CN102879778B - 一种改进的机载大前斜sar子孔径处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的机载大前斜SAR子孔径处理方法，属于SAR成像技术领域。首先将机载大前斜SAR回波沿方位向划分为多个子孔径，每个子孔径点数为N_{a_sub}；计算回波波束照射范围内所有的点目标子孔径信号的拓展率，得到子孔径信号的最大拓展率，并计算得到子孔径单边拓展点数N_zero；为了避免方位信号的混叠，在每个子孔径信号两边沿方位向添加N_zeros个零，即子孔径点数拓展为N_{a_sub}+2N_zeros个点；对拓展后的子孔径信号进行距离压缩、二次距离压缩和距离徙动校正操作，并变换到时域空间；沿方位向拼接时域空间的各子孔径信号，并对拼接后的大孔径信号沿方位向做方位向压缩，得到待测场景图像。本发明消除了方位子孔径信号混叠现象，使成像结果不受其影响。

Description

一种改进的机载大前斜SAR子孔径处理方法

技术领域

本发明属于SAR成像技术领域，涉及一种改进的机载大前斜SAR子孔径处理方法。

背景技术

由于机载SAR平台受气流颠簸的影响严重，处理机载SAR实测数据时需要采用方位子孔径处理方法来减小运动参数的变化。传统的子孔径处理方法首先将实测数据沿方位向分成多个子孔径，使得每个子孔径内运动参数基本保持不变；然后对每个子孔径进行距离向处理，并把处理后的数据沿方位向直接拼接；最后沿方位向统一做方位压缩，以得到高分辨率的图像。虽然在前斜SAR模式下这种方法会引起方位子孔径信号的混叠，但通常混叠的影响很小可以忽略。然而在大前斜SAR模式下，传统子孔径方法将引起严重的方位子孔径信号混叠，并将最终影响图像质量。

发明内容

为了解决大前斜SAR模式下传统子孔径处理方法引起严重的方位信号混叠的问题，本发明提出一种改进的机载大前斜SAR子孔径处理方法，其基本思想是首先将机载SAR回波沿方位向划分为多个子孔径，在成像前，预先计算子孔径信号的最大拓展率，得到子孔径单边拓展点数，并利用该点数沿方位向拓展子孔径信号，将拓展后的子孔径信号进行距离向处理，并转换到时域空间，最后沿方位向拼接子孔径信号，并进行方位向处理，得到目标图像。

具体实现步骤如下：

步骤一、计算子孔径信号的最大拓展率

将机载SAR回波沿方位向划分为多个子孔径，每个子孔径点数为

其中L_{s_sub}表示子孔径的长度，V表示机载SAR平台的运动速度，f_prf表示机载SAR回波脉冲重复频率；

设机载SAR波束照射范围内待测场景中某点目标的距离向斜距为R_s，沿方位向距波束中心在地面投影的长度为ΔL，则该点目标子孔径信号的拓展率为：

$r_{\mathrm{sub}}(\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}},R_s)=\max \{\frac{B_{a\_\mathrm{sub}1}(\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}},R_s)}{B_{a\_\mathrm{sub}1\_0}(\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}},R_s)},\frac{B_{a\_\mathrm{sub}2}(\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}},R_s)}{B_{a\_\mathrm{sub}2\_0}(\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}},R_s)}\}---\left(1\right)$

其中，B_{a_sub1_0}(ΔL_sub,R_s)+B_{a_sub2_0}(ΔL_sub,R_s)表示距离压缩前，该点目标子孔径回波在距离门R_s∈[R_min,R_max]处的方位频谱长度；

B_{a_sub1_0}(ΔL_sub,R_s)＝f_d(0;ΔL_sub+L_{s_sub},R_s)-f_{dc_sub}(0;ΔL_sub,R_s)，表示距离压缩前，方位频谱上半部分的长度；

B_{a_sub2_0}(ΔL_sub,R_s)＝f_{dc_sub}(0;ΔL_sub,R_s)-f_d(0;ΔL_sub,R_s)，表示距离压缩前，方位频谱下半部分的长度；

f_{dc_sub}(0;ΔL_sub,R_s)＝0.5×[f_d(0;ΔL_sub+L_{s_sub},R_s)+f_d(0;ΔL_sub,R_s)],表示点目标子孔径回波的多普勒中心频率，

