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CN108594227B - 适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法 - Google Patents

适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法 Download PDF

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CN108594227B CN201810375626.9A CN201810375626A CN108594227B CN 108594227 B CN108594227 B CN 108594227B CN 201810375626 A CN201810375626 A CN 201810375626A CN 108594227 B CN108594227 B CN 108594227B
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Abstract

本公开提供了一种适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法，针对强目标的不完整照射会加大基带多普勒中心估计误差问题，本公开提出的基带多普勒中心估计方法，首先通过方位压缩处理，把每个目标的能量都集中在数个像素点上；其次，剔除不完整照射的强目标；最后在频域对功率谱曲线相关卷积估计出准确的基带多普勒中心；通过仿真实验和飞行数据均有效验证了本公开的有效性。本公开具有较广泛的使用范围，在非均匀场景回波的估计时，避免了部分孔径效应的影响，与传统的算法性能相比，提高了非均匀场景下的估计精度，对提高成像质量具有重要意义。

Description

适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法
技术领域
本公开涉及机载雷达成像技术领域，尤其涉及一种适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)广泛用于军事和国民经济的许多领域，如军事侦察、环境监测、土地资源管理等。SAR发射大时宽带宽的线性调频信号，通过匹配压缩获得距离向的高分辨率，利用雷达和目标的相对运动对回波相位形成的调制特性，通过对回波信号的多普勒历程进行匹配压缩获得方位向的高分辨率。多普勒中心频率参数影响方位向预滤波、二次距离压缩、距离徙动校正、方位匹配滤波等处理，多普勒中心误差会造成在距离向和方位向的散焦、信噪比降低、图像质量下降、输出图像位置偏移等问题。因此，准确的多普勒中心对高分辨率成像是至关重要的。但运动参数的测量精度有限，难以满足成像要求，必须从SAR回波信号中估计。
由于SAR系统所固有的脉冲工作特性，其回波在方位向是离散的。由于信号的脉冲重复频率(pulse recurrence frequency，PRF)采样，频谱是混叠的。由于混叠，绝对多普勒中心或未折叠的多普勒中心fDC可写为
fDC＝m×PRF+fbase
其中fbase称为基带多普勒频率，fDC与fbase的频率差是PRF的整数倍，该倍数用符号m表示，是一个小的整数，称为多普勒模糊。典型的多普勒模糊数估计方法有WDA，MLCC，MLBF。PRF/2Hz内的精度完全满足模糊数的准确估计，所以基带多普勒频率fbase的估计精度是关键。
典型的基带多普勒中心估计的方法，有基于幅度的能量均衡法、曲线拟合法和基于相位的平均相位增量法等。从理论上讲，由于功率谱与其相关函数构成了傅立叶变换对，所以基于幅度和相位的估计方法的估计结果具有一致性。在原始数据域进行多普勒中心估计时，均假设横向功率谱和天线方向图有一致的形状，关于多普勒中心是对称的，这在均匀场景回波的估计时成立。实际估计时，常存在通过部分波束的强散射点时，它是造成平均功率谱的扭曲的主要因素，加大多普勒中心频率的估计的误差。方位向功率谱沿距离向平均一般可以缓解部分孔径的影响，但当边缘亮点面积较大时，这种缓解方法失效。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法，包括：步骤a：对合成孔径雷达进行方位压缩处理把每个目标的能量都集中在n个像素点上，其中，n＞1；步骤b：经过移动的窗口遍历使步骤a中方位压缩后的时域信号，通过谱畸变进行质量检测，剔除不完整照射的强目标，选择目标时域段并变换回频域；以及步骤c：在步骤b选择的频域通过平均功率谱与相关函数的圆周相关估计出基带多普勒中心。
