CN102323581B - 斜视聚束合成孔径雷达的成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种斜视聚束SAR的成像方法，提高斜视聚束SAR的图像质量。技术方案是：首先，基于原始斜视聚束SAR回波信号，采用非线性平移法进行多普勒中心校正预处理，消除斜视角对方位粗聚焦的影响，得到预处理回波信号。然后，依照斜视聚束SAR回波信号模型，构造方位粗聚焦参考信号，并对预处理回波信号进行方位粗聚焦处理，得到方位粗聚焦后的回波信号。最后，对方位粗聚焦后的回波信号进行精聚焦处理，得到SAR图像。本发明消除了斜视角对后续方位粗聚焦处理的影响，实现了对具有方位谱混叠现象斜视聚束SAR的高精度成像。

Description

斜视聚束合成孔径雷达的成像方法

技术领域

本发明属于SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)成像领域，涉及一种适用于斜视聚束SAR成像处理的成像方法。

背景技术

聚束SAR技术是SAR领域内的研究热点之一。在聚束SAR中，通过控制合成孔径时间内的天线波束指向，使天线波束长时间照射成像区域，获得比条带SAR更大的多普勒带宽，从而实现方位向的高分辨率。此外，在聚束SAR中，成像场景内不同方位位置目标具有不同的方位谱中心频率，这进一步增加了聚束SAR回波信号总的方位带宽。为避免回波信号发生方位谱混叠现象，SAR系统的PRF(Pulse Repeat Frequency，脉冲重复频率)通常需是回波信号总的方位带宽的1.5～2倍。依照这一原则，在某些高分辨率/超高分辨率聚束SAR系统中，PRF需达几千赫兹甚至上万赫兹。过高的PRF不但增加了系统的硬件设计难度，还将导致回波数据量剧增，进而增加回波数据存储、传输和处理等负担。此外，在星载聚束SAR中，PRF不能设计得太高，否则会发生距离模糊现象。因此，在实际高分辨率聚束SAR系统中，通常采用PRF小于回波信号总的方位带宽的设计方法。由于PRF不满足Nyquist采样定理，将导致回波信号发生方位谱混叠现象。回波信号的方位谱混叠现象使聚束SAR的成像处理变得更加复杂，将导致传统SAR频域成像方法不再适用，需研究更加有效的成像方法。

目前，适用于具有方位谱混叠现象聚束SAR的成像方法主要两种：

一是子孔径成像法。有关这种方法的详细推导，可参见J.Mittermayer，A.Moreira，and O.Loffeld.Spotlight SAR data processing using the frequency scalingalgorithm.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，vol.37，no.5，pp.2198-2214，1999。子孔径成像法的缺点为：在回波信号的方位压缩处理中，存在复杂的频谱拼接处理，这将易导致SAR图像出现幅度失真和相位失真，降低图像质量。此外，频谱拼接的次数将随着PRF的降低而增加，从而在一定程度上影响算法的成像效率。

二是两步式成像法。有关这种方法的详细推导，可参见R.Lanari，M.Tesauro，E.Sansosti，et al.Spotlight SAR data focusing based on a two-step processingapproach.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，vol.39，no.9，pp.1993-2004，2001。两步式成像法的优点是成像过程中不存在频谱拼接处理，较好地保持了系统传输函数的空变特性，具有很高的成像精度。其缺点为：两步式成像法是基于正侧视聚束SAR成像模型推导的，不适用于斜视聚束SAR的成像处理。

发明内容

发明目的：本发明提供一种斜视聚束SAR的成像方法，提高斜视聚束SAR的图像质量。

技术方案：首先，基于原始斜视聚束SAR回波信号，采用非线性平移法进行多普勒中心校正预处理，消除斜视角对方位粗聚焦的影响，得到预处理回波信号。然后，依照斜视聚束SAR回波信号模型，构造方位粗聚焦参考信号，并对预处理回波信号进行方位粗聚焦处理，得到方位粗聚焦后的回波信号。最后，对方位粗聚焦后的回波信号进行精聚焦处理，得到SAR图像。

