基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法及系统

摘要

本公开提供了一种基于LVD的SAR动目标成像方法及系统，所述方案包括：对回波信号进行距离向压缩；距离弯曲校正；距离走动校正；利用LVD方法进行多普勒调频率参数估计，方位向信号压缩成像；所述方案能够实现SAR对地面动目标成像，在多普勒调频率估计时采用LVD时频分析方法，通过峰值搜索的方法获得估计值，具有更高精度，能够得到更精准的成像效果。

说明书

技术领域

本公开属于通信技术领域，尤其涉及一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)可以实现全天时、全天候对地监测，并且可以不受云层遮挡的影响，在民事和军事领域都有着广泛的应用，比如灾后救援、山体滑坡监测、军事监测等。

其中，SAR利用运动方向的时间积累形成合成孔径来完成方位向的高分辨成像，回波信号方位向的二次相位项(由多普勒调频率构成)直接影响成像聚焦精度，因此，多普勒调频率参数的精确与否是实现SAR方位向聚焦的关键；发明人发现，现有方法通常直接通过SAR平台运动参数获得多普勒调频率，其忽略了SAR平台运动过程中与成像聚焦需要的理想航迹存在偏差，导致获得的多普勒调频率与实际值存在偏差，进而影响图像聚焦的精度；同时，现有方法在进行多普勒参数估计时存在交叉项相互干扰的情况，导致多普勒参数估计精度不高，使最终成像方位向的旁瓣很高，散焦严重。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提供了一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法及系统，能够通过峰值搜索的方法得到高精度的多普勒调频率的估计值，使得成像时聚焦的效果明显提升。

根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法，包括：

获取目标反射的SAR回波信号；

对接收到的回波信号进行距离向快速傅里叶变换，获得回波信号对应的距离频域-方向时域信号；

将距离频域-方向时域信号进行距离脉冲压缩，并乘以补偿函数进行距离弯曲校正；

对校正后的信号进行距离走动参数估计，并进行距离走动校正；

利用LVD算法进行多普勒调频率参数估计，获得补偿后的多普勒中心频移；

对所述多普勒中心频移进行方位向信号的压缩，获得最终的聚焦结果。

进一步的，所述进行距离走动参数估计，包括以下步骤：

利用Radon变换将图像空间投影至ρ-θ空间；

运用空间搜索的方法得到倾斜直线的斜率的估计值。

进一步的，所述距离走动校正，包括以下步骤：

由斜率估计值计算得到vr，构造距离走动补偿函数；

将回波信号乘以补偿函数，对回波信号进行距离走动补偿；

距离向逆傅里叶变换。

进一步的，所述利用LVD算法进行多普勒调频率参数估计，其具体步骤包括：

构造参数对称的瞬时自相关函数，对自相关函数进行二维傅里叶变换；

用峰值搜索的方法得到多普勒调频斜率的估计值；

构造补偿函数；

将距离向逆变换之后的信号与所述补偿函数相乘。

根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像系统，包括：

信号采集单元，其用于获取目标反射的SAR回波信号；

距离频域-方向时域信号获取单元，其用于对接收到的回波信号进行距离向快速傅里叶变换，获得回波信号对应的距离频域-方向时域信号；

信号校正单元，其用于将距离频域-方向时域信号进行距离脉冲压缩，并乘以补偿函数进行距离弯曲校正；对校正后的信号进行距离走动参数估计，并进行距离走动校正；

聚焦单元，其用于利用LVD算法进行多普勒调频率参数估计，获得补偿后的多普勒中心频移；对所述多普勒中心频移进行方位向信号的压缩，获得最终的聚焦结果。

根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法。

根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开所述方案采用LVD(Lv’s Distribution)时频分析算法来估计多普勒调频率，通过对自相关函数进行二维傅里叶变换，利用峰值搜索的方法得到多普勒调频率的估计值，此方法可以得到精度更高的估计值，使得成像时聚焦的效果大大提升，为工程实现提供了可能。

(2)本公开所述方案在进行多普勒参数估计时，克服了信号之间交叉项的干扰，提高了多普勒参数估计的精度，最终得到的图像旁瓣较低，聚焦效果好。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例一中所述的基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法的流程图；

图2为本公开实施例一中所述的成像系统几何原理图；

图3(a)为本公开实施例一中所述的SAR接收的动目标回波信号示意图；

图3(b)为本公开实施例一中所述的距离向信号压缩后的信号示意图；

图3(c)为本公开实施例一中所述的距离弯曲校正之后的信号示意图；

图3(d)为本公开实施例一中所述的距离走动校正之后的信号示意图；

图3(e)为本公开实施例一中所述的多普勒中心频移补偿方位向压缩之后的最终成像结果图。

图4(a)至图4(b)为本公开实施例一中所述的LVD多普勒参数估计原理图；

图5为本公开实施例一中所述的运用空间搜索的方法获取倾斜直线的斜率估计值的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一：

