基于配准和曲线拟合的合成孔径雷达有效基线估计方法

摘要

本发明公开了基于配准和曲线拟合的合成孔径雷达系统有效基线估计方法，包括：步骤一、确定基线搜索集；步骤二、利用搜索集内的基线值对输入的多通道合成孔径雷达数据进行粗配准；步骤三、获取粗配准后的通道间的相关度值；步骤四、利用获得的相关度值的样本点进行高阶拟合，得到描述相关度与基线值之间关系的曲线；步骤五、寻找拟合所得曲线的最大值，所述最大值对应的基线值即为有效基线。本发明提供了可靠估计合成孔径雷达系统有效基线的方法。

说明书

技术领域

本发明属于物理领域，具体涉及合成孔径雷达领域中通过粗略配准并结合曲线拟合获得精确基线估计的方法。

背景技术

在合成孔径雷达领域，运动目标速度估计和重定位均需利用基线的信息。实际中，所述基线的取值常采用通过几何关系等效得到的等效基线值。然而，受平台运动偏离航向的误差、天线方向图的误差、通道间系统函数的差异以及杂噪比（CNR）等的影响，等效基线值通常会偏离真实存在于系统中的有效基线，这些误差会传播至运动目标的速度估计和重定位结果中。为此，需解决真实存在于系统中的有效基线的估计问题。

目前，合成孔径雷达系统中的有效基线估计技术主要通过估计沿航迹干涉（ATI）相位斜面的斜率完成。Gierull在文献“C.H. Gierull, ‘Digital channel balancing of along-track interferometric SAR data,’ DRDC, Ottawa, ON, Canada, Tech. Rep. TM 2003-024 , Mar. 2003.”中提出一种基于特征值分解（EDB）的方法。其基本思想是在距离多普勒域通过对样本协方差矩阵进行特征值分解来获得线性干涉相位斜面的估计，然后根据该相位斜面的斜率估计有效基线。该方法中，为减少基线估计的方差，样本协方差矩阵的估计需在全部距离门上进行，而合成孔径雷达数据中距离门的数目很容易达到几千个的量级，因此该算法比较耗时。此外，Chen等人在文献“Z.-Y. Chen, T. Wang, and N. Ma, ‘Accurate baseline estimation for synthetic aperture radar-ground moving target indication systems based on co-registration and median filtering,’ IET Radar Sonar Navig., vol. 8, no. 6, pp. 607–615, Jul. 2014.”中从一个新的角度利用精配准完成相位斜面的估计，再利用中值滤波进一步提高相位斜面的估计精度。该方法同样是通过估算相位斜面的斜率来获得精确的基线估计。

上述两种基于估算相位斜面斜率的基线估计技术，虽然可以精确估计有效基线，但是这些方法均需挑选位于天线主波束内的相位样本，这样便依赖于多普勒中心频率估计的精度。然而，多普勒中心频率的估计误差通常在百分之一脉冲重复频率的量级，利用不同的多普勒中心频率估计算法会得到不同的中心频率值。因此，上述基线估计技术不稳健。

发明内容

本发明解决的问题是现有的有效基线估计方法的估计精度依赖于多普勒中心频率的估计精度，也即基线估计技术不稳健的问题；为解决所述问题，本发明提供基于配准和曲线拟合的合成孔径雷达系统有效基线估计方法。

本发明提供的基于配准和曲线拟合的合成孔径雷达系统有效基线估计方法包括：

步骤一、确定基线搜索集；

步骤二、对输入的多通道合成孔径雷达数据进行粗配准；

步骤三、获取粗配准后的通道间的相关度值；

步骤四、利用获得的相关度值的样本点，拟合描述相关度与基线值之间关系的曲线；

步骤五、寻找拟合所得曲线的最大值，所述最大值对应的基线值即为有效基线。

进一步，所述基线搜索集初始化为 ，其中，，，为由几何关系等效得到的等效基线值。此处假定基线估计的总偏差不大于。

进一步，所述基线搜索集为：

其中，

，

，

，

表示向最近的整数进行取整操作。

进一步，所述步骤二包括：

步骤2.1、将输入的合成孔径雷达数据变换至距离多普勒域， 和分别表示第1个通道和第2个通道的距离多普勒域信号，其中，表示距离维时间、表示多普勒频率、表示有效基线、表示合成孔径雷达平台的沿航向飞行速度；

步骤2.2、以通道1为基准，利用基线搜索集内的值对通道2进行粗略配准，该粗配准操作可描述为：

其中，表示利用对进行粗配准得到的输出信号，。

进一步，粗配准后的通道间的相关度值的表达式为：

其中，为一常量，且：

。

进一步，所述步骤四包括：利用获取的相关度样本进行曲线拟合，使得函数值能在最小均方误差意义上拟合相关度值 ，所述拟合函数表示为：

，。

进一步，所述步骤五包括：

步骤5.1、利用所述步骤四求得的六阶多项式的系数构造相关度值关于基线值的函数：

，

步骤5.2、相关度函数的最大值所对应的基线值即为有效基线：

。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明充分利用通道间的互相关特性信息，不存在对多普勒中心频率估计不稳健的问题，因而能得到稳健的有效基线估计值；

