基于改进PFA的dechirp单基SAR成像方法

技术领域

本发明涉及雷达成像技术领域，特别涉及一种基于改进PFA的dechirp单基SAR成像方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)以其全天候、全天候的优势，广泛应用于资源勘探、灾害监测、战场侦察、战场目标精确打击等重要领域。聚束模式SAR的天线波束始终指向预定区域，具有良好的方位分辨率和操作灵活性。

PFA(Polar Format Algorithm，极坐标格式算法)将数据以极坐标的形式储存，通过对信号进行距离向和方位向的重采样实现距离向方位向数据解耦，并将信号转换为矩阵格式储存，最后通过两维快速傅里叶变换完成成像。传统PFA采取插值方式完成距离向方位向重采样，可以灵活调整重采样间隔从而调整成像分辨率。基于PCS(Principle of ChirpScaling)原理的PFA可以将距离向插值操作转化为多次的复数相乘和快速傅里叶变换操作，更加的简洁高效，但是现有的基于PCS的PFA不能调整距离向重采样间隔，因此并不能与传统插值操作的PFA完全等效，还可能产生距离频谱混叠和频谱损失的问题。

发明内容

本发明提供一种基于改进PFA的dechirp单基SAR成像方法，以解决传统基于PCS的PFA距离向重采样处理无法同插值操作一样灵活的调整重采样间隔，和可能产生频谱混叠和频谱损失的问题等问题。

本发明实施例提供一种基于改进PFA的dechirp单基SAR成像方法，包括以下步骤：

根据缩放因子的取值范围标准确定缩放因子取值；

将回波数据在时域乘以与所述缩放因子相关的缩放函数后，做距离向傅里叶变换，将所述回波信号变换到距离频域；

将变换到距离频域的回波信号乘以匹配滤波函数后，做距离向逆傅里叶变换，将距离频域的回波信号变换回时域；

将所述回波信号在时域乘以逆缩放函数，得到距离向处理完的数据；

对距离向处理完的数据进行方位向插值计算，得到在波数域均匀采样的数据；

对波数域均匀采样的数据分别做距离向和方位向傅里叶变换，得到所述回波信号的最终成像结果。

在本发明的一个实施例中，缩放因子的取值范围标准为：

μ≥max[μ

其中，

在本发明的一个实施例中，与所述缩放因子相关的缩放函数为：

其中，τ表示快时间变量。所述匹配滤波函数为：

其中，f

在本发明的一个实施例中，所述逆缩放函数为：

在本发明的一个实施例中，所述方位向插值为：

其中，sin c(x)是插值核，插值点x对应的g(x)等于插值核内的样本g

本发明实施例的基于改进PFA的dechirp单基SAR成像方法，引入了一个缩放因子，同时制定了缩放因子取值范围标准，解决了传统基于PCS的PFA距离向重采样处理无法同插值操作一样灵活的调整重采样间隔，和可能产生频谱混叠和频谱损失的问题，避免成像结果出现假目标，保证图像质量。

本发明附加的方面和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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例提供的一种基于改进PFA的dechirp单基SAR成像方法的流程图；

图2为根据本发明实施例提供的一种基于改进PFA的dechirp单基SAR成像计算过程的示意图；

图3为根据本发明实施例提供的点目标仿真场景示意图；

图4为根据本发明实施例提供的经过距离向PCS处理后的频谱图；其中，图4的(a)为原PCS处理的频谱图；图4的(b)为本发明改进后PCS处理的频谱图；

图5为根据本发明实施例提供的PFA成像结果示意图；其中，图5的(a)为原基于PCS的PFA成像结果示意图；图5的(b)为本发明的改进PFA成像结果示意图；

图6为根据本发明实施例提供的右上边缘点的两维等值线图；其中，图6的(a)为原基于PCS的PFA成像结果对应的等值线图；图6的(b)为本发明的改进PFA成像结果对应的等值线图；

图7为根据本发明实施例提供的右上边缘点距离向剖面对比图和方位向剖面对比图；其中，图7的(a)距离向剖面对比图；图7的(b)方位向剖面对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，该基于改进PFA的dechirp单基SAR成像方法包括以下步骤：

在步骤S101中，根据缩放因子的取值范围标准确定缩放因子取值。

缩放因子μ取值范围标准为：

μ≥max[μ

其中，

在步骤S102中，将回波数据在时域乘以与缩放因子相关的缩放函数后，做距离向傅里叶变换，将回波信号变换到距离频域。

Dechirp接收方式下的单基SAR回波模型(忽略包络影响)可以表示为：

式中，τ表示快时间变量，t表示慢时间变量，R

缩放函数

在步骤S103中，将变换到距离频域的回波信号乘以匹配滤波函数后，做距离向逆傅里叶变换，将距离频域的回波信号变换回时域。

匹配滤波函数H

式中，f

在步骤S104中，将回波信号在时域乘以逆缩放函数，得到距离向处理完的数据。

逆缩放函数

在步骤S105中，对距离向处理完的数据进行方位向插值计算，得到在波数域均匀采样的数据。

方位向插值计算公式为：

其中，sin c(x)是插值核，插值点x对应的g(x)等于插值核内的样本g

在步骤S106中，对波数域均匀采样的数据分别做距离向和方位向傅里叶变换，得到回波信号的最终成像结果。

在仿真软件MATLAB上仿真单基斜视聚束SAR在dechirrp接收方式下的回波和算法处理过程，仿真点目标分布场景如图3所示。回波分别经过原距离向基于PCS的尺度变换与本发明中改进的距离向基于PCS的尺度变换之后，频谱图分别如图4的(a)和图4的(b)所示，图4的(a)中频谱有明显的混叠并且中间部分的频谱有损失，图4的(b)中的频谱没有混叠且完整的。对上述距离向处理结果做方位向插值、两维FFT后得到的结果如图5的(a)和图5的(b)所示，可以看到图5的(a)中产生了假目标。对上述结果选取成像右上边缘点做二维点目标等值线图分别如图6的(a)和图6的(b)所示，图6的(a)中旁瓣有明显衰减。经过原算法和本发明改进算法处理后的右上边缘点的距离向和方位向剖面图对比如图7的(a)和图7的(b)所示，虽然原算法有更低的旁瓣，但是由于频谱损失导致原算法的成像结果主瓣更宽，本发明改进的算法拥有更高的分辨率。此仿真实例证明了本发明所提出的算法可以很好解决单基斜视聚束SAR经过距离向PCS处理产生的频谱混叠和频谱损失的问题，成像具有良好的聚焦性。

根据本发明实施例提出的基于改进PFA的dechirp单基SAR成像方法，通过引入一个缩放因子并制定缩放因子的取值标准，通过缩放因子可以改变原本距离PCS不能改变的距离重采样间隔；可以解决在dechirp接收方式下的单基SAR信号，在经过基于PCS的PFA处理时可能产生的频谱混叠和频谱损失的问题。通过对回波信号做改进后的距离向PCS处理，方位插值处理，获得聚焦效果良好的图像，通过对受脉内多普勒效应影响的回波信号做距离向PCS处理，方位向插值处理，最后经过两维FFT获得目标图像。本发明可以通过引入一个缩放因子并制定的缩放因子取值范围标准有效解决单基SAR在dechirp接收方式下经过距离PCS处理不能改变距离重采样间隔，从而可能产生的频谱混叠和频谱损失的问题，避免成像结果产生假目标，保证SAR图像质量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。