CN103630902B - 一种用于分时接收阵列sar的相位校正成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分时接收阵列SAR的相位校正成像方法，该方法利用微波开关控制的阵列天线分时完成运动平台下的阵列SAR回波数据的采集；依据以上数据采集过程中平台的位置参数和平台速度以及成像场景的参数等，构造一次校正矩阵，在距离徙动校正和距离压缩之前在二维时域与回波数据相乘，完成一次相位校正；在此基础之上完成针对阵列SAR的距离向成像处理；再次依据数据采集过程中平台的位置参数和平台速度以及成像场景的参数等，构造二次校正矩阵，在距离向处理完成之后在二维时域完成残余相位校正；最后再进行跨航向的聚焦处理得到聚焦良好的二维图像。

Description

一种用于分时接收阵列SAR的相位校正成像方法

技术领域

本发明涉及阵列天线雷达成像技术领域，尤其涉及一种用于分时接收阵列SAR的相位校正成像方法。

背景技术

阵列合成孔径雷达(SAR)利用阵列天线技术实现二维或者三维雷达成像，如图1所示，沿与载机平台运动方向垂直的Y方向放置均匀分布的阵列天线，在跨航向形成合成孔径，在距离向发射宽带信号然后进行脉冲压缩处理，实现对载机平台前方区域的二维高分辨成像。

为了降低雷达系统的硬件复杂度和便于实现在轻小型平台上的安装，采用微波开关控制阵列天线实现阵元分时接收回波信号代替阵元一次同时接收回波信号。由于在接收信号的过程中载机平台还在向着目标区域运动，必然会引起回波相位的变化，在二维高分辨成像中如果对此变化的相位不进行补偿或校正，则会使成像质量大为降低。

目前，国内外就前视阵列成像的成像理论和成像方法开展了一些研究。2000年，德国宇航局公开了一种采用阵列天线实现前下视成像的视景增强样机系统(SIREV)，并给出了其X波段高分辨二维结果图。2008年，中国科学院电子学研究所微波成像技术国家级重点实验室的研究人员谭维贤在论文《3-DRANGESTACKINGALGORITHMFORFORWARD-LOOKINGSAR3-DIMAGING》中，提出了一种利用阵列天线实现直升机前下视三维成像的方法，并仿真验证了所提系统的三维成像能力。2011年，中国科学院电子学研究所微波成像技术国家级重点实验室的韩阔业在论文《阵列天线下视3DSAR多通道幅相误差校正成像方法研究》中详细分析了利用阵列天线实现下视三维成像时引入的多通道幅相误差问题，并给出了相应的校正方法，最后结合三维成像算法给出了微波暗室验证结果。但运动平台下，阵列天线实现二维或三维成像过程中阵列天线采用分时接收回波信号方面尚未公开发表过与之相关的文献或申请过相关的专利。

发明内容

本发明的目的在于调频连续波体制下，针对阵列合成孔径雷达成像时，阵元采取分时接收的方式时，由于载机平台运动在接收信号过程中的运动引起的回波相位变化，结合成像算法，给出了基于回波数据相位误差校正并完成前视二维成像。

为实现上述目的，本发明公开了一种用于分时接收阵列SAR的相位校正成像方法，其包括：

步骤S1、根据去调频接收后的回波信号模型构建一阶校正因子，将一阶校正因子与回波信号在二维时域相乘，得到一次校正之后的信号s1；

步骤S2、对一次校正信号s1进行距离向聚焦处理得到信号s2；

步骤S3、根据去调频接收后的回波信号模型和残余瞬时斜距变化量建立二阶校正因子，将二阶校正因子所述信号s2在二维时域相乘，得到二次校正信号s3；其中，所述残余瞬时斜距变化量为瞬时误差斜距与参考斜距变化量之差；

步骤S4、对所述二次校正信号s3进行跨航向聚焦处理，得到成像目标区域二维图像。

本发明方法的有益效果是：本发明提供了校正阵列合成孔径雷达成像时分时接收引入回波相位变化的成像方法，以前视阵列SAR为例，充分考虑了实际应用中载机平台速度、成像场景的影响。具有方法步骤清晰简洁，实现过程简单有效等特点，为实际中的阵列合成孔径雷达提供精确的二维成像聚焦方法。