第二，本发明采用基线搜索粗配准的方式获得相关度在不同基线值处的样本点，方法流程设计简单；

第三，本发明由于利用曲线拟合的方式完成相关度关于基线值的函数的估计，具有速度快、精度高的优点。

附图说明

图1 是本发明实施例提供的基于配准和曲线拟合的合成孔径雷达系统有效基线估计方法的操作流程图。

图2 是本发明实施例提供的基于配准和曲线拟合的合成孔径雷达系统有效基线估计方法得到的拟合曲线与原始样本点的对照图。

图3 是本发明实施例提供的基于配准和曲线拟合的合成孔径雷达系统有效基线估计方法与EDB方法（基于特征值分解的方法）和CMB方法（基于配准和中值滤波的方法）的性能比较图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。对于多通道系统的基线估计，不失一般性，以估计通道1和通道2之间的有效基线为例，对本发明的实施例作示意性阐述，其他通道间的有效基线可以用相同的方法进行估计。

参照图1，首先输入合成孔径雷达的多通道数据，并将该数据变换至距离多普勒域。记通道1和通道2的距离多普勒域信号为和，则其可用下式进行关联：

其中，表示距离维时间；

表示方位维频率，也即多普勒频率；

表示有效基线；

表示合成孔径雷达平台的沿航向飞行速度。

受各种误差源的影响，有效基线会偏离由几何关系等效得到的等效基线，然而总偏差不会大于，故而粗配准所使用的基线搜索区间可初始化为，其中，最小可能的基线值，最大可能的基线值。

为估计有效基线，需初始化如下的输入参数：

1)等效基线。等效基线由几何关系等效得到。例如，对于采用一个天线发射多个沿航向间隔为的天线同时接收的情况，。

2)初始样本点处的基线值精确到的小数点位数。例如，若，则初始样本点处基线值精确到m也即1cm。

3)基线估计需要精确到的小数点位数。例如，若，则基线估计需精确到m。

本发明实施例提供的基于配准和曲线拟合的合成孔径雷达系统有效基线估计方法，包括：

步骤1、产生基线搜索集。基线搜索集

其中，

，

，

，

表示向最近的整数进行取整操作。

步骤2，粗配准。通道1为参考通道，以通道1为基准利用基线搜索集内的值对通道2进行粗略配准，该粗配准操作可描述为：

其中，表示利用对进行粗配准得到的输出信号，。

步骤3，获取相关度值。参考通道1和粗配准后的通道2之间的相关性由相关度表征。计算相关度的表达式如下：

其中，为一常量，且：

步骤4，曲线拟合。利用获得的关于相关度的样本值按下式进行六阶曲线拟合，可以求得六阶多项式的系数，该系数使得函数值能在最小均方误差意义上对相关度值进行拟合：

，

步骤5，估计有效基线。利用系数完成相关度函数的估算：

，

最大相关度值所对应的有效基线即为真实存在于系统中的有效基线：

本发明的效果可通过下面的实验进一步验证。实验所用的实测合成孔径雷达数据来源于某次机载实验。为了检测地面运动目标，实验系统的天线采用沿航向排列配置。雷达参数如下：载波频率9 GHz，脉冲重复频率840 Hz，多普勒带宽530 Hz，多普勒中心频率-90 Hz，平台速度106 m/s，天线子孔径间隔0.4 m。

图2是本发明的曲线拟合结果。图中的星形点是步骤三中遍历基线搜索集后获得的相关度的样本值，而黑实线则是利用这些样本值进行曲线拟合后的结果。该拟合后的相关度值曲线的最大值对应的基线值为0.1652 m。利用该基线值和利用EDB方法和CMB方法获得的基线值进行粗配准所获得的相关度值见表1。可以看出，本发明方法与EDB方法和CMB方法相比性能较好。

表1

基线值（m）相关度值标称值（等效基线值）0.20000.9477EDB方法0.16390.9681CMB方法0.16450.9682本发明方法0.16520.9682

图3是本发明方法与EDB方法和CMB方法的基线估计性能的比较图。本实验中的多普勒中心频率值由经典的相关多普勒估计（CDE）算法获得。然而，目前的多普勒中心频率估计算法的估计精度大约为脉冲重复频率的百分之一，故本实验真实的多普勒中心频率可能存在的区间范围为[-100 Hz, -80 Hz]。从图中可以看出，现有的EDB方法和CMB方法均随着多普勒中心频率估计值的变化而变化，因而这两种方法的稳健性均不能得到保证。而本发明的方法则与多普勒中心频率估计值无关，能获得稳健的基线估计值。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

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