CN105093223A - 双站前视sar的快速时域成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双站前视SAR的快速时域成像方法。技术方案包括三个处理步骤：第一步，子孔径划分与初始波束生成；第二步，循环递归子孔径合并与波束生成；第三步，最终图像生成。本发明的有益效果是：采用子孔径和子区域处理技术，在保持时域成像方法高精度的同时，极大地减少了时域成像方法的计算量，从而提高了成像处理的效率，进而实现了一站固定式双站前视合成孔径雷达的快速高精度成像处理，获得高质量的聚焦SAR图像。

Description

双站前视SAR的快速时域成像方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)成像领域，涉及OS-BFSAR(One-stationaryBistaticForward-lookingSAR，一站固定式双站前视合成孔径雷达)的快速时域成像方法。

背景技术

OS-BFSAR是指具有一个运动雷达平台(或称雷达站)和一个固定雷达平台，且运动雷达波束指向正前方的雷达系统。这种雷达系统具有安全性高，抗干扰性强，获取信息量大，以及高分辨率成像和良好检测能力的优势，近年来引起广泛关注。但是，复杂的几何构型给OS-BFSAR的数据处理带来了新的问题与挑战，如回波数据量大，回波方位空变性大，回波距离方位耦合性强，以及运动雷达前视构型，这都极大地增加了OS-BFSAR高精度成像处理的难度。

现有的OS-BFSAR成像方法主要有时域BPA(BackprojectionApproach，后向投影方法)。时域BPA无任何近似处理，能够精确处理OS-BFSAR回波的方位空变性和距离方位耦合性以及运动雷达前视构型，从而实现OS-BFSAR的高精度成像处理。

但是，时域BPA具有极大的计算量，从而降低了成像效率，因此时域BPA不能成为快速有效的SAR成像方法。如何解决适用于OS-BFSAR的快速时域成像方法正是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于OS-BFSAR成像处理的快速时域成像方法，能够在成像处理时减少计算量，提高成像效率。

本发明的技术方案是：首先，对OS-BFSAR回波信号进行距离压缩，将运动雷达的合成孔径划分为若干个子孔径并将成像区域划分为若干个子区域，将各子孔径中心与各子区域中心连线形成若干条初始距离线；将与子孔径对应的距离压缩后的回波信号后向投影到初始距离线上，并相干叠加生成初始波束；然后，通过设定循环次数的循环递归过程，将相邻子孔径合并并将每个子区域再次划分为若干个更小的子区域，再将上一次循环生成的波束插值到本次循环生成的距离线上，并相干叠加生成本次循环的波束；将最后一次循环生成的波束插值到对应的子区域上，并相干叠加生成OS-BFSAR图像。

特别地，设地面成像场景包含若干个静止目标，任意静止目标P_i的位置为N是静止目标的个数。经距离压缩后的回波信号s_rc(τ,η)为：

$s_{rc}(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})={\Σ}_{i=1}^N{\mathrm{\σ}}_{P_i}\·p_{rc}\[B(\mathrm{\τ}-R(\mathrm{\η},r_{P_i})/c_0)\]\·\exp \[-j2{\mathrm{\πf}}_{c}R(\mathrm{\η},r_{P_i})/c_0\]$

其中，τ为快时间，η为慢时间，B为雷达信号的带宽，f_c为雷达信号的中心频率(运动雷达与固定雷达的带宽和中心频率均相同)，为静止目标P_i的散射系数，c₀为光速，p_rc[]为回波信号s_rc(τ,η)的包络；为运动雷达在慢时间η时刻时，运动雷达与固定雷达到静止目标P_i的距离之和。

设运动雷达合成孔径的实孔径点数为L，将其因式分解为M级，每次合并的子孔径数为l，则L＝l^M。在实际应用中，如果L＝l^M不能成立，通常根据需求先确定l的取值，如l＝8，或l＝16，再令可通过将L补零的方式改变L的取值，使得M＝log_lL。

第一步，子孔径划分与初始波束生成；

本步骤可视为第1级处理。第1级处理时，将运动雷达的合成孔径划分为L/l个子孔径，每个子孔径包含l个实孔径点数。将成像区域划分为K个子区域。将第1级的第n₁个子孔径(n₁＝1,2,...,L/l)中心与第p₁(p₁＝1,2,...,K)个子区域中心连线形成一条距离线，一共可以得到(L/l)×K条距离线。根据奈奎斯特定律对每一条距离线进行采样，得到若干个距离线上离散的位置。然后，将第1级第n₁个子孔径内距离压缩后的回波信号后向投影到距离线上的离散位置，并相干叠加生成第1级第n₁个子孔径和第p₁个子区域形成的初始波束。

