CN103235309B - 临近空间慢速平台sar成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种临近空间慢速平台SAR成像方法，具体包括步骤：获取目标回波，数据重排，距离向脉冲压缩，变孔径后向反投影成像，数据拼接并输出成像结果。本发明的解决方案是采用宽视场共孔径的工作模式，基于渐变孔径后向反投影的方法实现大场景成像：采用后向反投影方法，克服距离徙动的空变问题，在方位向使用渐变孔径，解决不同视角下图像方位向分辨率不同而引起的空变及图像畸变问题，最终实现临近空间慢速平台SAR大场景成像。

Description

临近空间慢速平台SAR成像方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）成像中的临近空间慢速平台SAR成像方法。

背景技术

合成孔径雷达是一种全天时、全天候的现代高分辨率微波遥感成像雷达，它利用雷达天线和目标区域间的相对运动来获得空间的高分辨率。在军事侦察、地形测绘、植被分析、海洋及水文观测、环境及灾害监视、资源勘探以及地壳微变检测等领域，合成孔径雷达发挥了越来越重要的作用。

但是传统的机载SAR存在滞空时间短、隐身性能差、容易遭受地面攻击等问题；而星载SAR不能对某一区域进行连续成像，灵活性较差等，无法对环境（灾害）监控、敏感地区侦察等民用及军用领域中的大场景实现连续高分辨SAR成像。

临近空间慢速平台SAR是指在临近空间慢速平台上部署合成孔径雷达，一般采用慢速飞艇作为载体。由于平台的特殊性，使得其具有其独特的优势：与星载SAR相比，重访周期短，具有更快的反应能力，能对紧急事件迅速做出响应；与机载SAR相比，其滞空时间长，能对同一地区进行长期持续观测，同时可以利用脉冲重复频率冗余的特点，使波束在同一位置指向不同的角度（前斜视、正侧视、后斜视），具有实现大场景成像的能力，因此临近空间慢速平台SAR成像技术的研究具有重要的意义。然而由于不同模式的混合及大场景成像的要求，致使临近空间慢速平台SAR回波徙动以及方位分辨率均存在明显的空变特征。

针对合成孔径雷达成像中的空变问题，文献“Real-Time Synthetic Aperture Radar(SAR)Processing with a New Subaperture Approach，IEEE Transactions on Geoscience and RemoteSensing,vol.30,no.4,pp.714-721，1992”和“A sub-aperture range-Doppler processor for bistaticfixed-receiver SAR，European Conference on Synthetic Aperture Radar(EUSAR),2006，Dresden”通过数据方位分块克服距离徙动的方位空变，然后采用距离-多普勒成像算法实现SAR成像，但实际中面临如何分块，以及复杂的几何校正问题；文献“Focus Improvement of HighlySquinted Data Based on Azimuth Nonlinear Scaling，IEEE Transactions on Geoscience and RemoteSensing,vol.49,no.6,pp.2308-2322，2011”和“Extended nonlinear chirp scaling algorithm forhigh-resolution highly squint SAR data focusing，IEEE Transactions on Geoscience and RemoteSensing,vol.50,no.9,pp.3595-3609，2012”首先通过时域校正线性走动，然后采用非线性调频变标方法（NLCS）克服多普勒参数的方位空变，实现大斜视SAR成像，同样存在由于时域校正走动所带来的复杂几何校正问题；文献“Synthetic-aperture radar processing using fastfactorized back-projection，IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,vol.39,no.3，pp.760-776，2003”采用BP成像方法，将目标能量从回波域投影到图像域，能够避免复杂的距离徙动校正和几何校正问题，但仍然存在方位分辨率空变造成的图像畸变问题。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种临近空间慢速平台SAR成像处理方法。本发明的解决方案是采用宽视场共孔径的工作模式，基于渐变孔径后向反投影的方法实现大场景成像：采用后向反投影方法，克服距离徙动的空变问题，在方位向使用渐变孔径，解决不同视角下图像方位向分辨率不同而引起的空变及图像畸变问题，最终实现临近空间慢速平台SAR大场景成像。

