一种高效的斜视SAR波数域算法插值点数计算方法

一种高效的斜视sar波数域算法插值点数计算方法
技术领域
1.本发明涉及微波遥感技术领域，更具体地说，特别涉及一种高效的斜视sar(synthetic aperture radar，合成孔径雷达)波数域算法插值点数计算方法。


背景技术：

2.sar是一种适用于全时段、全天候条件的高分辨率空对地遥感观测技术，波数域算法是一种广泛用于处理斜视sar数据的成像算法。在二维波数域，斜视sar距离压缩后的回波相位可以表示为：
[0003][0004]
其中，k
x
为方位波数，kr为距离波数，r0为目标距离位置，x0为目标方位位置。波数域算法的第一步处理为参考函数相乘，即乘下式
[0005][0006]
其中，r
ref
为零多普勒参考斜距，θc为中心斜视角。经过参考函数相乘后的信号可以表示为
[0007][0008]
其中，x
p
＝x
0-r
ref tanθc为目标相对于场景中心的方位位置。此时，参考斜距处的目标被有效聚焦，而其他斜距的目标是部分聚焦。对于其他斜距的目标，可以通过stolt映射实现聚集，stolt映射为：
[0009][0010]
经过stolt映射，信号可以表示为
[0011]
φ
sm
(k
x
,kr)＝-(r
0-r
ref
)k
y-k
x
x
p
ꢀꢀ
(5)
[0012]
最后，使用二维逆傅里叶变换，目标被有效聚焦到了(x
p
,r0)处。
[0013]
stolt映射使用插值实现，但在斜视情况下，现有方法(参见文献：[1]m.vandewal,r.speck,and h.s,“efficient and precise processing for squinted spotlight sar through a modified stolt mapping,”eurasip j.adv.signal process.,vol.2007,pp.59704,dec.2006.[2]h.lin,j.chen,m.xing,x.chen,d.you and g.sun,“2-d frequency autofocus for squint spotlight sar imaging with extended omega-k,”ieee trans.geosci.remote sens.,vol.60,pp.1
–
12,2022,art no.5211312.)插值时所选取的距离谱宽度显著大于回波信号的距离谱宽度，需要大量的插值点，使得算法计算量较大，且随着斜视角的增加计算量增加越明显。
[0014]
为了提高处理斜视sar数据时波数域算法的运行效率，有必要考虑在进行stolt插值时的信号有效谱宽度，提出了一种高效的斜视sar波数域算法插值点数计算方法。


