CN102937709B - 基于直达波的双基地sar无同步回波聚焦成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于直达波的双基地SAR无同步回波聚焦成像方法，其核心为：设定M个斜视角θ和N个多普勒中心频率f_dc，选定一斜视角和N个多普勒中心频率f_dc构成N个二次匹配滤波器对目标回波进行二次距离压缩，获取最优多普勒中心频率f_{dc_best}；令最优多普勒中心频率f_{dc_best}和M个斜视角θ构成M个二次匹配滤波器对目标回波进行二次距离压缩，获取最优的斜视角θ_{_best；}利用最优多普勒中心频率f_{dc_best}和最优斜视角θ_{_best}构成最优二次匹配滤波器实现对目标回波的二次距离压缩，然后对压缩后的目标回波进行进一步处理获取SAR地距图像。该方法能够在回波数据脱离复杂的时间同步和相位同步的条件下，快速获取目标成像。

Description

基于直达波的双基地SAR无同步回波聚焦成像方法

技术领域

本发明涉及一种基于直达波的双基地SAR无同步回波聚焦成像方法，属于合成孔径雷达数据处理技术领域。

背景技术

与单基地雷达相比，双基地雷达收发分置的特殊配置使其具有配置灵活、获取信息丰富、抗拦截、抗干扰等优点，这些优势以及应用前景使得双基地雷达近几年来越来越受到青睐。双基地雷达包括很多种配置模式。按照收发平台的类型来分，主要包括星载双基地SAR、机载双基地SAR、星机双基地SAR、地机双基地SAR等。

基于星载辐射源的被动SAR是目前国内外的研究热点之一。该系统具有很多优点，尤其是较低的实现成本和多样化的功能，使其具有巨大的应用潜能。但是，由于收、发平台分置，其系统实现存在一系列新的技术问题。同步问题是首先需要解决的关键技术之一。

同步包括时间同步、相位(相参)同步和空间同步,即所谓“三大同步”。

(1)时间同步。接收雷达要想取得所需目标的回波,就需要精确地预知需要的回波到达时间，以便在恰当的时间对进入天线的电磁波进行采样。

(2)空间同步。其目的是要保证主动发射与被动接收的两个雷达的波束，都指向同一目标地面，并在地面有足够的重合以保证被动雷达成像的品质。

(3)相位(相参)同步。使被动雷达的本振与主动雷达的发射在相位上保持一定的关系并将同步误差控制在一定范围内。

在实际的星载辐射源的被动SAR系统中，空间同步可以通过发射机和接收机之间的协调来进行控制，而时间同步和相位同步的问题比较复杂，而且如果同步问题没有解决的话，进而会影响下一步的成像处理。

由于实际中常常无法得到精确的发射机轨道参数、斜视角等参数，因此无法对目标回波进行同步处理。因此，需要提出一种能够较为准确获取目标轨道参数和斜视角的方法，从而实现双基地SAR无同步回波聚集成像，其对于实际系统的数据处理尤其重要。

发明内容

本发明的目的是为了在忽略复杂的同步处理的前提下，提供一种简便和快速的基于直达波的双基地SAR无同步回波聚焦成像方法。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

本发明基于直达波的双基地SAR无同步回波聚焦成像方法，其核心为：设定M个发射机斜视角θ和N个方位向多普勒中心频率f_dc，选定一个发射机斜视角和N个方位向多普勒中心频率f_dc构成N个二次匹配滤波器对目标回波进行二次距离压缩，获取最优多普勒中心频率f_{dc_best}；令最优多普勒中心频率f_{dc_best}和M个发射机斜视角θ构成M个二次匹配滤波器对目标回波进行二次距离压缩，获取最优的斜视角θ_{_best}；利用最优多普勒中心频率f_{dc_best}和最优斜视角θ_{_best}构成最优二次匹配滤波器实现对目标回波的二次距离压缩，然后对压缩后的目标回波进行进一步处理获取SAR地距图像。

