) —(f τ ， f η^ (f τ 『 f η ^其中，^(f\，f\)為經距離壓縮及距離徙動校正後的信號，Sm(f\，f\)為&Ya(T，fJ 沿距離向進行傅立葉變換得到的信號，H3(f\，f\)為距離向參考函數。
6.按權利要求1所述合成孔徑雷達非線性調頻變標的成像方法，其特徵在於所述剩餘相位補償及方位壓縮處理，處理方法通過下式進行
全文摘要
該發明屬於合成孔徑雷達成像技術中的非線性調頻變標的成像方法，包括二維頻域展開，濾波處理，非線性調頻變標，距離壓縮及距離徙動校正，以及剩餘相位補償及方位壓縮。該發明利用勒讓德多項式具有正交性及平方誤差最小的特性，對所得回波信號的二維頻域信號按照勒讓德正交多項式進行三階展開，然後通過對回波信號二維頻域表達式中的三次相位項進行濾波處理等、完成對目標的聚焦成像。採用該發明方法在相同條件下最大相位誤差不到背景技術最大相位誤差的千分之二，從而為大斜視角條件下的高精度成像提供了保障；因而本發明具有可有效降低成像過程中的相位誤差、實現了大斜視角的成像處理，且成像的效果好、成像處理的效率及精度高等特點。
文檔編號G01S13/90GK102288961SQ20111018959
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月7日 優先權日2011年7月7日
發明者周寶亮, 孫崢, 常俊飛, 張順生 申請人:電子科技大學