技术实现要素：

[0015]
本发明的目的在于提供一种高效的斜视sar波数域算法插值点数计算方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
[0016]
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0017]
一种高效的斜视sar波数域算法插值点数计算方法，包括以下步骤：
[0018]
s1、根据以下公式计算回波信号的距离向有效谱宽度wr；
[0019][0020]
式中，br为信号宽带，c为光速，[k
r,min
,k
r,max
]为回波信号距离波数范围，k
r,min
＝4π(f
c-br/2)/c，k
r,max
＝4π(fc+br/2)/c，fc为载频，[k
x,min
,k
x,max
]为回波信号方位波数范围，k
x,min
＝k
r,min
sin(θ
c-θa/2)，k
x,max
＝k
r,max
sin(θc+θa/2)，θc为中心斜视角，θa为方位波数宽度；
[0021]
s2、根据以下公式计算stolt映射后的距离向有效谱宽度w
y，2
以及计算stolt映射的距离向谱中心k
y，c
；
[0022]wy,2
＝k
r,max cos(θ
c-θa/2)-k
r,min cos(θc+θa/2)
[0023][0024]
s3、根据以下公式计算映射前后的距离谱扩展因子α；
[0025]
α＝w
y,2
/wr[0026]
则获得全分辨的插值点数ny为：
[0027][0028]
式中，αr为距离过采样因子。
[0029]
进一步地，还包括：根据步骤s2中确定的距离向谱中心k
y，c
和步骤s3中确定的全分辨的插值点数ny获得全分辨的斜视sar图像。
[0030]
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明从波数域算法处理流程中的stolt映射出发，通过分析stolt映射前后的斜视sar二维波数谱，然后根据stolt映射后的信号二维波数谱中的有效谱区域边界几何关系求解相应的距离和方位波数谱宽度，完成信号有效谱宽度的精确计算，解决了当前的插值方法中存在的无效谱区域插值问题。通过仿真实验结果表明本发明能够大幅度提高stolt插值的效率，在斜视sar成像处理中有广泛的应用前景。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1是斜视sar二维波数谱。
[0033]
图2是经过stolt映射后的二维波数谱。
[0034]
图3是点目标场景设置。
[0035]
图4是回波信号二维谱。
[0036]
图5是现有方法插值后二维谱。
[0037]
图6是本发明的插值策略插值后二维谱。
[0038]
图7现有插值方法对应的聚焦结果，a、b和c分别对应p1、p2和p3。
[0039]
图8本发明对应的聚焦结果，a、b和c分别对应p1、p2和p3。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0041]
参阅图1所示为斜视sar二维波数谱示意图，灰色区域表示谱支撑区。此时，距离波数宽度可以表示为wr＝k
r,max-k
r,min
，其中k
r,max
＝4π(fc+br/2)/c，k
r,min
＝4π(f
c-br/2)/c，fc为载频，br为信号带宽，c为光速，方位波数的宽度为wa＝k
x,max-k
x,min
，其中k
x,max
＝k
r,max
sin(θc+θa/2)，k
x,min
＝k
r,min
sin(θ
c-θa/2)，θc为中心斜视角，θa为方位波数宽度。
[0042]
经过stolt映射后的二维波数谱如附图2所示。显然，stolt映射后信号谱存在扭曲和下移，该现象随着斜视角的增加变得更为明显，因此需要根据映射后的频谱进行插值。现有方法使用图2中a，b两点对应的距离向谱宽度进行插值，即：
[0043][0044]
该谱宽度显著大于原始的信号谱宽度，因此需要大量的插值点。
[0045]
为此，本发明提供了一种高效的斜视sar波数域算法插值点数计算方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤s1、根据以下公式计算回波信号的距离向有效谱宽度wr；
[0047][0048]
步骤s2、根据以下公式计算stolt映射后的距离向有效谱宽度w
y，2
(信号的有效谱实际上对应了c、d两点)以及计算stolt映射的距离向谱中心k
y，c
；
[0049]wy,2
＝k
r,max
cos(θ
c-θa/2)-k
r,min
cos(θc+θa/2)
[0050][0051]
毫无疑问，w
y,2
比w
y,1
小得多
[0052]
步骤s3、根据以下公式计算映射(stolt)前后的距离谱扩展因子α；
[0053]
α＝w
y,2
/wr[0054]
信号频谱是根据信号带宽br和方位波束宽度θa计算，由于回波信号在距离向通常有一点过采样，设过采样率为αr，则包含信号有效频谱的全分辨的插值点数ny可以表示为：
[0055]
[0056]
式中，αr为距离过采样因子，n为回波信号距离点数，按上式计算的点数进行插值就可以获得全分辨率图像，上式表明当比例因子小于距离过采样率时，不需要扩展点数进行插值。
[0057]
下面通过仿真实验，对比本发明所提的插值策略和现有方法的插值策略的区别。仿真实验的参数设置如表1所示，仿真的点目标场景设置如附图3所示。
[0058]
表1sar系统参数
[0059]
参数值单位unit载频10ghz脉冲持续时间2us带宽500mhz采样频率750mhz方位天线尺寸1m脉冲重复频率410hz飞行速度60m/s回波录取时间27s斜视角50degree中心斜距10km平台高度4km
[0060]
如附图4所示为回波信号的二维波数谱，附图5为现有方法进行插值后的谱，可以看出此时距离点数由12000扩大到了约40000个点，扩大超过3倍，这会显著增加计算量。然而，实际的频谱只分布在中间约10000个点的范围内，大量点是无效点。在该仿真参数小，距离过采样率αr＝1.5，比例因子约为α＝1.2，因此实际上并不需要进行扩大点数插值，使用本发明的策略进行插值后的谱如附图6所示，使用12000点进行插值，已经可以获得全分辨的图像，这可以从附图7和附图8的点目标聚焦结果得出。
[0061]
对点目标进行性能评估，评估结果如表2所示，可知，所提的插值策略和现有方法获得的结果都和理论值相近，表明了对数据进行了良好聚焦。现有方法在不显著扩大插值计算量的基础上实现了斜视sar数据的有效聚焦。
[0062]
表2是点目标评估结果
[0063][0064]
本发明从波数域算法处理流程中的stolt映射出发，通过分析stolt映射前后的斜视sar二维波数谱，然后根据stolt映射后的信号二维波数谱中的有效谱区域边界几何关系
求解相应的距离和方位波数谱宽度，完成信号有效谱宽度的精确计算，解决了当前的插值方法中存在的无效谱区域插值问题。仿真实验结果表明本发明能够大幅度提高stolt插值的效率，本发明在斜视sar成像处理中有广泛的应用前景。
[0065]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高效的斜视sar波数域算法插值点数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据以下公式计算回波信号的距离向有效谱宽度w
r
；式中，b
r
为信号宽带，c为光速，[k
r,min
,k
r,max
]为回波信号距离波数范围，k
r,min
＝4π(f
c-b
r
/2)/c，k
r,max
＝4π(f
c
+b
r
/2)/c，f
c
为载频，[k
x,min
,k
x,max
]为回波信号方位波数范围，k
x,min
＝k
r,min
sin(θ
c-θ
a
/2)，k
x,max
＝k
r,max
sin(θ
c
+θ
a
/2)，θ
c
为中心斜视角，θ
a
为方位波数宽度；s2、根据以下公式计算stolt映射后的距离向有效谱宽度w
y，2
以及计算stolt映射的距离向谱中心k
y，c
；w
y,2
＝k
r,max
cos(θ
c-θ
a
/2)-k
r,min
cos(θ
c
+θ
a
/2)s3、根据以下公式计算映射前后的距离谱扩展因子α；α＝w
y,2
/w
r
则获得全分辨的插值点数n
y
为：式中，α
r
为距离过采样因子。2.根据权利要求1所述的高效的斜视sar波数域算法插值点数计算方法，其特征在于，还包括：根据步骤s2中确定的距离向谱中心k
y，c
和步骤s3中确定的全分辨的插值点数n
y
获得全分辨的斜视sar图像。

技术总结
本发明公开了一种高效的斜视SAR波数域算法插值点数计算方法，包括：S1、计算回波信号的距离向有效谱宽度W


技术研发人员：何志华 陈兴 董臻 王正彬 李德鑫 王先涛 侯振宇 黄洋
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/21