CN104407349B - 一站固定式双站低频超宽带sar的频域成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一站固定式双站低频超宽带SAR的频域成像方法。技术方案是:首先,基于一站固定式双站低频超宽带SAR回波信号,在二维频域进行补偿高阶相位误差,得到预处理回波信号。然后,对预处理回波信号进行距离向处理,和方位向处理,得到SAR图像。本发明的有益效果是:采用在二维频域进行补偿高阶相位误差,校正了距离‑方向耦合项进行二阶泰勒展开导致的误差,从而减小了低频超宽带信号下高阶误差对成处理的影响,进而实现了对一站固定式双站低频超宽带SAR的高精度成像处理,最终获得良好聚焦图像。
Description
技术领域
本发明属于SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)成像领域,涉及一种适用于一站固定式双站低频超宽带SAR的频域成像方法。
背景技术
一站固定式双站低频超宽带合成孔径雷达(One-Stationary Low FrequencyUltra Wide Band bistatic Synthetic Aperture Radar,OS LF UWB BiSAR)是指具有一个移动发射/接收平台和一个固定接收/发射平台,并且采用低频超宽带信号的BiSAR(Bistatic Synthetic Aperture Radar,双站合成孔径雷达)系统。与传统单站低频SAR相比,OS LF UWB BiSAR具有安全性高,抗干扰性强,获取信息量大的优势,拥有很大的应用前景,近年来引起了广泛的关注。
BiSAR成像方法根据数据处理域的不同,可分为时域方法与频域方法两大类。时域方法的典型代表为后向投影方法,该种方法成像精度高,适用面广,理论上能适用于任意几何构型的BiSAR成像处理,但其主要缺点是运算量极大。即便有诸如FFBP等高效方法,其计算量也无法满足实时成像的需求。因此研究运算量相对小的BiSAR频域方法,仍是学术界的研究热点。
由于方位空变性的存在,原先单站SAR频域成像方法(如距离多普方法,CS方法和ωK方法)无法直接适用于一站固定式BiSAR的成像处理。目前针对一站固定式BiSAR频域方法主要为NLCS(Nonlinear Chirp Scaling,非线性调频变标)方法。该方法通过在二维时域沿方位向乘以非线性相位扰动函数的方法,使得同一个距离门内的目标多普勒调频率相等。但该方法将忽略了距离徙动的方位空变性,因此只适用于小斜视角的SAR成像。仇晓兰等人对此进行了改进,采用局部拟合产生扰动函数的方法,分别消除了回波数据距离向和方位向空变性,扩大了成像范围。然而,上述方法都是基于高频窄带信号提出的,并不适用于一站固定式双站低频超宽带SAR情况。
因此,如何解决一站固定式双站低频超宽带SAR情况的成像方法正是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的BiSAR成像频域方法不适用于一站固定式双站低频超宽带SAR情况的技术问题,提供一站固定式双站低频超宽带SAR的频域成像方法。
本发明技术方案的基本思路是:首先,基于一站固定式双站低频超宽带SAR回波信号,采用在二维频域进行补偿高阶相位误差的方法,得到预处理回波信号。然后,对预处理回波信号进行距离向处理,和方位向处理,得到SAR图像。
本发明的技术方案是,一站固定式双站低频超宽带SAR的频域成像方法,包括以下处理步骤:
第一步,预处理:
①在不失一般性的情况下,令固定站为接收站,运动站为发射站,设成像场景中心为笛卡尔坐标系中心原点,Z轴的正方向垂直于地面向上,运动站以速度v平行于Y轴运动;固定站位置坐标为(xR,yR,hR),成像场景中任意目标位置表示为(x,y,0);在方位向慢时间η=0时,运动站位置坐标为(xT,yT,hT);发射信号为线性调频信号,则接收到的目标回波信号ss(η,τ;x,y)表示为,
其中a[·]为信号包络,τ为距离向快时间,κ为发射信号的调频斜率,fc为发射信号中心频率,c为光速;Rbi(η;x,y)为η时刻的目标回波历程,用下述公式表示:
其中RT0(x)为发射天线APC(Antenna Phase Center,天线相位中心)到目标最小斜距,表示为
RR(x,y)为接收天线APC到目标的距离,表示为
对目标回波信号ss(η,τ;x,y)作二维傅里叶变换,得到二维频域回波信号SS(fτ,fη;x,y),其中fτ为距离向频率,fη为方位向频率:
其中
②将二维频域回波信号SS(fτ,fη;x,y)乘以二维频谱高阶相位补偿因子
HHOPC(fτ,fη;xref),得到相位补偿结果;
完成二维频谱高阶相位误差补偿,其中RT0(xref)为参考点(xref,yref,href)的最小发射斜距,一般选取场景中心为参考点;
③对相位补偿结果做距离向傅里叶逆变换,得到预处理后的距离多普勒域回波信号sSr(τ,fη;x,y),
其中新产生的距离调频率为最小斜距历程为Rbi0(x,y)=RT0(x)+RR(x,y)。
第二步,对预处理结果成像:
对距离多普勒域回波信号sSr(τ,fη;x,y)进行距离向处理,再进行方位向处理,得到SAR图像。
本发明的有益效果是:
采用在二维频域进行补偿高阶相位误差的方法,校正了距离-方向耦合项进行二阶泰勒展开导致的误差,从而减小了低频超宽带信号下高阶误差对成处理的影响,进而实现了对一站固定式双站低频超宽带SAR的高精度成像处理,最终获得良好聚焦图像。
附图说明
