一種基于dcs算法的星載視頻sar成像處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于DCS算法的星載視頻 SAR (Synthetic Aperture Radar)成像處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 星載SAR是一種先進(jìn)的天基信息獲取的有效載荷，是獲取信息的一種重要手段。 相比光學(xué)傳感器，星載SAR能克服云霧雨雪和夜暗條件的限制對(duì)地面目標(biāo)成像，實(shí)現(xiàn)全天 時(shí)、全天候、高分辨率、大幅面對(duì)地觀測(cè)，在海洋觀測(cè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源 勘查、地質(zhì)測(cè)繪、政府公共決策等方面有著廣泛的應(yīng)用。許多情況下，能夠起到其它空間遙 感手段無法替代的作用。
[0003] 然而，傳統(tǒng)的星載SAR工作模式只能得到靜態(tài)圖像，對(duì)地面感興趣區(qū)域內(nèi)動(dòng)目標(biāo) 的檢測(cè)與跟蹤以及該區(qū)域在一段時(shí)間內(nèi)的變化監(jiān)測(cè)上存在不足。星載視頻SAR作為一種新 的成像模式，天線波束中心始終指向目標(biāo)區(qū)域，可以使觀測(cè)者獲取一段時(shí)間內(nèi)的地面感興 趣區(qū)域的序列圖像，通過圖像后處理技術(shù)可以獲取視頻產(chǎn)品，將星載SAR成像從傳統(tǒng)的空 間域成像發(fā)展成了空間域加時(shí)間域成像，在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、城市監(jiān)測(cè)等方面都將有著 更大的應(yīng)用前景。
[0004] 但是，星載視頻SAR的成像處理與傳統(tǒng)的星載SAR模式有著很多的不同，它不能只 考慮分辨率的要求，為了滿足后續(xù)視頻產(chǎn)品畫面的流暢性和一致性，還需要兼顧幀速率和 各幀圖像之間的配準(zhǔn)問題。同時(shí)，隨著觀測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)，較大的數(shù)據(jù)量也對(duì)回波數(shù)據(jù)的分塊 處理提出了一定的要求，根據(jù)幀速率的不同一般可將幀數(shù)據(jù)分為有重疊和無重疊兩種方式 來進(jìn)行處理，其成像處理方法也不盡相同，因此，如何合理、高效、精確的對(duì)星載視頻SAR的 回波數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決上述問題，針對(duì)星載視頻SAR回波數(shù)據(jù)量大，幀速率高，各幀圖像 間配準(zhǔn)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，基于傳統(tǒng)的Deramp Chirp Scaling(DCS)成像算法，提出了一種星載視 頻SAR成像處理方法。
[0006] 一種基于DCS算法的星載視頻SAR成像處理方法，包括以下步驟：
[0007]步驟一：讀入星載視頻SAR模式回波仿真數(shù)據(jù)S(t，t ;r)以及相應(yīng)的成像參數(shù)， 其中，t為快時(shí)間、t為慢時(shí)間、r為衛(wèi)星到目標(biāo)的距離，具體包括：方位向采樣點(diǎn)數(shù)凡，距離 向采樣點(diǎn)數(shù)N,，信號(hào)采樣率f s，信號(hào)帶寬Bw，脈沖寬度t，脈沖重復(fù)頻率PRF，參考斜距R,ef， 多普勒中心頻率fd(l，多普勒調(diào)頻率，等效速度V，信號(hào)波長(zhǎng)A，光速 c ;