第二步，循环递归子孔径合并与波束生成；

本步骤可视为第m级处理，m＝2,...,M。第m级处理时，按照子孔径逐渐递增的顺序，每l个相邻的第m-1级子孔径合并成一个第m级子孔径，并将每个第m-1级的子区域分裂为2^l个大小相同的第m级的子区域。将第m级第n_m(n_m＝1,2,...,L/l^m)个子孔径中心与第p_m(p_m＝1,2,...,M·2^l·(m-1))个子区域中心连线形成一条距离线，根据奈奎斯特定律对每一条距离线进行采样，得到若干个距离线上离散的位置。然后，将第m-1级的每条波束(共l个波束)插值到第m级相应距离线上的离散位置处，并相干叠加生成第m级波束。

第三步，最终图像生成；

本步骤为最后一级处理。将第M级的每条波束(共l个波束)插值到第M级划分后的相应子区域上，并相干叠加生成最终的OS-BFSAR图像。

本发明的有益效果是：

采用子孔径和子区域处理技术，在保持时域成像方法高精度的同时，极大地减少了时域成像方法的计算量，从而提高了成像处理的效率，进而实现了OS-BFSAR的快速高精度成像处理，获得高质量的聚焦SAR图像。

附图说明

图1是本发明双站前视SAR的快速时域成像方法流程示意图；

图2是本发明中的雷达参数；

图3是时域BPA成像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是点目标聚焦性能参数对比。

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为本发明双站前视SAR的快速时域成像方法流程示意图。如图1所示，将OS-BFSAR回波信号进行距离压缩后，再进行三个处理步骤：第一步，子孔径划分与初始波束生成；第二步，循环递归子孔径合并与波束生成；第三步，最终图像生成。

下面详细说明本发明采用的技术方案：

已知OS-BFSAR发射信号中心频率为f_c，带宽为B，距离分辨率为ρ_x，方位分辨率为ρ_y。设笛卡尔坐标系的三维坐标轴分别为X轴、Y轴和Z轴，成像场景为矩形区域，其X轴方向的宽度为W_X，Y轴方向的宽度为W_Y，成像场景中心在X轴的正半轴。因为本发明只应用于地面成像场景，所以静止目标的坐标点用二维坐标表示。设地面成像场景包含若干个静止目标，任意静止目标P_i的位置为N是静止目标的个数_。固定雷达的坐标为(0,0,z_S),运动雷达的初始坐标为(x_M,y_M,z_M)。运动雷达以速度V沿着Y轴运动且距离成像场景中心越来越近，在η时刻其坐标为(x_M,y_M+V·η,z_M)。经距离压缩后的回波信号s_rc(τ,η)为：

$s_{rc}(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})={\Σ}_{i=1}^N{\mathrm{\σ}}_{P_i}\·p_{rc}\[B(\mathrm{\τ}-R(\mathrm{\η},r_{P_i})/c_0)\]\·\[-j2{\mathrm{\πf}}_{c}R(\mathrm{\η},r_{P_i})/c_0\]$

其中，τ为快时间，η为慢时间，为静止目标P_i的散射系数，c₀为光速，p_rc[]为回波信号s_rc(τ,η)的包络；为运动雷达在慢时间η时刻时，运动雷达与固定雷达到静止目标P_i的距离之和，即：

$R(\mathrm{\η},r_{P_i})=\sqrt{{(x_M-x_{P_i})}^2+{(y_M+V\·\mathrm{\η}-y_{P_i})}^2+z_M^2}+\sqrt{{x_{P_i}}^2+y_{P_i}^2+z_S^2}$

第一步，子孔径划分与初始波束生成；

本步骤可视为第1级处理。第1级处理时，将运动雷达的合成孔径平均划分为L/l个子孔径，每个子孔径包含l个实孔径点数。设运动雷达合成孔径的实孔径点数为L，将其因式分解为M级，每次合并的子孔径数为l，则L＝l^M。在实际应用中，如果L＝l^M不能成立，通常根据需求先确定l的取值，如l＝8，或l＝16，再令可通过将L补零的方式改变L的取值，使得M＝log_lL。将成像区域平均划分为K个子区域，K的取值依据相位误差控制原则，由下式确定：

$K=\frac{(W_X\×W_Y)l^2}{0.64{\mathrm{\ρ}}_x{\mathrm{\ρ}}_y{L}^2}$

设第1级第q₁(q₁＝1,2,...,K)个子区域中心坐标为第n₁个子孔径(n₁＝1,2,...,L/l)内在慢时间η时刻运动雷达的实孔径位置坐标为则第1级第n₁个子孔径和第q₁个子区域形成的初始波束为：