图1是本发明一站固定式双站低频超宽带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是传统双站NLCS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;
图5是点目标聚焦性能。
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本发明一站固定式双站低频超宽带SAR成像方法的原理流程示意图。如图1所示,整个流程包括两个处理步骤:第一步,预处理;第二步,对预处理结果成像。
本发明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,运动站设为发射站,固定站设为接收站,采用国际标准计量单位,本发明中的系统仿真参数如图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200m×160m(距离向×方位向),在成像场景内共设置了9个点目标。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50m,方位向间距为50m。
图3是传统双站NLCS成像法获得的点目标成像结果。其中水平坐标轴表示方位向,垂直坐标轴表示距离向,字母A、B、C分别标识了位于成像场景左上、中央、右下的三个点目标。图3中的左图和右图分别为目标A和目标B(矩形框标识出)的放大图。由此可发现,传统双站NLCS成像法在低频超宽带条件下,由于忽略高阶误差的影响,导致距离弯曲校正和距离向压缩性能受到影响,点目标散焦情况严重,主瓣发生展宽,形成不对称距离向旁瓣。所成图像的整体质量难以令人满意。
图4是本发明获得的点目标成像结果。其中水平坐标轴表示方位向,垂直坐标轴表示距离向,字母A、B、C分别标识了位于成像场景左上、中央、右下的三个点目标。图4中的左图和右图分别为目标A和目标B(矩形框标识出)的放大图。由图4可发现,采用本发明的方法后,由于有效消除了高阶误差对成像的影响,各个目标点的聚焦性能得到了很大的提高。
为定量评估本发明性能,分别计算了图3和图4中的场景所标识的目标A、B、C的距离分辨率(3dB宽度)、方位分辨率(3dB宽度)和二维积分旁瓣比,三项指标,得到如图5所示点目标聚焦性能图。其中图3中的场景中心目标的距离分辨率为0.770,方位分辨率为1.231,二维积分旁瓣比为-3.207dB;而图4中的场景中心目标的距离分辨率为0.657,方位分辨率为1.009,二维积分旁瓣比为-6.317dB。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,目标的距离分辨率、方位分辨率和二维积分旁瓣比三项指标均较差;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14.6%、18.0%和97.0%。
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)
1.一站固定式双站低频超宽带SAR的频域成像方法,SAR是指合成孔径雷达,其特征在于,包括以下处理步骤:
第一步,预处理:
①设固定站为接收站,运动站为发射站,设成像场景中心为笛卡尔坐标系中心原点,Z轴的正方向垂直于地面向上,运动站以速度v平行于Y轴运动;固定站位置坐标为(xR,yR,hR),成像场景中任意目标位置表示为(x,y,0);在方位向慢时间η=0时,运动站位置坐标为(xT,yT,hT);发射信号为线性调频信号,则接收到的目标回波信号ss(η,τ;x,y)表示为:
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其中a[·]为信号包络,τ为距离向快时间,κ为发射信号的调频斜率,fc为发射信号中心频率,c为光速;Rbi(η;x,y)为η时刻的目标回波历程,用下述公式表示:
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其中RT0(x)为发射天线APC到目标最小斜距,APC是指天线相位中心,RT0(x)表示为:
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对目标回波信号ss(η,τ;x,y)作二维傅里叶变换,得到二维频域回波信号SS(fτ,fη;x,y),其中fτ为距离向频率,fη为方位向频率:
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②将二维频域回波信号SS(fτ,fη;x,y)乘以二维频谱高阶相位补偿因子HHOPC(fτ,fη;xref),得到相位补偿结果;
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其中RT0(xref)为参考点(xref,yref,href)的最小发射斜距,选取场景中心为参考点;
③对相位补偿结果做距离向傅里叶逆变换,得到预处理后的距离多普勒域回波信号sSr(τ,fη;x,y):
<mfenced open = "" close = "">
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</mfenced>
其中最小斜距历程Rbi0(x,y)=RT0(x)+RR(x,y),σ(x,y)表示场景坐标为(x,y)处的后向散射系数;
第二步,对预处理结果成像:
对距离多普勒域回波信号sSr(τ,fη;x,y)进行距离向处理,再进行方位向处理,得到SAR图像。
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