[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于Keystone和時(shí)頻變換的地球同步軌道SAR運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像處理裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811615054.3
• 申請(qǐng)日: 2018-12-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109669183B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于澤;于金棟;李春升
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S13/90
• 分類(lèi)號(hào): G01S13/90;G01S13/50
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專(zhuān)利事務(wù)所 11121
• 代理人: 冀學(xué)軍

1.一種基于Keystone和時(shí)頻變換的地球同步軌道SAR運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像處理裝置，該裝置包括有：雷達(dá)參數(shù)輸出模塊、徙動(dòng)校正及距離壓縮模塊、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及參數(shù)估計(jì)模塊和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及成像處理模塊；GEO SAR處理器接收到的回波信號(hào)S_origin是二維數(shù)據(jù)，記為二維原始回波S_origin，采用矩陣形式表示為：

n是一個(gè)變量，取值范圍1至N_a，表示為方位向第n個(gè)點(diǎn)；

m是一個(gè)變量，取值范圍1至N_r，表示為距離向第m個(gè)點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第1個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第1個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第1個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第2個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第1個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第m個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第1個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第N_r個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第2個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第1個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第2個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第2個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第2個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第m個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第2個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第N_r個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第n個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第1個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第n個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第2個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第n個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第m個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第n個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第N_r個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第N_a個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第1個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第N_a個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第2個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第N_a個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第m個(gè)采樣點(diǎn)；

表示沿方位向上采集到的第N_a個(gè)方位時(shí)刻的距離向上的第N_r個(gè)采樣點(diǎn)；

其特征在于：

雷達(dá)參數(shù)輸出模塊用于生成雷達(dá)工作參數(shù)f₁＝{Na,Nr,PRF,F_s,B_r,T_r,K_r,λ,V,t_d,t_center,η,τ,f_η,f_τ}；

N_a是發(fā)射脈沖總數(shù)；

N_r是距離采樣點(diǎn)總數(shù)；

PRF是脈沖重復(fù)頻率；

F_s是距離向采樣率；

B_r是雷達(dá)工作帶寬；

T_r是發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間；

K_r是距離向調(diào)頻率；

λ是工作波長(zhǎng)；

V是雷達(dá)平臺(tái)的飛行速度；

t_d為采樣延時(shí)；

t_center為仿真中心時(shí)刻；

η為方位向時(shí)刻，且η＝[uη₁,uη₂,…uη_m,…,uη_Na]^T，m表示雷達(dá)發(fā)射的脈沖個(gè)數(shù)的標(biāo)識(shí)號(hào)，uη₁表示第一個(gè)方位向時(shí)刻，uη₂表示第二個(gè)方位向時(shí)刻，uη_m表示第m個(gè)方位向時(shí)刻，且uη_Na表示最后一個(gè)方位向時(shí)刻，上角標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置符號(hào)；

f_η為方位向頻率，且f_η＝[uf_η,1,uf_η,2,…uf_η,m′,…,uf_η,Na]^T，m′表示雷達(dá)發(fā)射的頻點(diǎn)個(gè)數(shù)的標(biāo)識(shí)號(hào)，uf_η,1表示第一個(gè)方位頻域頻點(diǎn)，uf_η,2表示第二個(gè)方位頻域頻點(diǎn)，uf_η,m′表示第m′個(gè)方位頻域頻點(diǎn)，且uf_η,Na表示最后一個(gè)方位頻域頻點(diǎn)，m′與m選取的個(gè)數(shù)相同；

τ為距離向時(shí)刻，且τ＝[uτ₁,uτ₂,…uτ_k,…,uτ_Nr]，k表示距離時(shí)間采樣數(shù)的標(biāo)識(shí)號(hào)，uτ₁表示第一個(gè)距離向時(shí)刻，uτ₂表示第二個(gè)距離向時(shí)刻，uτ_k表示第k個(gè)距離向時(shí)刻，且uτ_Nr表示最后一個(gè)距離向時(shí)刻；

f_τ為距離向頻率，且f_τ＝[uf_τ,1,uf_τ,2,…uf_τ,k′,…,uf_τ,Nr]，k′表示距離頻率采樣數(shù)的標(biāo)識(shí)號(hào)，uf_τ,1表示第一個(gè)距離向頻率，uf_τ,2表示第二個(gè)距離向頻率，uf_τ,k′表示第k′個(gè)距離向頻率，且uf_τ,Nr表示最后一個(gè)距離向頻率；k′與k選取的個(gè)數(shù)相同；

