基于参数估计的下视稀疏阵列三维SAR运动误差补偿和成像处理方法

刘奇勇 张群 洪文 苏令华 梁佳

刘奇勇, 张群, 洪文, 等. 基于参数估计的下视稀疏阵列三维SAR运动误差补偿和成像处理方法[J]. 雷达学报, 2018, 7(6): 730–739. DOI: 10.12000/JR18107
引用本文: 刘奇勇, 张群, 洪文, 等. 基于参数估计的下视稀疏阵列三维SAR运动误差补偿和成像处理方法[J]. 雷达学报, 2018, 7(6): 730–739. DOI: 10.12000/JR18107
Liu Qiyong, Zhang Qun, Hong Wen, Su Linghua, Liang Jia. DLSLA 3D SAR Motion Error Compensation and Imaging Method Based on Parameter Estimation[J]. Journal of Radars, 2018, 7(6): 730-739. doi: 10.12000/JR18107
Citation: Liu Qiyong, Zhang Qun, Hong Wen, Su Linghua, Liang Jia. DLSLA 3D SAR Motion Error Compensation and Imaging Method Based on Parameter Estimation[J]. Journal of Radars, 2018, 7(6): 730-739. doi: 10.12000/JR18107

基于参数估计的下视稀疏阵列三维SAR运动误差补偿和成像处理方法

doi: 10.12000/JR18107
基金项目: 国家自然科学基金(61471386, 61871396),陕西省自然科学基础研究计划(2016JM4008)
详细信息
    作者简介:

    刘奇勇(1990–),男,湖南邵阳人,空军工程大学博士生,主要研究方向为SAR成像、线阵SAR 3维成像

    张 群(1964–),男,陕西合阳人,空军工程大学信息与导航学院教授,博士生导师,主要研究方向为雷达成像与目标识别。E-mail: zhangqunnus@gmail.com

    洪 文(1968–),女,上海人,中国科学院电子学研究所研究员,博士生导师,主要研究方向为极化/极化干涉SAR处理及应用、3维SAR信号处理、圆迹SAR信号处理以及稀疏微波成像技术

    苏令华(1979–),男,山东枣庄人,空军工程大学信息与导航学院讲师,主要研究方向为遥感图像处理、雷达信号处理、DSP算法设计

    梁 佳(1985–),男,陕西西安人,空军工程大学信息与导航学院讲师,主要研究方向为雷达成像

    通讯作者:

    张群   zhangqunnus@gmail.com

  • 中图分类号: TN957

DLSLA 3D SAR Motion Error Compensation and Imaging Method Based on Parameter Estimation

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61471386, 61871396), The Natural Science Foundation Research Program of Shaanxi Province (2016JM4008)
  • 摘要: 当载机存在偏航角速度时,载机航线会偏离理想航线,对稀疏阵列下视3维合成孔径雷达(DLSLA 3D SAR)成像产生影响。该文建立了载机在飞行过程中存在偏航角速度下的DLSLA 3D SAR成像模型,通过理论推导得到了信号的多普勒调频率表达式,多普勒调频率与目标被调制后的跨航向坐标有关,而与被调制后的方位向坐标无关。进一步,完成跨航向信号处理之后,在平台的速度和偏航角速度不准的情况下,利用参数化稀疏表征方法实现了平台的速度和偏航角速度的估计,并完成了方位向稀疏场景的重构,最后提出了一种形变校正方法。仿真实验验证了该算法的有效性。

     

  • 图  1  DLSLA 3D SAR成像几何模型

    Figure  1.  DLSLA 3D SAR imaging geometry model

    图  2  所提方法流程图

    Figure  2.  The flow chart of the proposed method

    图  3  3维孤立点目标模型

    Figure  3.  3D isolated targets model

    图  4  成像结果

    Figure  4.  Imaging result

    图  5  方位向截面图

    Figure  5.  The azimuth sectional image

    图  6  方位向-跨航向平面投影图

    Figure  6.  2D projection onto azimuth and cross-track plane

    图  7  成像场景示意图

    Figure  7.  The ideal scene

    图  8  分布式场景DLSLA 3D SAR成像结果

    Figure  8.  3D imaging result of scene

    图  9  方位向-跨航向平面投影图

    Figure  9.  2D projection onto azimuth and cross-track plane

    图  10  形变校正后的方位向-跨航向平面投影图

    Figure  10.  2D projection onto azimuth and cross-track plane after deformation correction.

