CN104749575B - 一种改进的地球同步轨道sar频域成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法。使用本发明能够有效实现多普勒调频斜率为零处的成像，且聚焦效果良好，同时，在多普勒调频斜率不为零处，还可以实现比传统频域算法更好的聚焦性能。本发明通过对地球同步轨道SAR频域成像方法对沿斜距方向的加速度分量引起的多普勒调频斜率进行补偿，将原始回波的非线性方位向时频关系转换为线性时频关系，从而使得后续操作可以采用SAR频域成像算法在距离多普勒进行距离徙动校正操作。同时，通过数值检索选择补偿最优的加速度值来大大减少方位向的空变性，在进行方位向聚焦可以实现更大场景的聚焦。该算法经验证能够适用于GEO SAR轨道不同位置成像。

Description

一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(SAR)成像技术领域，具体涉及一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法。

背景技术

地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)是一种运行在地球同步轨道的全天候、全天时的现代高分辨率微波侧视成像雷达，它综合利用合成孔径技术、脉冲压缩技术和数据处理技术，采用中等口径天线就能得到大的测绘带，是当今微波领域一种先进的对地遥测技术。与低轨星载SAR相同，GEO SAR在测绘、农作物估产、海洋及水文观测、环境及灾害监测、资源勘探，以及军事侦察等科学领域日益显示出强大的优势，在对地观测方面发挥着越来越重要的作用。与低轨星载SAR不同的是，GEO SAR具有更大的观测区域，一次照射能够实现几百到上千公里的观测，同时具有更短的区域重访能力，以及具有对一个固定区域进行小时级的持续观测能力。GEO SAR已经是星载SAR研究的热点。

GEO SAR系统因为其不同于低轨星载SAR的特性，存在低轨星载SAR所不具有的多普勒调频斜率为零的轨道位置。在这些特殊的轨道位置处，当前的频域成像算法无法对其进行成像。传统的频域成像算法，必须要在距离多普勒域进行距离徙动操作，然后进行方位向聚焦，再得到聚焦后的图像。然而，在多普勒调频斜率为零的轨道位置处，由于此时的方位向频谱被严重压缩，方位向频谱出现折叠，频域算法并不能直接对GEO SAR的回波数据处理，因为此时的方位向频点与距离徙动量不是一一对应的，方位向的时频关系已经是非线性的了，因此，传统的频域成像算法不能适用，需要提出新的解决方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，能够有效实现多普勒调频斜率为零处的成像，且聚焦效果良好，同时，在多普勒调频斜率不为零处，还可以实现比传统频域算法更好的聚焦性能。

本发明的改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，包括如下步骤：

步骤1，在原始回波二维时域进行加速度补偿，补偿函数所用的补偿因子为

其中，H_ac是加速度补偿因子；a_c为最优加速度补偿量，即为方位向频域的二次调制相位最小时所对应的加速度；t_a为方位向时间；λ为载波波长；

步骤2，在距离向频域进行对应的距离向包络的补偿，补偿函数所用的补偿因子为

其中，H_af为距离向包络补偿因子；f_τ为距离向频率；

步骤3，更新成像算法的频域聚焦函数中的二次项系数：

k₂＝k₂₀-a_c

其中，k₂₀为补偿前的二次项系数，k₂为补偿后的二次项系数；

步骤4，用更新后的成像参数k₂进行距离徙动校正和方位向聚焦操作，实现频域成像。

进一步地，采用加速度遍历的方式寻找最优加速度补偿值a_c，即将加速度在范围内遍历，寻找方位向频域的二次调制相位差最小的加速度值，获得的加速度值即为最优加速度补偿量a_c；其中，为卫星的加速度大小，和分别为卫星在合成孔径中心时刻的位置矢量和场景中心的矢量。

进一步地，所述方位向频域的二次调制相位差最小时所对应的加速度用方位向频域的二次调制相位差Δφ_az2取最小时的加速度值表达，其中，

和分别表示同一个斜距单元的方位向场景中心点和场景边缘点的二次频域相位。

进一步地，所述方位向频域的二次调制相位φ_az2为

其中，k₁(t_p)～k₄(t_p)分别表示方位向时间为t_p对应的方位向点目标斜距历程的各阶系数；λ为载波波长；f_a为方位向频率。

有益效果：

(1)本发明通过对沿斜距方向的加速度分量引起的多普勒调频斜率进行补偿，将原始回波的非线性方位向时频关系转换为线性时频关系，从而实现了多普勒调频斜率为零处的成像，同时选用补偿最优的加速度值来大大减少方位向的空变性，在进行方位向聚焦可以实现更大场景的聚焦。此外，在多普勒调频斜率不为零处，本发明还可以实现比传统频域算法更好的聚焦性能。

