基于圖像譜壓縮的sar成像快速后向投影方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)圖像處理技術(shù)，尤其涉及一種基于圖像譜壓縮的SAR成像快速后 向投影方法，用于條帶模式和聚束模式下的合成孔徑雷達(dá)成像，適用于機(jī)載和星載平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑雷達(dá)成像屬于高分辨成像技術(shù)，它通過發(fā)射大帶寬信號(hào)獲得距離向高分 辨率，并通過實(shí)孔徑天線相對(duì)于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，在很大的視角范圍內(nèi)照射場(chǎng)景，獲得方位向高 分辨率。
[0003] 后向投影算法（Back Projection Algorithm，BPA)，是從計(jì)算機(jī)層析成像領(lǐng)域引 入的。后向投影算法BPA從合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR)的基本工作 原理出發(fā)，將距離脈壓后的回波數(shù)據(jù)映射到所有成像網(wǎng)格，通過將距離脈壓后的回波數(shù)據(jù) 逐點(diǎn)相干積累得到精確聚焦的圖像。由于該方法僅運(yùn)用了合成孔徑雷達(dá)成像的基本工作原 理，沒有引入任何近似，所以其能夠適用于任意觀測(cè)場(chǎng)景、任意雷達(dá)工作軌跡和任意雷達(dá)工 作方式的SAR成像中，可以對(duì)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行精確聚焦。但由于后向投影算法BPA需要對(duì)成 像網(wǎng)格逐點(diǎn)遍歷，對(duì)于NXN成像網(wǎng)格，N次脈沖回波的SAR成像，計(jì)算量達(dá)到0(N 3)，工作效 率很低，限制了后向投影算法BPA在實(shí)際工作中的應(yīng)用。
[0004] 為了提升后向投影算法BPA的工作效率，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了深入的研宄。 Yegulalp 在 1999 年提出了 一種快速后投影算法（Fast Back Projection Algorithm， FBPA)，指出了當(dāng)分塊大小取為#時(shí)，快速后投影算法FBPA能夠達(dá)到理論上最少的計(jì)算 量，為〇(N2 5)。但由于方位向頻譜較寬，所需方位向采樣率較高，仍難以達(dá)到對(duì)運(yùn)算速度的 實(shí)際需求。
[0005] Ulander 等提出了 快速分級(jí)后投影算法（Fast Factorized Back Projection Algorithm，F(xiàn)FBPA)，該方法指出，以2或4為基數(shù)，進(jìn)一步劃分子孔徑，同時(shí)利用極坐 標(biāo)系下角域頻譜較窄，子孔徑方位向采樣率較低的優(yōu)勢(shì)，理論上可以達(dá)到最優(yōu)的計(jì)算量 6>(/V 2 log))。雖然極坐標(biāo)系下子孔徑方位向采樣率較低，但由于快速分級(jí)后投影算法FFBPA 在極坐標(biāo)系下進(jìn)行子孔徑相干積累，需要進(jìn)行二維逐點(diǎn)插值，造成了一定的計(jì)算負(fù)擔(dān)，而且 在每次相干疊加時(shí)，二維插值操作都會(huì)引入誤差，圖像多次相干積累造成了誤差的逐級(jí)積 累，降低了最終的全孔徑成像質(zhì)量。因此，實(shí)際操作中，為保障成像質(zhì)量，獲得較好的聚焦 結(jié)果，往往以快速分級(jí)后投影算法FFBPA的計(jì)算效率為代價(jià)，選取了較長的子孔徑，降低迭 代次數(shù)，減少子孔徑相干積累引起的誤差積累。這樣，在實(shí)際應(yīng)用中，快速分級(jí)后投影算法 FFBPA很難達(dá)到最優(yōu)的計(jì)算量6?(/V

