CN101984363A - 一种步进调频体制超高分辨率sar成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种步进调频体制超高分辨率SAR成像方法。超高分辨率条件下，线性调频变尺度算法相位误差变大，直接处理SAR回波数据会导致图像聚焦质量严重下降。本发明方法先抽取步进调频子脉冲信号为子带宽数据，然后利用线性调频变尺度算法分别进行聚焦处理，最后将经过聚焦处理的子带宽数据变换到二维频率域，在二维频率域拼接成像。相比现有技术，本发明方法能够有效提高点目标聚焦质量，同时还避免了带宽合成时脉冲组内子脉冲之间的相位差异。
Description
技术领域
本发明涉及超高分辨率合成孔径雷达(Synthetic aperture radar，简称SAR)成像方法，尤其涉及一种步进调频体制超高分辨率SAR成像方法。
背景技术
合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)是通过信号处理技术对地面景物进行成像的一种新的雷达体制，它利用雷达与目标的相对运动，把在不同位置接收到的目标回波信号进行相干处理，从而获得很高的方位向分辨率。作为一种全天时、全天候的二维高分辨率成像雷达系统，SAR在军事和民用领域有着广泛的应用。由于分辨率的提高对目标识别、特征提取等能力的提高有极大的帮助，近年来，超高分辨率SAR成像技术成为SAR领域的研究热点之一。
现有SAR成像方法通常采用线性调频变尺度算法(chirp scaling algorithm，CSA)对雷达回波信号进行聚焦处理。线性调频变尺度算法利用发射chirp信号的线性调频特性进行变标处理，使得场景内不同距离向点目标距离徙动一致，而后统一校正。其处理过程分为变标、距离向脉冲压缩和方位向脉冲压缩三个步骤。该算法处理中无需插值计算，效率较高。CSA算法具体可参考文献（R. K. Raney, H. Rung, R. Bamler, I. G. Cumming, Precision SAR processing using chirp scaling 1994. 2：G. W. Davidson, I. G. Cumming, M. R. Ito, A chirp scaling approach for processing squint mode SAR data 1996.）。
然而，线性调频变尺度算法推导中采用二阶泰勒展开近似，在简化处理流程的同时也在聚焦过程中引入了相位误差。此外，该算法处理中并未考虑距离多普勒（range Doppler，RD)域中距离向调频斜率随距离的变化，利用场景中心距离处的调频斜率统一脉压场景内点目标，导致远距离处点目标脉冲压缩后仍有残余相位误差。在超高分辨率条件下，上述误差变大，使得聚焦图像质量严重下降，即使场景中心处点目标响应都可能不满足系统要求。因此，减小该算法在超高分辨率条件下的相位误差，扩展场景有效聚焦范围，使得CSA可以有效地实现x波段超高分辨率SAR回波的高精度处理成为该算法应用的一个迫切需求。
此外，在步进调频体制下应用CSA处理超高分辨率SAR回波数据还存在额外的问题。步进调频体制下回波子脉冲之间存在相位差异，现有的时间域或者频率域直接带宽合成方法，如文献（A. J. Wilkinson, R. T. Lord, M. R. Inggs, Stepped-frequency processing by reconstruction of target reflectivity 1998. 2: R. T. Lord, M. R. Inggs, High resolution SAR processing using stepped-frequencies 1997）所述，是在一维频率域拼接回波子脉冲信号(其中时间域拼接方法可以等效为频率域拼接方法)，合成后全带宽信号而后进行SAR成像处理。由于上述直接带宽合成方法不能完全消除子脉冲之间的相位差异，导致合成后信号聚焦质量通常低于理想全带宽信号。因此，步进调频体制下超高分辨率SAR成像处理不仅需要考虑降低算法聚焦点目标相位误差，还需要考虑回波信号带宽合成的问题，尽量消除带宽合成时子脉冲之间存在的相位差异。
