[发明专利]一种流结构非匀速直线运动合成孔径雷达成像方法

摘要

本发明提出了一种流结构非匀速直线运动合成孔径雷达成像方法，它是通过采用循环缓冲数据结构，将传统后向投影算法逐像素匹配的工作模式改进为合成孔径滑窗投影的工作模式，使得在任意时刻处理系统需要存储于内存中的数据量与所处理场景的方位向长度无关，解决实际合成孔径雷达成像处理过程中内存消耗量大的问题；通过天线相位中心轨迹代替传统成像处理中的平台平均速度，实现对非匀速直线运动合成孔径雷达的高精度成像处理。本发明可用于各种工作模式机载合成孔径雷达数据实时或线下成像处理。

主权项

1.步骤初始化成像处理参数为了实现合成孔径雷达成像处理，成像系统需提供如下初始化参数，包括：工作波长，记作λ；发射信号时宽，记作T_Puls；接收机采样频率，记作f_s；接收波门延迟，记作T_Delay；距离向采样点数，记作N_r；合成孔径雷达天线相位中心数据文件所包含的脉冲重复周期数目，记作N_Azi，成像系统距离向理论分辨率，记作ρ_r；成像系统方位向理论分辨率，记作ρ_a；合成孔径雷达斜视偏移，记作Disp_sq；合成孔径长度，记作L_ap；距离向插值倍数，记作k，k为自然数；成像区域起始位置x方向分量，记作x₀；成像区域起始位置y方向分量，记作y₀；成像区域起始位置z方向分量，记作z₀；成像区域宽度，记作L_x；成像区域长度，记作L_y；批处理长度，记作Batch，Batch为自然数；子图像长度，记作L_sub；合成孔径雷达原始数据文件名称；合成孔径雷达天线相位中心数据文件名称；步骤2、确定孔径缓存尺寸根据步骤1已知的成像系统距离向理论分辨率ρ_r，利用公式int_x=0.5×ρ_r，计算成像区域像素x方向间隔，记作int_x；根据步骤1已知的成像系统方位向理论分辨率ρ_a，利用公式int_y=0.5×ρ_a，计算成像区域像素y方向间隔，记作int_y；根据步骤1已知的合成孔径长度L_ap，利用公式计算合成孔径长度对应的像素点数，记作N_ap；利用公式N_apbuff=N_ap+100，计算孔径缓存的长度，记作N_apbuff；根据步骤1已知的成像区域宽度L_x，利用公式计算孔径缓存的宽度，记作N_x，其中，round(σ)表示对变量σ的四舍五入取整操作，σ为实数；步骤3、确定子图像缓存尺寸根据步骤1中已知的子图像长度L_sub和步骤2中得到的成像区域像素y方向间隔int_y，利用公式计算子图像缓存长度，记作N_sub；步骤4、初始化孔径缓存和子图像缓存根据步骤2得到的孔径缓存长度N_apbuff和孔径缓存宽度N_x，创建大小为N_apbuff×N_x的二维数组，称作“孔径缓存”，记作Buff_ap(i,j)，其中，i表示孔径缓存的行序号，i=0,1,...,(N_apbuff-1)，j表示孔径缓存的列序号，j=0,1,...,(N_x-1)，并将孔径缓存的所有元素置零；根据步骤3得到的子图像缓存长度N_sub和步骤2得到的孔径缓存宽度N_x，创建大小为N_sub×N_x的二维数组，称作“子图像缓存”，记作Buff_sub(m,j)，m表示子图像缓存的行序号，其中，m=0,1,...,(N_sub-1)；步骤5、读取天线相位中心数据根据步骤1已知的合成孔径雷达天线相位中心数据文件名称，读取合成孔径雷达天线相位中心数据文件中所有时刻的天线相位中心位置，记作P_apc(ID)，其中，ID表示脉冲重复周期序号，ID=0,1,2,...,(N_Azi-1)，N_Azi表示合成孔径雷达天线相位中心数据文件所包含的脉冲重复周期数目；步骤6、读取回波数据在计算机内存中分配一个整型变量，称为“批处理起始脉冲重复周期序号”，记作ID_bat，并将批处理起始脉冲重复周期序号ID_bat的值置为0；根据步骤5得到的合成孔径雷达天线相位中心数据文件中所有时刻的天线相位中心位置P_apc(ID)，利用公式ycur=Papcy(IDbat+Batch-1)+Dispsq+Lap2-y0,]]>其中，表示合成孔径雷达天线相位中心数据文件中α_y时刻的天线相位中心位置沿运动方向的分量