徙動(dòng)校正及距離壓縮模塊，用于對(duì)二維原始回波S_origin進(jìn)行距離向傅里葉變換并進(jìn)行距離向匹配濾波完成脈沖壓縮，接著在距離頻率和方位時(shí)間域進(jìn)行變標(biāo)處理，去掉方位時(shí)間和距離頻率的一階耦合，也就完成了非參數(shù)化的距離徙動(dòng)工作；

徙動(dòng)校正及距離壓縮模塊的處理方法為：

步驟2-1，距離壓縮；

是將二維原始回波信息S_origin進(jìn)行距離向傅里葉變換和距離向匹配濾波，得到距離向匹配濾波后的方位時(shí)間—距離頻域信，記為假設(shè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)只有平動(dòng)，不存在高階運(yùn)動(dòng)，由基本的GEO SAR與平動(dòng)目標(biāo)之間的幾何關(guān)系，得到距離歷程R(η)為由距離歷程R(η)和方位向時(shí)刻η之間的關(guān)系得到R(η)＝R₀+aη+bη²，a＝-v_c，

v_c為徑向速度；

v_a為方位向速度；

a_c為徑向加速度；

步驟2-2，Keystone變換；在方位時(shí)域—距離多普勒域進(jìn)行Keystone變換，Keystone變標(biāo)為f₀為雷達(dá)載波頻率；f_τ為距離向頻率；t_a為變標(biāo)后方位時(shí)間；

步驟2-3，快速Keystone變換；距離向匹配濾波后的方位時(shí)間—距離頻域信變標(biāo)后的結(jié)果記為，距離壓縮后的信號(hào)對(duì)輸入的方位時(shí)間—距離頻率信號(hào)進(jìn)行濾波操作和傅里葉變換、逆傅里葉變換，然后進(jìn)行方位向傅里葉逆變換即可得到經(jīng)過(guò)距離壓縮和徙動(dòng)校正的二維時(shí)域

A₀表示雷達(dá)后向散射系數(shù)；

p_r表示距離脈沖壓縮后的幅度形式；

τ為距離向時(shí)刻；

R₀為零時(shí)刻雷達(dá)與目標(biāo)的距離；

c表示光速；

ω_a表示方位向窗函數(shù)形式；

η為方位向時(shí)刻；

η_c為波束中心穿越時(shí)刻；

j表示虛部；

f₀為雷達(dá)載波頻率；

R(η)表示斜距歷程；

快速Keystone變換是時(shí)域插值操作轉(zhuǎn)換為頻域的相乘；濾波操作中的濾波器為：

第一濾波器

第二濾波器

第三濾波器

第四濾波器

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及參數(shù)估計(jì)模塊，用于接受經(jīng)距離壓縮和徙動(dòng)校正的數(shù)據(jù)S_rc，對(duì)距離門(mén)信號(hào)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階傅里葉變換分析，進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)，用頻譜能量發(fā)輔助估計(jì)多普勒參數(shù)，將各距離門(mén)中信號(hào)的多普勒參數(shù)作為輸出結(jié)果；

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及參數(shù)估計(jì)模塊用于接收經(jīng)距離壓縮和徙動(dòng)校正的二維時(shí)域信號(hào)S_rcmc(τ,η)，然后檢測(cè)每個(gè)距離門(mén)中的信號(hào)并進(jìn)行參數(shù)的估計(jì)，具體操作方法如下：

步驟3-1，分?jǐn)?shù)階傅里葉變換；

針對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和雜波不同特點(diǎn)，利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換對(duì)距離門(mén)內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行處理；分?jǐn)?shù)階傅里葉變換操作的輸入數(shù)據(jù)是該距離門(mén)內(nèi)的時(shí)域信號(hào)；

