技术领域
[0001] 本
发明涉及合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)技术，尤其涉及一种SAR方位向信号重建方法和装置。
背景技术
[0002] 多通道技术在星载SAR高
分辨率宽测绘带成像、干涉成像和运动目标检测等技术中有着非常重要的应用，SAR方位向信号重建技术是多通道技术的关键技术之一，考虑非均匀
采样情况下的方位向信号重建方法对SAR成像具有重要意义。
[0003] 目前，经典的方位向信号重建
算法是基于通道转移函数矩阵取逆，该方法可以在非均匀采样不严重的情况下有效完成方位向信号的重建，而在严重非均匀采样的情况下，会严重损失
信噪比，甚至在有数据冗余的情况下完全失效。
[0004] 因此，如何能适应各种不同程度非均匀采样情况，有效地改善方位模糊，提升重建的方位向信号的
质量，是亟待解决的问题。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明
实施例期望提供一种合成孔径雷达方位向信号重建方法和装置，能适应各种不同程度非均匀采样情况，有效地改善方位模糊，提升重建的方位向信号的质量。
[0006] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] 本发明实施例提供了一种SAR方位向信号重建方法，所述方法包括：
[0008] 根据第一通道转移函数矩阵，确定第一通道转移函数矩阵的信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)放大因子，根据所述SNR放大因子确定等效多普勒带宽；
[0009] 根据所述等效多普勒带宽和第一通道转移函数矩阵，确定各多普勒
频率点对应的第二通道转移函数矩阵；
[0010] 根据所述各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵，以及预先测得的
混叠频谱和所述混叠频谱对应的原始频谱，确定提取多普勒频谱的频谱
滤波器；所述频谱滤波器用于提取方位向信号中的多普勒频谱。
[0011] 上述方案中，所述根据第一通道转移函数矩阵，确定第一通道转移函数矩阵的SNR放大因子，根据所述SNR放大因子确定等效多普勒带宽，包括：
[0012] 根据第一通道转移函数矩阵，确定所述第一通道转移函数矩阵的奇异值，根据所述奇异值确定SNR放大因子；
[0013] 根据所述SNR放大因子，确定等效采样间隔，将所述SAR移动速度与所述等效采样间隔确定为初步可恢复带宽；
[0014] 根据预设权值，将所述初步可恢复带宽与所述SAR的脉冲重复频率全带宽加权平均确定为等效多普勒带宽。
[0015] 上述方案中，所述根据所述SNR放大因子，确定等效采样间隔采用的表达式为：
[0016]
[0017] 其中，dequ表示等效采样间隔，Φbf表示SNR放大因子，M表示SAR通道数，PRF表示SAR脉冲重复频率，vr表示SAR移动速度，di表示各通道采样间隔。
[0018] 上述方案中，所述根据所述等效多普勒带宽和第一通道转移函数矩阵，确定各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵，包括：
[0019] 将自然数与脉冲重复频率之积加上多普勒频率点频率之和与预设范围相比较；
[0020] 将满足所述预设范围的各自然数对应的第一通道转移函数矩阵中的各列，确定为所述多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵。
[0021] 上述方案中，所述满足预设范围包括：
[0022] 大于负二分之一等效多普勒带宽，且小于二分之一等效多普勒带宽。
[0023] 上述方案中，所述根据所述各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵，以及预先测得的混叠频谱和所述混叠频谱对应的原始频谱确定频谱滤波器，包括：