$b_{n_1,q_1}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{{\mathrm{\η}}_{n_1}-{\mathrm{\η}}_s/2}^{{\mathrm{\η}}_{n_1}+{\mathrm{\η}}_s/2}{s}_{rc}(\mathrm{\η},\mathrm{\τ}+\frac{R_{n_1,q_1}\left(\mathrm{\η}\right)}{c_0})\exp \[j2{\mathrm{\πf}}_c(\mathrm{\τ}+\frac{R_{n_1,q_1}\left(\mathrm{\η}\right)}{c_0})\]d\mathrm{\η}$

其中，为在慢时间η时第n₁个子孔径内固定雷达与运动雷达实孔径位置到第q₁个子区域中心位置的斜距和，即

$R_{n_1,q_1}\left(\mathrm{\η}\right)=\sqrt{{x_{q_1}}^2+{y_{q_1}}^2+{z_S}^2}+\sqrt{{\left(x_M^{n_1}\right(\mathrm{\η})-x_{q_1})}^2+{\left(y_M^{n_1}\right(\mathrm{\η})-y_{q_1})}^2+{z_M}^2}$

为第n₁个子孔径中心位置对应的慢时间，η_s＝d_M/V，d_M为第1级运动雷达子孔径长度。为相干叠加需要的相位补偿因子。

第二步，循环递归子孔径合并与波束生成；

本步骤可视为第m级处理，m＝2,...,M。第m级处理时，按照子孔径形成的先后顺序，每l个相邻的第m-1级子孔径合并成一个第m级子孔径，并将每个第m-1级的子区域分裂为2^l个大小相同的第m级的子区域。设第m级第q_m(q_m＝1,2,...,K·2^l·(m-1))个子区域中心坐标为第m-1级第n_m-1(n_m-1＝1,2,...,L/l^m-1)个运动雷达子孔径中心坐标为第m-1级第q_m-1(q_m-1＝1,2,...,K·2^l·(m-2))个子区域中心坐标为则第m级第n_m个子孔径和第q_m个子区域形成的波束为：

$b_{n_m,q_m}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{n_{m-1}=1+(n_m-1)l}{\overset{n_{m}l}{\Σ}}{b}_{n_{m-1},q_{m-1}}(\mathrm{\τ}+\frac{R_{n_{m-1},q_m}^c-R_{n_{m-1},q_{m-1}}^c}{c_0})$

其中为第m-1级处理时固定雷达和运动雷达的第n_m-1个子孔径中心到第m级处理时第q_m个子区域中心的距离和，为第m-1级处理时固定雷达和运动雷达的第n_m-1个子孔径中心到第m-1级处理时第q_m-1个子区域中心的距离和。其计算表达式如下：

$R_{n_{m-1},q_m}^c=\sqrt{{x_{q_m}}^2+{y_{q_m}}^2+{z_S}^2}+\sqrt{{(x_M^{n_{m-1},c}-x_{q_m})}^2+{(y_M^{n_{m-1},c}-y_{q_m})}^2+{z_M}^2}$

$R_{n_{m-1},q_{m-1}}^c=\sqrt{{x_{q_{m-1}}}^2+{y_{q_{m-1}}}^2+{z_S}^2}+\sqrt{{(x_M^{n_{m-1},c}-x_{q_{m-1}})}^2+{(y_M^{n_{m-1},c}-y_{q_{m-1}})}^2+{z_M}^2}$

第三步，最终图像生成；

本步骤为最后一级处理。将第M级生成的波束按照距离线形成顺序依次插值到第M级划分后的子区域上，并相干叠加生成最终的OS-BFSAR图像。具体过程如下：

设第M级第n_M(n_M＝1,2,...,L/l^M)个子孔径中心和第q_M(q_M＝1,2,...,K·2^l·(M-1))个子区域中心形成的波束为第M级第q_M个子区域中任意一点的坐标为T_R和T_C表示第M级的子区域的行数和列数。则经过后向投影后该点的值为：

$f_{q_M}(x_{a,q_M},y_{b,q_M})=\underset{n_M=1}{\overset{L/l^M}{\Σ}}{b}_{n_M,q_M}\left(\frac{R_{n_M,q_M,a,b}^c-R_{n_M,q_M}^c}{c_0}\right)$

其中为第M级处理时固定雷达和运动雷达的第n_M个子孔径中心到点的距离和，为第M级处理时固定雷达和运动雷达的第n_M个子孔径中心到第q_M个子区域中心位置坐标的距离和。其计算表达式如下:

