[發明專利]一種劃分子孔徑PFA雷達成像方法

有效

• 申請號: 201410652044.2
• 申請日: 2014-11-17
• 公開（公告）號: CN104391297B
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 張勁東;陳家瑞;班陽陽;唐笑為
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種劃分子孔徑PFA成像雷達方法，其特征在于，包括如下步驟：首先將全孔徑劃分為若干子孔徑，用PFA對子孔徑處理得出方位向低分辨率圖像，然后用PGA自聚焦處理消除子孔徑圖像運動誤差，通過方位向升采樣，再經過空變濾波和幾何校正處理消除幾何失真，隨后將幾何校正得到的所有子孔徑圖像有重疊的劃分子塊進行圖像配準，最后將配準后的所有子孔徑圖像相干融合得到最終的SAR圖像；

將幾何校正得到的所有子孔徑圖像有重疊的劃分子塊進行圖像配準，包括如下具體步驟：

將得到的每個子孔徑SAR圖像進行有重疊分割得N_x′×N_y′個子塊，子塊像素大小為L_x′×L_y′，L_x′＝1024，L_y′＝2048，方位與距離向重疊像素單元分別為ΔL_x、ΔL_y，N_x′為圖像在方位向劃分的塊數，N_y′為圖像在距離向劃分的塊數；

取出每個子孔徑SAR圖像的第m個子塊圖像，對這N個子塊圖像進行圖像配準；

以第一個子孔徑SAR圖像中的子塊為基準，與第i′個子孔徑SAR圖像中的子塊做二維相關，i′＝2，3，...，N；

查找出相關后峰值位置，將峰值循環移位至中心位置，記錄下方位向和距離向分別移動的單元數Δxi′和Δyi′；

將第i′個子孔徑SAR圖像中的第m個子塊方位向和距離向分別循環移動Δxi′和Δyi′單元數；

重復上述步驟，遍歷N個子孔徑SAR圖像；

取出每個子孔徑SAR圖像第m個子塊的中心部分(L_x′-ΔL_x)×(L_y′-ΔL_y)，放回原子孔徑圖像的相應位置進行圖像拼接；

重復操作上述步驟，遍歷N_x′×N_y′個子塊，直至所有子塊全部配準完。

2.根據權利要求1所述的一種劃分子孔徑PFA成像雷達方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，將N_a×N_r的全孔徑雷達回波數據劃分為N個子孔徑，則每個子孔徑回波數據為N_ai×N_r，其中Na為全孔徑雷達回波脈沖個數，N_ai為每個子孔徑雷達回波脈沖個數，N_r為距離向采樣點數；

步驟2，對第i個子孔徑回波數據進行脈沖壓縮，得到方位時域和距離頻域數據；

步驟3，對第i個子孔徑回波數據進行PFA成像，包括如下具體步驟：

步驟3-1，計算距離空間頻域待插值點位置K_y：

其中，c為光速，f_c為發射信號載頻，f_τ為距離向頻域，θ和分別為天線相位中心的瞬時方位角和俯仰角；根據所述距離空間頻域待插值點位置K_y，對第i個子孔徑回波數據每一波脈沖的距離空間頻域待插值點位置進行插值；

步驟3-2，計算方位空間頻域待插值點位置K_x：

根據所述方位空間頻域待插值點位置K_x，對第i個子孔徑回波數據每一距離單元方位空間頻域待插值點位置進行插值；

步驟3-3，對方位和距離空間頻域插值后的數據進行二維逆傅里葉變換，得到像素點為N_ai×N_r子孔徑SAR圖像；

步驟4，對子孔徑SAR圖像進行PGA自聚焦處理，包括如下步驟：

步驟4-1，在子孔徑SAR圖像中選擇能量最大的5％距離單元，設得到的數據為N_ai×N_r′，N_r′＝5％N_r，將選擇得到的所述距離單元進行循環移位，使得每個距離單元的最大模值位置位于距離單元的中心；

步驟4-2，對經循環移位的距離單元在圖像域中心加窗；

步驟4-3，循環移位加窗后的復圖像距離單元為：G_k(x_a)(3)

其中，x_a＝0，1，...，N_ai-1，k＝1，...，N_r′；

對所述G_k(x_a)作IFFT得到g_k(x_a)，根據(4)式計算所述g_k(x_a)距離單元的相位誤差梯度r_k(x_a)：

(xa)=gk(xa-1)×[gk(xa)]*xa=1,2,...Nai-1rk(0)=0xa=0---(4)]]>

其中，k＝1，...，N_r′；r_k(0)＝1，k＝1，...，N_r′；[]*表示復數共軛，采用(5)式估計相位誤差Δφ(x_a)：

Δφ(xa)=arg[1Nr′Σk=1Nr′rk(xa)]---(5)]]>

步驟4-4，根據步驟4-3估計出的相位誤差對經步驟3處理得到的SAR圖像的每一距離單元進行相位誤差補償，得到新的子孔徑SAR圖像；

步驟4-5，對新得到的子孔徑SAR圖像重復步驟4-1到步驟4-4進行4-6次迭代校正；其中，每迭代一次將步驟4-2中加窗所用的窗函數寬度按1/2倍減小；

步驟5，對PGA自聚焦后的子孔徑圖像方位向N倍升采樣得到像素點為N_a×N_r的子孔徑SAR圖像，其具體步驟為：自聚焦后的子孔徑SAR圖像對方位向傅里葉變換，然后在其后補(N-1)N_ai個零，再進行方位向逆傅里葉變換；