附图说明

图1本发明的前视阵列SAR成像几何示意图；

图2本发明的分时接收情况下阵元实际接收位置示意图；

图3本发明的本发明校正阵列天线分时接收引入相位变化的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出了一种用于分时接收阵列SAR的相位校正成像方法，其是阵列合成孔径雷达(SAR)阵元分时接收补偿方法，其利用回波数据采集系统(包含运动平台)的基本参数估计出一次校正矩阵和二次校正矩阵，结合成像算法完成聚焦处理。该方法所依据的前视阵列SAR是利用阵列天线技术实现对平台前下方区域成像的观测系统，利用脉冲压缩技术实现距离向的高分辨，在跨航向则依靠均匀分布的阵列天线实现高分辨；雷达系统采用阵列天线实现跨航向的分辨，阵列天线采用一个天线阵元发射信号其它所有阵元接收回波信号的收发方式，即“一发多收”模式；为了降低硬件的复杂度和便于所构建的阵列SAR系统可以安装在轻小型机载平台上，采用由微波开关控制阵列天线使位于不同位置的阵元分时依次接收回波信号，而不是所有阵元同时接收回波信号。

为进一步实现此阵列雷达成像系统的便于安装在轻小型机载平台上，此系统发射调频连续波(FMCW)信号，扫频周期达到毫秒级，且在扫频周期内认为发射信号的线性度达到成像要求。因此，系统采取去调频(Dechirp)接收方式，可大大减低对A/D采样的要求。虽然此阵列成像系统不依赖载机平台的运动就可成像，但实际中的载机平台往往是不断运动的，如小型飞机、无人机等。故考虑此成像系统所装载的平台以一定的速度前行。

图1示出了本发明中所述前视阵列SAR的观测几何示意图。如图1所示，X为载机平台飞行方向，Y为阵列天线放置方向，定义为跨航向，Z为高程向。发射天线位于阵列天线中心正下方h处，载机的飞行高度记为H。阵列天线工作在“一发多收”模式。发射天线以入射角α向前下方发射FMCW信号，位于阵列天线上的所有阵元在微波开关的控制下依次分时接收回波信号。

图2示出了本发明中阵列天线分时接收回波信号时阵元实际接收位置与阵列天线同时接收回波信号时阵元位置的差异。同时接收回波信号是，所有阵元均沿Y方向排列。但在分时接收情况下，因为每一个阵元是在不同的时间接收回波信号，在此时间间隔内载机平台仍然在向前运动，故此时接收阵元在空间的位置不沿Y方向排列，虽然其阵列本身是沿Y方向排列的。

设点目标P的三维坐标为(x₀，y₀，0)，在某一时刻下发射天线到目标的瞬时斜距R_T和第n个接收阵元到点目标的瞬时斜距R_R分别为：

$R_T(t;x_0,y_0)=\sqrt{{(x_0-{\mathrm{Vt}}^{\′}-{\mathrm{Vt}}_m)}^2+{y_0}^2+{(H-h)}^2}---\left(1\right)$

$R_R(t;x_0,y_0)=\sqrt{{(x_0-{\mathrm{Vt}}^{\′}-{\mathrm{Vt}}_m)}^2+{(y_0-y_n)}^2+H^2}---\left(2\right)$

其中，V表示载机平台运动速度，t′表示距离向时间，t′取值范围为[2r_min/c，2r_max/c+Tr]，r_min、r_max分别为接收阵元到点目标P的最近和最远斜距，Tr为扫频周期；t_m为跨航向时间，且t_m＝-(N-1)/2·Tr，...，-2Tr，-Tr，0，Tr，2Tr，...，(N-1)/2·Tr；N为接收阵元个数；y_n表示第n个Y方向接收阵元的位置，y_n的取值范围是y_n＝-(N-1)d/2，-(N-3)d/2，，...，-d，0，d，...，(N-3)d/2，(N-1)d/2，其中d为相邻阵元的间隔距离，阵元切换速度v_s＝d/Tr。经过距离向的多普勒频移校正，得到收发双程瞬时斜距之和为：