发明内容
本发明的目的在于克服现有线性调频变尺度算法存在的超高分辨率条件下相位误差过大的问题，提供一种高精度高效率的步进调频体制超高分辨率SAR成像方法。
本发明方法采用如下技术方案：
首先抽取回波信号中载频相同的子脉冲信号并依次排列，得到步进调频子带宽数据；然后对得到的步进调频子带宽数据分别进行线性调频变尺度聚焦处理；最后将聚焦处理后的步进调频子带宽数据进行拼接成像。
上述技术方案中在进行拼接成像时，可以使用现有的频率域或者时间域带宽合成方法，但考虑到现有方法不能完全消除回波子脉冲之间的相位差异，因此本发明又进一步采用二维频率域拼接成像方法，具体为：将聚焦处理后的步进调频子带宽数据通过距离向逆傅立叶变换变换到二维频率域，在二维频率域中进行拼接成像。
由于本发明方法将回波信号抽取分解得到的子带宽数据分别进行聚焦处理，然后进行拼接成像，相位误差远远小于直接处理全带宽信号对应的相位误差，因此本发明方法使聚焦点目标聚焦得到了有效改善，场景聚焦范围也得到了显著扩展；同时由于进一步采用了二维频率域拼接成像方法，避免了带宽合成时脉冲组内子脉冲之间的相位差异，进一步提高了聚焦成像的质量。
附图说明
图1为步进调频体制下回波信号时频关系示意图；
图2为本发明方法的流程图；
图3为时间域拼接和二维频率域拼接后信号相位对比图；其中，图(a)为场景中心时间域拼接相位，图(b)为场景中心二维频率域拼接相位，图(c)为场景边缘时间域拼接后相位，图(d)为场景边缘二维频率拼接后相位；
图4为具体实施方式中所述三种方法的仿真实验得到的场景中心处点目标结果对比图；其中，图(a)为直接发射1.8GHz信号CSA聚焦点目标响应，图(b)为时间域带宽合成步进调频信号CSA聚焦点目标响应，图(c)为采用本发明方法得到的聚焦点目标响应，图(d)为直接发射1.8GHz信号CSA聚集点目标距离向剖面图，图(e)为时间域带宽合成步进调频信号CSA聚焦点目标距离向剖面图，图(f)为采用本发明方法得到的聚焦点目标距离向剖面图，1 距离向像素单元为0.0032m，1 方位向像素单元为0.0073m；
图5为具体实施方式中所述三种方法的仿真实验得到的距离场景中心750m处点目标结果对比图；其中，图(a)为直接发射1.8GHz信号CSA聚焦点目标响应，图(b)为时间域带宽合成步进调频信号CSA聚焦点目标响应，图(c)为步采用本发明方法得到的聚焦点目标响应，图(d)为直接发射1.8GHz信号CSA聚集点目标距离向剖面图，图(e)为时间域带宽合成步进调频信号CSA聚焦点目标距离向剖面图，图(f)为采用本发明方法得到的聚焦点目标距离向剖面图，1 距离向像素单元为0.0032m，1 方位向像素单元为0.0073m；
图6为具体实施方式中所述三种方法的仿真实验得到的场景中心1500m处点目标结果对比图；其中，图(a)为直接发射1.8GHz信号CSA聚焦点目标响应，图(b)为时间域带宽合成步进调频信号CSA聚焦点目标响应，图(c)为采用本发明方法得到的聚焦点目标响应，图(d)为直接发射1.8GHz信号CSA聚集点目标距离向剖面图，图(e)为时间域带宽合成步进调频信号CSA聚焦点目标距离向剖面图，图(f)为采用本发明方法得到的聚焦点目标距离向剖面图，1 距离向像素单元为0.0032m，1 方位向像素单元为0.0073m。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
设步进调频体制下雷达发射载频步进间隔为 
，步进个数为N，脉冲长度为
, 调频斜率为
，子带宽为
的步进调频信号，其时频关系如附图1所示，其中脉冲重复时间为
。
定义方位向采样率为，对应第