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種基于圖像譜壓縮的SAR成 像快速后向投影方法，該方法在直角坐標(biāo)系下，通過在方位向進(jìn)行壓縮頻譜，能夠保持快速 分級(jí)后投影算法FFBPA方位向采樣率較低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該方法在直角坐標(biāo)系下進(jìn)行圖像合 成，無需插值，所需計(jì)算量小，效率高，避免了極坐標(biāo)系下子孔徑相干積累時(shí)進(jìn)行逐級(jí)插值 引入的積累誤差，可以獲得高聚焦質(zhì)量的合成孔徑雷達(dá)圖像。
[0007] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)思路是：首先，將合成孔徑雷達(dá)的全孔徑進(jìn)行方位分塊操作，劃分 為N個(gè)子孔徑，N為正整數(shù)；在直角坐標(biāo)系下確定第1級(jí)子孔徑成像網(wǎng)格，用后向投影算法 BPA對(duì)距離脈壓后的回波信號(hào)s(x，r)進(jìn)行相干積累，得到第1級(jí)子孔徑的N個(gè)子孔徑粗糙 圖像；并在直角坐標(biāo)系下，對(duì)第1級(jí)子孔徑的N個(gè)子孔徑粗糙圖像進(jìn)行方位向頻譜壓縮；然 后，設(shè)定下一級(jí)子孔徑成像網(wǎng)格的方位向間隔、距離向間隔，對(duì)方位向頻譜壓縮后的第1級(jí) 子孔徑的N個(gè)子孔徑粗糙圖像按順序兩兩進(jìn)行相干積累，得到下一級(jí)子孔徑的子孔徑粗糙 圖像；最后，逐級(jí)進(jìn)行方位向頻譜壓縮和相干積累，最終得到全孔徑圖像。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下具體技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0009] -種基于圖像譜壓縮的SAR成像快速后向投影方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0010] 步驟1，合成孔徑雷達(dá)接收到目標(biāo)的原始回波信號(hào)，對(duì)接收到的原始回波信號(hào)進(jìn)行 解調(diào)、采樣和距離向脈沖壓縮，得到距離脈壓后的回波信號(hào)s(x，r);
[0011] 步驟2,將合成孔徑雷達(dá)的全孔徑進(jìn)行方位分塊操作，劃分為N個(gè)子孔徑，N為正整 數(shù)；在直角坐標(biāo)系下確定第1級(jí)子孔徑成像網(wǎng)格，用后向投影算法BPA將距離脈壓后的回波 信號(hào)s (X，r)進(jìn)行相干積累，得到第1級(jí)子孔徑的N個(gè)子孔徑粗糙圖像；
[0012] 步驟3,在直角坐標(biāo)系下，對(duì)第1級(jí)子孔徑的N個(gè)子孔徑粗糙圖像分別進(jìn)行方位向 頻譜壓縮；設(shè)定第2級(jí)子孔徑成像網(wǎng)格的方位向間隔Ax 2，距離向間隔Ay2，對(duì)方位向頻譜 壓縮后的第1級(jí)子孔徑的N個(gè)子孔徑粗糙圖像按順序兩兩（第1、2個(gè)子孔徑，第3、4個(gè)子 孔徑…）進(jìn)行相干積累，得到第2級(jí)子孔徑的N/2個(gè)子孔徑粗糙圖像；
[0013] 步驟4,在直角坐標(biāo)系下，對(duì)第2級(jí)子孔徑的N/2個(gè)子孔徑粗糙圖像進(jìn)行方位向頻 譜壓縮；設(shè)定第3級(jí)子孔徑成像網(wǎng)格的方位向間隔Ax 3，距離向間隔Ay3，對(duì)方位向頻譜壓 縮后的第2級(jí)子孔徑的N/2個(gè)子孔徑粗糙圖像按順序兩兩（第1、2個(gè)子孔徑，第3、4個(gè)子 孔徑…）進(jìn)行相干積累，得到第3級(jí)子孔徑的N/2 2個(gè)子孔徑粗糙圖像；