$R(t_m;x_0,y_0)=R_T+R_R$

$=\sqrt{{(x_0-{\mathrm{Vt}}_m)}^2+{y_0}^2+{(H-h)}^2}+\sqrt{{(x_0-{\mathrm{Vt}}_m)}^2+{(y_0-y_n)}^2+H^2}---\left(3\right)$

同理，假设阵列天线所有阵元同时接收回波信号，则经过距离向的多普勒频移校正，得到收发双程瞬时斜距之和为：

$R(x_0,y_0)=R_T+R_R$

$=\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2+{(H-h)}^2}+\sqrt{{x_0}^2+{(y_0-y_n)}^2+H^2}---\left(4\right)$

去调频(Dechirp)接收后的回波信号模型为：

S₂(t_m，t′)＝S₁(t_m，t′)·ΔS(5)

其中，S₁(t_m，t′)表示阵列天线所有阵元同时接收回波信号时的回波信号模型(包含幅度和相位信息)，S₂(t_m，t′)表示阵列天线所有阵元分时接收回波信号时的回波信号模型，ΔS表示分时接收情况引入的误差相位。

下面结合附图，详细说明本发明提出的一种用于分时接收阵列SAR的相位校正成像方法所涉及的各个细节问题。

图3示出了本发明提出的一种用于分时接收阵列SAR的相位校正成像方法的步骤流程图，如图3所示，该方法具体包括：

步骤S1：利用回波数据采集系统(包含运动平台)估计出阵列天线分时接收回波信号时阵元到场景目标的瞬时斜距相对于阵列天线同时接收回波信号时阵元到场景目标的瞬时斜距的瞬时斜距变化量即瞬时误差斜距ΔR(V；x₀，y₀)：

$\mathrm{\ΔR}(V;x_0,y_0)=\sqrt{{(x_0-{\mathrm{Vt}}_m)}^2+{y_0}^2+{(H-h)}^2}+\sqrt{{(x_0-{\mathrm{Vt}}_m)}^2+{(y_0-y_n)}^2+H^2}$

$-\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2+{(H-h)}^2}-\sqrt{{x_0}^2+{(y_0-y_n)}^2+H^2}$

$\≈-[\frac{x_0}{\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2+{(H-h)}^2}}+\frac{x_0}{\sqrt{{x_0}^2+{(y_0-y_n)}^2+H^2}}]\·{\mathrm{Vt}}_m---\left(6\right)$

$+[\frac{{y_0}^2+H^2}{2{({x_0}^2+{y_0}^2+{(H-h)}^2)}^{\frac{3}{2}}}+\frac{{(y_0-y_n)}^2+H^2}{2{({x_0}^2+{(y_0-y_n)}^2+H^2)}^{\frac{3}{2}}}]\·V^2{t_m}^2$

其中，V表示载机平台运动速度，x₀、y₀表示地面点目标的地距向和跨航向坐标；由于h远远小于H，故以下讨论忽略h对结果的影响。

步骤S2：选取阵列中心到目标场景中心的斜距R_ref为参考斜距，取步骤S1中的瞬时误差斜距ΔR(V；x₀，y₀)在参考斜距R_ref处的参考斜距变化量ΔR_ref(V；x₀，y₀)；

$\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{ref}}(V;x_0,y_0)=-[\frac{\sqrt{{R_{\mathrm{ref}}}^2-H^2}}{\sqrt{{R_{\mathrm{ref}}}^2+{y_0}^2}}+\frac{\sqrt{{R_{\mathrm{ref}}}^2-H^2}}{\sqrt{{R_{\mathrm{ref}}}^2+{(y_0-y_n)}^2}}]\·{\mathrm{Vt}}_m$

$+[\frac{{y_0}^2+H^2}{2{({R_{\mathrm{ref}}}^2+{y_0}^2)}^{\frac{3}{2}}}+\frac{{(y_0-y_n)}^2+H^2}{2{({R_{\mathrm{ref}}}^2+{(y_0-y_n)}^2)}^{\frac{3}{2}}}]\·V^2{t_m}^2---\left(7\right)$

