一種基于全局最小相位近似的SAR成像優化方法與流程

本發明屬于雷達信號處理領域，特別涉及一種基于全局最小相位近似的sar成像優化方法，適用于高相關帶寬的sar雷達成像。

背景技術：

線調頻變標算法是sar成像算法中最成功的算法之一，它的成功之處便在于與其他更高精度的算法相比效率更高，該算法是通過在二維頻域對sar回波信號的相位函數做二階泰勒近似展開，但該近似也是限制算法精度的重要因素。因此，有些方法通過使用更高階的泰勒展開來提高精度，這種改進在處理斜視sar回波時是非常有用的，但當發射脈沖具有較高相關帶寬時，處理結果較差。

技術實現要素：

針對以上現有技術存在的不足，本發明的目的在于提出一種基于全局最小相位近似的sar成像優化方法，該種方法基于全局最小相位近似的sar成像優化方法不僅具有更好的成像結果，也更容易實現，并且更容易展開到高階近似。

為達到上述技術目的，本發明采用如下技術方案予以實現。

一種基于全局最小相位近似的sar成像優化方法，包括以下步驟：

步驟1，獲取sar雷達回波信號數據s，所述sar雷達回波信號數據s為nrn×nan維二維矩陣，并根據所述sar雷達回波信號數據s計算加權函數矩陣w，w為nrn×nan維矩陣，并利用加權函數矩陣w分別計算第一匹配函數矩陣h0、第二匹配函數矩陣h1和第三匹配函數矩陣h2，h0、h1和h2分別為nrn×nan維矩陣，nrn表示sar雷達回波信號數據的距離向采樣點數，nan表示sar雷達回波信號數據的方位采樣向點數；

步驟2，對sar雷達回波信號數據s進行按行fft處理，進而得到按行fft處理后的雷達回波信號數據矩陣，所述對sar雷達回波信號數據s進行按行fft處理為對sar雷達回波信號數據s的每一行分別進行fft操作；

步驟3，對fft處理后的雷達回波信號數據矩陣進行按列fft處理，進而得到按列fft處理后的雷達回波信號數據矩陣，所述對fft處理后的雷達回波信號數據矩陣進行按列fft處理為對fft處理后的雷達回波信號數據矩陣的每一列分別進行fft操作；

步驟4，將按列fft處理后的雷達回波信號數據矩陣與第一匹配函數矩陣h0點乘，得到第一匹配后的雷達回波信號數據矩陣；

步驟5，將第一匹配后的雷達回波信號數據矩陣與第二匹配函數矩陣h1點乘，得到第二匹配后的雷達回波信號數據矩陣；

步驟6，對第二匹配后的雷達回波信號數據矩陣進行按列ifft處理，進而得到按列ifft處理后的雷達回波信號數據矩陣，所述對第二匹配后的雷達回波信號數據矩陣進行按列ifft處理為對第二匹配后的雷達回波信號數據矩陣的每一列分別進行ifft處理；

步驟7，將按列ifft處理后的雷達回波信號數據矩陣與第三匹配函數矩陣h2點乘，得到第三匹配后的雷達回波信號數據矩陣；

步驟8，對第三匹配后的雷達回波信號數據矩陣進行按行ifft處理，，所述對第三匹配后的雷達回波信號數據矩陣進行按行ifft處理為對第三匹配后的雷達回波信號數據矩陣的每一行分別進行ifft處理；進而得到按行ifft處理后的匹配雷達回波信號數據矩陣，所述按行ifft處理后的匹配雷達回波信號數據矩陣為sar成像。

本發明的有益效果：本發明方法能夠得到更好的近似結果，且更容易實現，也更容易展開到高階近似，同時使用本發明方法得到的成像結果與使用精確的ω-k算法獲得的成像結果基本一致，距離分辨率比泰勒展開近似要高，能夠提高成像算法的精度和效率。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。

圖1是本發明的一種基于全局最小相位近似的sar成像優化方法流程圖；

圖2是利用無誤差方法獲得的成像結果圖；

圖3是利用常規方法獲得的成像結果圖；

圖4是使用本發明方法獲得的成像結果圖；

圖5是無誤差方法、常規方法和本發明方法各自的分辨率性能比較圖。

具體實施方式

參照圖1，為本發明的一種基于全局最小相位近似的sar成像優化方法流程圖；其中所述基于全局最小相位近似的sar成像優化方法，包括以下步驟：

步驟1，獲取sar雷達回波信號數據s，所述sar雷達回波信號數據s為nrn×nan維二維矩陣，并根據所述sar雷達回波信號數據s計算加權函數矩陣w，w為nrn×nan維矩陣，并利用加權函數矩陣w分別計算第一匹配函數矩陣h0、第二匹配函數矩陣h1和第三匹配函數矩陣h2，h0、h1和h2分別為nrn×nan維矩陣，nrn表示sar雷達回波信號數據的距離向采樣點數，nan表示sar雷達回波信號數據的方位向采樣點數。