步驟3-2，分?jǐn)?shù)階傅里葉域參數(shù)搜索；

掃描分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域和轉(zhuǎn)角所形成的能量圖，搜索圖中能量最大點(diǎn)尖峰，估計(jì)尖峰所在的位置，獲得二維坐標(biāo)(α,u)，獲取分?jǐn)?shù)階傅里葉域u和轉(zhuǎn)角α以及對(duì)應(yīng)的|F_p(u)|所形成的三維圖中最大尖峰值的位置為(α₀,u₀)＝argmax|F_p(u)|；

步驟3-3，多普勒補(bǔ)償；

在信號(hào)檢測(cè)和成像處理中只需要估計(jì)出多普勒中心頻率f_d、多普勒調(diào)頻率f_r或的a、b的值，即可完成補(bǔ)償；

步驟3-4，頻譜能量法估計(jì)多普勒中心；

采用頻譜能量法估計(jì)信號(hào)多普勒中心參數(shù)，該部分輸入數(shù)據(jù)為分?jǐn)?shù)階傅里葉變換所處理的同一距離門(mén)的信號(hào)S_rcmc(τ,η)；首先對(duì)所述S_rcmc(τ,η)進(jìn)行方位向傅里葉變換，然后求絕對(duì)值的平方；

E(f_η)＝|FFT_η[S_rcmc(τ_k,η)]|²

構(gòu)建多普勒能量濾波器：

除以外的稱(chēng)為其他；

采用頻域相乘的形式來(lái)代替時(shí)域卷積，有：

F_out(f_η)＝IFFT{FFT[E(f_η)]FFT[F_pb(f_η)]}

取F_out(f_η)中的降交零點(diǎn)即為功率等分頻點(diǎn)，即信號(hào)的多普勒中心；

步驟3-5，CLEAN算法處理多目標(biāo)；

當(dāng)同一距離門(mén)存在多個(gè)目標(biāo)的信號(hào)時(shí)，采取CLEAN算法，具體如下：

采用步驟3-1～3-4估計(jì)參數(shù)后，在最高尖峰對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角下采用窄帶濾波的方式在分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V除目標(biāo)，得到：

p₀為最高尖峰對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的階數(shù)；

為對(duì)信號(hào)進(jìn)行以p₀為階數(shù)的分?jǐn)?shù)階傅里葉逆變換；

為對(duì)信號(hào)進(jìn)行以p₀為階數(shù)的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換；

f_res(η)為剔除檢測(cè)出的信號(hào)后的剩余信號(hào)；

H_p(u)是分?jǐn)?shù)階域的窄帶濾波器，剔除已檢測(cè)出的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)，并將所述窄帶濾波器H_p(u)濾除的信號(hào)保存以便運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及成像處理模塊使用，記為將按同樣的逆分?jǐn)?shù)階傅里葉變換操作，得到檢測(cè)到的信號(hào)的時(shí)域信號(hào)f_detect(η)；

步驟3-6，在同一距離門(mén)信號(hào)中，不斷重復(fù)步驟3-5直到檢測(cè)到所有目標(biāo)位置；

步驟3-7，沿距離向逐距離門(mén)采取步驟3-1～步驟3-6，即可完成所有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)；

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及成像處理模塊，用于補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，方位壓縮形成最終圖像；該模塊接收運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及參數(shù)估計(jì)模塊的參數(shù)，針對(duì)存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離門(mén)中的單個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償成像，最后將所有目標(biāo)在圖像域疊加，形成完整的圖像；

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及成像處理模塊用于接收運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及參數(shù)估計(jì)模塊中分?jǐn)?shù)階傅里葉域?qū)?yīng)的已檢測(cè)出的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)f_detect(η)，且已知其多普勒中心頻率f_d和多普勒調(diào)頻率f_r；采用匹配濾波方式進(jìn)行方位向脈沖壓縮，而后將所有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像結(jié)果疊加即得最終圖像

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Keystone和時(shí)頻變換的地球同步軌道SAR運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像處理裝置，其特征在于：在GEO SAR分辨率為50m的情況下，定位誤差在100m內(nèi)，測(cè)速誤差在0.65m/s內(nèi)，且能處理位于同一距離門(mén)和位于不同距離門(mén)的多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，形成集群運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與成像。