公开/公告号CN103576148A
专利类型发明专利
公开/公告日2014-02-12
原文格式PDF
申请/专利权人 中国科学院电子学研究所;
申请/专利号CN201210279033.5
申请日2012-08-07
分类号G01S13/90;G01S7/02;
代理机构中科专利商标代理有限责任公司;
代理人宋焰琴
地址 100080 北京市海淀区北四环西路19号
入库时间 2024-02-19 22:27:24
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2015-12-16
授权
授权
2014-03-12
实质审查的生效 IPC(主分类):G01S13/90 申请日:20120807
实质审查的生效
2014-02-12
公开
公开
技术领域
本发明涉及雷达行业SAR图像处理技术领域,尤其涉及一种模拟星 载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)距离模糊图像的 方法。
背景技术
SAR图像模拟方法通常分两类:一类是根据SAR系统工作原理,由 地物的后向散射系数模拟得到回波数据,再通过成像处理算法获得SAR 图像。这类方法模拟的图像能够较真实地反映SAR图像特征,但在模拟 回波数据时,一般采用逐点求解的方法,计算量很大,很难真正反映不同 地物对雷达波的散射能力;另一类是利用机载SAR图像模拟星载SAR图 像,即:通过输入已获得的机载SAR图像和对应的系统参数、星载SAR 参数(包括平台高度、入射角度、脉冲重复频率、信号带宽等),模拟得 到星载SAR图像,既可以避免复杂地物散射系数的计算,又能获得更能 真实反映目标特性的星载SAR图像,这也是星载SAR图像模拟的一个重 要方向。
星载SAR系统发射脉冲信号后,要经过几个脉冲间隔才能收到该脉 冲的回波。这样,在接收测绘带内目标对某一发射脉冲的回波信号时,就 可能同时收到来自测绘带外近端的目标对下一个发射脉冲的回波,以及测 绘带外远端目标对上一发射脉冲的回波。这些测绘带外不同距离上的回波 都会对测绘带内信号产生干扰,在图像中产生明显的距离模糊噪声。以下 具体介绍距离模糊噪声产生的原理。
SAR距离模糊形成原理如图1和图2所示。距离模糊信号来源于近端 或远端对先前或之后的发射脉冲的回波信号。若数据记录窗口内某采样点 对应的回波延迟时间为ti,则距离模糊信号来自以下Rij距离处:
其中,c为电磁波传播速度,j为正时对应远端模糊点对先前发射脉 冲的回波;j为负时对应近端模糊点对之后发射脉冲的回波;j=±nh对应 地平线处的模糊点,PRF为脉冲重复频率,R0为对应目标区的斜矩。
计算目标区域信号S0和单个模糊区信号SAj的能量比值时,只需要考 虑雷达方程在比率中没有消除的参数。因此:
这里,ηj为模糊区合成孔径雷达天线波束俯角;η0为目标区合成孔径 雷达天线波束俯角;是在给定ηj处的归一化后向散射系数,Gj是在给定 Rj处的天线方向图能量,G0为目标区的天线方向图能量。
图3为SAR目标图像区和远端第一个模糊区域(记为A模糊区)与 SAR系统平台的几何关系示意图。如图3所示,各模糊区相对目标图像区 域的距离位移量为:
其中:λ为电磁波长;fd为脉冲多普勒中心;j为距离模糊数;Kfd多 普勒频率变化率;PRF为脉冲重复频率。
ΔγRA1为j=1时距离位移量。设目标图像区域的中心地距为R0,中心斜 距为RS0,任一点斜距为RS。假设对目标区域产生模糊的区域中心地距为 RA0,中心斜距为RsA0,任一点斜距为RsA。根据三角几何关系有:
RA0=RA+ΔγRA1 (5)
由目标区域信号能量Sj和单个模糊区信号能量SAj可计算出模糊区信 号能量与目标区域信号能量比,用于调整距离模糊图像强度。由距离位移 量ΔγRA可确定对目标图像区产生距离模糊的区域,从而获得该区域的单视 复图像(Single Look Complex,简称SLC)。