在本公开的一些实施例中，步骤a包括：子步骤a1：沿方位向信号进行傅立叶变换，得到方位频域信号；子步骤a2：直接在频域生成匹配函数，匹配函数与子步骤a1得到的方位频域信号复乘；以及子步骤a3：对复乘后的方位频域信号，进行傅立叶逆变换，得到方位向时域信号；目标的能量在方位向得到聚集。
在本公开的一些实施例中，步骤b包括：子步骤b1：对应步骤a方位压缩后的时域信号，进行分段；子步骤b2：对分段后的信号，计算谱畸变；子步骤b3：选择目标时域段；以及子步骤b4：把选择的目标时域段信号变换回频域，再复乘匹配函数的共轭。
在本公开的一些实施例中，步骤c包括：子步骤c1：在步骤b选择的频域，沿距离向平均，求得平均功率谱；子步骤c2：平均功率谱与参考函数圆周卷积；以及子步骤c3：确定圆周卷积结果的降交零点，得到基带多普勒中心。
在本公开的一些实施例中，子步骤b3中目标时域段的选择中根据平均谱与拟合曲线间的均方根误差得到的谱畸变值进行选择。
在本公开的一些实施例中，子步骤b1中对应步骤a处理后的方位向时域信号进行分段。
在本公开的一些实施例中，子步骤a1和子步骤a3中进行的为快速傅立叶变换。
在本公开的一些实施例中，步骤b中的窗口为矩形窗口。
在本公开的一些实施例中，将剔除的不完整照射的强目标，对应的能量置零。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)首先对雷达回波进行方位压缩，使分散的能量得到聚焦，结合对比度和谱畸变，分析压缩后的信号，剔除掉部分照射的强散射点，然后在频域与相关函数圆周卷积，得到较为准确的基带多普勒中心。
(2)通过剔除掉部分照射的强散射点，提高了非均匀场景下的估计精度，在SAR成像处理器中有很大的使用价值。
(3)本公开所需估计的雷达数据量少，不需要迭代处理，适用于各种对比度的场景。
(4)本公开在非均匀场景回波的估计时，避免了部分孔径效应的影响，与传统的算法性能相比，提高了非均匀场景下的估计精度，对提高成像精度有重要意义。
附图说明
图1为本公开实施例适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法流程示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法，针对强目标的不完整照射会加大基带多普勒中心估计误差问题，本公开提出的基带多普勒中心估计方法，首先通过方位压缩处理，把每个目标的能量都集中在数个像素点上；其次，剔除不完整照射的强目标；最后在频域对功率谱曲线相关卷积估计出准确的基带多普勒中心。通过仿真实验和飞行数据均有效验证了本公开的有效性。本公开具有较广泛的使用范围，在非均匀场景回波的估计时，避免了部分孔径效应的影响，与传统的算法性能相比，提高了非均匀场景下的估计精度，对提高成像质量具有重要意义。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法。图1为本公开实施例适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法流程示意图。如图1所示，本公开包括：步骤a：对合成孔径雷达方位压缩处理把每个目标的能量都集中在若干个像素点上；步骤a还包括：
子步骤a1：对方位向信号进行傅立叶变换，得到方位频域信号；
SAR发射线性调频信号，单位反射系数的点目标雷达回波的方位信号可表示为
Figure BDA0001638111780000041
其中，时间tc是当波速中心指向该点目标的时刻，对应的雷达与目标的距离为rc，Wa(t)为方位向上的双程天线电压方向图，Ts为方位向合成孔径长度。这是一个中心频率为fDc，频率变化率为fR的线性调频信号。
Figure BDA0001638111780000042
Figure BDA0001638111780000043
其中，V是雷达载体与目标间的等效速度，波束中心指向与V的夹角为
Figure BDA0001638111780000051
SAR方位信号是大时间带宽积信号，根据驻定相位原理，方位频域信号表示为
Figure BDA0001638111780000052
fDc-Bd/2＜f＜fDc+Bd/2
式中，a是一个常数，在理论分析时常忽略不计，Bd是多普勒带宽。
子步骤a2：直接在频域生成匹配函数，匹配函数与子步骤a1得到的方位频域信号复乘；
根据设定的方位向线性调频特性，根据式(4)，直接在频域生成匹配滤波器函数，表示为
H＝exp(jπf2/fR)，-PRF/2≤f<PRF/2 (5)
子步骤a3：对复乘后的方位频域信号，进行傅立叶逆变换，得到方位向时域信号；
匹配函数与方位向的频域信号复乘后，再通过IFFT变换到时域，目标的方位向能量得到聚集。表示为
IFFT(S·H)＝A+B (6)