(2)采用遍历方法可以避免采用次优的加速度值补偿带来非最佳的成像结果。

(3)求取二次项相位的差值最小时对应的加速度值可以使方位向的聚焦空变性最小，从而达到最优的方位向聚焦，实现最大的场景聚焦。。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为本发明实施方式的加速度检索使方位向二次频域相位和三次频域相位空变最优图。

图3为补偿前后距离徙动与方位向频点对比图，图3(a)为补偿前，图3(b)为补偿后。

图4为传统频域算法聚焦与改进算法聚焦对比图，图4(a)为传统频域算法，图4(b)为本发明频域算法。

图5为近地点传统频域算法成像结果图。

图6为近地点改进频域算法成像结果图。

图7为近地点传统频域算法和改进频域算法成像结果对比图。其中，传统频域算法成像结果：(a)目标A,(b)目标F,(c)目标G,(d)目标H；改进的加速度补偿频域算法成像结果：(e)目标A,(f)目标F,(g)目标G,(h)目标H。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法。

多普勒调频斜率是由斜距向的加速度分量和飞行方向的速度分量构成的。在一些特殊的轨道位置上，卫星平台沿斜距方向的加速度分量与速度分量引起的多普勒调频斜率互相抵消掉了，从而导致这些轨道位置处多普勒调频斜率为零。同时，考虑到只有卫星平台沿飞行方向的速度分量才对方位向分辨率有贡献，而沿斜距方向的加速度分量不对方位向分辨率有贡献，本发明的地球同步轨道SAR频域成像方法对沿斜距方向的加速度分量引起的多普勒调频斜率进行补偿，从而将原始回波的非线性方位向时频关系转换为线性时频关系，以便后续可以采用SAR频域成像算法在距离多普勒进行距离徙动校正操作，同时通过数值检索选择补偿最优的加速度值来大大减少方位向的空变性，在进行方位向聚焦可以实现更大场景的聚焦。该算法经验证能够适用于GEO SAR轨道不同位置成像，实现多普勒调频斜率为零处的成像，并聚焦效果良好，在多普勒调频斜率不为零处，还可以实现比传统频域算法更好的聚焦性能。

本发明流程如图1所示，具体实现步骤如下：

步骤一、最优加速度补偿量选择。

GEO SAR不同于低轨SAR，其合成孔径时间长，轨迹弯曲，所以传统的斜视等效斜距模型无法精确表征GEO SAR的斜距历程，因此，本发明采用了四阶多项式斜距模型：

其中，k₁～k₄分别是斜距历程的各阶多项式系数，t_a为方位向时间，R₀为孔径中心时刻的最短斜距。

通过对成像场景中每点的斜距历程进行拟合，可以获知各点的各阶多项式系数。原始的回波信号s(τ,t_a；x₀,r₀)表达式为

其中，T_p为脉冲宽度，k_r为距离向调频斜率，r₀为点目标的斜距，x₀为点目标的方位向坐标，τ为距离向时间轴，c为光速，rect[]为距离向的包络函数，R(t_a；r₀,x₀)为点目标的斜距历程。

经过驻定相位点可以求解出其二维频谱为

其中，f_τ为距离向频率，f_a为方位向频率，f_c为载频，k_r为距离向调频斜率。

对表达式(3)中的进行三阶泰勒展开，可以获得其方位向的频域调制相位为

其中，λ为载波波长，然后我们可以取出方位向频域的二次调制相位和三次调制相位，其相位的表达式分别为

其中φ_az2表示方位向的二次频域相位，φ_az3为方位向的三次频域相位，k₁(t_p)～k₄(t_p)分别表示方位向时间为t_p对应的方位向点目标斜距历程的各阶系数。

为了实现一次更大场景的聚焦，同时方位向聚焦参数的空变性和加速度补偿量之间存在联系，考虑到如何削弱方位向聚焦参数的空变性，可以通过寻找到方位向二次频域相位变化和三次频域相位变化均较小时对应的加速度值，采用该加速度值进行补偿可以大大减少方位向的空变性，在进行方位向聚焦时可以实现更大场景的聚焦。

补偿采用的加速度a需小于等于GEO SAR卫星平台沿场景中心点斜距向分量的大小，其范围为

其中，和分别为卫星在合成孔径中心时刻的位置矢量和场景中心的矢量，为卫星的加速度大小。

本发明采用加速度遍历的方式寻找最优加速度值，即将加速度在范围内遍历，代入到式(5)中检索出方位向二次频域和三次频域相位变化最小的加速度值，经计算可知，当二次频域相位变化最小时，三次频域相位也取得较小值，但不一定是最小。本发明寻找最优加速度值以方位向频域的二次调制相位差最小为标准，即式(6)取得最小值时对应的加速度a_c为最优加速度值。