步驟1的子步驟為：

1a)獲取sar雷達回波信號數據s，所述sar雷達回波信號數據s為nrn×nan維二維矩陣，并根據所述sar雷達回波信號數據s的特征，構造nrn×nan維相位函數矩陣g，距離向第m個采樣點、方位向第n個采樣點處的相位函數為g(m,n)，其表達式為：

其中，fr(m)表示第m個采樣點處的距離頻率，b為sar雷達回波信號數據的帶寬，△f為距離頻域間隔，m＝0,1,...,nrn-1，nrn表示sar雷達回波信號數據的距離向采樣點數，fc表示sar雷達回波信號數據的載頻，fa(n)表示第n個采樣點處的方位頻率，

prf表示脈沖重復頻率，n＝0,1,...,nan-1，nan表示sar雷達回波信號數據的方位向采樣點數，c'表示光速，υ表示sar雷達所在載機的飛行速度；a表示sar雷達回波信號數據的振幅，即距離頻譜的包絡。

1b)根據已知的sar雷達參數，構造加權函數矩陣w，w為nrn×1維，其中第m個采樣點處的加權函數為w(m)，其表達式為：

其中，fr(m)表示第m個采樣點處的距離頻率，b為sar雷達回波信號數據的帶寬，p表示第m個采樣點處的加權函數的系數，p∈[0,1]。

1c)根據加權函數矩陣分別構造n階系數矩陣c、n階中間過渡系數矩陣d，c和d分別為nrn×1維矩陣，其中第k階系數為ck，第k階中間過渡系數為dk，第k階系數在距離向第m個采樣點、方位向第n個采樣點處的數據為ck(m,n)，第k階中間過渡系數在距離向第m個采樣點、方位向第n個采樣點處的數據為dk(m,n)，其表達式分別為：

其中，k表示第k階，k∈{0,1,…,n}，n表示設定的階數最大值，且n為大于0的正整數，本實施例中n取值為2；w(m)表示第m個采樣點處的加權函數，g(m,n)表示距離向第m個采樣點、方位向第n個采樣點處的相位函數，dfr(m)表示fr(m)的微分，fr(m)表示第m個采樣點處的距離頻率，b表示sar雷達回波信號數據的帶寬，m＝0,1,...,nrn-1，nrn表示sar雷達回波信號數據的距離向采樣點數，n＝0,1,...,nan-1，nan表示sar雷達回波信號數據的方位向采樣點數。

1d)根據n階系數矩陣c、n階中間過渡系數矩陣d，構造n階全局最小相位系數矩陣β，β為nrn×nan維矩陣，其中第j階全局最小相位系數在距離向第m個采樣點、方位向第n個采樣點處的數據為βj(m,n)，其計算公式為：

其中，k∈{0,1,…,n}，j∈{0,1,…,n}，n表示設定的階數最大值，ck+j(m,n)表示第k+j階系數在距離向第m個采樣點、方位向第n個采樣點處的數據。

1e)根據n階系數矩陣c、n階中間過渡系數矩陣d和n階全局最小相位系數矩陣β，分別計算得到n個相位匹配函數矩陣h，其中第l個相位匹配函數矩陣為h'l，l∈{0,1,…,n}，本實施例中n取值為2；即分別為第一個相位匹配函數矩陣h'0、第二個相位匹配函數矩陣h′1和第三個相位匹配函數矩陣h′2，第一個相位匹配函數矩陣在第m個采樣點、第n個采樣點處的數據為h′0(m，n)、第二個相位匹配函數矩陣在第m個采樣點、第n個采樣點處的數據為h′1(m，n)和第三個相位匹配函數矩陣在第m個采樣點、第n個采樣點處的數據為h′2(m，n)，其表達式分別為：