一种基于直达波信号的双基地SAR无同步回波聚焦成像方法，具体步骤为：

步骤一、设定M个发射机斜视角θ和N个方位向多普勒中心频率f_dc；

步骤二、将目标回波进行时域脉冲压缩；然后，在二维时域提取目标回波中的直达波峰值点相位

并根据所述估计多普勒调频率

步骤三、从步骤一设置的M个发射机斜视角θ中选定一个作为参考斜视角，将参考斜视角、多普勒调频率

和N个方位向多普勒中心频率f_dc分别组成N个二次匹配滤波器，利用所述N个二次匹配滤波器分别对步骤二时域脉冲压缩后的目标回波在二维频域进行二次距离压缩，得到N幅图像，求取N幅图像中每一幅的图像对比度；

步骤四、在步骤三得到N幅图像的基础上，找出图像对比度最大的那幅图像所对应的方位向多普勒中心频率，并将其当作最优多普勒中心频率f_{dc_best}；

步骤五、将最优多普勒中心频率f_{dc_best}、多普勒调频率

和步骤一中的M个发射机斜视角θ组合成M个二次匹配滤波器，利用所述M个二次匹配滤波器分别对步骤二中时域脉冲压缩后的目标回波在二维频域进行二次距离压缩，得到M幅图像，求取M幅图像中每一幅的对比度；

步骤六、找出步骤五得到的M幅图像中对比度最大的那幅图像所对应的发射机斜视角，并将其当作最优斜视角θ_{_best}；

步骤七、利用

f_{dc_best}和θ_{_best}组成最优二次匹配滤波器，利用该最优二次匹配滤波器实现对时域脉冲压缩后的目标回波进行二次距离压缩，然后对二次距离压缩后的目标回波进行进一步处理，获取SAR地距图像。

有益效果

本发明利用N个不同方位向多普勒中心频率构成的二次匹配滤波器对目标回波进行处理，获取最优的多普勒中心频率；本发明利用M个发射机斜视角构成的二次匹配滤波器对目标回波进行处理，获取最优的斜视角；利用最优斜视角和最优多普勒中心频率构成的二次匹配滤波器，其能够在回波数据脱离复杂的时间同步和相位同步的条件下，实现在小场景内回波的精确聚焦成像，对于大的场景则可实现快速的粗成像，因此，该算法对于实际实验系统的数据后处理意义很大。

附图说明

图1为双基地SAR一站固定模式的几何构型。

图2为本发明成像方法的流程图。

图3表示二次匹配滤波器两次一维寻优结果。其中（a）表示对方位向多普勒中心频率f_dc的一维寻优结果，（b）显示了对发射机斜视角θ的一维寻优结果。

图4表示距离多普勒域回波二次距离压缩以及距离徙动校正后的结果。其中（a）表示回波二次距离压缩后的结果，（b）表示距离徙动校正后的结果。

图5为方位向处理完后的SAR斜距图像。

图6为图4进行几何校正后的SAR地距图像以及Google地面图像。其中（a）为几何校正后的SAR图像，（b）为实际的Google图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步的详细说明。

实验系统工作在双基地一站固定（接收机固定）模式下，设定以下参数：发射机斜视角为θ，方位向多普勒中心频率为f_dc，方位向多普勒调频率为f_dr，发射机的运行速度为V，发射机工作波长为λ，发射信号的脉冲宽度为T_p，c为光速，二次距离压缩匹配滤波器的调频率为k_src，目标的双站距离和为R，方位中心时刻目标的双站距离和为R₀，方位时间为η，方位频率为f_η，脉冲重复频率为PRF，发射信号为线性调频信号s(t)＝ex_p(jπK_rt²+j2πf₀t)；其中，t为快时间，K_r表示调频斜率，f₀表示载频。由于实际中常常无法得到精确的发射机轨道参数、斜视角、下视角等参数，因此无法对目标回波进行同步处理。下面给出对无同步回波进行聚焦成像方法的流程。