本发明的技术方案包括以下处理步骤：

第一步，预处理。

本步骤对输入的斜视聚束SAR回波信号进行多普勒中心校正预处理，目的是通过校正斜视聚束SAR回波信号中的多普勒中心方位折叠现象，消除斜视角对后续方位粗聚焦处理的影响。

具体实现步骤为：

步骤1)：设发射信号为线性调频信号，则接收到的斜视聚束SAR回波信号ss(τ，t_a)可表示为

$\mathrm{ss}(\mathrm{\τ},t_a)=a[\mathrm{\τ}-\frac{2r\left(t_a\right)}{c}]\exp [-j\frac{4\mathrm{\π}{f}_c}{c}r\left(t_a\right)]\exp \left[\mathrm{j\π\κ}{(\mathrm{\τ}-\frac{2r\left(t_a\right)}{c})}^2\right]$

其中a[·]为信号包络，τ为距离快时间，t_a为方位慢时间，κ为发射信号的调频斜率，f_c为发射信号中心频率，c为光速。r(t_a)为t_a时刻SAR天线APC(AntennaPhase Center，天线相位中心)到目标的瞬时斜距距离

$r\left(t_a\right)=\sqrt{v^2{(t_a-t_n)}^2+r_0^2-2v{r}_0(t_a-t_n)\sin {\mathrm{\θ}}_s}$

$\≈\sqrt{r_0^2+v^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_s{(t_a-t_n)}^2}-v(t_a-t_n)\sin {\mathrm{\θ}}_s+\frac{v^3\sin {\mathrm{\θ}}_s{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_s}{2r_0}{(t_a-t_n)}^3$

其中t_n为目标方位位置时间，v为SAR搭载平台的运行速度，θ_s为斜视角。设SAR搭载平台飞行方向为方位向，则斜视角θ_s定义为合成孔径中心到成像场景中心连线与方位向间夹角的余角。r₀为目标沿斜视方向到SAR搭载平台飞行航迹的最短斜距。对回波信号ss(τ，t_a)作距离向傅里叶变换，即可得到距离频域回波信号ss(f_r，t_a)，其中f_r为距离频率。