个子脉冲信号，场景中任一点目标回波信号为
其中
表示快时间变量，
表示以
为中心的慢时间变量, 
是从天线相位中心到点目标的瞬时距离，载频
为全带宽信号对应的载频，载频步进频率
满足
。不失一般性，本文中讨论均在步进频率
的情况下进行。式(1)中, 
是发射信号的距离向包络，
是由天线方向图决定的方位向包络。
使用本发明方法进行步进调频体制超高分辨率SAR成像时，具体按照以下各步骤：
步骤1、抽取回波信号中载频相同的子脉冲信号并依次排列，得到步进调频子带宽
数据：
步进调频回波子脉冲信号的带宽为合成后全带宽的，将载频相同的子脉冲信号
抽取而后依次排列，即可以得到N个子带宽数据
，信号分解后，对应载频为
的子带宽信号可以表示为
其中
为子带宽数据对应的方位向时间。
步骤2、对得到的步进调频子带宽数据分别进行线性调频变尺度聚焦处理：
线性调频变尺度聚焦为现有技术，步骤1所得的子带宽数据利用该方法聚焦处理后相位误差远远小于全带宽信号聚焦后相位误差，其具体实现步骤如下：
步骤2.1）变标处理
分别将步骤1中得到的各子带宽数据块变换到方位频率域，其信号可以记为
其中，
距离向调频斜率在距离多普勒(range Doppler, RD)域由
变为
，
为点目标到载机航迹的航路捷径。式(3)中为子脉冲信号对应的方位向频率，其采样频率为
。忽略距离向调频斜率随距离的变化，选取变标函数为
其中
是场景中心点目标到航迹的航路捷径距离。将回波信号(3)乘以变标函数
而后变换到二维频率域，信号可以记为
其中
步骤2.2）子带宽数据二维频率域匹配滤波
将步骤2.1得到的各子带宽信号在二维频率域乘以二维匹配滤波函数
即可以实现距离徙动校正和距离向脉冲压缩，该滤波器可以表示为
信号乘以
后变为
步骤2.3）子带宽数据方位向脉冲压缩处理
对(7)进行距离向逆傅立叶变换，信号变换到RD域而后乘以方位向匹配滤波函数
信号变为
步骤3、将聚焦处理后的步进调频子带宽数据进行拼接成像：
经过上述步骤2已经实现了子带宽数据的聚焦处理，将信号(9)进行方位向逆傅立叶变换既可以得到图像。为得到全带宽数据的图像，需要对(9)对应的各子带宽数据进行拼接，即将子带宽数据对应为子脉冲依次拼接成像。由于传统的时间域拼接或者频率域拼接方法都不能完全消除子脉冲之间的相位差异，会导致点目标聚焦后其脉冲响应函数的方位向旁瓣出现不规则现象，本发明在二维频率域对其进行拼接成像：
将信号(9)进行距离向逆傅立叶变换重新变换到二维频率域，信号记为
(10)
在二维频率域拼接子带宽信号
，拼接后信号记为
其中
综上所述，本发明的步进调频体制超高分辨率SAR成像方法针对各子带宽信号进行变标和脉冲压缩处理，而后二维频率域拼接成像，其详细处理流程如附图2所示。
为验证本发明方法的性能，可以从理论上对聚焦点目标相位进行分析。
首先对直接带宽合成和二维频率域拼接后信号二维频率域相位进行分析，验证二维频率域拼接方法是否可以消除拼接脉冲组内子脉冲之间的相位差异。直接带宽合成后对应距离向相位记为
其场景中心距离和场景边缘距离处对应拼接后相位分别如图3(a)和3(c)所示。相比之下，步进调频信号二维频率域拼接对应相位为
比较(12)和(13)可以看出，上述两种拼接方法分别应用于聚焦处理前和聚焦处理后的子脉冲数据，其对应信号相位存在显著差异。尽管如此，可以比较两种拼接方法对应信号相位的连续性。其中，直接带宽合成后信号相位不连续，存在跳变现象，而二维频率域拼接后信号相位不存在跳变现象。以步进个数N=3为例，分别描述直接带宽合成后信号相位和二维频率域拼接后信号相位，如附图3(实际中场景边缘处点目标拼接后相位斜率随其距离向位置而变化，可能不同于(c)和(d)所示。比较附图3中两种方法合成信号的相位可以看出，二维频率域拼接避免了脉冲组内子脉冲之间的相位差异，拼接后相位不存在跳变现象。