在本实施例中，采用实际的一战固定双基地SAR系统，卫星作为发射机，接收机则固定在平台上。系统参数如下：

波长：L波段

接收机高度：24m

场景宽度3KM

场景长度5KM

脉宽宽度T_p：33μs

距离向带宽B：60MHZ

采用本发明所述的基于直达波信号的双基地SAR无同步回波聚焦成像方法完成该双基地SAR的成像实测数据处理，如图2所示，其具体步骤为：

步骤一、根据先验知识，设定M个发射机斜视角θ和N个方位向多普勒中心频率f_dc。

本实施例中M个发射机斜视角θ从范围[-4°,0°]中选取，N个方位向多普勒中心频率f_dc从范围[-5000Hz,5000Hz]中选取。

步骤二、将目标回波进行时域脉冲压缩，然后，在二维时域提取目标回波中直达波的峰值点

并根据所述

相位估计方位向多普勒中心频率

和多普勒调频率

该步骤的具体过程为：

取出直达波峰值点相位

在方位时间η＝0处展开可得：

从（1）不难可以看出，通过将

在η＝0处进行二次曲线拟合，根据拟合得到的一次和二次时间系数，从公式（1）可以看出

和-2πf_dc是η的一次系数，令其相等则可估计出方位向多普勒中心频率f_dc，并将该估计值记为记为

从公式（1）可以看出πf_dr是η的二次系数，令其与拟合得到的二次时间系数相等则可估计出多普勒调频率f_dr，并将该估计值记为

步骤三、从步骤一设置的M个发射机斜视角θ中选定一个作为参考斜视角，将参考斜视角、多普勒调频率

和N个方位向多普勒中心频率f_dc分别组成N个二次匹配滤波器，利用所述N个二次匹配滤波器分别对步骤二时域脉冲压缩后的目标回波在距离多普勒域进行二次距离压缩，得到N幅图像，求取每一幅图像的图像对比度。

发射机工作在斜视模式时，时域脉冲压缩后的徙动曲线在距离多普勒域是一条含有二维耦合信息的宽线。因此，二次距离压缩已经不可避免。

由二次匹配滤波器中的表达式可知：

$k_{\mathrm{src}}=\frac{V^2{f_0}^{2}D(f_{\mathrm{\η}},V)}{\mathrm{\λ}{{\mathrm{Rf}}_{\mathrm{\η}}}^2}---\left(2\right)$

其中， $D(f_{\mathrm{\η}},V)=\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}{f}_{\mathrm{\η}}}{V}\right)}^2}.$

式（2）可化简为：

$\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{src}}=\frac{V^2{f_0}^{2}D(f_{\mathrm{\η}},V)}{\mathrm{\λ}{{\mathrm{Rf}}_{\mathrm{\η}}}^2}=\frac{f_{\mathrm{dr}}}{{\cos }^3\mathrm{\θ}}\frac{\sqrt{1-{\left(\frac{f_{\mathrm{\η}}}{f_{\mathrm{dc}}}\sin \mathrm{\θ}\right)}^2}}{{f_{\mathrm{\η}}}^2}\\ =\frac{f_{\mathrm{dr}}}{{\cos }^3\mathrm{\θ}}\frac{\sqrt{1-{\left(\frac{f_{\mathrm{dc}}+[-\frac{\mathrm{PRF}}{2}:\frac{\mathrm{PRF}}{2}]}{f_{\mathrm{dc}}}\sin \mathrm{\θ}\right)}^2}}{{(f_{\mathrm{dc}}+[-\frac{\mathrm{PRF}}{2}:\frac{\mathrm{PRF}}{2})}^2}=F(f_{\mathrm{dc}},\mathrm{\θ},f_{\mathrm{dc}})\end{array}---\left(3\right)$