步驟6，對升采樣后的子孔徑SAR圖像進行空變濾波，包括如下具體步驟：

步驟6-1，將步驟5得到的子孔徑SAR圖像劃分成N_x×N_y個子塊圖像，每個子塊圖像大小為L_x×L_y，子塊間間隔為L_sx×L_sy；其中N_x、N_y分別為方位和距離向子塊個數，L_x、L_y分別為方位和距離子塊大小，L_sx、L_sy分別為方位與距離向子塊間隔；

步驟6-2，對每個子塊圖像，通過幾何失真映射關系計算中心像素單元的實際空間位置(x_t，y_t)：

x_t＝a₀₁-f(x_t-y_t)

y_t＝a₁₀-g(x_t-y_t) (6)

其中：

式中(a₀₁，a₁₀)為點目標在圖像中的幾何位置坐標，r_co為場景中心與孔徑中心的距離，r_ct為目標點與孔徑中心的距離，y_c為場景中心與孔徑中心在Y軸上投影點的距離，為場景中心與孔徑中心連線和地面的夾角，θ_s為斜視角；

步驟6-3，利用所述中心像素單元的實際空間位置(x_t，y_t)，構造濾波函數：其中：

對所述子塊圖像進行方位向FFT變換得到空間頻域，乘以后再做方位逆FFT變換回空間域，得到濾波后的子塊圖像；

步驟6-4，選取濾波后子塊圖像中心的L_sx×L_sy大小區域作為該子塊濾波的輸出，將各子塊濾波的輸出結果進行拼接得到重聚焦的圖像；

步驟7，對空變濾波后的子孔徑圖像進行幾何校正處理，包括如下步驟：

步驟7-1，如果成像模式存在斜視角，首先將場景穩定坐標系內的校正點坐標(x_M，y_M)通過如下坐標旋轉變換為視線方向建立的坐標系的坐標(x_t，y_t)：

xtyt=cosθs-sinθssinθs-cosθsxMyM---(10)]]>

步驟7-2，將(x_t，y_t)轉變為PFA圖像坐標(a₀₁，a₁₀)；

步驟7-3，在PFA圖像中通過插值找到坐標(a₀₁，a₁₀)的復圖像值，并放回校正點(x_M，y_M)，從而得到幾何校正后子孔徑SAR圖像；

步驟8，重復步驟2到步驟7，遍歷N個子孔徑回波數據，得到N個子孔徑SAR圖像；

步驟9，對步驟8得到的N個子孔徑SAR圖像進行圖像配準，包括如下具體步驟：

步驟9-1，將得到的每個子孔徑SAR圖像進行有重疊分割得N_x′×N_y′個子塊，子塊像素大小為L_x′×L_y′，方位與距離向重疊像素單元分別為ΔL_x、ΔL_y，N_x′為圖像在方位向劃分的塊數，N_y′為圖像在距離向劃分的塊數；

步驟9-2，取出每個子孔徑SAR圖像的第m個子塊圖像，對這N個子塊圖像進行圖像配準；

步驟9-3，以第一個子孔徑SAR圖像中的子塊為基準，與第i′個子孔徑SAR圖像中的子塊做二維相關，i′＝2，3，...，N；

步驟9-4，查找出相關后峰值位置，將峰值循環移位至中心位置，記錄下方位向和距離向分別移動的單元數Δx_i′和Δy_i′；

步驟9-5，將第i′個子孔徑SAR圖像中的第m個子塊方位向和距離向分別循環移動Δx_i′和Δy_i′單元數；

步驟9-6，重復步驟9-3至步驟9-5，遍歷N個子孔徑SAR圖像；

步驟9-7，取出每個子孔徑SAR圖像第m個子塊的中心部分(L_x′-ΔL_x)×(L_y′-ΔL_y)，放回原子孔徑圖像的相應位置進行圖像拼接；

步驟9-8，重復操作步驟9-2至步驟9-7，遍歷N_x′×N_y′個子塊，直至所有子塊全部配準完；

步驟10，對得到的N個子孔徑SAR圖像相干疊加，得到最終的SAR圖像。

3.根據權利要求2所述的一種劃分子孔徑PFA成像雷達方法，其特征在于，所述步驟6-2中的所述(x_t，y_t)值獲取方法包括如下步驟：

步驟6-2-1，令(x_t⁰,y_t⁰)＝(a₀₁,a₁₀)并設置估計的方位和距離誤差門限Δa，Δr；

步驟6-2-2，利用(6)式(7)計算f(x_tⁿ,y_tⁿ)和g(x_tⁿ,y_tⁿ)；

步驟6-2-3，計算x_tⁿ⁺¹＝a₀₁-f(x_tⁿ,y_tⁿ)和y_tⁿ⁺¹＝a₁₀-g(x_tⁿ,y_tⁿ)；

步驟6-2-4，判斷是否滿足和不滿足，則回到步驟6-2-2執行，如果滿足則迭代終止。