一种基于频域BP的图像域宽带合成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于频域BP的图像域宽带合成方法。它是基于频域BP成像理论，先对接收到的子带回波信号进行距离压缩，然后将距离压缩后的回波频谱后向投影到图像空间频域，再对后向投影后得到的图像空间谱进行二维傅里叶逆变换得到子带空域图像。对得到的子带图像进行距离向空间谱平移，最后对平移后的子带图像进行距离向空间谱累加得到宽带合成图像。本发明专利技术的优点是基于频域BP的图像域宽带合成方法较传统的宽带合成方法性能更佳，能够很好的解决相位不连续问题，并且无需增加系统和信号处理难度；由于采用频域BP成像算法，成像效率高，并且在子带重叠时能够根据系统参数自动进行谱截断处理。

A wideband synthesis method of image domain based on frequency domain BP

The invention discloses a wideband synthesis method of image domain based on frequency domain BP. It is based on the theory of frequency domain BP imaging, the received echo signal subband compression distance, then the distance of the echo spectrum compressed backward projection to the image spatial frequency, image space of the back projection spectrum obtained after two-dimensional Fourier transform into subband image space. The range of the obtained subband image is shifted to the space spectrum. Finally, a wideband synthetic image is obtained by accumulating the distance to the space spectrum after the translation of the subband image. The invention has the advantages of better broadband synthesis method of image synthesis method of frequency domain broadband BP than the traditional performance based on good, can solve the phase discontinuity problem, without increasing the system and signal processing difficulty; the use of frequency domain BP imaging algorithm, imaging efficiency is high, and the sub bands overlap automatic spectrum truncation according to system parameters.