步骤2)：将距离频域回波信号ss(f_r，t_a)乘以非线性多普勒中心校正因子

完成斜视聚束SAR回波信号的多普勒中心校正预处理，消除斜视角对后续方位粗聚焦处理的影响；

步骤3)：对步骤2)所得结果作距离向傅里叶逆变换，得到预处理后的时域回波信号ss′(τ，t_a)。

第二步，方位粗聚焦。

对第一步中得到预处理回波信号作方位粗聚焦处理，消除预处理回波信号中的方位谱混叠现象，得到粗聚焦回波信号。

方位粗聚焦实际上是时域回波信号与方位粗聚焦参考信号关于方位慢时间t_a的卷积处理。具体实现步骤为：

步骤(1)：令输入信号为预处理后的时域回波信号ss′(τ，t_a)。将输入信号与方位粗聚焦参考信号

相乘，得到步骤(1)的输出信号，其中

表示方位粗聚焦参考信号的调频斜率，λ_c＝c/f_c为信号中心波长，r_sc为合成孔径中心与成像场景中心之间的斜距距离；

步骤(2)：在步骤(1)输出信号沿方位向两侧进行补零，并保证补零后的回波信号的方位采样间距小于方位分辨率，然后对补零后的结果作方位向傅里叶变换；

步骤(3)：将步骤(2)所得结果乘以方位粗聚焦补偿因子

其中t′_a为方位粗聚焦后的方位慢时间，至此就得到方位粗聚焦后的回波信号ss″(τ，t′_a)。

第三步，精聚焦。

对方位粗聚焦后的回波信号进行精聚焦，得到最终的SAR图像。具体实现步骤为：

步骤①：令输入信号为方位粗聚焦后的回波信号ss″(τ，t′_a)。对输入信号作二维傅里叶变换；

步骤②：将步骤①所得结果乘以匹配滤波函数

$H_{\mathrm{MF}}(f_r,f_a)=\exp \left[j{r}_{\mathrm{sc}}\frac{2\mathrm{\π}\sin {\mathrm{\θ}}_s{f}_a^3}{{\mathrm{\λ}}_c\cos {\mathrm{\θ}}_s{(f_{\mathrm{aM}}^2-f_a^2)}^{3/2}}\right]\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{f_r^2}{\mathrm{\κ}}\right)$

；

$\×\exp \left[j\frac{4\mathrm{\π}{r}_{\mathrm{sc}}}{c}\sqrt{{(f_r+f_c)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{cf}}_a}{2v\cos {\mathrm{\θ}}_s}\right)}^2}\right]$

其中f_a为方位频率，

步骤③：对步骤②所得结果进行如下所示的修正Stolt映射处理，即对步骤②所得结果用自变量f′_r替换自变量f_r。

$f_r^{\′}=\sqrt{{(f_r+f_c)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{cf}}_a}{2v\cos {\mathrm{\θ}}_s}\right)}^2}-\sqrt{f_c^2-{\left(\frac{c{f}_a}{2v\cos {\mathrm{\θ}}_s}\right)}^2}$

其中f′_r为修正Solt映射后的距离频率。

步骤④：对步骤③所得结果作距离向傅里叶逆变换，得到距离多普勒域回波信号ss″(τ，f_a)；

步骤⑤：将步骤④所得结果ss″(τ，f_a)依次乘以方位聚焦因子三

次相位补偿因子

和方位压缩因子

完成方位匹配滤波处理；

步骤⑥：对步骤⑤所得结果作方位向傅里叶逆变换，得到精聚焦图像；

步骤⑦：对步骤⑥所得结果作距离向傅里叶变换，然后乘以几何形变校正因子exp[j4π(f_r+f_c)vt_a sin θ_s/c]，接着对所得结果作距离向傅里叶逆变换，得到最终的斜视聚束SAR图像。

本发明的有益效果是：采用非线性平移法进行多普勒中心校正预处理，校正了斜视聚束SAR回波信号中的多普勒中心方位折叠现象，从而消除了斜视角对后续方位粗聚焦处理的影响，进而实现了对具有方位谱混叠现象斜视聚束SAR的高精度成像处理，最终获得良好聚焦的斜视聚束SAR图像。

附图说明

图1是本发明斜视聚束SAR成像方法的原理流程示意图；

图2是本发明中的系统仿真参数；

图3是传统两步式成像法获得的点目标成像结果；

图4是本发明获得的点目标成像结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的解释。

图1是本发明斜视聚束SAR成像方法的原理流程示意图。如图1所示，整个流程包括三个处理步骤：第一步，预处理；第二步，方位粗聚焦；第三步，精聚焦。

本发明的斜视聚束SAR成像方法通过仿真实验进行了验证，理论分析和仿真实验结果证明了本发明的有效性。

在仿真实验中，雷达系统参数设置如图2所示。成像场景设置及目标布置方式如下：成像场景大小为10km×2km(距离向×方位向)，在成像场景内共设置了9个点目标(即图3中用绿色圆形框标记的目标)。所有目标排列成一个3行3列的阵列，其中阵列的中心目标位于成像场景中心处。目标的距离向间距为4.5km，方位向间距为0.8km。

在上述仿真参数条件下，可计算得出单个目标的多普勒带宽为2.3KHz，场景方位宽度对应的方位带宽约为1.7KHz。由此可知，回波信号总的方位带宽约为2.3KHz+1.7KHz＝4KHz。由于PRF为1.8KHz，小于回波信号总的方位带宽，因此仿真斜视聚束SAR回波信号将发生方位谱混叠现象。为真实反映目标聚焦情况，在成像处理中，未使用任何加权处理或旁瓣抑制措施。