其中，和分别表示同一个斜距单元的方位向场景中心点和场景边缘点的二次频域相位表达式，Δφ_az2为其方位向频域的二次调制相位差。即当方位向二次频域相位差最小时，方位向空变性也最小，此时意味着加速度值取得最优。

步骤二、二维时域加速度补偿。

在原始回波二维时域进行加速度补偿，补偿函数表达式为

其中，H_ac是加速度补偿因子，a_c为最优加速度补偿量。

步骤三、在距离向频域进行对应的距离向包络的补偿，补偿函数的表达式为

步骤四、更新成像算法的频域聚焦函数，更新值为

k₂＝k₂₀-a_c (9)

其中，k₂₀为补偿前的二次项系数，k₂为补偿后的二次项系数。

步骤五、用更新后的成像参数进行距离徙动校正和方位向聚焦操作。

为验证本发明给出的基于加速度补偿的改进频域算法，进行了GEO SAR的回波仿真，仿真的参数如表1所示。

表1

分别使用传统的距离多普勒算法和本发明频域成像方法进行成像处理，得到的处理结果如图4所示。由图4可以明显看出，传统的距离多普勒算法的聚焦结果质量很差，距离徙动校正失败，而本发明方法聚焦结果良好。因此可以证明，本发明的改进的地球同步轨道SAR频域成像方法能够有效地对GEO SAR回波数据进行良好的成像处理。

为了验证本算法在GEO SAR其他轨道位置成像的能力，同时对该轨道的近地点位置进行了仿真分析，合成孔径时间为180s，场景大小为400km×300km。结果见图5、图6和图7。具体每点的二维插值图对比结果见图7。对比结果图7，可以得出本方法相对于传统方法有极大的改进，聚焦效果明显变好，成像场景变大。

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 (4)

1.一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在原始回波二维时域进行加速度补偿，补偿函数所用的补偿因子为

$H_{ac}=\exp \left(j\frac{4{\mathrm{\πa}}_c{t}_a^2}{\mathrm{\λ}}\right)$

其中，H_ac是加速度补偿因子；a_c为最优加速度补偿量，即为方位向频域的二次调制相位差最小时所对应的加速度；t_a为方位向时间；λ为载波波长；

步骤2，在距离向频域进行对应的距离向包络的补偿，补偿函数所用的补偿因子为

$H_{af}=\exp \left(j4{\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\τ}}{a}_c{t}_a^2\right)$

其中，H_af为距离向包络补偿因子；f_τ为距离向频率；

步骤3，更新成像算法的频域聚焦函数中的二次项系数：

k₂＝k₂₀-a_c

其中，k₂₀为补偿前的二次项系数，k₂为补偿后的二次项系数；

步骤4，用更新成像算法的频域聚焦函数中的二次项系数即补偿后的二次项系数k₂进行距离徙动校正和方位向聚焦操作，实现频域成像。

2.如权利要求1所述的改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，其特征在于，采用加速度遍历的方式寻找最优加速度补偿量a_c，即将加速度在范围内遍历，寻找方位向频域的二次调制相位差最小的加速度值，获得的加速度值即为最优加速度补偿量a_c；其中，为卫星的加速度大小，和分别为卫星在合成孔径中心时刻的位置矢量和场景中心的矢量。

3.如权利要求2所述的改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，其特征在于，所述方位向频域的二次调制相位差最小时所对应的加速度用方位向频域的二次调制相位差Δφ_az2取最小时的加速度值表达，其中，

${\mathrm{\Δ\φ}}_{az2}={\mathrm{\φ}}_{az2}^c-{\mathrm{\φ}}_{az2}^m$

和分别表示同一个斜距单元的方位向场景中心点和场景边缘点的二次频域相位。

4.如权利要求1～3任意一项所述的改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，其特征在于，方位向频域的二次调制相位φ_az2为

${\mathrm{\φ}}_{az2}=\mathrm{\π}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4k_2\left(t_p\right)}+\frac{3k_3\left(t_p\right)k_1\left(t_p\right)\mathrm{\λ}}{8{k_2}^3\left(t_p\right)}+\frac{3{{\mathrm{\λk}}_1}^2\left(t_p\right)\left(9{k_3}^2\right(t_p)-4k_2(t_p\left)k_4\right(t_p\left)\right)}{32{k_2}^5\left(t_p\right)}\right){f_a}^2$

其中，k₁(t_p)～k₄(t_p)分别表示方位向时间为t_p对应的方位向点目标斜距历程的各阶系数；f_a为方位向频率。