[0014] 步驟5,按照步驟3和步驟4以此類推，直到在直角坐標(biāo)系下，對(duì)第M-I級(jí)子孔徑的 兩個(gè)子孔徑粗糙圖像進(jìn)行方位向頻譜壓縮；對(duì)方位向頻譜壓縮后的第M-I級(jí)子孔徑的兩個(gè) 子孔徑的粗糙圖像進(jìn)行相干積累，得到第M級(jí)子孔徑圖像，即全孔徑圖像。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。本發(fā)明采用直角 坐標(biāo)系將子孔徑進(jìn)行相干積累，避免了快速分級(jí)后投影算法FFBPA在極坐標(biāo)系下相干積累 需要逐點(diǎn)插值造成的誤差積累問題，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)快速分級(jí)后投影算法FFBPA，本發(fā)明降 低了運(yùn)算量，提高了計(jì)算效率，并且能夠獲得更優(yōu)的成像質(zhì)量。
【附圖說明】
[0016] 下面結(jié)合【附圖說明】和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017] 圖1是本發(fā)明的基于圖像譜壓縮的SAR成像快速后向投影方法的流程圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明的方位向頻譜壓縮過程圖，其中：
[0019] 圖2(a)是一個(gè)子孔徑的原始頻譜圖；
[0020] 圖2 (b)是將原始頻譜進(jìn)行第1步頻譜壓縮后的結(jié)果圖；
[0021] 圖2 (c)是將圖2 (b)的頻譜放大8倍的結(jié)果圖；
[0022] 圖2 (d)是將圖2 (b)的頻譜進(jìn)行第2步頻譜壓縮的結(jié)果圖；
[0023] 上述圖中的橫坐標(biāo)為方位采樣，縱坐標(biāo)為距離采樣。
[0024] 圖3是本發(fā)明對(duì)具有100個(gè)隨機(jī)點(diǎn)的場(chǎng)景的仿真成像結(jié)果圖。
[0025] 圖4是本發(fā)明與后向投影算法BPA和快速分級(jí)后投影算法FFBPA的成像結(jié)果對(duì)比 圖，其中：
[0026] 圖4(a)為后向投影算法BPA的成像結(jié)果圖；
[0027] 圖4 (b)為快速分級(jí)后投影算法FFBPA的成像結(jié)果圖；
[0028] 圖4(c)為本發(fā)明的成像結(jié)果圖；
[0029] 上述圖中的橫坐標(biāo)為方位采樣，縱坐標(biāo)為距離采樣。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 參照?qǐng)D1，為本發(fā)明的基于圖像譜壓縮的SAR成像快速后向投影方法的流程圖。該 基于圖像譜壓縮的SAR成像快速后向投影方法，包括以下步驟：
[0031] 步驟1，合成孔徑雷達(dá)接收目標(biāo)的原始回波信號(hào)，對(duì)接收到的原始回波信號(hào)進(jìn)行解 調(diào)、采樣和距離向脈沖壓縮，得到距離脈壓后的回波信號(hào)S(x，r):
[0032] s(x:r) = sine Βκ{τ - rp) exp -jKc(r - rP)
[0033] 其中，x為雷達(dá)的方位向位置，r為目標(biāo)到雷達(dá)的斜距，Bk為波數(shù)域帶寬，r p為場(chǎng)景 中任意點(diǎn)P到雷達(dá)的距離，K。為中心波數(shù)。
[0034] 步驟2,將合成孔徑雷達(dá)的全孔徑進(jìn)行方位分塊操作，劃分為N個(gè)子孔徑，N為正整 數(shù)；在直角坐標(biāo)系下確定第1級(jí)子孔徑成像網(wǎng)格，用后向投影算法BPA對(duì)距離脈壓后的回波 信號(hào)s (X，r)進(jìn)行相干積累，得到第1級(jí)子孔徑的N個(gè)子孔徑粗糙圖像。
[0035] 步驟2的具體子步驟如下：
[0036] 2a)將合成孔徑雷達(dá)的全孔徑分成N個(gè)子孔徑，作為第1級(jí)子孔徑，N = 2ΜΛ M為 子孔徑粗糙圖像合成