其中，A为均匀分布的目标，B为部分孔径的强散射点。
步骤b：经过移动的窗口遍历使步骤a得到的方位压缩后的时域信号，通过谱畸变进行质量检测，剔除不完整照射的强目标，选择目标时域段并变换回频域；其中步骤b包括：
子步骤b1：对应步骤a方位压缩后的时域信号，采用移动的矩形窗口遍历方位压缩后的时域信号进行分段；
子步骤b2：对分段后的信号，计算谱畸变；
采用谱畸变为质量检测，筛选出部分孔径的强散射目标B，把该段能量置零。谱畸变可通过平均谱与拟合曲线间的均方根误差予以衡量。将均方根误差除以平均谱高，再乘以100，及得到百分数表示的谱畸变。谱畸变越小的数据，采用该数据段估计出的基带多普勒中心误差越小，估计结果越准确。
子步骤b3：选择目标时域段；
选出谱畸变最小的均匀分布的目标A采用傅里叶变换到频域，在频域复乘频域匹配函数的共轭函数，得到地面反射均匀场景情况下的频域，此时的方位向功率谱将与天线双向功率方向图有一致的形状。
子步骤b4：把选择的目标时域段信号变换回频域，再复乘匹配函数的共轭。
P＝H-1FFT(A) (7)
其中，
H-1＝exp(-jπf2/fR) (8)
由于H的幅值是1，所以H-1是H的共轭。
H-1＝conj(H) (9)
步骤c：在频域通过平均功率谱与相关函数的圆周相关估计出基带多普勒中心；其中步骤c包括：
子步骤c1：在步骤b选择的频域，沿距离向平均，求得平均功率谱；
子步骤c2：平均功率谱与参考函数圆周卷积；
对P利用能量相关估计出准确的基带多普勒中心频率，相关参考函数如式(10)所示。
Figure BDA0001638111780000061
为提高运算效率，选用圆周相关，利用快速傅立叶变换的高效率，减少运算量。
D(n)＝IFFT{FFT(P)·conj[FFT(R)]} (11)
子步骤c3：确定圆周卷积结果的降交零点，得到基带多普勒中心。
寻找到相关结果D的降交零点Nmin即为功率等分频点，即可得到准确的基带多普勒中心估计fbase为
fbase＝PRF·Nmin/Na (12)
式中，Na为傅立叶变换长度。
至此，本公开一实施例适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法介绍完毕。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法，具有较广泛的使用范围，在非均匀场景回波的估计时，避免了部分孔径效应的影响，与传统的算法性能相比，提高了非均匀场景下的估计精度，对提高成像质量具有重要意义。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的启示一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于非均匀场景的基带多普勒中心估计方法，包括：
步骤a：对合成孔径雷达进行方位压缩处理把每个目标的能量都集中在n个像素点上，其中，n＞1；
步骤b：经过移动的窗口遍历使步骤a中方位压缩后的时域信号，通过谱畸变进行质量检测，剔除不完整照射的强目标，将剔除的不完整照射的强目标，对应的能量置零，选择目标时域段并变换回频域；步骤b包括：
子步骤b1：对应步骤a方位压缩后的时域信号，进行分段；
子步骤b2：对分段后的信号，计算谱畸变；
子步骤b3：选择目标时域段，根据平均谱与拟合曲线间的均方根误差得到的谱畸变值进行选择；以及
子步骤b4：把选择的目标时域段信号变换回频域，再复乘匹配函数的共轭；以及
步骤c：在步骤b选择的频域通过平均功率谱与相关函数的圆周相关估计出基带多普勒中心。
2.根据权利要求1所述的基带多普勒中心估计方法，其中所述步骤a包括：
子步骤a1：沿方位向信号进行傅立叶变换，得到方位频域信号；
子步骤a2：直接在频域生成匹配函数，匹配函数与子步骤a1得到的方位频域信号复乘；以及
子步骤a3：对复乘后的方位频域信号，进行傅立叶逆变换，得到方位向时域信号；目标的能量在方位向得到聚集。
3.根据权利要求1所述的基带多普勒中心估计方法，其中步骤c包括：
子步骤c1：在步骤b选择的频域，沿距离向平均，求得平均功率谱；
子步骤c2：平均功率谱与参考函数圆周卷积；以及
子步骤c3：确定圆周卷积结果的降交零点，得到基带多普勒中心。
4.根据权利要求1所述的基带多普勒中心估计方法，其中子步骤b1中对应步骤a处理后的方位向时域信号进行分段。
5.根据权利要求2所述的基带多普勒中心估计方法，其中子步骤a1和子步骤a3中进行的为快速傅立叶变换。
6.根据权利要求1所述的基带多普勒中心估计方法，其中步骤b中的窗口为矩形窗口。
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