【技术实现步骤摘要】
一种基于频域BP的图像域宽带合成方法
本专利技术属于雷达
，它特别涉及步进频合成孔径雷达(SAR)成像

技术介绍
由于具有全天时全天候成像的性能，合成孔径雷达(SAR)被广泛的应用于许多领域，如军事侦察，环境监测，灾害预警等领域，详见文献“I.G.Cumming，F.H.wong.合成孔径雷达——算法与实现[M].北京：电子工业出版社，2009”。由于2维分辨率直接影响SAR的识别能力，所以提高分辨率一直是SAR研究的一个重要方向。在其他条件相同的情况下，方位向分辨率与合成孔径时间密切相关，距离向分辨率与发射LFM信号带宽相关。因此方位向分辨率通常通过合成大孔径来提高；提高距离向分辨率则通过增大发射信号带宽来实现。然而，普通SAR由于受到系统瞬时带宽和采样率的约束，其信号带宽提高能力受到极大限制。步进频SAR(SFSAR)是提高距离向分辨率的一个重要技术，这种技术可以在不提高系统瞬时带宽和采样率的前提下提高距离向分辨率，详见文献“Deng，Y.K，H.F.Zheng，R.Wang，J.Feng，andY.Liu.InternalCalibrationforStepped-frequencyChirpSARImaging.IEEEGeoscienceandRemoteSensingLetters8(6)：1105-1109.”。步进频SAR通过序贯发射和接收子带脉冲，然后通过信号处理手段将接收到的子带回波信号合成为宽带信号，从而达到提高距离向分辨率的目的。对于步进频SAR，目前主要有三种宽带合成方法：时域宽带合成、频域宽带合成和图像域宽带合成。时域宽带合成主要是通过频移和时移重建时域宽带信号，其具有较好的宽带合成能力，但是斜距误差的补偿非常困难且效率非常低。频域宽带合成旨在重建目标信号的宽带反射谱，详见文献“A.J.Wikinson，R.T.Lord，M.R.Inggs.Stepped-frequencyprocessingbyreconstructionoftargetreflectivityspectrum[C].Proceedingofthe1998SouthAfricanSymposiumonCommunica-tionsandSignalProcessing，1998，101-104”。频域宽带合成比时域宽带合成步骤更简洁，但匹配滤波器的设计和斜距误差的补偿仍很困难。图像域宽带合成是先获得多幅子带图像，然后对子带图像进行处理，获得高分辨的合成宽带图像，有学者将这种方法称为SCA(SubimageCoherentAccumulation)方法。SAR成像的本质是从回波信号中恢复目标的散射信息，而目标散射信息与平台位置无关。因此如果先通过成像处理获得子带图像，那么斜距误差在成像处理过程中即已被无形地补偿了，再将子带图像进行宽带合成，即可不用考虑斜距误差，因此，图像域宽带合成方法较其它两种方法来说具有明显优势。在成像算法方面，后向投影(BackProjection，BP)成像算法作为一种时域SAR成像算法，其通过计算成像区域内每一散射点到天线相位中心之间的双程时延，然后将对应时域回波信号进行相干累加，从而恢复出每个散射点的散射系数信息。由于具有精确度高，适用于任何构型任何场景的SAR成像、成像平面可以任意选择、结果没有任何几何失真等优点，BP算法在科学研究和工程实践中越来越得到关注和应用。将时域BP算法运用于图像域宽带合成方法中，能够获得高性能的高分辨率合成图像，但同时也应该注意到，时域BP算法采用逐点匹配的方式实现方位向聚焦，时间很长，效率较低。因此需要对BP算法进行改进，在保证成像质量的同时提高效率。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于频域BP(Frequency-domainBackProjection，FDBP)的图像域宽带合成方法。该方法基于频域BP成像理论，先对接收到的子带回波信号进行距离压缩，然后将距离压缩后的回波频谱后向投影到图像空间频域，再对后向投影后得到的图像空间谱进行二维傅里叶逆变换得到子带空域图像。对得到的子带图像进行距离向空间谱平移，即移动频率轴以使各子带图像距离向频率轴相互对齐。最后对平移后的子带图像进行距离向空间谱累加得到宽带合成图像。当空间频率步进量小于子带图像距离向带宽时，图像将出现栅瓣，并且旁瓣性能会恶化，这时还需进行图像空间谱截断，在基于频域BP的宽带合成中，可以通过已知参数自动实现图像空间谱截断。为了方便描述本专利技术的内容，首先作以下术语定义：定义1、信号升采样方法。通过频域插值增加时域信号采样率的过程，这里的插值仅指零插值，需与稀疏信号重建模拟信号的插值区分。定义2、标准合成孔径雷达距离压缩方法标准合成孔径雷达距离压缩方法是指利用合成孔径雷达系统的发射信号参数，生成距离压缩参考信号，并采用匹配滤波技术对合成孔径雷达的距离向信号进行滤波的过程。详见文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。定义3、合成孔径雷达慢时间和快时间合成孔径雷达慢时间是指雷达平台飞过一个合成孔径所需要的时间。雷达系统以一定的重复周期发射接收脉冲，因此慢时间可以表示为一个以重复周期为步长的离散化时间变量，其中每一个离散时间变量值为一个慢时刻。合成孔径雷达快时间是指雷达发射接收脉冲的一个周期的时间。由于雷达接收回波是以采样率进行采样，则快时刻可以表示为一个离散化的时间变量，每一个离散变量值为一个快时刻。详见文献“合成孔径雷达成像原理”，皮亦鸣等编著，电子科技大学出版社出版。定义4、合成孔径雷达投影成像空间合成孔径雷达投影成像空间是指在合成孔径雷达数据成像时选取的成像空间，合成孔径雷达成像需要将回波数据投影到该成像空间进行聚焦处理。定义5、步进频SAR雷达系统最短斜距步进频SAR雷达系统最短斜距是指步进频SAR雷达系统中天线在合成孔径长度中间位置时到场景中心的距离，在本专利技术中步进频SAR雷达系统最短斜距记为R0。定义6、标准合成孔径雷达原始回波仿真方法标准合成孔径雷达原始回波仿真方法是指给定雷达系统参数、平台轨迹参数以及观测场景参数等所需的参数条件下，基于合成孔径雷达成像原理仿真得到具有SAR回波信号特性的原始回波信号的方法，详细内容可参考文献：“步进频SAR回波信号与系统仿真研究”，张剑琦，哈尔滨工业大学硕士论文。本专利技术提供的一种基于频域BP的图像域宽带合成方法，它包括以下几个步骤：步骤1、初始化步进频SAR成像雷达系统参数：初始化步进频SAR成像雷达系统参数，包括：光的传播速度，记为c，雷达载波基波波长，记为λ0，雷达平台主天线发射信号带宽，记为Br，雷达发射脉冲时宽，记为Tr，雷达采样频率，记为Fs，雷达脉冲重复频率，记为PRF，雷达波束宽度，记为Ba，基载频，记为f0，频率步进量，记为Δf，子带个数，记为N，平台运动速度矢量，记为V，雷达系统距离向采样点数，记为Nr，雷达系统方位向采样点数，记为Na，步进频SAR雷达系统天线初始位置，记为Pt(0)，场景中心坐标，记为Pc，R0＝|Pt(0)-Pc|为最短斜距。第n个子带在慢时间η和快时间t的原始回波数据，记为Em(t，η，n)，t＝1，2，…，Nr，η＝1，2，…，Na，n＝1，2，…，N，其中t，η和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频域BP的图像域宽带合成方法，其特征是它包括以下几个步骤：步骤1、初始化步进频SAR成像雷达系统参数：初始化步进频SAR成像雷达系统参数，包括：光的传播速度，记为c，雷达载波基波波长，记为λ0，雷达平台主天线发射信号带宽，记为Br，雷达发射脉冲时宽，记为Tr，雷达采样频率，记为Fs，雷达脉冲重复频率，记为PRF，雷达波束宽度，记为Ba，基载频，记为f0，频率步进量，记为Δf，子带个数，记为N，平台运动速度矢量，记为V，雷达系统距离向采样点数，记为Nr，雷达系统方位向采样点数，记为Na，步进频SAR雷达系统天线初始位置，记为Pt(0)，场景中心坐标，记为Pc，R0＝|Pt(0)‑Pc|为最短斜距；第n个子带在慢时间η和快时间t的原始回波数据，记为Em(t,η,n)，t＝1,2,…,Nr，η＝1,2,…,Na，n＝1,2,…,N，其中t，η和n为自然数，Nr为初始化得到的步进频SAR雷达系统距离向采样点数，Na为初始化得到的步进频SAR雷达系统方位向采样点数，N为初始化得到的步进频SAR雷达系统发射的序贯子带脉冲个数；步骤2、对步进频SAR雷达系统天线原始回波数据进行距离压缩：采用标准合成孔径雷达距离压缩方法对步骤1中得到的原始回波数据Em(t,η,n)进行距离压缩，压缩后的回波数据记为Sr(t,η,n)，t＝1,2,…,Nr，η＝1,2,…,Na，n＝1,2,…,N；步骤3、将压缩后的回波数据变换到距离频域并进行回波升采样采用标准距离向傅里叶变换方法，将步骤2得到的距离压缩后的回波数据Sr(t,η,n)变换到距离频域，变换后得到的信号，记为Sf(k,η,n)，k＝1,2,…,Nr，η＝1,2,…,Na，n＝1,2,…,N，其中k为距离频域的采样点；采用标准信号升采样方法，将变换到距离频域后的回波信号Sf(k,η,n)进行升采样，升采样后的信号，记为Sff(k',η,n)，k'＝1,2,…,Nr×Times，η＝1,2,…,Na，n＝1,2,…,N，其中Times表示升采样倍数；步骤4、采用频域BP成像算法分别对各个子带进行投影成像处理：对于频域BP算法，投影成像空间为图像空间频域；步骤4.1采用公式Δkx＝2π/R0，Δky＝2π/Y0，分别计算空间谱网格的距离向空间频率间隔Δkx和方位向空间频率间隔Δky，其中X0和Y0分别为距离向和方位向的场景尺寸；采用公式...