[0024] 建立代价函数，使预先测得的混叠频谱由所述频谱滤波器滤波后的结果，在
最小均方误差准则下逼近所述预先测得的混叠频谱对应的原始频谱；
[0025] 所述混叠频谱仅取与多普勒频率点对应第二通道转移函数矩阵列数值相同的列；
[0026] 所述原始频谱仅取与多普勒频率点对应第二通道转移函数矩阵列数值相同的列。
[0027] 本发明实施例还提供了一种SAR方位向信号重建装置，所述装置包括：第一确定模
块、筛选模块和第二确定模块，其中，
[0028] 所述第一确定模块，用于根据第一通道转移函数矩阵，确定第一通道转移函数矩阵的SNR放大因子，根据所述SNR放大因子确定等效多普勒带宽；
[0029] 所述筛选模块，用于根据所述等效多普勒带宽和第一通道转移函数矩阵，确定各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵；
[0030] 所述第二确定模块，用于根据所述各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵，以及预先测得的混叠频谱和所述混叠频谱对应的原始频谱，确定提取多普勒频谱的频谱滤波器，所述频谱滤波器用于提取方位向信号中的多普勒频谱。
[0031] 上述方案中，所述第一确定模块，具体用于：
[0032] 根据第一通道转移函数矩阵，确定所述第一通道转移函数矩阵的奇异值，根据所述奇异值确定SNR放大因子；
[0033] 根据所述SNR放大因子，确定等效采样间隔，将所述SAR移动速度与所述等效采样间隔确定为初步可恢复带宽；
[0034] 根据预设权值，将所述初步可恢复带宽与所述SAR的脉冲重复频率全带宽加权平均确定为等效多普勒带宽。
[0035] 上述方案中，所述第一确定模块确定等效采样间隔采用的表达式为：
[0036]
[0037] 其中，dequ表示等效采样间隔，Φbf表示SNR放大因子，M表示SAR通道数，PRF表示SAR脉冲重复频率，vr表示SAR移动速度，di表示各通道采样间隔。
[0038] 上述方案中，所述筛选模块，具体用于：
[0039] 将自然数与脉冲重复频率之积加上多普勒频率点频率之和与预设范围相比较；
[0040] 将满足所述预设范围的各自然数对应的第一通道转移函数矩阵中的各列，确定为所述多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵。
[0041] 上述方案中，所述筛选模块，具体用于：
[0042] 确定所述将自然数与脉冲重复频率之积加上多普勒频率点频率之和，大于负二分之一等效多普勒带宽，且小于二分之一等效多普勒带宽。
[0043] 上述方案中，所述第二确定模块，具体用于：
[0044] 建立代价函数，使预先测得的混叠频谱由所述频谱滤波器滤波后的结果，在最小均方误差准则下逼近所述预先测得的混叠频谱对应的原始频谱；
[0045] 所述混叠频谱仅取与多普勒频率点对应第二通道转移函数矩阵列数值相同的列；
[0046] 所述原始频谱仅取与多普勒频率点对应第二通道转移函数矩阵列数值相同的列。
[0047] 本发明实施例所提供的合成孔径雷达方位向信号重建方法和装置，根据第一通道转移函数矩阵，确定第一通道转移函数矩阵的SNR放大因子，根据所述SNR放大因子确定等效多普勒带宽；根据所述等效多普勒带宽和第一通道转移函数矩阵，确定各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵；根据所述各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵，以及预先测得的混叠频谱和所述混叠频谱对应的原始频谱，确定提取多普勒频谱的频谱滤波器，所述频谱滤波器用于提取方位向信号中的多普勒频谱。如此，通过计算新的等效多普勒带宽，从而确定新的通道转移函数矩阵，进而筛掉原通道转移函数矩阵的较小奇异值，改善在严重非均匀采样情况下的SNR；有效地改善方位模糊，提升重建的方位向信号的质量，能适应各种不同程度非均匀采样情况。
附图说明
[0048] 图1为本发明实施例SAR方位向信号重建方法的流程示意图；