h′0＝exp{j[β1(m，n)×fr(m)+β0(m，n)]}

h′1＝exp{jβ2(m，n)×fr(m)}

其中，β1(m，n)表示第1階全局最小相位系數在距離向第m個采樣點、方位向第n個采樣點處的數據，fr(m)表示第m個采樣點處的距離頻率，β0(m，n)表示第0階全局最小相位系數在距離向第m個采樣點、方位向第n個采樣點處的數據，β2(m，n)表示第2階全局最小相位系數在距離向第m個采樣點、方位向第n個采樣點處的數據，fa(n)表示第n個采樣點處的方位頻率，tr(m)表示第m個采樣點處的距離時間，b表示sar雷達回波信號數據的帶寬，m＝0，1，...，nrn-1，nrn表示sar雷達回波信號數據的距離向采樣點數，n＝0，1，...，nan-1，nan表示sar雷達回波信號數據的方位向采樣點數，fs為對sar雷達發射信號進行采樣的采樣頻率，rs表示設定的參考斜距，本實施例中將sar所在場景的中心斜距作為參考斜距；rr表示點目標到sar雷達所在場景的最近斜距，點目標為sar雷達所在場景中的任意一點；u表示sar雷達所在載機的運動速度，fam表示sar雷達的最大多普勒頻率，λ表示sar雷達發射信號的波長，exp為指數函數操作，j表示虛數單位。

然后分別將第一個相位匹配函數矩陣h′0記為第一匹配函數矩陣h0，將第二個相位匹配函數矩陣h′1記為第二匹配函數矩陣h1，將第三個相位匹配函數矩陣h′2記為第三匹配函數矩陣h2。

步驟2，對sar雷達回波信號數據s進行按行fft處理，即對sar雷達回波信號數據s的每一行分別進行fft操作，進而得到按行fft處理后的雷達回波信號數據矩陣。

步驟3，對fft處理后的雷達回波信號數據矩陣進行按列fft處理，即fft處理后的雷達回波信號數據矩陣的每一列分別進行fft操作，進而得到按列fft處理后的雷達回波信號數據矩陣。

步驟4，將按列fft處理后的雷達回波信號數據矩陣與第一匹配函數矩陣h0點乘，得到第一匹配后的雷達回波信號數據矩陣。

步驟5，將第一匹配后的雷達回波信號數據矩陣與第二匹配函數矩陣h1點乘，得到第二匹配后的雷達回波信號數據矩陣。

步驟6，對第二匹配后的雷達回波信號數據矩陣進行按列ifft處理，即對第二匹配后的雷達回波信號數據矩陣的每一列分別進行ifft處理，進而得到按列ifft處理后的雷達回波信號數據矩陣。

步驟7，將按列ifft處理后的雷達回波信號數據矩陣與第三匹配函數矩陣h2點乘，得到第三匹配后的雷達回波信號數據矩陣。

步驟8，對第三匹配后的雷達回波信號數據矩陣進行按行ifft處理，即對第三匹配后的雷達回波信號數據矩陣的每一行分別進行ifft處理，進而得到按行ifft處理后的匹配雷達回波信號數據矩陣，所述按行ifft處理后的匹配雷達回波信號數據矩陣為sar成像。

通過以下仿真實驗數據對本發明作進一步驗證說明。

(一)仿真參數

sar雷達回波信號數據是在大斜視條帶模式下仿真得到，sar雷達所在載機的運動軌跡是直線；為了驗證本發明方法的有效性，此處給出了表i中的仿真參數，

表i

(二)仿真內容

本仿真分別用taylor近似線調頻變標算法和基于全局最小相位近似的線調頻變標算法建立圖像；使用帶有不同采樣點處的加權函數的系數，此處取值為0.8，利用精確的ω-k算法獲得的成像結果作為無誤差的基準圖。

圖2示意了利用無誤差方法獲得的成像結果，圖3示意了利用常規方法獲得的成像結果，圖4示意了使用本發明方法獲得的成像結果；從圖2、圖3和圖4中可以看出本發明方法的得到的成像結果與無誤差方法的成像結果基本一致，利用常規方法獲得的成像結果稍差；圖5示意了無誤差方法、常規方法和本發明方法各自的分辨率性能比較圖，從圖5中可以明顯看出使用本發明方法得到的sar圖像的距離分辨率與使用無誤差方法得到的sar圖像的距離分辨率基本一致，利用常規方法得到的成像結果距離分辨率明顯要低；其中，無誤差方法為精確的ω-k算法，常規方法為taylor近似線調頻變標算法。

綜上所述，仿真實驗驗證了本發明的正確性，有效性和可靠性。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍；這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。