在现有的SAR图像模拟方法中,通常忽略图像距离模糊噪声。对机 载SAR系统而言,由于回波扩展相对于脉冲间间隔非常小,图像的距离 模糊噪声不明显。然而,实际上星载SAR图像中存在明显的距离模糊噪 声,从而模拟的星载SAR图像的逼真度达不到实际应用要求,无法去除 星载SAR图像的距离模糊噪声。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述的一个或多个问题,本发明提供了一种模拟星载SAR距 离模糊噪声图像的方法。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面,提供了一种模拟星载SAR距离模糊噪声图 像的方法。该方法包括:步骤A,由机载SAR单视复图像的数据记录窗 口内采样点对应的回波延迟时间,计算距离模糊源的位置,并获取该位置 的参考图像;将机载SAR系统获取的SAR原始回波数据进行成像处理, 配准并截取该参考图像对应区域作为SAR距离模糊源单视复图像;步骤B, 对SAR距离模糊源单视复图像进行逆成像处理,得到距离模糊源的SAR 原始回波数据,该逆成像处理的算法与SAR原始回波数据进行成像处理 的成像方式对应;步骤C,将距离模糊源原始回波数据利用星载SAR目 标区域的成像参数进行二次成像处理,得到距离模糊源在星载SAR目标 区域图像上产生的未经能量调整的星载SAR距离模糊噪声图像;步骤D, 将星载SAR距离模糊噪声图像中各个像素的灰度乘以目标区域与距离模 糊源回波信号能量调整系数rAj,得到经过能量调整的星载SAR距离模糊 噪声图像。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明模拟星载SAR距离模糊噪声图像 的方法具有以下有益效果:
(1)本发明利用机载SAR的单视复图像数据作为输入图像,可精确 获取星载SAR距离模糊噪声图像,模拟的结果能充分体现真实地物的复 杂电磁散射;
(2)本发明不需要对实际模拟场景建模,不需要计算电磁散射特性 和原始回波数据,避免了实际场景建模困难、电磁散射特性计算复杂、原 始回波数据计算量大等问题,提高了模拟结果的准确性及可实现性。
附图说明
图1为SAR距离模糊原理示意图;
图2为SAR距离模糊数据记录原理示意图;
图3为SAR目标图像区和远端第一个模糊区域(记为A模糊区)与 SAR系统平台的几何关系示意图;
图4为对SAR原始回波数据进行RD算法成像处理的流程图;
图5为本发明实施例星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法中获取距 离模糊源单视复图像步骤的流程图;
图6为本发明实施例星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法中获取距 离模糊源SAR回波数据步骤的流程图;
图7为本发明实施例星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法中距离模 糊源的SAR原始回波数据进行二次成像处理步骤的流程图;
图8为本发明实施例星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法的流程图;
图9为本发明另一实施例星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法的流 程图;
图10为本发明再一实施例星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法的流 程图;
图11为与星载SAR航迹角和视角相同距离模糊源机载SAR图像;
图12为以图11作为距离模糊源,采用本发明方法模拟得到的星载 SAR距离模糊噪声图像。
具体实施方式
为使本发明的目的、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,对本发明进一步详细说明。
需要说明的是,在附图或说明书描述中,相似或相同的部分都使用相 同的图号。且在附图中,以简化或是方便标示。再者,附图中未绘示或描 述的实现方式,为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外,虽然 本文可提供包含特定值的参数的示范,但应了解,参数无需确切等于相应 的值,而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
为了便于理解本发明,首先对本发明所涉及的SAR成像处理过程进 行介绍。典型的SAR成像算法有RD算法、CS算法及其改进算法、ωK算 法、SPECAN算法等。本发明从以RD算法为例,其它算法处理过程类推 得到。RD算法成像处理过程如图4所示。
设雷达发射的线性调频信号St(tr)为:
St(tr)=u(tr) (7)
tr为距离向时间,雷达接收地物后向散射原始回波信号为:
Sr(x,tr)=u(x,tr) (8)
其中x是方位向距离,是方位时间ta的函数。