[0049] 图2为本发明实施例方位向多通道SAR等效采样示意图；
[0050] 图3为本发明实施例具体实施步骤流程示意图；
[0051] 图4为本发明实施例采用原始重建方法和新重建方法重建图像对比示意图；
[0052] 图5为本发明实施例SAR方位向信号重建装置的组成结构示意图。
具体实施方式
[0053] 本发明实施例中，根据第一通道转移函数矩阵，确定第一通道转移函数矩阵的SNR放大因子，根据所述SNR放大因子确定等效多普勒带宽；根据所述等效多普勒带宽和第一通道转移函数矩阵，确定各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵；根据所述各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵，以及预先测得的混叠频谱和所述混叠频谱对应的原始频谱，确定提取多普勒频谱的频谱滤波器，所述频谱滤波器用于提取方位向信号中的多普勒频谱。
[0054] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0055] 本发明实施例提供的合成孔径雷达方位向信号重建方法，如图1所示，包括：
[0056] 步骤101：根据第一通道转移函数矩阵，确定第一通道转移函数矩阵的SNR放大因子，根据所述SNR放大因子确定等效多普勒带宽；
[0057] 这里，所述第一通道转移函数矩阵可以是经典方位向信号重建算法中采用的原始的通道转移函数矩阵；如图2所示的方位向多通道SAR等效采样示意图；根据发射信号与各通道接收信号之间关系，可以得到第一通道转移函数矩阵H，第一通道转移函数矩阵H可以用表达式(1)表示：
[0058]
[0059] 其中，第i行k列元素可以用表达式(2)表示：
[0060]
[0061] 其中，fd表示多普勒频率，Δxk＝(M-1)/2·D，M表示接收通道数，其中，vr表示雷达平台速度，Tx表示发射通道，Rx表示接收通道，i表示行数，k表示列数，j表示虚单位：-1的开根号；图2中以3通道为例；PRF表示雷达脉冲重复频率，图例中M＝3，D表示SAR子孔径长度；
[0062] 这里，可以由第一通道转移函数矩阵计算出相应的SNR放大因子Φbf，由此计算出初步可恢复带宽，对PRFequ和全带宽M·PRF取平均即可得到需要的等效多普勒带宽，这里M是通道数，PRF是SAR系统脉冲重复频率；
[0063] 具体的对第一通道转移函数矩阵H(fd)，可以先计算通道转移函数矩阵的奇异值σ1≥σ2≥…σM，计算SNR放大因子Φbf可以用表达式(3)表示：
[0064]
[0065] 由第一通道转移函数矩阵计算得到的SNR放大因子，由所述SNR放大因子先计算出一个等效的方位采样间隔；依据SNR放大因子Φbf及原始各通道回波方位向采样间隔di，可以采用表达式(4)计算出新的等效采样间隔dequ：
[0066]
[0067] 其中，其中，dequ表示等效采样间隔，Φbf表示SNR放大因子，M表示SAR通道数，PRF表示SAR脉冲重复频率，vr表示SAR移动速度，di表示各通道采样间隔；
[0068] 根据所述等效采样间隔，可以计算出初步可恢复的带宽，计算方法可以用表达式(5)表示：
[0069]
[0070] 获取所述初步可恢复的带宽后，可以根据预设权值，对初步可恢复的带宽与全带宽M·PRF加权平均，即得到本发明实施例中需求的等效多普勒带宽PRFwequ，这里，所述初步可恢复的带宽与全带宽M·PRF的加权值可以由以往实验数据、或经验值确定，如初步可恢复的带宽权值取1/2，全带宽M·PRF值可以取8000Hz等。
[0071] 步骤102：根据所述等效多普勒带宽和第一通道转移函数矩阵，确定各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵；
[0072] 这里，可以根据所述等效多普勒带宽PRFwequ，从第一通道转移函数矩阵中筛选出满足预设条件的各频率点对应额的列，将各列建立成各频率点对应的第二通道转移函数矩阵；