，其中，α_y为整数，采用标准的已知两点位置计算距离的方法，计算当前批次孔径最前端位置到场景初始位置的距离，记作y_cur；如果当前批次孔径最前端位置到场景初始位置的距离y_cur小于0，则跳转至步骤15；利用公式ycur′=Papcy(IDbat)+Dispsq-Lap2-y0,]]>采用标准的已知两点位置计算距离的方法，计算当前批次孔径最末端位置到场景初始位置的距离，记作y'_cur；如果当前批次孔径最末端位置到场景初始位置的距离y'_cur大于成像区域长度L_y，则跳转到步骤16；否则，根据步骤1已知的合成孔径雷达原始数据文件名称，读取脉冲重复周期序号ID=ID_bat+a时刻的合成孔径雷达回波数据，记作D_raw(p,a;ID_bat)，其中，p为合成孔径雷达回波数据距离向采样序号，p=0,1,2,...,(N_r-1)，a为当前批次脉冲重复周期子序号，a=0,1,2,...,(Batch-1)；步骤7、距离压缩与插值采用标准的合成孔径雷达距离压缩和插值方法，对步骤6得到的脉冲重复周期序号ID=ID_bat+a时刻的合成孔径雷达回波数据D_raw(p,a;ID_bat)沿距离向进行距离压缩和插值，得到距离压缩和插值后的合成孔径雷达数据，记作D_RC(l,a;ID_bat)，其中，l=0,1,2,...,(kN_r-1)；步骤8、孔径缓存循环置零如果批处理起始脉冲重复周期序号ID_bat=0，则跳转到步骤9；否则，根据步骤5得到的合成孔径雷达天线相位中心数据文件中所有时刻的天线相位中心位置P_apc(ID)，利用公式IDZeroapbuffstart=mod(round(Papcy(IDbat-1)+Dispsq-y0-Lap/2inty)+1+Nap,Napbuff),]]>计算当前处理批次需要置零的孔径缓存行序号的起始位置，记作利用公式IDZeroapbuffend=mod(round(Papcy(IDbat+Batch-1)+Dispsq-y0-Lap/2inty)+1+Nap,Napbuff),]]>计算当前处理批次需要置零的孔径缓存行序号的终止位置，记作其中，mod(σ',Λ)表示对变量σ'取Λ的模，其中，σ'为正整数，Λ为正整数；按照循环访问准则，将孔径缓存行序号位于和之间的孔径缓存的整列区域置零；步骤9、计算像素点到合成孔径雷达的距离令当前批次内脉冲重复周期子序号a=0，根据步骤5得到的合成孔径雷达天线相位中心数据文件中所有时刻的天线相位中心位置P_apc(ID)，选择脉冲重复周期序号ID=ID_bat+a时刻合成孔径雷达数据天线相位中心位置，利用公式IDPixstart=round(Papcy(IDbat+a)+Diapsq-y0-Lap/2inty),]]>计算当前脉冲重复周期时刻合成孔径末端相对场景初始位置的像素间隔，记作IDPix_start；利用公式x_(i,j)=j×int_x+x₀，j=0，计算当前脉冲重复周期时刻合成孔径照射区域内第i行第j列像素的位置的x方向分量，记作x_(i,j)；利用公式y_(i,j)=(i+IDPix_start)×int_y+y₀，i=0，计算当前脉冲重复周期合成孔径照射区域内第i行第j列像素的位置的y方向分量，记作y_(i,j)，利用公式z_(i,j)=z₀，计算当前脉冲重复周期合成孔径照射区域内第i行第j列像素的位置的z方向分量，记作z_(i,j)；利用公式R(i,j)(IDbat+a)=(x(i,j)-Papcc(IDbat+a))2+(y(i,j)-Papcy(IDbat+a))2+(z(i,j)-Papcz(IDbat+a))2,]]>计算当前脉冲重复周期合成孔径内照射区域第i行第j列像素到当前脉冲重复周期时刻合成孔径雷达天线相位中心的距离，记作R_(i,j)(ID_bat+a)，其中，表示合成孔径雷达天线相位中心数据文件中α_x时刻的天线相位中心位置在二维图像空间中垂直于运动方向的分量，α_x为整数，表示合成孔径雷达天线相位中心数据文件中α_z时刻的天线相位中心位置垂直于二维图像空间的分量，α_z为整数；步骤10、