表示点目标子孔径回波的瞬时多普勒频率，c表示光速，T_p表示点目标回波信号的脉冲宽度，f₀表示点目标回波信号的载波频率，K＝B_r/T_p表示点目标回波信号的调频率，B_r表示点目标回波信号的带宽，

ΔL_sub表示子孔径回波中ΔL取值的下限，且ΔL_sub∈[ΔL_min(R_s),ΔL_max(R_s)-L_{s_sub}]，

表示全孔径回波中ΔL取值的下限，

表示全孔径回波中ΔL取值的上限，h为机载SAR平台的高度，

为机载SAR系统前斜角，β_Ag表示方位波束在地面的投影角，

为

在地面的投影角，R_ref为待测场景的参考斜距；

B_{a_sub1}(ΔL_sub,R_s)+B_{a_sub2}(ΔL_sub,R_s)表示距离压缩后，该点目标回波信号在距离门R_s∈[R_min,R_max]处的方位频谱长度；

B_{a_sub1}(ΔL_sub,R_s)＝f_{d_up}(ΔL_sub,R_s)-f_{dc_sub}(0;ΔL_sub,R_s)，表示距离压缩后，方位频谱上半部分的长度，

B_{a_sub2}(ΔL_sub,R_s)＝f_{dc_sub}(0;ΔL_sub,R_s)-f_{d_down}(ΔL_sub,R_s)，表示距离压缩后，方位频谱下半部分的长度，

$f_{d\_\mathrm{up}}(\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}},R_s)=\max \{f_d(\frac{T_p}{2};\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}}+L_{s\_\mathrm{sub}},R_s),f_d(-\frac{T_p}{2};\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}}+L_{s\_\mathrm{sub}},R_s)\},$ 表示方位频谱的最大频率， $f_{d\_\mathrm{down}}(\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}},R_s)=\min \{f_d(\frac{T_p}{2};\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}},R_s),f_d(-\frac{T_p}{2};\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{sub}},R_s)\},$ 表示方位频谱的最小频率；

则子孔径信号的最大拓展率为：

Υ_{sub_max}＝max{Υ_sub(ΔL_sub,R_s)|R_s∈[R_min,R_max],ΔL_sub∈[ΔL_min(R_s),ΔL_max(R_s)-L_{s_sub}]}

步骤二、子孔径信号沿方位向拓展

根据步骤一得到的子孔径信号的最大拓展率，由式（2）可计算得到子孔径单边拓展点数N_zeros：

$N_{\mathrm{zeros}}=\frac{(r_{\mathrm{sub}\_\max }-1)\·N_{a\_\mathrm{sub}}}{2}---\left(2\right)$

为了避免方位信号的混叠，在每个子孔径信号两边都添加N_zeros个零，即每个子孔径信号的点数均拓展为(N_{a_sub}+2N_zeros)；

步骤三、子孔径信号距离向处理

对每个拓展后的子孔径信号进行距离压缩，二次距离压缩和距离徙动校正操作，并变换到二维时域空间。

步骤四、沿方位向拼接子孔径信号

对步骤三中得到的时域空间内的子孔径信号沿方位向进行拼接操作，拼接时相邻子孔径中心间隔N_{a_su}个点，由于每个子孔径的点数均被拓展为(N_{a_sub}+2N_zeros)，因此，在拼接时，子孔径信号是交叠的。最后对拼接后的信号沿方位向做方位向压缩，得到最终的待测场景图。

有益效果

本发明提出的改进的机载大前斜SAR子孔径处理方法与已有的子孔径处理方法相比较，在对子孔径信号进行距离向处理前，拓展了每个子孔径的点数，因此在距离向处理后做方位向拼接时，能够消除子孔径信号方位向混叠现象，使得到的成像结果不受其影响。

附图说明

图1为点目标子孔径回波在距离多普勒域的灰度图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为距离向处理后的三个子孔径方位信号；