[0073] 具体的，可以对每一个属于第一通道转移函数矩阵的多普勒频率fd，利用预设条件进行多普勒频率筛选，筛选条件可以用表达式(6)表示：
[0074]
[0075] 满足条件的k对应的第一通道转移函数矩阵相应的列被选入新的通道转移函数，于是针对各频率点，都得到相应的新的通道转移函数矩阵；
[0076] 如对于表达式(1)表示的第一通道转移函数矩阵中的一个多普勒频率fd，假设k＝1,3,5,7,9时，所述多普勒频率fd能满足表达式(6)，则将第一通道转移函数矩阵中第1，3，
5，7，9列作为所述多普勒频率fd对应的新的通道转移函数矩阵。
[0077] 步骤103：根据所述各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵，以及预先测得的混叠频谱和所述混叠频谱对应的原始频谱，确定提取多普勒频谱的频谱滤波器，所述频谱滤波器用于提取方位向信号中的多普勒频谱；
[0078] 这里，可以建立代价函数，构造频谱滤波器，使得所述频谱滤波器滤波后的预先测得的混叠频谱在最小均方误差准则下，逼近所述预先测得的混叠频谱对应的原始频谱；所述混叠频谱仅取与多普勒频率点对应第二通道转移函数矩阵列数值相同的列；所述原始频谱仅取与多普勒频率点对应第二通道转移函数矩阵列数值相同的列；
[0079] 具体地，根据所得到的第二通道转移函数矩阵，确定频谱滤波器vk(fd)，使得由所述频谱滤波器处理后的混叠频谱在最小均方误差准则下，能很好地逼近原始频谱，其相应的代价函数FM可以用表达式(2)表示：
[0080]
[0081] 其中，X(fd)表示观测到的混叠频谱，U(fd)是所述混叠频谱对应的原始频谱，k表示多普勒频率fd对应第二通道转移函数矩阵中的列数，即步骤102中筛选出的值；这里，使得所述代价函数FM最优的解就是所需的频谱滤波器。所述频谱滤波器就可以用来提取方位向信号的原始频谱。本步骤完成后，表明已完成了方位信号的重建。
[0082] 下面结合具体实施例一对本发明再作进一步详细的描述。
[0083] 这里，SAR方位向信号重建方法实施步骤，如图3所示，具体包括：
[0084] 步骤301：结合各通道的数据在方位频域确定出第一通道转移函数矩阵。在本实施例中，假设该系统有3个接收通道，对各通道的数据方位向FFT变换到方位频域，确定出其通道转移函数矩阵。
[0085] 步骤302：根据确定出的第一通道转移函数矩阵，确定相应的SNR放大因子，由此确定出相应的等效多普勒带宽。
[0086] 步骤303：根据筛选条件 确定出第二通道转移函数矩阵；
[0087] 步骤304：基于第二通道转移函数矩阵，在最小均方误差准则下建立并得到各通道的频谱滤波器。
[0088] 图4(a)为传统方法重建后的成像结果，图4(b)为利用本发明实施例方法建立的频谱滤波器重建方位向信号后的成像结果，利用本发明实施例方法建立的频谱滤波器可以有效改善信噪比记忆方位模糊。
[0089] 从上面的描述可以看出，采样本发明实施例方法，能有效地完成严重非均匀下的方位向信号重建。
[0090] 本发明实施例提供的合成孔径雷达方位向信号重建装置，如图5所示，包括：第一确定模块51、筛选模块52和第二确定模块53，其中，
[0091] 所述第一确定模块51，用于根据第一通道转移函数矩阵，确定第一通道转移函数矩阵的SNR放大因子，根据所述SNR放大因子确定等效多普勒带宽；
[0092] 这里，所述第一通道转移函数矩阵可以是经典方位向信号重建算法中采用的原始的通道转移函数矩阵；如图2所示的方位向多通道SAR等效采样示意图；根据发射信号与各通道接收信号之间关系，可以得到第一通道转移函数矩阵H，第一通道转移函数矩阵H可以用表达式(1)表示，其中，第i行k列元素可以用表达式(2)表示；其中，fd表示多普勒频率，Δxk＝(M-1)/2·D，M表示接收通道数，其中，vr表示雷达平台速度，Tx表示发射通道，Rx表示接收通道，i表示行数，k表示列数，j表示虚单位：-1的开根号；图2中以3通道为例；PRF表示雷达脉冲重复频率，图例中M＝3，D表示SAR子孔径长度；