步骤S402:对输入的原始回波数据(Raw数据),式(8)进行距离 向FFT处理。
fr为距离向发射信号频率。
步骤S404:将(9)式乘以距离向参考函数Rr(fr):
Sref_r(x,fr)=Sr(x,fr)*Rr(fr) (10)
其中,Rr(fr)的频域矩形窗加权函数为:
其中,Br为发射信号带宽,kr为发射信号调频斜率。
步骤S406:对式(10)进行IFFT变换。得到距离向脉冲压缩后的信 号表示为:
步骤S408:对(12)式进行方位向的FFT变换:
fa为方位多普勒频率,λ为电磁波长,R为斜距,va为 载机速度,ta0为零时刻时间。
步骤S410:将(13)式乘以频域方位向参考函数Ra(fa)得:
Sref_a(fa,tr)=SMF_r(fa,tr)*Ra(fa) (14)
其中,
fc为发射电磁波载频,c为电磁波传播速度;V为载机速度,Rs为载 机斜距。
步骤S412:对(14)式结果进行距离向FFT。
步骤S414:将(16)式乘以距离徙动校正函数frmc(fa,fr):
Srmc(fa,fr)=Sr(fa,fr)*Hrmc(fa,fr) (17)
fa为机载SAR方位多普勒频率,fr为机载SAR距离向发射信号频率, fc为机载SAR发射电磁波载频,c为电磁波传播速度;V为机载SAR平 台速度,Rs为机载SAR斜距。
步骤S416:对(17)式进行距离向IFFT得:
步骤S418:对(14)式或(19)式进行方位向IFFT变换,得到方位 向脉冲压缩后的信号(复图像)为:
或
以上是RD算法的成像处理过程。式(20)或式(21)所描述的图像 数据就是本发明的输入数据。
本发明星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法,以如式(20)或式(21) 所描述的截取的一段距离模糊源区域的机载SAR单视复图像作为输入数 据,经过距离模糊源数据截取、机载SAR逆成像处理、二次成像处理、 及图像灰度调整4个处理过程,得到星载SAR距离模糊噪声图像。
图8为本发明实施例星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法的流程图。 以下结合图8,对本发明的每个过程进行详细说明,具体如下。
步骤A,由星载SAR目标区图像的数据记录窗口内采样点对应的回 波延迟时间,计算距离模糊源的位置,并获取该位置的参考图像;将机载 SAR系统获取的SAR原始回波数据进行成像处理,配准并截取该参考图 像对应区域的单视复图像,作为SAR距离模糊源单视复图像;
图5为本发明实施例星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法中获取距 离模糊源单视复图像步骤的流程图。如图5所示,该步骤又可以分为如下 子步骤:
子步骤A1,获取距离模糊源参考图像;
由星载SAR目标区图像的数据记录窗口内采样点对应的回波延迟时 间,计算出对目标星载SAR目标区图像产生距离模糊的距离Rij,并根据 图3的几何关系计算得到距离模拟源的四个角点A′、B′、C′、D′的位置, 最后在大比例尺的地图中截取该区域的历史影像,作为距离模糊区域SAR 图像配准的参考图像(简称:参考图像)。
子步骤A2,含距离模糊源的机载SAR成像处理;
由于机载SAR系统获取的原始回波数据很难能实现亚像元级图像配 准,无法直接用于距离模糊图像模拟。所以要先对含有距离模糊源的SAR 原始回波数据进行成像处理,得到含有距离模糊源的机载SAR图像数据。 处理过程见如上所述的SAR成像处理过程介绍。
子步骤A3,获取SAR距离模糊源单视复图像:
将含有距离模糊源的机载SAR图像数据与参考图像进行亚像元级图 像配准,截取得到对星载SAR目标图像产生模糊的机载SAR单视复图像 (简称SAR距离模糊源单视复图像)。
步骤B,对距离模糊源单视复图像进行机载SAR逆成像处理,得到 距离模糊源的机载SAR原始回波数据,该逆成像处理的算法与所述距离 模糊源单视复图像的成像方式对应;
本步骤中,输入数据为步骤A输出的距离模糊源单视复图像,其函数 表达仍可由式(20)或式(21)所描述。下面以式(21)为例,介绍获得 原始回波数据的过程。该机载SAR逆成像处理包括按顺序进行方位向FFT、 距离向FFT、机载SAR逆距离徙动、距离向IFFT、机载SAR逆方位向配 准滤波、方位向IFFT、距离向FFT、机载SAR距离向逆匹配滤波及距离 向IFFT九个处理过程。