$\≈-[\frac{\sqrt{{R_{\mathrm{ref}}}^2-H^2}}{\sqrt{{R_{\mathrm{ref}}}^2+{y_0}^2}}+\frac{\sqrt{{R_{\mathrm{ref}}}^2-H^2}}{\sqrt{{R_{\mathrm{ref}}}^2+{y_0}^2}}]\·{\mathrm{Vt}}_m$

$+[\frac{{y_0}^2+H^2}{2{({R_{\mathrm{ref}}}^2+{y_0}^2)}^{\frac{3}{2}}}+\frac{{(y_0-y_n)}^2+H^2}{2{({R_{\mathrm{ref}}}^2+{y_0}^2)}^{\frac{3}{2}}}]\·V^2{t_m}^2$

其中，R_ref一般取在波束中心处的斜距，y_n对ΔR_ref(V；x₀，y₀)影响很小，所以忽略y_n的变化对ΔR_ref(V；x₀，y₀)的影响，以y_n＝0处的ΔR_ref(V；x₀，y₀)值代替所有的ΔR_ref(V；x₀，y₀)值。

步骤S3：根据Dechirp接收后的回波信号模型建立一阶校正因子H_como1(t_m，t′)；将一阶校正因子与回波信号在二维时域相乘，得到一次校正后的回波信号s1；

所述一阶校正因子如下计算：

$H\_\mathrm{como}1=\exp \left[j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ref}}\right]$

(8)

$\·\exp [j\frac{2\mathrm{\π}{k}_r}{c}\·\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{ref}}\·(t^{\′}-\frac{{2R}_{\mathrm{ref}}}{c})]$

其中，λ为载波波长，c为光速，k_r为发射信号调频率；

步骤S4：对步骤S3得到的回波信号s1进行距离徙动校正、距离压缩等距离向处理以得到距离向聚焦良好的回波信号s2；

由于原始频率变标算法(FSA)在变标的过程中在距离向会引入一个较大的带宽，故在成像处理之前先在二维频率域将信号进行斜置处理。

具体做法为：将在距离-多普勒域的已经去除多普勒频移影响的信号s1变换到距离频域，乘以斜置因子后再变回到距离-多普勒域，其中μ为斜置系数，其为常数，f_e为距离频域，π为圆周率；

为实现变标操作，回波信号s1在被斜置后先在距离-多普勒域与变标函数相乘，然后再在二维频域与视频残余相位(RVP)校正函数相乘，最后在距离-多普勒域与逆变标函数相乘。

由于引入了斜置系数μ，故变标函数、RVP校正函数和逆变标函数都将作相应的变化。变标函数为：

$H_{\mathrm{FS}}(t^{\′},f_a)=\exp [j\mathrm{\π}\frac{k_r}{\mathrm{\μ}}\·(1-\mathrm{\β})\·t^{\′2}]\·\exp [-j2\mathrm{\π}{f}_a{t}^{\′}]---\left(9\right)$

上式中第一个相位项是频率尺度变换函数，第二个相位项是用来校正多普勒频移的，f_a为多普勒频率，为距离动因子，V_s＝d/Tr为阵元切换速。在尺度变换后，可在二维频域消除RVP的影响，因此，RVP的校正函数为：

$H_{\mathrm{RVPC}}(f_e,f_a)=\exp [\mathrm{j\π}\frac{\mathrm{\μ}}{k_r}\·\frac{{f_e}^2}{\mathrm{\β}}]---\left(10\right)$

完成RVP校正后，将信号重新变回到距离-多普勒域，与如下因子相乘，消除尺度变换带来的其他相位项：

$H_{\mathrm{IFS}}(t^{\′},f_a)=\exp [\mathrm{j\π}\frac{k_r}{\mathrm{\μ}}\·({\mathrm{\β}}^2-\mathrm{\β})\·t^{\′2}]---\left(11\right)$

其中，经过上式(9)到式(11)即回波信号s1乘以公式(9)至(11)等式右边的项使信号s1具有一致的距离徙动，经过一致的徙动校正即可完成距离徙动校正，将所得数据沿距离向作逆傅里叶变换即完成了距离压缩，即得到距离向聚焦良好的信号s2。