显然，k_src是关于f_dr、θ和f_dc的三元函数。前面步骤二通过直达波峰值点相位估计得到

和

其中， $\widehat{f_{\mathrm{dc}}}=f_{\mathrm{dc}}+\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{dc}};\widehat{f_{\mathrm{dr}}}=f_{\mathrm{dr}}+\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{dr}};$ $-\frac{\mathrm{PRF}}{2}:\frac{\mathrm{PRF}}{2}$ 表示的是方位频率的范围。

由于同步误差主要影响式（1）中一次项，对二次项系数的影响很小。一般来说，Δf_dr仅为

的(1±2)×10^-5，因此误差可以忽略不计，因此可以将估算出的直接带入使用，即

而Δf_dc则很大。这里，通过二维寻优的方法可以找到使得k_src最佳的f_dr和θ。

除此之外，一幅图像的对比度可以表征图像的聚焦程度，图像对比度大意味着聚焦效果好。图像对比度的计算公式为：图像对比度=图像能量的标准差/图像能量的均值。

本实施例中选取参考斜视角取﹣2°。

步骤四、在步骤三得到N幅图像的基础上，找出图像对比度对大时对应的方位向多普勒中心频率，并将其当作最优多普勒中心频率f_{dc_best}。图像对比度最大意味着二次距离压缩匹配滤波器的匹配效果最好，因此，f_{dc_best}是N个先验方位向多普勒中心频率中能够使得二次距离压缩效果最好的多普勒中心频率。

当参考角度为-2°时，如图3（a）所示，图像对比度最大时一维寻最优的结果所得到的最优的多普勒中心频率f_{dc_best}为﹣3811HZ。图像对比度最大意味着二次距离压缩效果最好，因此，-3811HZ是能够使得二次距离压缩效果最好的方位向多普勒中心频率。

步骤五、将最优多普勒中心频率f_{dc_best}、多普勒调频率和步骤一中的M个发射机斜视角θ组合成M个二次匹配滤波器，利用所述M个二次匹配滤波器分别对步骤二中时域脉冲压缩后的目标回波在二维频域进行二次距离压缩，得到M幅图像，求取M幅图像中每一幅的对比度。

步骤六，找出步骤五得到的M幅图像中对比度最大的那副图像所对应的发射机斜视角，并将其当作最优斜视角θ_{_best}；

最优斜视角的搜索结果如图3（b）所示，最优的θ_{_best}为﹣2.4°。

此时，就找到了使得回波二次距离压缩效果最好的滤波器所对应的θ_{_best}和f_{dc_best}，搜索得到的θ_{_best}和f_{dc_best}组成的二次匹配滤波器就是使得回波二次距离压缩效果最好的滤波器。

步骤七、利用

f_{dc_best}和θ_{_best}组成最优二次匹配滤波器，利用该最优二次匹配滤波器实现对时域脉冲压缩后的目标回波进行二次距离压缩，然后对二次距离压缩后的目标回波进行进一步处理，获取SAR地距图像。

所述进一步处理，获取SAR地距图像的过程为：

首先、对二次压缩后的目标回波在距离多普勒域提取直达波的距离徙动和峰值相位。二次距离压缩后的结果如图4（a）所示。

其次、将提取出的直达波距离徙动在方位向进行二次曲线拟合，并用拟合后平滑的徙动在距离频域对整个回波进行统一的距离徙动校正。距离徙动校正后的结果如图4（b）所示。

再次、利用提取的直达波峰值点相位作为回波方位匹配滤波器，并与回波在方位频域进行匹配滤波，匹配处理完后，将回波转换到二维时域，从而得到SAR斜距图像。成像结果如图5所示。