[0008] 步驟二：確定方位分辨率，得到為實(shí)現(xiàn)相應(yīng)方位向分辨率的一幀圖像所需要的多 普勒帶寬以及合成孔徑時(shí)間；
[0009] 步驟三：根據(jù)每幀圖像對(duì)應(yīng)的合成孔徑時(shí)間以及幀速率的要求，確定生成各幀圖 像所對(duì)應(yīng)的單幅圖像回波數(shù)據(jù)大小以及對(duì)回波數(shù)據(jù)采取無重疊還是有重疊方式；根據(jù)重疊 率以及步驟二中確定的多普勒帶寬，通過設(shè)置各幀圖像回波數(shù)據(jù)的終止多普勒頻率與起始 多普勒頻率之差等于多普勒帶寬的方式將回波數(shù)據(jù)劃分為相應(yīng)的幀片段，對(duì)每一幀數(shù)據(jù)， 以該幀數(shù)據(jù)方位向中心時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的回波數(shù)據(jù)為中心，將其方位向點(diǎn)數(shù)以補(bǔ)零的方式擴(kuò)展 到2的整次冪，設(shè)其值為Na'，得到每幀回波數(shù)據(jù)Si(T，t;r)，i = 1，2，....；
[0010]步驟四：將回波仿真數(shù)據(jù)SJt，t ;r)在方位向進(jìn)行去斜處理，得到去斜處理后的 信號(hào) S/ (t，t;r);
[0011] 步驟五：將去斜處理后的回波信號(hào)s/ ( T，t ;r)依次進(jìn)行方位向傅立葉變換、 在距離多普勒域乘以CS因子( T，f ;RrefW)、距離向傅里葉變換處理，得到二維頻域 信號(hào)5"^4)、在二維頻域乘以距離補(bǔ)償因子〇 12(1汀)，得到經(jīng)距離補(bǔ)償后的信號(hào) Si2(fT,f);
[0012] 步驟六：在二維頻域內(nèi)信號(hào)Si2(fT，f)與距離補(bǔ)償因子〇' i2(fT，f)相乘，補(bǔ)償 每一幀數(shù)據(jù)的中心斜距R,efW與整個(gè)回波數(shù)據(jù)的中心斜距R, ef之間的相位差，得到信號(hào) Si3(f\，f);
[0013] 步驟七：將信號(hào)Si3(fT，f)依次進(jìn)行距離向傅里葉逆變換、在距離多普勒域乘以方 位補(bǔ)償因子〇 i3(T ;f)、方位向傅里葉逆變換得到成像結(jié)果信號(hào)Si(T，f);
[0014] 步驟八：重復(fù)步驟四到步驟七，依次處理步驟三中劃分的所有幀數(shù)據(jù)，得到所有的 幀圖像；
[0015] 步驟九：將處理完成后的所有幀圖像，按照步驟三中確定的重合率，經(jīng)過多媒體融 合顯示，得到視頻產(chǎn)品。
[0016] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] (1)本發(fā)明通過多普勒帶寬劃分的方式得到所有幀數(shù)據(jù)，可以保證各幀圖像分辨 率的一致性；
[0018] (2)本發(fā)明通過補(bǔ)償各幀數(shù)據(jù)的中心斜距與整個(gè)回波數(shù)據(jù)的中心斜距之間的相位 差，可以實(shí)現(xiàn)精確的配準(zhǔn)各幀圖像；
[0019] (3)本發(fā)明根據(jù)實(shí)際的需求選擇不同的方位向分辨率和幀速率，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì) 算重疊方式及重疊率，對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分割及成像處理，操作簡(jiǎn)單靈活。
[0020] (4)本發(fā)明可以靈活的選擇重疊方式，可以調(diào)節(jié)視頻長(zhǎng)短，以實(shí)現(xiàn)視頻產(chǎn)品的快放 和慢放功能，在對(duì)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、城市監(jiān)測(cè)等方面有著巨大的應(yīng)用意義；