图4为子孔径信号沿方位向拼接后的方位信号；

图5（a）为采样传统方法处理机载大前斜SAR子孔径回波信号得到的点目标等高线图；

图5（b）为采样本发明方法处理机载大前斜SAR子孔径回波信号得到的点目标等高线图。

具体实施方式

本发明提供了一种改进的记载大前斜SAR子孔径处理方法，其基本思想是首先将机载SAR回波沿方位向划分为多个子孔径，在成像前，预先计算子孔径信号的最大拓展率Υ_{sub_max}及子孔径单边拓展点数；利用该点数沿方位向拓展子孔径信号，将拓展后的子孔径信号进行距离向处理，并转换到时域空间；最后沿方位向拼接子孔径信号，并进行方位向处理，得到目标图像。

下面结合附图及具体实施例对本发明方法做进一步详细说明。

一种改进的机载大前斜SAR子孔径处理方法，其基本实施过程如图2所示，具体实现步骤为：

步骤一、计算子孔径信号的最大拓展率

仿真参考斜距处点目标回波数据（一个孔径），仿真参数如表1所示。

计划将机载SAR回波沿方位向划分为三个子孔径，则N_{a_sub}＝666，经过计算，得到子孔径信号的最大拓展率为Υ_{sub_max}＝1.71；

表1仿真参数表

步骤二、子孔径信号沿方位向拓展

由式（2）可计算得到子孔径单边补零点数为N_zeros＝236，为了避免方位信号的混叠，在每个子孔径信号两边都添加236个零，即每个子孔径信号在沿方位向拓展后的点数为1138个点。

步骤三、子孔径信号距离向处理

对三个拓展后的子孔径信号分别进行距离压缩，二次距离压缩和距离徙动校正操作，并变换到二维时域中。二维时域中的三个子孔径方位信号如图3所示，其中横坐标为方位向（采样点），纵坐标为信号幅度，从图3中可以看出子孔径信号方位拓展的情况，也说明子孔径方位混叠现象已消除。

步骤四、沿方位向拼接子孔径信号

对步骤三中得到的时域内的三个子孔径信号沿方位向进行拼接操作，拼接时相邻子孔径中心间隔666个点，拼接后的子孔径方位信号如图4所示，最后对拼接后的信号沿方位向做方位向压缩，得到最终的待测场景图，如图5（b）所示，其中横坐标为方位向采样点，纵坐标为距离向采样点。

为了说明本发明方法的有效性，发明人对相同的待测场景的回波数据采用传统方法进行处理，得到如图5（a）所示的效果图，其中横坐标为方位向采样点，纵坐标为距离向采样点。

对比图5（a）和图5（b），可以看出,传统方法中子孔径方位信号混叠将影响最终的成像结果（图5（a）），而采用本发明方法能有效消除混叠，得到良好的聚焦结果（图5（b））。

图2，图3，图5（a）和图5（b）验证了本发明方法的正确性和有效性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种改进的机载大前斜SAR子孔径处理方法，其特征在于：

具体实现步骤如下：

步骤一、计算子孔径信号的最大拓展率γ_{sub_max}

计算机载SAR回波波束照射范围内所有的点目标子孔径信号的拓展率，得到子孔径信号的最大拓展率γ_{sub_max}；

步骤二、沿方位向拓展子孔径信号

子孔径单边拓展点数N_zeros可由下式计算得到，

$N_{\mathrm{zeros}}=\frac{({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sub}\_\max }-1)\·N_{a\_\mathrm{sub}}}{2}---\left(2\right)$

其中，表示子孔径点数，L_{s_sub}表示子孔径的长度，V表示机载SAR平台的运动速度，f_prf表示机载SAR回波脉冲重复频率，

为了避免方位信号的混叠，在每个子孔径信号两边沿方位向都添加N_zeros个零，即每个子孔径信号的点数均拓展为N_{a_sub}+2N_zeros；

步骤三、子孔径信号距离向处理

对每个拓展后的子孔径信号进行距离压缩、二次距离压缩和距离徙动校正操作，并变换到二维时域空间；

步骤四、沿方位向拼接子孔径信号

对步骤三中得到的时域空间内的子孔径信号沿方位向进行拼接操作，拼接时相邻子孔径中心间隔N_{a_sub}个点，最后对拼接后的信号沿方位向做方位向压缩，得到待测场景图。