最后、对所得到的SAR斜距图像进行几何校正，得到SAR地距图像。

将得到的SAR地距图像和Google图像的对比如图6中（a）（b）所示。

图1描述了一站固定模式双基地SAR的几何构型，发射机平行于地面飞行，而接收机则固定在地面上。图3（a）和（b）显示了二次距离匹配滤波器两次一维寻优的结果，按照本发明方法，将复杂的二维寻优问题转变成两次一维寻优问题，无疑加快了计算的速度。图4显示了利用寻优的最佳二次匹配滤波器对回波进行二次距离压缩后的结果，以及在距离多普勒域利用直达波的徙动量来校正回波徙动后的结果，其中（a）为距离多普勒域回波二次距离压缩后的结果，（b）为距离多普勒域回波距离徙动校正后的结果。图5表示利用直达波峰值点相位作为方位向匹配滤波器来聚焦回波后的地距图像。图6表示SAR地距图像和Google地面图像，其中（a）表示对图5的斜距图像几何校正后的结果，（b）表示实际的Google地面图像，通过（a）和（b）的对比可以看出，在本例实验场景下，本发明的算法可以对无同步的回波进行聚焦，并且处理结果满足系统的精度要求。

通过本实施例的实测数据处理结果显示基于直达波的双基地SAR无同步回波聚焦算法可以很好的避免复杂同步处理的情况下实现回波的聚焦。

可见利用本发明方法，能够为实测数据的处理提供方便和支持。能够在非同步的情况下对回波进行聚焦成像，对于实际数据的处理有很大的意义。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于直达波信号的双基地SAR无同步回波聚焦算法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、设定M个发射机斜视角θ和N个方位向多普勒中心频率f_dc；

步骤二、将目标回波进行时域脉冲压缩；然后，在二维时域提取目标回波中的直达波峰值点相位

并根据所述

估计多普勒调频率

步骤三、从步骤一设置的M个发射机斜视角θ中选定一个作为参考斜视角，将参考斜视角、多普勒调频率

和N个方位向多普勒中心频率f_dc分别组成N个二次匹配滤波器，利用所述N个二次匹配滤波器分别对步骤二时域脉冲压缩后的目标回波在二维频域进行二次距离压缩，得到N幅图像，求取N幅图像中每一幅的图像对比度；

步骤四、找出步骤三得到的N幅图像中对比度最大的那幅图像所对应的方位向多普勒中心频率，并将其当作最优多普勒中心频率f_{dc_best}；

步骤五、将最优多普勒中心频率f_{dc_best}、多普勒调频率

和步骤一中的M个发射机斜视角θ组合成M个二次匹配滤波器，利用所述M个二次匹配滤波器分别对步骤二中时域脉冲压缩后的目标回波在二维频域进行二次距离压缩，得到M幅图像，求取M幅图像中每一幅的对比度；

步骤六、找出步骤五得到的M幅图像中对比度最大的那幅图像所对应的发射机斜视角，并将其当作最优斜视角θ_{_best}；

步骤七、利用

f_{dc_best}和θ_{_best}组成最优二次匹配滤波器，利用该最优二次匹配滤波器实现对时域脉冲压缩后的目标回波进行二次距离压缩，然后对二次距离压缩后的目标回波进行进一步处理，获取SAR地距图像。

2.根据权利要求1所述基于直达波信号的双基地SAR无同步回波聚焦算法，其特征在于，所述步骤一中M个发射机斜视角θ从范围[-4°,0°]中选取，N个方位向多普勒中心频率f_dc从范围[-5000Hz,5000Hz]中选取。

3.根据权利要求1所述基于直达波信号的双基地SAR无同步回波聚焦算法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

取出直达波峰值点相位

在方位时间η＝0处展开可得：

其中，θ为发射机斜视角，f_dc为方位向多普勒中心频率，f_dr为方位向多普勒调频率，V为发射机的运行速度；λ为发射机工作波长，R为目标的双站距离和，R₀为方位中心时刻目标的双站距离和；

令直达波峰值点相位

对方位时间进行二次拟合后的系数与πf_dr相等，可估计出多普勒调频率，并将该估计值记为

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