本发明的具体技术方案为：一种临近空间慢速平台SAR成像方法，具体包括如下步骤：

步骤一：获取目标回波；

慢速运动平台沿y轴运动，速度为v，参考原点设为场景中心，零时刻记为正侧视模式下波束中心位于场景坐标系原点处，平台零时刻位置坐标记为(x₀,0,h₀)，场景中任一目标场景P(x,y)的位置坐标记为(x,y,0)，散射系数记为σ(x,y)；慢速平台SAR零时刻位置与场景坐标系原点间的距离记为；天线波束先指向后斜视区域，发射一个脉冲，录取回波后指向正侧视区域，在正侧视区域发射一个脉冲，录取回波后指向前斜视区域，在前斜视区域发射一个脉冲，录取回波后再指向后斜视区域，依此顺序录取目标场景回波；三种模式下的方位时间分别记为后斜视t₁、正侧视t₂、前斜视t₃，其中,t_i∈PRI·{i i+3 i+6 i+9…}，PRI为方位向脉冲重复间隔，距离历史为 $R(t_i;x,y)=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-{\mathrm{vt}}_i)}^2+h_0^2}$ ，i=1,2,3；

设发射信号为线性调频信号 $S\left(\mathrm{\τ}\right)=\mathrm{rect}\left[\frac{\mathrm{\τ}}{T_r}\right]\exp (\mathrm{j\π}{K}_r{\mathrm{\τ}}^2+j2\mathrm{\π}{f}_0\mathrm{\τ})$ ，其中，τ为快时间变量，K_r为调频斜率，T_r为脉冲时宽，f₀为载频；

从目标场景P(x,y)反射的回波经下变频后表达式为：

$S_{\mathrm{LOSi}}(\mathrm{\τ},t_i)={\∫\∫}_{\mathrm{LOSi}}\mathrm{\σ}(x,y)\mathrm{rect}\left[\frac{\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_d(t_i;x,y)}{T_r}\right]{\mathrm{\ω}}_a\left[\frac{t_i-t_d\left(y\right)}{T_a}\right]$

$\×\exp \left\{{\mathrm{j\πK}}_r{[\mathrm{\τ}-\frac{2R(t_i;x,y)}{c}]}^2\right\},i=\mathrm{1,2,3}$

$\×\exp \{-{j4\mathrm{\πf}}_{0}R(t_i;x,y)/c\}\mathrm{dxdy}$

其中，t_d(y)=y/v，τ_d(t_i;x,y)=2R(t_i;x,y)/c是双程回波延迟，rect[·]和ω_a[·]分别表示快时间域和慢时间域的窗函数，T_a是慢时间域的窗宽度，LOSi表示不同波束视线下的工作模式，i表示序号；

步骤二：数据重排；

将获取到的回波数据按后斜视、正侧视、前斜视三种模式进行重排，同一种模式下的回波数据排在一起：第{1 4 7 10……}个脉冲回波排在一起，第{2 5 8 11……}个脉冲回波排在一起，第{3 6 9 12……}个脉冲回波排在一起；

步骤三：距离向脉冲压缩；

构造脉冲压缩频域匹配函数:，其中,f_η是方位向频率。

脉冲压缩后，信号表示为：

$S_{\mathrm{LOSi}\_\mathrm{rc}}(\mathrm{\τ},t_i)={\∫\∫}_{\mathrm{LOSi}}\mathrm{\σ}(x,y)p_r\left[\frac{\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_d(t_i;x,y)}{T_r}\right]{\mathrm{\ω}}_a\left[\frac{t_i-t_d\left(y\right)}{T_a}\right],i=\mathrm{1,2,3};$

$\×\exp \{-{j4\mathrm{\πf}}_{0}R(t_i;x,y)/c\}\mathrm{dxdy}$

其中，p_r[·]为距离压缩后包络

步骤四：变孔径后向反投影成像；

根据SAR分辨理论，

计算正侧视模式时孔径长度：

计算前斜视与后斜视模式孔径长度为：

根据不同的工作模式，使用相应的孔径长度，采用BP算法实现方位向能量积累，变孔径BP处理后信号表达式如下：

S_{LOSi_image}(τ,t_i)=∫∫_LOSiσ(x,y)p_r(τ-2R₀/c)ρ_a(t_i)，i=1,2,3。

×exp{-j4πf₀R₀/c}exp{j2πf_ηcit_i}dxdy

其中，ρ_a(·)为方位向包络，f_ηci为方位向多普勒质心，正侧视模式下为0，斜视模式下 $f_{\mathrm{\ηci}}=-\frac{\mathrm{\λ}}{2}{\frac{\mathrm{dR}(t_i;x,y)}{{\mathrm{dt}}_i}|}_{t_i=t_{\mathrm{ci}}}$ ，t_ci为波束中心穿越时刻， $t_{\mathrm{ci}}=-\frac{R_0\tan \mathrm{\θ}}{v};$