    表  1  平台和天线的参数

    Table  1.   Parameters of platform and antenna

    参数 参数
    载频fc (GHz) 17 脉冲重复频率PRF (Hz) 5000
    带宽Br (MHz) 200 发射天线数量Nt 16
    平台高度H (m) 1300 接收天线数量Nr 15
    平台速度v (m/s) 60 跨航向分辨率(m) 5.42
    脉冲持续时间Tr (μs) 0.1 方位向分辨率(m) 0.5
    偏航角速度(°/s) 2 初始偏航角(°) 3
    下载: 导出CSV

    表  2  图5中两种结果对应3 dB宽度

    Table  2.   The 3 dB width of the two methods in Fig. 5

    目标 直接法 参数化稀疏表征法 提升倍数
    1 2.26 m 0.41 m 5.51
    2 2.51 m 0.36 m 6.97
    下载: 导出CSV

    表  3  形变校正前后的方位向、跨航向坐标

    Table  3.   The azimuth and cross-track coordinates before and after deformation correction

    目标 实际坐标(m) 校正前的坐标(m) 校正后的坐标(m) 提升倍数
    1 (–14, –14) (–14.92, –13.13) (–13.95, –14.49) (18.40, 1.77)
    2 (–6, –14) (–6.64, –13.60) (–6.09, –14.02) (7.10, 20.00)
    3 (24, 30) (25.45, 28.26) (24.01, 29.49) (145.00, 3.41)
    4 (30, 24) (30.96, 21.98) (29.89, 23.41) (8.72, 3.42)
    5 (36, 30) (37.48, 28.26) (36.19, 29.89) (7.79, 15.81)
    下载: 导出CSV

    表  4  形变校正前后的方位向、跨航向坐标

    Table  4.   The azimuth and cross-track coordinates before and after deformation correction

    目标 实际坐标(m) 校正前的坐标(m) 校正后的坐标(m) 提升倍数
    1 (95, –97) (81.72, –105.10) (95.32, –99.31) (41.50, 3.50)
    2 (48, 100) (60.12, 97.15) (48.23, 100.92) (52.69, 3.09)
    3 (16, –57) (12.68, –59.62) (16.30, –58.53) (11.06, 1.71)
    4 (–50, –12) (–49.32, –11.56) (–49.91, –11.58) (7.55, 1.04)
    下载: 导出CSV
  • [1] Budillon A, Evangelista A, and Schirinzi G. Three-dimensional SAR focusing from multipass signals using compressive sampling[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(1): 488–499. DOI: 10.1109/TGRS.2010.2054099
    [2] Zhu X X and Bamler R. Very high resolution spaceborne SAR tomography in urban environment[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010, 48(12): 4296–4308. DOI: 10.1109/TGRS.2010.2050487
    [3] Peng X M, Tan W X, Hong W, et al. Airborne DLSLA 3-D SAR image reconstruction by combination of polar formatting and L1 regularization[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2016, 54(1): 213–226. DOI: 10.1109/TGRS.2015.2453202
    [4] 徐宗本, 吴一戎, 张冰尘, 等. 基于L1/2正则化理论的稀疏雷达成像[J]. 科学通报, 2018, 63(14): 1306–1319. DOI: 10.1360/N972018-00372

    Xu Zong-ben, Wu Yi-rong, Zhang Bing-chen, et al. Sparse radar imaging based on L1/2 regularization theory[J]. Chinese Science Bulletin, 2018, 63(14): 1306–1319. DOI: 10.1360/N972018-00372
    [5] 毕辉, 张冰尘, 洪文. 基于RIPless理论的层析SAR成像航迹分布优化方法[J]. 航空学报, 2016, 37(2): 680–687. DOI: 10.7527/S1000-6893.2015.0131

    Bi Hui, Zhang Bingchen, and Hong Wen. Track distribution optimization method based on TomoSAR via RIPless theory[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 680–687. DOI: 10.7527/S1000-6893.2015.0131
    [6] 侯丽英, 林赟, 洪文. 干涉圆迹SAR的目标三维重建方法研究[J]. 雷达学报, 2016, 5(5): 538–547. DOI: 10.12000/JR16009

    Hou Li-ying, Lin Yun, and Hong Wen. Three-dimensional reconstruction method study based on interferometric circular SAR[J]. Journal of Radars, 2016, 5(5): 538–547. DOI: 10.12000/JR16009
    [7] 李烈辰, 李道京, 张清娟. 基于压缩感知的三孔径毫米波合成孔径雷达侧视三维成像[J]. 电子与信息学报, 2013, 35(3): 552–558. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2012.01016