[0093] 这里，可以由第一通道转移函数矩阵计算出相应的SNR放大因子Φbf，由此计算出初步可恢复带宽，对PRFequ和全带宽M·PRF取平均即可得到需要的等效多普勒带宽，这里M是通道数，PRF是SAR系统脉冲重复频率；
[0094] 具体的对第一通道转移函数矩阵H(fd)，可以先计算通道转移函数矩阵的奇异值σ1≥σ2≥…σM，计算SNR放大因子Φbf可以用表达式(3)表示；
[0095] 由第一通道转移函数矩阵计算得到的SNR放大因子，由所述SNR放大因子先计算出一个等效的方位采样间隔；依据SNR放大因子Φbf及原始各通道回波方位向采样间隔di，可以采用表达式(4)计算出新的等效采样间隔dequ；其中，其中，dequ表示等效采样间隔，Φbf表示SNR放大因子，M表示SAR通道数，PRF表示SAR脉冲重复频率，vr表示SAR移动速度，di表示各通道采样间隔；
[0096] 根据所述等效采样间隔，可以计算出初步可恢复的带宽，计算方法可以用表达式(5)表示；获取所述初步可恢复的带宽后，可以根据预设权值，对初步可恢复的带宽与全带宽M·PRF加权平均，即得到本发明实施例中需求的等效多普勒带宽PRFwequ，这里，所述初步可恢复的带宽与全带宽M·PRF的加权值可以由以往实验数据、或经验值确定，如初步可恢复的带宽权值取1/2，全带宽M·PRF值可以取8000Hz等。
[0097] 所述筛选模块52，用于根据所述等效多普勒带宽和第一通道转移函数矩阵，确定各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵；
[0098] 这里，可以根据所述等效多普勒带宽PRFwequ，从第一通道转移函数矩阵中筛选出满足预设条件的各频率点对应额的列，将各列建立成各频率点对应的第二通道转移函数矩阵；
[0099] 具体的，可以对每一个属于第一通道转移函数矩阵的多普勒频率fd，利用预设条件进行多普勒频率筛选，筛选条件可以用表达式(6)表示；
[0100] 满足条件的k对应的第一通道转移函数矩阵相应的列被选入新的通道转移函数，于是针对各频率点，都得到相应的新的通道转移函数矩阵；
[0101] 如对于表达式(1)表示的第一通道转移函数矩阵中的一个多普勒频率fd，假设k＝1,3,5,7,9时，所述多普勒频率fd能满足表达式(6)，则将第一通道转移函数矩阵中第1，3，
5，7，9列作为所述多普勒频率fd对应的新的通道转移函数矩阵。
[0102] 所述第二确定模块53，用于根据所述各多普勒频率点对应的第二通道转移函数矩阵，以及预先测得的混叠频谱和所述混叠频谱对应的原始频谱，确定提取多普勒频谱的频谱滤波器，所述频谱滤波器用于提取方位向信号中的多普勒频谱；
[0103] 这里，可以建立代价函数，构造频谱滤波器，使得所述频谱滤波器滤波后的预先测得的混叠频谱在最小均方误差准则下，逼近所述预先测得的混叠频谱对应的原始频谱；所述混叠频谱仅取与多普勒频率点对应第二通道转移函数矩阵列数值相同的列；所述原始频谱仅取与多普勒频率点对应第二通道转移函数矩阵列数值相同的列；
[0104] 具体地，根据所得到的第二通道转移函数矩阵，确定频谱滤波器vk(fd)，使得由所述频谱滤波器处理后的混叠频谱在最小均方误差准则下，能很好地逼近原始频谱，其相应的代价函数FM可以用表达式(2)表示；其中，X(fd)表示观测到的混叠频谱，U(fd)是所述混叠频谱对应的原始频谱，k表示多普勒频率fd对应第二通道转移函数矩阵中的列数，即步骤102中筛选出的值；这里，使得所述代价函数FM最优的解就是所需的频谱滤波器。所述频谱滤波器就可以用来提取方位向信号的原始频谱。这里，表明已完成了方位信号的重建。
[0105] 在实际应用中，所述第一确定模块51、筛选模块52和第二确定模块53均可由SAR装置的
中央处理器(CPU)、
微处理器(MPU)、
数字信号处理器(DSP)、或现场可编程
门阵列(FPGA)实现；
[0106] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