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的方法流程圖。
[0022] 圖2是本發(fā)明步驟三中數(shù)據(jù)劃分無重疊方式示意圖。
[0023] 圖3是本發(fā)明步驟三中數(shù)據(jù)劃分有重疊方式示意圖。
[0024] 圖4是本發(fā)明步驟四的方法流程圖。
[0025] 圖5是本發(fā)明步驟五的方法流程圖。
[0026] 圖6是本發(fā)明步驟七的方法流程圖。
[0027] 圖7是仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì)示意圖。
[0028] 圖8是星載視頻SAR點(diǎn)目標(biāo)成像處理結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0030] 本發(fā)明是一種基于DCS算法的星載視頻SAR成像處理方法，具體流程如圖1所示， 包括以下步驟：
[0031]步驟一：讀入星載視頻SAR模式回波仿真數(shù)據(jù)S(t，t ;r)(其中，t為快時(shí)間、t 為慢時(shí)間、r為衛(wèi)星到目標(biāo)的距離）以及相應(yīng)的成像參數(shù)，包括：方位向采樣點(diǎn)數(shù)凡，距離向 采樣點(diǎn)數(shù)N,，信號(hào)采樣率fs，信號(hào)帶寬Bw，脈沖寬度t，脈沖重復(fù)頻率PRF，參考斜距R,ef，多 普勒中心頻率fd(l，多普勒調(diào)頻率，等效速度V，信號(hào)波長(zhǎng)A，光速 c ;
[0032] 步驟二：確定方位分辨率，得到為實(shí)現(xiàn)相應(yīng)方位向分辨率的一幀圖像所需要的多 普勒帶寬以及合成孔徑時(shí)間，具體如下：
[0035] 其中，P a為方位向分辨率，B a為一幀圖像所需要的多普勒帶寬，t Mil為一幀圖像 所需要的合成孔徑時(shí)間。
[0036] 步驟三：根據(jù)每幀圖像對(duì)應(yīng)的合成孔徑時(shí)間以及幀速率的要求，確定生成各幀圖 像所對(duì)應(yīng)的單幅圖像回波數(shù)據(jù)大小以及對(duì)回波數(shù)據(jù)采取無重疊（如圖2所示）還是有重疊 (如圖3所示，需進(jìn)一步確定相鄰單幅圖像回波數(shù)據(jù)之間重疊率的大小）方式。根據(jù)重疊率 以及步驟二中確定的多普勒帶寬，通過設(shè)置各幀圖像回波數(shù)據(jù)的終止多普勒頻率與起始多 普勒頻率之差等于多普勒帶寬的方式將回波數(shù)據(jù)劃分為相應(yīng)的幀片段，對(duì)每一幀數(shù)據(jù)，以 該幀數(shù)據(jù)方位向中心時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的回波數(shù)據(jù)為中心，將其方位向點(diǎn)數(shù)以補(bǔ)零的方式擴(kuò)展到 2的整次冪（設(shè)其值為Na'），得到每幀回波數(shù)據(jù)Si (t，t;r) i = 1，2,....。
[0037] 步驟四：將回波仿真數(shù)在方位向進(jìn)行去斜處理（Deramp)，得到 Deramp后的信號(hào)S/ (t，t;r)，本步驟流程圖如圖4所示，具體可分為以下幾步：
[0038] (a)方位向信號(hào)去調(diào)頻（Dechirp)，即將第i幀回波仿真數(shù)乘以 Deramp參考函數(shù)：
[0039] SlrefW = exp (j2 Jr f d⑴t+j Jr fr⑴t2) (3)
[0040] 得到方位向去調(diào)頻后的信號(hào)；
[0041] (b)經(jīng)過方位向去調(diào)頻后的信號(hào)在方位向進(jìn)行傅里葉變換，得到距離多普勒域信 號(hào)；