【技术特征摘要】
1.一种基于频域BP的图像域宽带合成方法，其特征是它包括以下几个步骤：步骤1、初始化步进频SAR成像雷达系统参数：初始化步进频SAR成像雷达系统参数，包括：光的传播速度，记为c，雷达载波基波波长，记为λ0，雷达平台主天线发射信号带宽，记为Br，雷达发射脉冲时宽，记为Tr，雷达采样频率，记为Fs，雷达脉冲重复频率，记为PRF，雷达波束宽度，记为Ba，基载频，记为f0，频率步进量，记为Δf，子带个数，记为N，平台运动速度矢量，记为V，雷达系统距离向采样点数，记为Nr，雷达系统方位向采样点数，记为Na，步进频SAR雷达系统天线初始位置，记为Pt(0)，场景中心坐标，记为Pc，R0＝|Pt(0)-Pc|为最短斜距；第n个子带在慢时间η和快时间t的原始回波数据，记为Em(t,η,n)，t＝1,2,…,Nr，η＝1,2,…,Na，n＝1,2,…,N，其中t，η和n为自然数，Nr为初始化得到的步进频SAR雷达系统距离向采样点数，Na为初始化得到的步进频SAR雷达系统方位向采样点数，N为初始化得到的步进频SAR雷达系统发射的序贯子带脉冲个数；步骤2、对步进频SAR雷达系统天线原始回波数据进行距离压缩：采用标准合成孔径雷达距离压缩方法对步骤1中得到的原始回波数据Em(t,η,n)进行距离压缩，压缩后的回波数据记为Sr(t,η,n)，t＝1,2,…,Nr，η＝1,2,…,Na，n＝1,2,…,N；步骤3、将压缩后的回波数据变换到距离频域并进行回波升采样采用标准距离向傅里叶变换方法，将步骤2得到的距离压缩后的回波数据Sr(t,η,n)变换到距离频域，变换后得到的信号，记为Sf(k,η,n)，k＝1,2,…,Nr，η＝1,2,…,Na，n＝1,2,…,N，其中k为距离频域的采样点；采用标准信号升采样方法，将变换到距离频域后的回波信号Sf(k,η,n)进行升采样，升采样后的信号，记为Sff(k',η,n)，k'＝1,2,…,Nr×Times，η＝1,2,…,Na，n＝1,2,…,N，其中Times表示升采样倍数；步骤4、采用频域BP成像算法分别对各个子带进行投影成像处理：对于频域BP算法，投影成像空间为图像空间频域；步骤4.1采用公式Δkx＝2π/R0，Δky＝2π/Y0，分别计算空间谱网格的距离向空间频率间隔Δkx和方位向空间频率间隔Δky，其中X0和Y0分别为距离向和方位向的场景尺寸；采用公式分别计算空间谱网格的距离向空间频率点数Nx和方位向空间频率点数Ny，则空间谱网格共有Nx×Ny个频率点，ρx和ρy分别为距离向和方位向的图像分辨率，表示向上取整操作；步骤4.2记任意一个频率点的坐标为(nx,ny,n),nx∈{0,1,...,Nx},ny∈{0,1,...,Ny},n∈{1,2,…,N}；采用公式计算频点(nx,ny,n)后向投影在k域中的索引，其中为图像距离向中心频率，fc(n)＝f0+(n-1)×Δf为第n个子带的中心频率，f1＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓玲，贾淑培，胡克彬，韦顺军，师君，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51