步骤五：数据拼接，输出成像结果；

将三种模式下的数据处理结果按照方位向顺序拼接在一起，进而完成整个成像场景的成像处理。

本发明的有益效果：本发明的临近空间慢速平台SAR成像方法在方位向上采用后斜视、正侧视、前斜视三种模式进行成像，能够快速地实现慢速平台下的大场景成像，同时在不同模式下采用不同的孔径长度，消除了不同模式下方位分辨率不一致而引起的空变性问题；采用后向反投影算法（BP算法）消除成像中距离徙动的空变，能够有效的实现临近空间慢速平台SAR大场景成像。

附图说明

图1是本发明临近空间慢速平台SAR成像方法的流程框图。

图2是本发明具体实施例采用的慢速平台SAR系统结构图。

图3是本发明具体实施例采用的系统参数表。

图4是具体实施例中采用的面目标场景图。

图5是具体实施例中经过距离向脉冲压缩后的三种模式二维时域结果。

图6是具体实施例中变孔径BP三种模式成像结果。

图7是具体实施例中经过数据拼接后的成像结果。

具体实施方式

本发明主要采用仿真实验的方式进行验证，仿真验证平台为Matlab2010。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

本发明的慢速平台SAR宽视场大幅宽高分辨成像数据处理方法的流程示意图如图1所示，具体过程如下：

步骤一：获取目标回波。

本发明实施采用的面目标场景如图4所示，慢速平台起始位置坐标为(-10,0,20)km，正侧视模式下波速中心位于场景坐标原点处时记为零时刻，慢速平台SAR与场景坐标系原点间的距离，脉冲重复频率PRF=100Hz，脉冲采样间隔PRI=1/PRF=10ms，平台速度为20m/s。慢速平台SAR系统结构如图2所示，天线波束先指向后斜视区域，发射一个脉冲，录取回波后指向正侧视区域，在正侧视区域发射一个脉冲，录取回波后指向前斜视区域，在前斜视区域发射一个脉冲，录取回波后再指向后斜视区域，依此顺序录取目标场景回波。

设发射信号为线性调频信号 $S\left(\mathrm{\τ}\right)=\mathrm{rect}\left[\frac{\mathrm{\τ}}{T_r}\right]\exp (-\mathrm{j\π}{K}_r{\mathrm{\τ}}^2+j2\mathrm{\π}{f}_0\mathrm{\τ})$ ，其中，τ为快时间变量，K_r为调频斜率，T_r为脉冲时宽，f₀为载频。

从目标场景P(x,y)反射的回波经下变频后表达式为：

$S_{\mathrm{LOSi}}(\mathrm{\τ},t_i)={\∫\∫}_{\mathrm{LOSi}}\mathrm{\σ}(x,y)\mathrm{rect}\left[\frac{\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_d(t_i;x,y)}{T_r}\right]{\mathrm{\ω}}_a\left[\frac{t_i-t_d\left(y\right)}{T_a}\right]$

$\×\exp \left\{{\mathrm{j\πK}}_r{[\mathrm{\τ}-\frac{2R(t_i;x,y)}{c}]}^2\right\},i=\mathrm{1,2,3}$

$\×\exp \{-{j4\mathrm{\πf}}_{0}R(t_i;x,y)/c\}\mathrm{dxdy}$

其中，t_d(y)=y/v，τ_d(t_i;x,y)=2R(t_i;x,y)/c是双程回波延迟，rect[·]和ω_a[·]分别是快时间域和慢时间域的窗函数，T_r和T_a分别是快时间域和慢时间域的窗宽度。LOSi表示不同波束视线下的工作模式，i表示序号，LOS（Line Of Sight）表示视线，即，LOS1表示后斜视模式，LOS2表示正侧视模式，LOS3表示前斜视模式。

步骤二：数据重排。

将获取到的回波数据按后斜视、正侧视、前斜视三种模式进行重排，同一种模式下的回波数据排在一起：第[1 4 7 10……]个脉冲回波排在一起，第[2 5 8 11……]个脉冲回波排在一起，第[3 6 9 12……]个脉冲回波排在一起。