图3是采用传统两步式成像法获得的结果。其中水平方向为方位向(单位：米)，垂直方向为距离向(单位：米)。图像中用绿色圆形框标记的目标为真实目标，用红色方形框标记的目标为“虚假目标”。图3中的左侧上图和右侧上图均为直线所指“虚假目标”的放大图，左侧下图和右侧下图均为直线所指真实目标的放大图。由图3可发现，在应用传统两步式成像法时，由于斜视角的影响，导致成像过程中产生了错误的方位粗聚焦结果。成像后，所得SAR图像中出现了大量“虚假目标”，同时真实目标散焦严重，图像的整体质量不能令人满意。

图4是采用本发明的斜视聚束SAR成像方法获得的结果。其中水平方向为方位向(单位：米)，垂直方向为距离向(单位：米)。图4中的左侧上图、左侧下图、右侧上图和右侧下图均为直线所指真实目标的放大图。由图4可发现，采用本发明的方法后，由于有效消除了斜视角对方位粗聚焦处理的影响，所得SAR图像中不再有“虚假目标”出现，同时真实目标实现了精确聚焦，图像整体聚焦质量良好。

为定量评估本发明的斜视聚束SAR成像方法的性能，我们分别计算了图3和图4中的场景中心目标的方位分辨率(3dB宽度)、PSLR(Peak SideLobe Ratio，峰值旁瓣比)和ISLR(Integrated SideLobe Ratio，积分旁瓣比)三项指标。其中图3中的场景中心目标的方位分辨率为3.43m，PSLR为-7.49dB，ISLR为-5.69dB；而图4中的场景中心目标的方位分辨率为2.93m，PSLR为-16.91dB，ISLR为-14.81dB。对比上述指标参数，可发现：在采用传统方法获得的SAR图像中，目标的方位分辨率，PSLR和ISLR三项指标均较差；而在采用本发明方法获得的SAR图像中，上述三项指标分别改善了14.5％、1.28倍和1.59倍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种斜视聚束SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）的成像方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，预处理；

步骤1）：设发射信号为线性调频信号，则接收到的斜视聚束SAR回波信号ss(τ,t_a)表示为

$\mathrm{ss}(\mathrm{\τ},t_a)=a[\mathrm{\τ}-\frac{2r\left(t_a\right)}{c}]\exp [-j\frac{4\mathrm{\π}{f}_c}{c}r\left(t_a\right)]\exp \left[\mathrm{j\π\κ}{(\mathrm{\τ}-\frac{2r\left(t_a\right)}{c})}^2\right],$

其中a[·]为信号包络，τ为距离快时间，t_a为方位慢时间，κ为发射信号的调频斜率，f_c为发射信号中心频率，c为光速；r(t_a)为t_a时刻SAR天线APC（AntennaPhase Center，天线相位中心）到目标的瞬时斜距距离；

$r\left(t_a\right)=\sqrt{v^2{(t_a-t_n)}^2+r_0^2-2v{r}_0(t_a-t_n)\sin {\mathrm{\θ}}_s}$

$\≈\sqrt{r_0^2+v^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_s{(t_a-t_n)}^2}-v(t_a-t_n)\sin {\mathrm{\θ}}_s+\frac{v^3\sin {\mathrm{\θ}}_s{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_s}{2r_0}{(t_a-t_n)}^3,$

其中t_n为目标方位位置时间，v为SAR搭载平台的运行速度，θ_s为斜视角；设SAR搭载平台飞行方向为方位向，则斜视角θ_s定义为雷达合成孔径中心到成像场景中心连线与方位向间夹角的余角；r₀为目标沿斜视方向到SAR搭载平台飞行航迹的最短斜距；对回波信号ss(τ,t_a)作距离向傅里叶变换，得到距离频域回波信号ss(f_r,t_a)，其中f_r为距离频率；