2.如权利要求1所述的一种改进的机载大前斜SAR子孔径处理方法，其特征在于，机载SAR回波波束照射范围内点目标子孔径信号的拓展率的具体计算过程为：

设机载SAR波束照射范围内待测场景中某点目标的距离向斜距为R_s，沿方位向距波束中心在地面投影的长度为ΔL，则该点目标子孔径信号的拓展率为：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sub}}({\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}},R_s)=\max \{\frac{B_{a\_\mathrm{sub}1}({\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}},R_s)}{B_{a\_\mathrm{sub}1\_0}({\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}},R_s)},\frac{B_{a\_\mathrm{sub}2}({\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}},R_s)}{B_{a\_\mathrm{sub}2\_0}({\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}},R_s)}\}---\left(1\right)$

其中，B_{a_sub1_0}(ΔL_sub,R_s)+B_{a_sub2_0}(ΔL_sub,R_s)表示距离压缩前，该点目标子孔径回波在距离门R_s∈[R_min,R_max]处的方位频谱长度；R_min为场景近端斜距，R_max为场景远端斜距R_max；

B_{a_sub1_0}(ΔL_sub,R_s)＝f_d(0;ΔL_sub+L_{s_sub},R_s)-f_{dc_sub}(0;ΔL_sub,R_s)，表示距离压缩前，方位频谱上半部分的长度；

B_{a_sub2_0}(ΔL_sub,R_s)＝f_{dc_sub}(0;ΔL_sub,R_s)-f_d(0;ΔL_sub,R_s)，表示距离压缩前，方位频谱下半部分的长度；

f_{dc_sub}(0;ΔL_sub,R_s)＝0.5×[f_d(0;ΔL_sub+L_{s_sub},R_s)+f_d(0;ΔL_sub,R_s)],表示点目标子孔径回波的多普勒中心频率，

表示点目标子孔径回波的瞬时多普勒频率，c表示光速，f₀表示点目标回波信号的载波频率，

T_p表示点目标回波信号的脉冲宽度，K＝B_r/T_p表示点目标回波信号的调频率，B_r表示点目标回波信号的带宽，

ΔL∈[ΔL_sub,ΔL_sub+L_{s_sub}]，ΔL_sub表示子孔径回波中ΔL取值的下限，且ΔL_sub∈[ΔL_min(R_s),ΔL_max(R_s)-L_{s_sub}]，

表示全孔径回波中ΔL取值的下限，

表示全孔径回波中ΔL取值的上限，h为机载SAR平台的高度，

为机载SAR系统前斜角，β_Ag表示方位波束在地面的投影角，

为

在地面的投影角，R_ref为待测场景的参考斜距；

B_{a_sub1}(ΔL_sub,R_s)+B_{a_sub2}(ΔL_sub,R_s)表示距离压缩后，该点目标回波信号在距离门R_s∈[R_min,R_max]处的方位频谱长度，

B_{a_sub1}(ΔL_sub,R_s)＝f_{d_up}(ΔL_sub,R_s)-f_{dc_sub}(0;ΔL_sub,R_s)，表示距离压缩后，方位频谱上半部分的长度，B_{a_sub2}(ΔL_sub,R_s)＝f_{dc_sub}(0;ΔL_sub,R_s)-f_{d_down}(ΔL_sub，R_s)，表示距离压缩后，方位频谱下半部分的长度，

$f_{d\_\mathrm{up}}({\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}},R_s)=\max \{f_d(\frac{T_p}{2};{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}}+L_{s\_\mathrm{sub}},R_s),f_d(-\frac{T_p}{2};{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}}+L_{s\_\mathrm{sub}},R_s)\},$ 表示方位频谱的最大频率， $f_{d\_\mathrm{down}}({\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}},R_s)=\min \{f_d(\frac{T_p}{2};{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}},R_s),f_d(-\frac{T_p}{2};{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{sub}},R_s)\},$ 表示方位频谱的最小频率。

Images