图6为本发明实施例星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法中获取距 离模糊源SAR回波数据步骤的流程图。如图6所示,该步骤又可以分为 如下子步骤:
子步骤B1,对式(21)的机载SAR距离模糊源单视复图像进行方位 向FFT变换,根据傅立叶变换的可逆性,可以得到:
式(22)即为式(19)的结果。
子步骤B2:对(22)式进行距离向FFT得:
式(23)即为式(17)的结果。
子步骤B3:对式(23)乘以机载SAR距离徙动校正逆函数,进行逆 距离徙动校正;
式(24)即为式(16)的结果。
其中,子步骤B3的机载SAR逆距离徙动校正函数为:
fa为机载SAR方位多普勒频率,fr为机载SAR距离向发射信号频率, fc为机载SAR发射电磁波载频,c为电磁波传播速度;V为机载SAR平 台速度,Rs为机载SAR斜距。
子步骤B4:对式(24)进行距离向IFFT,根据傅里叶变换的可逆性 得:
式(26)即为式(14)的结果。
子步骤B5:将式(26)乘以机载SAR逆方位向参考函数,解除方位 向匹配,从而得到:
式(27)即为式(13)的结果。
其中,机载SAR逆方位向频域参考函数为:
fa为机载SAR方位多普勒频率,fc为机载SAR发射电磁波载频,c为 电磁波传播速度;V为机载SAR平台速度,Rs为机载SAR斜距。
子步骤B6:对式(27)进行方位向IFFT,根据逆傅立叶变换的可逆 性,可以得到:
式(29)即为式(12)的结果。
子步骤B7:对式(29)进行距离向FFT变换,并同样根据傅立叶变 换的可逆性,可以得到:
式(30)即为式(10)的结果。
子步骤B8:对式(30)进行机载SAR距离向的逆匹配滤波,即乘以 机载SAR距离向参考函数的共轭函数,解除距离向匹配,可以得到:
其中,机载SAR逆距离向频域参考函数为:
fr为机载SAR距离向发射信号频率,Br为发射信号带宽,kr为发射信 号调频斜率。
子步骤B9:对式(31)进行距离向IFFT,同样根据逆傅立叶变换的 可逆性,可以得到:
至此,得到了(8)式所表示的距离模糊源的SAR原始回波数据。
步骤C,将距离模糊源原始回波数据利用星载SAR目标区域的成像 参数进行二次成像处理,得到距离模糊源在星载SAR目标区域图像上产 生的未经能量调整的星载SAR距离模糊噪声图像;
与本发明期望得到的星载SAR距离模糊噪声图像比,该距离模糊SAR 图像只是图像能量未调整,因此称该图像为未经能量调整的星载SAR距 离模糊噪声图像。
其中,该二次成像处理包括按顺序进行的:距离向FFT变换、星载 SAR距离向匹配滤波、距离向IFFT、方位向FFT、机载SAR参数的距离 徙动校正、及星载SAR后续成像处理六个处理过程。
图7为本发明实施例星载SAR距离模糊噪声图像模拟方法中距离模 糊源的SAR原始回波数据进行二次成像处理步骤的流程图。如图7所示, 该步骤又可以分为如下子步骤:
步骤C1:对距离模糊源的SAR原始回波数据进行距离向FFT;
步骤C2:将步骤C1结果乘以星载SAR的距离参考函数以进行距离 向匹配滤波,其中,星载SAR的距离参考函数为:
其中,fr为星载SAR距离向发射信号频率,Br为星载SAR发射信号 带宽,kr为星载SAR发射信号调频斜率。
本发明选用的机载SAR的发射信号频率参数需要与星载SAR发射信 号频率参数一致。因此,二者的距离参考函数也一致;
步骤C3:对步骤C2结果进行距离向IFFT;
步骤C4:对步骤C3结果进行方位向FFT;
步骤C5:将步骤C4结果乘以星载SAR的方位参考函数以进行方位 向匹配滤波。其中,星载SAR的方位参考函数为:
其中,fc为机载SAR发射电磁波载频,c为电磁波传播速度;V为星 载SAR的卫星平台速度,Rs为星载SAR斜距,Rs取值为处理点对应在目 标图像区域点的斜距R0。
步骤C6:由于距离模糊源的SAR原始回波数据的距离徙动是由机载 SAR系统产生的,因此对步骤C5结果进行机载SAR参数的距离徙动校正。 即:依次进行距离向FFT、乘机载SAR距离徙动校正函数、及距离向IFFT 3项处理。
其中,机载SAR距离徙动校正函数如下所示:
其中:fa为机载SAR方位多普勒频率,fr为距离向发射信号频率,fc为机载SAR发射电磁波载频,c为电磁波传播速度;V为机载SAR平台 速度,Rs为机载SAR斜距。
步骤C7:对步骤C6结果采用与目标区域的星载SAR成像处理一致 的成像方法进行成像处理,得到了未经能量调整的星载SAR距离模糊噪 声图像。