现有采用线性调频变尺度算法（以下简称CSA）聚焦的成像方法在方位频率域对回波信号进行变标处理，使得不同距离向上的点目标距离徙动一致，而后统一校正场景内所有点目标的距离徙动。由于CSA处理中并未考虑RD域中距离向调频斜率随距离的变化，利用场景中心距离处的调频斜率统一脉压场景内点目标，导致远距离处点目标聚焦质量下降。另外，该算法中RD域公式是在点目标二维频谱二阶泰勒展开的基础上推导的，在高分辨率或者大斜视情况下，该公式近似误差变大，也会使得点目标聚焦质量下降。因此，在超高分辨率或者大场景成像条件下，CSA应用受到很大限制。该算法处理中采用场景中心处对应的距离向调频斜率进行距离脉压导致的相位误差为
， (14)
其中
信号点目标响应二维频谱二阶泰勒展开导致的误差可以近似为
因此，CSＡ总的相位误差为
直接发射全带宽信号CSA处理后点目标聚焦相位误差可以表示为
. (17)
其中
为全带宽信号对应的距离向频率。
步进调频体制下，CSA聚焦直接带宽合成后信号不仅存在如(17)所示相位误差，而且存在直接带宽合成的拼接相位误差，其聚焦质量低于理想全带宽信号模式。因此，对CSA聚焦全带宽信号和二维频率域拼接步进调频信号的相位误差进行分析比较即可以验证本发明方法有效降低了算法相位误差，而CSA聚焦直接带宽合成后信号相位误差不再给出。在步进调频体制下，应用本发明方法聚焦点目标相位误差可以表示为
由公式(17)和(18)可以看出，相位误差为距离向频率的二次项和三次项函数和。由于子chirp信号带宽为全带宽的
，式(17)对应的最大相位误差明显大于(18)式对应的最大相位误差，因此步进调频信号子带宽聚焦而后二维频率域拼接成像质量应该优于理想全带宽信号CSA成像质量，而理想全带宽信号CSA聚焦质量又优于直接带宽合成后信号CSA聚焦质量。
为了进一步验证本发明方法的效果，又进行了仿真对比试验，具体为：沿着地面距离向间隔375m，方位向间隔150m设置的15个点目标，对应场景距离向尺寸为1800m，SAR中心频率为9.7GHz，孔径长度为655.3m, 孔径中心距场景中心距离为10km。限制剩余二次相位误差小于
，CSA聚焦全带宽信号的场景有效聚焦范围为380m，所仿真场景已经远远超出其有效聚焦范围。分别仿真直接发射1.8GHz信号带宽回波和步进个数为4，载频步进间隔为450MHz的步进调频回波信号，仿真雷达参数如下表所示：
| 载频步进个数 | 4 |
| 合成后带宽 | 1.8GHZ |
| 子带宽 | 450MHz |
| 全带宽载频 | 9.7GHz |
| 载机速度 | 200m/s |
| 方位向分辨率 | 0.18m |
除使用本发明方法对步进调频回波信号进行成像外，同时还分别进行了以下两个试验：
试验一、仿真直接发射1.8GHz带宽信号回波，对回波信号利用原始CSA算法成像。
试验二、仿真步进个数为4，步进带宽为450MHz带宽的步进调频回波信号，在时
间域直接带宽合成该回波信号后利用原始CSA成像。
由图4-6可以看出，直接发射全带宽信号经CSA处理后，场景中心及场景边缘处点目标聚焦质量不佳，时间域拼接全带宽信号聚焦质量甚至低于直接发射全带宽信号CSA聚焦质量，主要表现为边缘点距离向旁瓣不理想，主瓣展宽，而本发明方法对于距离场景中心点750m以及1500m处的点目标仍然聚焦良好，此外， 本发明方法也不存在距离向旁瓣的不规则现象。
Claims (2)
1.一种步进调频体制超高分辨率SAR成像方法，其特征在于，首先抽取回波信号中载频相同的子脉冲信号并依次排列，得到步进调频子带宽数据；然后对得到的步进调频子带宽数据分别进行线性调频变尺度聚焦处理；最后将聚焦处理后的步进调频子带宽数据进行拼接成像。
2.如权利要求1所述步进调频体制超高分辨率SAR成像方法，其特征在于，所述拼接成像采用二维频率域拼接成像方法，具体为：将聚焦处理后的步进调频子带宽数据通过距离向逆傅立叶变换变换到二维频率域，在二维频率域中进行拼接成像。
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