计算像素对应的回波位置采用步骤9得到的当前脉冲重复周期合成孔径内照射区域第i行第j列像素到当前脉冲重复周期时刻合成孔径雷达天线相位中心的距离R_(i,j)(ID_bat+a)，利用公式IDecho(i,j)(IDbat+a)=round((2R(i,j)(IDbat+a)C-TDelay+TPuls)×k×fs),]]>其中，C表示光速，计算当前脉冲重复周期合成孔径照射区域内第i行第j列像素在当前脉冲重复周期对应的距离向回波位置序号，记作IDecho_(i,j)(ID_bat+a)；步骤11、相位补偿和累加利用步骤7得到的距离压缩和插值后的合成孔径雷达数据D_RC(l,a;ID_bat)和步骤10得到的当前脉冲重复周期合成孔径照射区域内第i行第j列像素在当前脉冲重复周期对应的距离向回波位置序号IDecho_(i,j)(ID_bat+a)，利用公式Buff_ap(mod(IDPix_start+i,N_apbuff),j)←Buff_ap(mod(IDPix_start+i,N_apbuff),j)+D_RC(IDecho_(i,j)(ID_bat+a),a;ID_bat)，×exp(-1×2π×R(i,j)(IDbat+a)/λ)]]>其中，←表示赋值操作，exp表示以自然对数的底为底的指数函数，将相位补偿后的当前脉冲重复周期合成孔径照射区域内第i行第j列像素在当前脉冲重复周期对应的回波累加到孔径缓存中行序号等于mod(IDPix_start+i,N_apbuff)、列序号等于j的位置；步骤12、遍历孔径缓存所有位于孔径照射区域内的像素选择当前脉冲重复周期合成孔径照射区域内所有第i行第j列像素，其中i=0,1,...,(N_ap-1)，j=0,1,...,(N_x-1)，重复步骤9-11，直到遍历孔径缓存中当前脉冲重复周期时刻所有位于孔径照射区域内的像素；步骤13、遍历当前批次的所有脉冲重复周期改变当前批次内脉冲重复周期子序号a，令a=1,2,...,(Batch-1)，重复步骤9-12，直到遍历当前批次的所有脉冲重复周期；步骤14、孔径缓存数据输出如果批处理起始脉冲重复周期序号ID_bat=0，则跳转到步骤15；否则，根据步骤5得到的合成孔径雷达天线相位中心数据文件中所有时刻的天线相位中心位置P_apc(ID)，利用公式IDRapbuffstart=mod(round(Papcy(IDbat-1)+Dispsq-y0-Lap/2inty)-2,Napbuff),]]>计算当前处理批次需要读取的孔径缓存行序号的起始位置，记作利用公式IDRapbuffend=mod(round(Papcy(IDbat+Batch-1)+Dispsq-y0-Lap/2inty)-2,Napbuff),]]>计算当前处理批次需要读取的孔径缓存行序号的终止位置，记作利用公式IDWapbuffstart=mod(round(Papcy(IDbat-1)+Dispsq-y0-Lap/2inty)-2,Nsub),]]>计算当前处理批次需要写入的子图像缓存行序号的起始位置，记作利用公式IDWapbuffend=mod(round(Papcy(IDbat+Batch-1)+Dispsq-y0-Lap/2inty)-2,Nsub),]]>计算当前处理批次需要写入的子图像缓存行序号的终止位置，记作按照循环访问准则，依次选择孔径缓存行序号在到之间的整列数据和子图像缓存行序号在到之间的整列数据；如果所选择的整列子图像缓存行序号不等于0，则将孔径缓存中的整列数据存入对应的整列子孔径缓存中；如果所选择的整列子图像缓存行序号等于0，则先将子图像缓存中的所有数据存入外部存储设备，然后将孔径缓存中的整列数据存入对应的整列子孔径缓存中；步骤15、遍历所有的脉冲重复周期将批处理起始脉冲重复周期序号ID_bat加Batch，即ID_bat←ID_bat+Batch，重复步骤6-14，直到处理完所有合成孔径雷达数据；步骤16、保存子图像缓存剩余数据将子图像缓存中的所有数据存入外部存储设备，并终止程序；经过以上步骤，即可得到高精度合成孔径雷达图像。