[0042] (c)距離多普勒域信號(hào)再乘以Deramp參考函數(shù)
[0043] S2ref(i) = exp (j 3i f r(i)t'2) (4)
[0044] 得到方位向去斜處理后的信號(hào)S/ (t，t;r)。
[0045]其中，fdW為幀數(shù)據(jù)3"t，t ;r)所對(duì)應(yīng)的多普勒中心頻率，fHi)為幀數(shù)據(jù)5^t，t; r)所對(duì)應(yīng)的多普勒調(diào)頻率，（c)中對(duì)應(yīng)的采樣率
，t'為此時(shí)對(duì)應(yīng)的方位向 時(shí)間；
[0046] 步驟五：將Deramp后的回波信號(hào)S/ (t，t;r)依次進(jìn)行方位向傅立葉變換、 在距離多普勒域乘以CS因子(t，f;RrefW)、距離向傅里葉變換處理，得到二維頻域 信號(hào)5"^4)、在二維頻域乘以距離補(bǔ)償因子〇 12(1汀)，得到經(jīng)距離補(bǔ)償后的信號(hào) Si2(fT，f)，本步驟流程圖如圖5所示，具體可以分為以下幾個(gè)步驟：
[0047] (a) S/ (t，t;r)在方位向進(jìn)行傅立葉變換，得到距離多普勒域信號(hào)；
[0048] (b)距離多普勒域信號(hào)乘以CS因子〇n(t，f;Rref⑴）
[0049] 〇n (t, f ；Rref(i)) = exp{-j n br(f ；Rref(i)) Cs (f) [t - tref (f)]2} (5)
[0050] 得到Chirp Scaling(線性變標(biāo)）后的信號(hào)。
[0051] 其中，
[0056] 其中，f?為慢時(shí)間對(duì)應(yīng)的頻率，R,efW為幀數(shù)據(jù)S dt，t;r)所對(duì)應(yīng)的中心斜距， &/⑴為雷達(dá)與目標(biāo)距離為參考斜距RMfW時(shí)的參考斜視角，
[0057] (c)經(jīng)過Chirp Scaling后的信號(hào)在距離向進(jìn)行傅里葉變換，得到二維頻域信號(hào)；
[0058] (d)二維頻域信號(hào)乘以距離補(bǔ)償因子〇i2(fT;f)
[0060] 得到經(jīng)過距離壓縮后的信號(hào)。
[0061] 其中：1為快時(shí)間對(duì)應(yīng)的頻率；
[0062] 步驟六：在二維頻域內(nèi)信號(hào)512^，〇與距離補(bǔ)償因子〇\2^，〇相乘，補(bǔ)償每 一幀數(shù)據(jù)的中心斜距R refW與整個(gè)回波數(shù)據(jù)的中心斜距Rref之間的相位差，以確保各幀圖像 之間是精確配準(zhǔn)的，得到信號(hào)S i3(fT，f);
[0064] 其中，RMf⑴為幀數(shù)據(jù)S Jt，t ;r)所對(duì)應(yīng)的中心斜距，RMf為幀數(shù)據(jù)S Jt，t ;r)所 對(duì)應(yīng)的中心斜距。
[0065]步驟七：將信號(hào)Si3(fT，f)依次進(jìn)行距離向傅里葉逆變換、在距離多普勒域乘以方 位補(bǔ)償因子〇i3( T ;f)、方位向傅里葉逆變換得到成像結(jié)果信號(hào)& ( T，f)，本步驟流程圖 如圖6所示，具體可以分為以下幾個(gè)步驟：
[0066](a)Si3(f T，f)進(jìn)行距離向傅立葉逆變換，得到距離多普勒域信號(hào)；
[0067] (b)距離多普勒域信號(hào)乘以方位補(bǔ)償因子〇i3(t ;f)
[0069] 得到方位壓縮及相位校正后的信號(hào)。
[0070] 其中
[0071]
[0072]其中：供為等效斜視角，即錐角；
[0073] (c)經(jīng)過方位壓縮及相位校正后的信號(hào)在方位向進(jìn)行傅立葉逆變換，得到SAR圖 像域信號(hào)，即第i幀圖像信號(hào)；
[0074] 步驟八：重復(fù)步驟四到步驟七，依次處理步驟三中