步骤三：距离向脉冲压缩。

按照脉冲压缩原理，构造脉冲压缩频域匹配函数:，其中,f_η是方位向频率。

脉冲压缩后，信号表达式为：

$S_{\mathrm{LOSi}\_\mathrm{rc}}(\mathrm{\τ},t_i)={\∫\∫}_{\mathrm{LOSi}}\mathrm{\σ}(x,y)p_r\left[\frac{\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_d(t_i;x,y)}{T_r}\right]{\mathrm{\ω}}_a\left[\frac{t_i-t_d\left(y\right)}{T_a}\right],i=\mathrm{1,2,3}.$

$\×\exp \{-{j4\mathrm{\πf}}_{0}R(t_i;x,y)/c\}\mathrm{dxdy}$

其中，p_r[·]为距离压缩后包络。

经过步骤三距离向脉冲压缩后的三种模式二维时域结果如图5所示。

步骤四：变孔径后向反投影成像；

根据SAR分辨理论可知，方位向分辨率与脉冲积累的孔径长度有关，正侧视模式下，方位向分辨率为：，其中L为孔径长度。斜视模式下，方位向分辨率为：，其中λ为斜视角，θ为斜视角，为波束宽度。为保持方位向分辨率均衡，应满足：

即正侧视模式时孔径长度应取：

而前斜视与后斜视模式孔径长度应取：

根据不同的工作模式使用不同的孔径长度，采用BP算法实现方位向能量积累，避免了距离徙动校正及其空变影响，同时，变化的孔径长度保证了方位向的分辨率一致性，解决不同视角下图像方位向分辨率不同而引起的空变及图像畸变问题。三种模式下得到的成像结果如图6所示。

步骤五：数据拼接，输出成像结果。

将三种模式下的数据处理结果按照方位向顺序拼接在一起，进而完成整个成像场景的成像处理。

因为在对目标区域成像过程中，正侧视模式和后斜视模式、前斜视模式都有部分区域重叠，所以需要进行图像的拼接，在本实施例中可以采用重叠区域线性过度拼接方式，以避免在拼接过程中出现接缝问题：

设P1、P2为两块待拼接的区域，重叠区域为C1、C2，则拼接后重叠部分区域图像在点(x,y)处的像素值可以表示为：

P(x,y)=w1*C1(x,y)+w2*C2(x,y)，

其中，C1(x,y)表示点(x,y)在区域C1中的像素值，C2(x,y)表示点(x,y)在区域C2中的像素值，w1,w2为线性变化权矢量，且w1+w2=1,0≤w1≤1,0≤w2≤1。

在本实施例中，加权矢量w1=1-x/N_re，w2=x/N_re，N_re为重叠区域采样点数，这里N_re=50，x∈[0,N_re]，以避免在拼接过程中出现接缝问题。

图7是本实施例中采用本发明的方法得到的成像结果。从图中可以看出，本发明提供的方法可以很好的实现慢速平台SAR大场景成像，解决了慢速平台合成孔径雷达回波数据处理中的空变问题。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种临近空间慢速平台SAR成像方法，具体包括如下步骤：

步骤一：获取目标回波；

慢速运动平台沿y轴运动，速度为v，参考原点设为场景中心，零时刻记为正侧视模式下波束中心位于场景坐标系原点处，平台零时刻位置坐标记为(x₀,0,h₀)，场景中任一目标场景P(x,y)的位置坐标记为(x,y,0)，散射系数记为σ(x,y)；慢速平台SAR零时刻位置与场景坐标系原点间的距离记为天线波束先指向后斜视区域，发射一个脉冲，录取回波后指向正侧视区域，在正侧视区域发射一个脉冲，录取回波后指向前斜视区域，在前斜视区域发射一个脉冲，录取回波后再指向后斜视区域，依此顺序录取目标场景回波；三种模式下的方位时间分别记为后斜视t₁、正侧视t₂、前斜视t₃，其中,t_i∈PRI·{ii+3i+6i+9…}，PRI为方位向脉冲重复间隔，距离历史为 $R(t_i;x,y)=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-{\mathrm{vt}}_i)}^2+h_0^2},$ i＝1,2,3；