    Li Lie-chen, Li Dao-jing, and Zhang Qing-juan. Three-aperture millimeter-wave SAR side-looking three-dimensional imaging based on compressed sensing[J]. Journal of Electronics&Information Technology, 2013, 35(3): 552–558. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2012.01016
    [8] 张清娟, 李道京, 李烈辰. 连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像研究[J]. 电子与信息学报, 2013, 35(5): 1097–1102. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2012.01136

    Zhang Qing-juan, Li Dao-jing, and Li Lie-chen. Research on continuous scene side-looking 3D imaging based on sparse array[J]. Journal of Electronics&Information Technology, 2013, 35(5): 1097–1102. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2012.01136
    [9] 田鹤, 李道京, 潘洁, 等. 基于修正均匀冗余阵列正反编码的稀疏阵列SAR下视三维成像处理[J]. 电子与信息学报, 2017, 39(9): 2203–2211. DOI: 10.11999/JEIT161209

    Tian He, Li Dao-jing, Pan Jie, et al. Downward-looking 3D imaging processing of sparse array SAR based on modified uniformly redundant arrays positive and negative coding[J]. Journal of Electronics&Information Technology, 2017, 39(9): 2203–2211. DOI: 10.11999/JEIT161209
    [10] 李道京, 侯颖妮, 滕秀敏, 等. 稀疏阵列天线雷达技术及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 2014.

    Li Dao-jing, Hou Ying-ni, Teng Xiu-min, et al.. Sparse Array Antenna Radar Imaging Technology and Application[M]. Beijing: Science Press, 2014.
    [11] Bao Q, Han K Y, Peng X M, et al. DLSLA 3-D SAR imaging algorithm for off-grid targets based on pseudo-polar formatting and atomic norm minimization[J]. Science China Information Sciences, 2016, 59(6): 062310. DOI: 10.1007/s11432-015-5477-5
    [12] Liu Q Y, Zhang Q, Luo Y, et al. Fast algorithm for sparse signal reconstruction based on off-grid model[J]. IET Radar,Sonar&Navigation, 2018, 12(4): 390–397. DOI: 10.1049/iet-rsn.2017.0319
    [13] 丁振宇, 谭维贤, 王彦平, 等. 基于波数域子孔径的机载三维SAR偏航角运动误差补偿[J]. 雷达学报, 2015, 4(4): 467–473. DOI: 10.12000/JR15016

    Ding Zhen-yu, Tan Wei-xian, Wang Yan-ping, et al. Yaw angle error compensation for airborne 3-D SAR based on wavenumber-domain subblock[J]. Journal of Radars, 2015, 4(4): 467–473. DOI: 10.12000/JR15016
    [14] 杨泽民, 孙光才, 邢孟道, 等. 基于多通道联合自聚焦技术的机载三维SAR运动补偿[J]. 电子与信息学报, 2012, 34(7): 1581–1588. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2011.01365

    Yang Ze-min, Sun Guang-cai, Xing Meng-dao, et al. Motion compensation for airborne 3-D SAR based on joint multi-channel auto-focusing technology[J]. Journal of Electronics&Information Technology, 2012, 34(7): 1581–1588. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2011.01365
    [15] Chen Y C, Li G, Zhang Q, et al. Motion compensation for airborne SAR via parametric sparse representation[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2017, 55(1): 551–562. DOI: 10.1109/TGRS.2016.2611522
    [16] 刘云龙, 李焱磊, 周良将, 等. 一种机载SAR快速几何精校正算法[J]. 雷达学报, 2016, 5(4): 419–424. DOI: 10.12000/JR16064

    Liu Yun-long, Li Yan-lei, Zhou Liang-jiang, et al. A fast precise geometric calibration method for airborne SAR[J]. Journal of Radars, 2016, 5(4): 419–424. DOI: 10.12000/JR16064
    [17] 王力宝, 许稼, 皇甫堪, 等. MIMO-SAR等效相位中心误差分析与补偿[J]. 电子学报, 2009, 37(12): 2688–2693. DOI: 10.3321/j.issn:0372-2112.2009.12.015

    Wang Li-bao, Xu Jia, Huangfu Kan, et al. Analysis and compensation of equivalent phase center error in MIMO-SAR[J]. Acta Electronica Sinica, 2009, 37(12): 2688–2693. DOI: 10.3321/j.issn:0372-2112.2009.12.015
  • 加载中
图(10) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  3126
  • HTML全文浏览量:  656
  • PDF下载量:  169
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-03
  • 修回日期:  2018-12-27
  • 网络出版日期:  2018-12-28

目录

    /

    返回文章
    返回