一种高精度的DBS图像拼接算法_陈洪猛_李明_贾璐_吴艳

2014 年 4 月 第 41 卷 第 2 期
西安电子科技大学学报（自然科学版） JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY
doi：10.3969/j.issn.1001-2400.2014.02.007
Apr.2014 Vol.41 No.2
一种高精度的 DBS 图像拼接算法 陈洪猛，李明，贾璐，吴艳
机载雷达在飞行过程中，对每一个波位(通常将每个扫描角波束的驻留位置称为一个波位)发射一系列 连续的相干脉冲串，对于每一个波位，雷达可以获得一幅扇形子图。将每个波位的图像拼接起来，就可以 获得广域图像。文献[6][7]从回波数据域出发，分别采用联合多脉冲处理和参数搜索法提高多普勒中心估 计的精度。为了在高对比度的场景下获得高精度的多普勒中心，文献[8]提出了一种基于图像的熵最小化的 多普勒中心估计算法；针对成像中的图像拼接问题，文献[9]采用重频不变 FFT 方法实现恒定锐化比下的 DBS 图像的距离多普勒平面的拼接；文献[10]对匀加速运动平台下的 DBS 成像方法进行了仿真分析;文献 [11]将 SAR 的方位聚焦处理方法推广到 DBS 成像中，提出了一种基于最小二乘拟合的 DBS 成像算法。文 献[12]初步考虑了载机平台的非理想运动，提出一种基于惯导信息的多普勒波束锐化图像拼接算法。
多普勒波束锐化技术(Doppler Beam Sharpening ,DBS)[1][2]作为非聚焦 SAR 的一种简单形式，可以在较 短时间内提供大场景的地面图像，在侧视、大范围扫描条件下的计算负荷低，易于实时实现，因此在战场 监视领域有着广泛的应用。DBS 主要应用在 SAR/GMTI(Synthetic Aperture Radar/Ground Moving Target Indication)模式下[3][4][5]，对目标定位，从而为对目标的精确打击提供参考。通常情况下，DBS 与 SAR 配合 使用，先用 DBS 对较大的场景范围粗略成像，然后对感兴趣的区域采用 SAR 实现高分辨成像。
陈洪猛等：一种高精度的 DBS 图像拼接算法
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由于传统方法很少考虑载到机非理想运动对 DBS 图像拼接的影响，本文建立了一种仿射校正模型， 对影响 DBS 图像拼接的两个因素(载机姿态与载机位置)进行了系统分析，提出了一种对 DBS 子图的实时校 正拼接算法。仿真结果及实测数据表明，该算法可以对载机位置变化引起的平动误差与载机姿态变化引起 的转动误差同时进行校正，消除了载机非理想运动而引起的子图之间的错位与间断，保证了机载雷达的大 范围实时准确成像。
1 引言
高分辨成像是目前机载火控雷达的重要模式之一。合成孔径雷达成像(Synthetic Aperture Radar, SAR)是 一种高分辨率的微波成像系统，不受气候、昼夜等因素的影响，可以全天候的工作，在军事上和民用上有 广阔的应用前景。要获得高分辨的二维图像，必须提高雷达的横向分辨能力。当前聚焦的合成孔径雷达(SAR) 可以获得小于 1m 的横向分辨力，但其对运算器的运算能力及存储空间有极高的要求，同时还需要精确的平 台运动参数估计。
Abstract: The stitching quality of Doppler Beam Sharpening (DBS) image will be greatly affected due to the non-ideal movement of the radar platform (variation of the attitude and the position). This paper presents a correction model motion for movement error. A novel method based on affine transformation is proposed, which can correct and stitch the DBS image effectively. The variation of the attitude and the position could be compensated simultaneously, so the discontinuity and seams could be eliminated when the sub-image is stitched together. Simulation analysis and measured data results show that the algorithm can correct the motion error and stitch the sub-images effectively without increasing the computation complexity. Keywords: Doppler beam sharpening (DBS); affine transformation; motion correction; image stitching