步骤S5：取步骤S1中的瞬时误差斜距ΔR(V；x₀，y₀)与在参考斜距R_ref的参考瞬时斜距变化量ΔR_ref(V；x₀，y₀)的差值为残余瞬时斜距变化量：

ΔΔR(V；x₀，y₀)＝ΔR(V；x₀，y₀)-ΔR_ref(V；x₀，y₀)(12)

步骤S6：根据Dechirp接收后的回波信号模型建立二阶校正因子H_como2(t_m，t′)；将二阶校正因子在二维时域与步骤S4得到的信号s2相乘，得到二次校正后的回波信号s3；

所述二阶校正因子如下计算：

$H\_\mathrm{como}2=\exp \left[j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\mathrm{\ΔR}-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ref}})\right]$

(13)

$\·\exp [j\frac{2\mathrm{\π}{k}_r}{c}\·(\mathrm{\ΔR}-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{ref}})\·(t^{\′}-\frac{{2R}_{\mathrm{ref}}}{c})]$

步骤S7：对步骤S6得到的信号s3进行跨航向频谱分析(SPECAN)处理，最终得到聚焦良好的成像目标区域二维图像g(x，y)，其中x、y是空间直角坐标系OXY中的坐标。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，并不用于限制本发明，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 (6)

1.一种用于分时接收阵列SAR的相位校正成像方法，其中，所述分时接收阵列SAR中，发射天线位于阵列天线中心正下方h处，阵列天线工作在“一发多收”模式，发射天线以入射角α向前下方发射FMCW信号，位于阵列天线上的所有阵元在微波开关的控制下依次分时接收回波信号；

所述相位校正成像方法包括：

步骤S1、根据去调频接收后的回波信号模型构建一阶校正因子，将一阶校正因子与回波信号在二维时域相乘，得到一次校正之后的信号s1，其中，所述一阶校正因子如下计算：

其中，λ为载波波长，c为光速，k_r为发射信号调频率，t'表示距离向时间，R_ref为参考斜距，ΔR_ref为参考斜距变化量；

步骤S2、对一次校正信号s1进行距离向聚焦处理得到信号s2；

步骤S3、根据去调频接收后的回波信号模型和残余瞬时斜距变化量建立二阶校正因子，将二阶校正因子与所述信号s2在二维时域相乘，得到二次校正信号s3；其中，所述残余瞬时斜距变化量为瞬时误差斜距与参考斜距变化量之差，其中，所述二阶校正因子如下计算：

其中，R_ref为参考斜距；

其中，所述瞬时误差斜距为利用回波数据采集系统估计出的阵列天线分时接收回波信号时阵元到场景目标的瞬时斜距相对于阵列天线同时接收回波信号时阵元到场景目标的瞬时斜距的瞬时斜距变化量，具体如下计算：

其中，ΔR(V；x₀,y₀)为瞬时误差斜距，V表示数据采集系统载机的运动速度，x₀、y₀表示地面点目标的地距向和跨航向坐标，t_m为跨航向时间，H为阵列天线到地面的高度，h为发射阵元到阵列天线中心的距离，y_n表示第n个接收阵元的位置，n＝1,2,...,N，y_n的取值范围是d为相邻阵元间隔，N为接收阵元个数；

其中，所述参考斜距变化量如下得到：选取阵列天线中心到场景中心的斜距为参考斜距后，取所述瞬时斜距变化量在所述参考斜距的斜距变化量为参考斜距变化量；

步骤S4、对所述二次校正信号s3进行跨航向聚焦处理，得到成像目标区域二维图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据采集系统位于速度不为0的载机平台。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于雷达系统，且雷达系统利用阵列天线实现雷达成像，所述阵列天线采用一发多收的收发方式。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述雷达系统中，阵列天线某一个特定阵元发射调频连续波信号；由微波开关控制阵列天线，使位于不同位置的阵元分时依次接收回波信号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中距离向聚焦处理具体包括在距离多普勒域的将去除了多普勒频移影响的回波信号s1变换到距离频域，并乘以斜置因子后再变回到距离多普勒域。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述斜置因子如下表示：

其中，μ为斜置系数，其为常数，f_e为距离频率，π为圆周率，k_r为发射信号调频率。