设发射信号为线性调频信号其中，τ为快时间变量，K_r为调频斜率，T_r为脉冲时宽，f₀为载频；

从目标场景P(x,y)反射的回波经下变频后表达式为：

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{LOSi}}(\mathrm{\τ},t_i)={\∫\∫}_{\mathrm{LOSi}}\mathrm{\σ}(x,y)\mathrm{rect}\left[\frac{\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_d(t_i;x,y)}{T_r}\right]{\mathrm{\ω}}_a\left[\frac{t_i-t_d\left(y\right)}{T_a}\right]\\ \×\exp \left\{\mathrm{j\π}{K}_r{[\mathrm{\τ}-\frac{2R(t_i;x,y)}{c}]}^2\right\}\\ \×\exp \{-j4\mathrm{\π}{f}_{0}R(t_i;x,y)/c\}\mathrm{dxdy}\end{array},i=\mathrm{1,2,3}$

其中，t_d(y)＝y/v，τ_d(t_i；x,y)＝2R(t_i；x,y)/c是双程回波延迟，rect[·]和ω_a[·]分别表示快时间域和慢时间域的窗函数，T_a是慢时间域的窗宽度，LOSi表示不同波束视线下的工作模式，c为光速，i表示序号；

步骤二：数据重排；

将获取到的回波数据按后斜视、正侧视、前斜视三种模式进行重排，同一种模式下的回波数据排在一起：第{14710……}个脉冲回波排在一起，第{25811……}个脉冲回波排在一起，第{36912……}个脉冲回波排在一起；

步骤三：距离向脉冲压缩；

构造脉冲压缩频域匹配函数:其中,f_η是方位向频率；

脉冲压缩后，信号表示为：

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{LOSi}\_\mathrm{re}}={\∫\∫}_{\mathrm{LOSi}}\mathrm{\σ}(x,y)p_r\left[\frac{\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_d(t_i;x,y)}{T_r}\right]{\mathrm{\ω}}_a\left[\frac{t_i-t_d\left(y\right)}{T_a}\right]\\ \×\exp \{-j4\mathrm{\π}{r}_{0}R(t_i;x,y)/c\}\mathrm{dxdy}\end{array},i=\mathrm{1,2,3};$

其中，p_r[·]为距离压缩后包络；

步骤四：变孔径后向反投影成像；

根据SAR分辨理论，

计算正侧视模式时孔径长度：

计算前斜视与后斜视模式孔径长度为：

其中，θ为斜视角，为波束宽度；

根据不同的工作模式，使用相应的孔径长度，采用BP算法实现方位向能量积累，变孔径BP处理后信号表达式如下：

S_{LOSi_image}(τ,t_i)＝∫∫_LOSiσ(x,y)p_r(τ-2R₀/c)ρ_a(t_i)

                          ，i＝1,2,3。

×exp{-j4πf₀R₀/c}exp{j2πf_ηcit_i}dxdy

其中，ρ_a(·)为方位向包络，f_ηci为方位向多普勒质心,正侧视模式下为0，斜视模式下 $f_{\mathrm{\ηci}}-\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{\mathrm{dR}(t_i;x,y)}{{\mathrm{dt}}_i}{|}_{\mathrm{ti}=t_{\mathrm{ci}}},$ t_ci为波束中心穿越时刻， $t_{\mathrm{ci}}=-\frac{R_0\tan \mathrm{\θ}}{v};$

步骤五：数据拼接，输出成像结果；

将三种模式下的数据处理结果按照方位向顺序拼接在一起，进而完成整个成像场景的成像处理。

2.根据权利要求1所述的临近空间慢速平台SAR成像方法，其特征在于，步骤五中所述的拼接采用线性过度拼接方式，具体过程如下：

设P1、P2为两块待拼接的区域，重叠区域为C1、C2，则拼接后重叠部分区域图像在点(x,y)处的像素值可以表示为：

P(x,y)＝w1*C1(x,y)+w2*C2(x,y)，

其中，C1(x,y)表示点(x,y)在区域C1中的像素值，C2(x,y)表示点(x,y)在区域C2中的像素值，w1,w2为线性变化权矢量，且w1+w2＝1,0≤w1≤1,0≤w2≤1。

3.根据权利要求2所述的临近空间慢速平台SAR成像方法，其特征在于，所述矢量w1＝1-x/N_re，w2＝x/N_re，N_re为重叠区域采样点数，x∈[0,N_re]。