(西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室 陕西 西安 710071)
摘要:由于载机平台的非理想运动(载机姿态与载机位置的变化)，多普勒波束锐化(Doppler Beam Sharpening, DBS)图
像的拼接质量会受到较大的影响。本文建立了一种针对运动误差的仿射校正模型，并在此基础上提出一种基于仿射
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收稿日期：
网络出版时间： 2013-10-09 22:01
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61271297,61272281)；国家部委预研基金资助项目
(9140A07020913DZ01001)；博士学科点科研专项基金资助项目(20110203110001)
sinθ cosθ
⎤ ⎥⎦
⎡ ⎢⎣
x y
⎤ ⎥⎦
+
⎡Δx ⎢⎣Δy
⎤ ⎥⎦
(9)
其中[ x, y]T 是原始坐标，[ x ', y ']T 是仿射变换后的坐标，[Δx, Δy]T 是平移量，θ 是旋转角度，k 是
缩放因子。
3.2 基于仿射变换的图像拼接原理
由于载机在运动过程中受气流等因素的影响，不可能完全满足匀速直线飞行的理想条件，主要表现为 载机位置与载机姿态的变化，载机位置的变化主要影响天线相位中心的变化，相位中心的改变会引起子图 在空间上的平动；载机姿态的变化主要影响雷达的波束指向，雷达波束指向的改变会引起子图在空间上的 旋转。非理想条件的子图可以看作是理想条件下子图的平移与旋转，如图 3 运动误差仿射校正模型所示， 如果将非理想条件下的子图(虚线所示)经过旋转与平移校正，那么子图拼接过程中的错位与间断现象就会 消除，下面给出仿射校正模型的数学实现方法。
=
⎡1 ⎢⎣0
0⎤ 1⎥⎦
⎡x ⎢⎣ y
⎤ ⎥⎦
+
⎡ Δx ⎤ ⎢⎣ Δy ⎥⎦
(6)
2、 旋转性：设有点[ x, y]T 经旋转角度θ 的坐标为[ x ', y ']T ，则其仿射变换形式为
⎡ ⎢ ⎣
x y
'⎤ '⎥⎦
=
⎡cos θ ⎢⎣−sinθ
sinθ ⎤ ⎡x ⎤
cosθ
⎥ ⎦
⎢ ⎣
y
⎥ ⎦
变换的 DBS 图像校正拼接算法。该算法首先对载机姿态与载机位置引起的误差同时进行校正，消除子图之间的错
位与间断，然后对子图像进行拼接。仿真结果与实测数据表明，该算法在不增加计算复杂度的前提下，可以有效校
正载机的运动误差，实现 DBS 子图的高精度拼接。
关键词：多普勒波束锐化(DBS)；仿射变换；运动补偿 ；图像拼接
3.1 仿射变换的基本原理
仿射变换是一种线性变换，具有平行线转换成平行线，有限点映射到有限点的一般特性，具有平移不变性， 旋转性及尺度变换特性[13][14]。
1、 平移性：设有点[ x, y]T 经平移[Δx, Δy]T 后的坐标为[ x ', y ']T ，则仿射变换可以表示为：
⎡ ⎢⎣
x y
'⎤ '⎥⎦
=
−
N 2
,
, N −1) ，其对应的多普勒频率为： 2
fd k = fd 0 − kδ fd
(4)
δ
fd
=
Δfd N
=1 Ts
=
fr M
(5)
其中，Ts 为相干积累时间， fr 为脉冲重复频率， N 为锐化比。
从上式可以看出，主瓣多普勒频率与锐化角有一一对应的关系，利用波束照射区内方位不同的目标具

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有不同的多普勒频率，对回波信号作多普勒分析，即可分辨出方位不同的目标。 由(3)式可以看出，多普勒带宽随方位角是不断变化的，为保证分辨率一致，锐化比 N 通常保持不变。
如果 fr 小于Δfd ，则会造成信号的丢失，因此本文只考虑 fr 大于Δfd 的情况。为便于工程实现，通常采 用 fr 与 M 均不变的重频不变 FFT 法[9]，如图 2 所示，由于多普勒带宽随着扫描角的变化而变化，为保证
Z
V ψ
H
Δθ
R
X
θ
ϕ
Y
P
图 1 DBS 成像几何原理
图 2 频域插值示意图
假设载机在恒定的高度 H 平行于地面匀速飞行，飞机速度为v ，飞行方向为 X 轴，其主波束方位向扫
描角为θ ,波束视线 LOS 与载机方向的夹角为ψ ，俯仰角为ϕ ，雷达波长为λ ， R0 为雷达与点目标 P 之
间的初始斜距, A(t) 为信号的复包络。tm = mTr , (m = 0,1, , M −1) 为慢时间，Tr 为脉冲重复周期，M
作者简介：陈洪猛(1986—),男，西安电子科技大学博士研究生，E-mail:chenhongmeng123@.