步骤2）：将距离频域回波信号ss(f_r,t_a)乘以非线性多普勒中心校正因子

完成斜视聚束SAR回波信号的多普勒中心校正预处理；

步骤3）：对步骤2）所得结果作距离向傅里叶逆变换，得到预处理后的时域回波信号ss′(τ,t_a)；

第二步，方位粗聚焦；

步骤（1）：令输入信号为预处理后的时域回波信号ss′(τ,t_a)；将输入信号与方位粗聚焦参考信号

相乘，得到步骤（1）的输出信号，其中

表示方位粗聚焦参考信号的调频斜率，λ_c＝c/f_c为信号中心波长，r_sc为合成孔径中心与成像场景中心之间的斜距距离；

步骤（2）：在步骤（1）输出信号的沿方位向两侧进行补零，并保证补零后的回波信号的方位采样间距小于方位分辨率，然后对补零后的结果作方位向傅里叶变换；

步骤（3）：将步骤（2）所得结果乘以方位粗聚焦补偿因子

其中t′_a为方位粗聚焦后的方位慢时间，得到方位粗聚焦后的回波信号ss″(τ,t′_a)；

第三步，精聚焦；

步骤①：令输入信号为方位粗聚焦后的回波信号ss″(τ,t′_a)；对输入信号作二维傅里叶变换；

步骤②：将步骤①所得结果乘以匹配滤波函数

$H_{\mathrm{MF}}(f_r,f_a)=\exp \left[{\mathrm{jr}}_{\mathrm{sc}}\frac{2\mathrm{\π}\sin {\mathrm{\θ}}_s{f}_a^3}{{\mathrm{\λ}}_c\cos {\mathrm{\θ}}_s{(f_{\mathrm{aM}}^2-f_a^2)}^{3/2}}\right]\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{f_r^2}{\mathrm{\κ}}\right)$

$\×\exp \left[j\frac{4\mathrm{\π}{r}_{\mathrm{sc}}}{c}\sqrt{{(f_r+f_c)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{cf}}_a}{2v\cos {\mathrm{\θ}}_s}\right)}^2}\right],$

f_a为方位频率， $f_{\mathrm{aM}}=\frac{{2v\cos \mathrm{\θ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_c};$

步骤③：对步骤②所得结果进行如下所示的修正Stolt映射处理

$f_r^{\′}=\sqrt{{(f_r+f_c)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{cf}}_a}{2v\cos {\mathrm{\θ}}_s}\right)}^2}-\sqrt{f_c^2-{\left(\frac{{\mathrm{cf}}_a}{2v\cos {\mathrm{\θ}}_s}\right)}^2},$

其中f′_r为修正Stolt映射后的距离频率；

步骤④：对步骤③所得结果作距离向傅里叶逆变换，得到距离多普勒域回波信号ss″(τ,f_a)；

步骤⑤：将步骤④所得结果依次乘以方位聚焦因子

三次相位补偿因子 $\exp \left[j(r_0-r_{\mathrm{sc}})\frac{{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\θ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_c{\cos \mathrm{\θ}}_s}\frac{f_a^3}{{(f_{\mathrm{aM}}^2-f_a^2)}^{3/2}}\right]$ 和方位压缩因子 $\exp \left[j\frac{4\mathrm{\π}(r_0-r_{\mathrm{sc}})}{c}\sqrt{f_c^2-{\left(\frac{{\mathrm{cf}}_a}{2v\cos {\mathrm{\θ}}_s}\right)}^2}\right];$

步骤⑥：对步骤⑤所得结果作方位向傅里叶逆变换；

步骤⑦：对步骤⑥所得结果作距离向傅里叶变换，然后乘以几何形变校正因子exp[j4π(f_r+f_c)vt_asinθ_s/c]，接着作距离向傅里叶逆变换，得到最终的斜视聚束SAR图像。

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