本实施例的目的是提供一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法。

一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法，包括：

获取目标反射的SAR回波信号；

对接收到的回波信号进行距离向快速傅里叶变换，获得回波信号对应的距离频域-方向时域信号；

将距离频域-方向时域信号进行距离脉冲压缩，并乘以补偿函数进行距离弯曲校正；

对校正后的信号进行距离走动参数估计，并进行距离走动校正；

利用LVD算法进行多普勒调频率参数估计，获得补偿后的多普勒中心频移；

对所述多普勒中心频移进行方位向信号的压缩，获得最终的聚焦结果。

其中，所述进行距离弯曲校正所采用的补偿函数如下：

其中，c为光速，V

进一步的，所述进行距离走动参数估计，包括以下步骤：

利用Radon变换将图像空间投影至ρ-θ空间；

运用空间搜索的方法得到倾斜直线的斜率的估计值。

进一步的，所述距离走动校正，包括以下步骤：

由斜率估计值计算得到v

其中，v

所述距离走动补偿函数为：

其中，v

将回波信号乘以补偿函数，对回波信号进行距离走动补偿；

距离向逆傅里叶变换。

进一步的，所述利用LVD算法进行多普勒调频率参数估计，其具体步骤包括：

构造参数对称的瞬时自相关函数，对自相关函数进行二维傅里叶变换；其中，所述瞬时自相关函数具体表示为：

其中，τ为时延变量，a为时延常数。

用峰值搜索的方法得到多普勒调频斜率的估计值；

构造补偿函数，此处的补偿函数为：

其中，K为多普勒调频率，t

将距离向逆变换之后的信号与所述补偿函数相乘。

参照附图1，本公开的具体实施步骤如下：

步骤1，接收一个SAR回波信号。由SAR对地面发射电磁波，当电磁波碰到地面动目标时发生反射，再由SAR的接收系统接收回波信号。

步骤2，将距离频域-方位时域信号进行距离脉冲压缩，此时信号呈现一条曲线的形状，将此时的信号乘以距离弯曲校正函数进行距离弯曲校正，校正之后的信号呈现一条倾斜的直线；

步骤3，利用斜率估计值计算径向速度，将信号乘以距离走动校正函数，进行距离走动校正，校正后的结果使得信号成为一条直线。

具体的，所述步骤3包括：

步骤3-1：距离走动参数估计：

利用Radon变换将图像空间投影至ρ-α空间；

运用空间搜索的方法得到倾斜直线的斜率的估计值，如图5所示，此时ρ-α空间的投影如图所示，利用峰值搜索的方法得到峰值坐标(ρ,α)，得到α值，根据公式，得到信号倾斜角θ的估计值。斜率的计算公式具体如下：

θ＝arctan(1/(tan(απ)/180))

步骤3-2：距离走动校正：

由斜率估计值计算得到v

将回波信号乘以补偿函数，对回波信号进行距离走动补偿；

距离向逆傅里叶变换。

步骤4，用LVD方法进行多普勒调频率参数估计，多普勒中心-多普勒调频率域信号的表示，通过峰值搜索得到多普勒调频率的估计值。

具体的，所述步骤4包括：

步骤4-1：参数对称的瞬时自相关函数，对自相关函数进行二维傅里叶变换；

步骤4-2：用峰值搜索的方法得到多普勒调频斜率的估计值；

步骤4-3：构造补偿函数；

步骤4-4：将距离向逆变换之后的信号与所述补偿函数相乘。

步骤5，将信号乘以方位向压缩函数，得到最终的聚焦结果。

以下通过下述仿真实验对本公开所述方案的效果加以说明：

本公开的仿真为机载SAR对地面上一个点动目标成像，系统参数设置如下表所示。

表1.系统参数设置

下面结合附图对本公开成像效果做进一步说明

图3(a)-图3(e)为本公开点目标仿真成像结果图。图3(a)为SAR接收的动目标回波信号，图3(b)为距离向信号压缩后的信号，图3(c)为距离弯曲校正之后的信号图，图3(d)为距离走动校正之后的信号，图3(e)为多普勒中心频移补偿方位向压缩之后的最终成像。

图4(a)至图4(b)给出了多普勒参数估计的结果展示。

实施例二：

本实施例的目的是提供一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法系统。

一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法系统，包括：

信号采集单元，其用于获取目标反射的SAR回波信号；

距离频域-方向时域信号获取单元，其用于对接收到的回波信号进行距离向快速傅里叶变换，获得回波信号对应的距离频域-方向时域信号；

信号校正单元，其用于将距离频域-方向时域信号进行距离脉冲压缩，并乘以补偿函数进行距离弯曲校正；对校正后的信号进行距离走动参数估计，并进行距离走动校正；

聚焦单元，其用于利用LVD算法进行多普勒调频率参数估计，获得补偿后的多普勒中心频移；对所述多普勒中心频移进行方位向信号的压缩，获得最终的聚焦结果。

本文采用的LVD时频分析算法来估计多普勒调频率，由于此方法是通过对自相关函数进行二维傅里叶变换，通过峰值搜索的方法得到多普勒调频率的估计值，此方法可以得到精度更高的估计值，使得成像时聚焦的效果大大提升，为工程实现提供了可能。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例一中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一中所述的方法。

实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述实施例提供的一种基于LVD参数估计的SAR动目标成像方法及系统可以实现，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。