例如,如果目标区域的SAR成像处理方法为RD算法,则继续进行方 位向IFFT。该成像方法可以为RD、CS、ωK等,其不一定与步骤B中的 成像算法一致。
步骤D,将星载SAR距离模糊噪声图像中各个像素的灰度乘以目标 区域与距离模糊源回波信号能量调整系数rAj,如式(38)所示,得到经过 能量调整的星载SAR距离模糊噪声图像。
根据式(2)、(3)所示的模糊区域距离Rj、天线方向图模糊区域旁瓣 能量Gj与中心区域能量G0关系,得到经过能量调整的星载SAR距离模糊 噪声图像Isn(i,j),如式(37)。
其中,Isn(i,j)为本发明期望的星载SAR距离模糊噪声图像像素能量, Iss(i,j)为模拟的未经能量调整的星载SAR距离模糊噪声图像像素能量。 为本发明期望的星载SAR距离模糊噪声图像像素灰度,为 未经能量调整的星载SAR距离模糊噪声图像像素灰度。
由式(1)、(2)、(3)可得到图像能量调整系数rAj为:
其中,ηj为模糊区合成孔径雷达天线波束俯角;η0为目标区合成孔径 雷达天线波束俯角;是在给定ηj处的归一化后向散射系数,Gj是在给定 Rj处的天线方向图能量,G0为目标区的天线方向图能量。Rj为第j个模糊 区斜距,由式(1)计算。kAj为机载SAR距离模糊源图像能量调整系数, 即目标区星载SAR图像能量与距离模糊源SAR图像能量之比,由式(39) 计算。理论上,kAj表示为
其中,∑Iss(i,j)为模拟的SAR图像总能量,∑Is0(i,j)为目标区域星载 SAR图像总能量。
上文给出了本发明实现的完整的实现过程,以下给出在具体场景下本 发明的其他实施方式:
(1)星载SAR距离模糊噪声模拟流程在实际操作中可进行简化。子 步骤B9与步骤C1是互逆过程,不必执行。简化的星载SAR距离模糊噪 声模拟流程如图9所示,其他处理过程与图8类似,不再赘述;
(2)当机载SAR与星载SAR发射信号一致时:
由式(11)和式(32)可见,Rr(fr)和与斜距无关,只与发射 信号的频率、带宽、调频斜率有关。当机载SAR与星载SAR发射信号这 3项参数一致时,对原始回波数据回溯可只执行到图8的子步骤B5加入 机载SAR逆方位参数函数。图8子步骤B6到步骤C4不必执行。这样, 机载SAR与星载SAR发射信号一致时SAR距离模糊图像模拟流程,如图 10所示,具体处理过程不再赘述。
图11为与星载SAR航迹角和视角相同距离模糊源机载SAR图像。 图12为以图11作为距离模糊源,采用本发明方法模拟得到的星载SAR 距离模糊噪声图像。图11和图12中垂直方向为方位向,水平方向为距离 向。两图点目标在距离向所占的像素宽度一致,说明两图像在距离向上聚 焦一致。图12点目标方位向明显散焦,这与距离模糊的理论分析一致, 说明本发明提出的距离模糊模拟方法的理论推导正确、实现过程可行。
本发明的实施例中,模拟得到的星载SAR距离模糊噪声图像以已有 实际距离模糊区域SLC图像为输入,能实现模糊区域与目标图像区的亚像 元级配准,保证距离模糊源图像准确,可实现准确的距离模糊图像模拟。 在本发明进一步的实施例中,采用的距离模糊源图像若为同一星载SAR 系统或发射信号与星载SAR系统一致的机载/星载SAR获取的历史图像数 据,则可相应简少原始回波数据回溯过程和匹配滤波的成像处理过程。
需要说明的是,上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各 种具体结构或形状,本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换, 例如:
(1)本发明主要由RD算法得到的图像数据进行距离模糊噪声模拟 的方法。其中RD算法可以用其他的SAR成像算法,如CS算法,ωK算 法、SPECAN算法等,来代替。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、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,以上所述仅为本发明的具体实施例而 已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修 改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
机译: 用于放大噪声图像的方法和用于放大噪声图像的装置
机译: 用于放大噪声图像的方法和用于放大噪声图像的装置
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