$R_{n_M,q_M,a,b}^c=\sqrt{{x_{a,q_M}}^2+{y_{b,q_M}}^2+{z_S}^2}+\sqrt{{(x_M^{n_M,c}-x_{a,q_M})}^2+{(y_M^{n_M,c}-y_{b,q_M})}^2+{z_M}^2}$

$R_{n_M,q_M}^c=\sqrt{{x_{q_M}}^2+{y_{q_M}}^2+{z_S}^2}+\sqrt{{(x_M^{n_M,c}-x_{q_M})}^2+{(y_M^{n_M,c}-y_{q_M})}^2+{z_M}^2}$

其中为第M级处理时第q_M个子区域中心位置坐标，为第M级处理时运动雷达的第n_M个子孔径中心位置坐标。

完成以上步骤之后，得到第M级第q_M个子区域上任意一个点上的值，那么第q_M个子区域的成像结果为

同理，整个成像区域的成像结果为

通过仿真实验对本发明进行了验证，仿真实验结果证明了本发明的有效性。

在仿真实验中，地面成像场景设置及目标布置方式如下：地面成像场景大小为200m×200m(X轴方向×Y轴方向)，成像场景中心在笛卡尔坐标系中坐标为(1000，0，0)，在地面成像场景内共设置了9个静止目标，均为点目标，并依次编号为A～I，它们排列成一个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X轴方向间距为60m，Y轴方向间距为60m。雷达参数如图2所示，所有参数的单位均为国际标准计量单位。

图3是时域BPA成像获得的点目标成像结果。其中水平方向为Y轴方向(单位：米)，垂直方向为X轴方向(单位：米)，图3中的中图为利用现有的时域BPA成像方法得到的整个地面成像场景的成像处理结果，并用两个矩形虚线框分别标识位于地面成像场景中心的点目标E和左上角的点目标A。图3中的左图和右图分别为非场景中心点目标A和场景中心点目标E(矩形虚线框标识)的放大图。由图3可知，所有的点目标均实现了良好的聚焦，因此时域BPA能够实现OS-BFSAR的精确成像处理。但是，时域BPA的处理时间为886.750s，其计算量较大，从而降低了成像效率。

图4是本发明获得的点目标成像结果。其中水平方向为Y轴方向(单位：米)，垂直方向为X轴方向(单位：米)，图4中的中图为整个地面成像场景的成像处理结果，并用两个矩形虚线框分别标识位于地面成像场景中心的点目标E和左上角的点目标A。图4中的左图和右图分别为非场景中心点目标A和场景中心点目标E(矩形虚线框标识)的放大图。由图4可知，所有的点目标均实现了良好的聚焦，且其聚焦效果与图3非常接近，因此本发明也能够实现OS-BFSAR的精确成像处理。与时域BPA相比，本发明的处理时间为46.969s，其成像效率提高了约18.9倍，极大地降低了计算量。因此本发明方法是一种快速高精度的成像方法。

为了定量评估本发明双站前视SAR快速时域成像方法的性能，分别计算了图3和图4中的场景中心点目标E和非场景中心点目标A(矩形虚线框标识)的二维分辨率(X轴方向和Y轴方向)和二维峰值旁瓣比(X轴方向和Y轴方向)，上述两个点目标聚焦性能参数对比如图5所示。图3中的场景中心点目标E的X轴和Y轴方向的分辨率分别为1.484m和2.381m，X轴和Y轴方向的峰值旁瓣比分别为-12.96dB和-13.83dB，而图4中的场景中心点目标E的X轴和Y轴方向的分辨率分别为1.480m和2.358m，X轴和Y轴方向的峰值旁瓣比分别为-13.36dB和-13.92dB；图3中的非场景中心点目标A的X轴和Y轴方向的分辨率分别为1.389m和2.222m，X轴和Y轴方向的峰值旁瓣比分别为-13.13dB和-14.17dB，而图4中的非场景中心点目标A的X轴和Y轴方向的分辨率分别为1.400m和2.244m，X轴和Y轴方向的峰值旁瓣比分别为-13.57dB和-14.25dB。对比上述性能参数可发现：本发明获得的点目标的聚焦性能与时域BPA获得的点目标的聚焦性能十分接近。

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 (2)

1.一种双站前视合成空间雷达的快速时域成像方法，其特征在于，包括下述步骤：

首先，对OS-BFSAR的回波信号进行距离压缩，将运动雷达的合成孔径划分为若干个子孔径并将成像区域划分为若干个子区域，将各子孔径中心与各子区域中心连线形成若干条初始距离线，其中OS-BFSAR是指一站固定式双站前视合成孔径雷达；

将与子孔径对应的距离压缩后的回波信号后向投影到初始距离线上，并相干叠加生成初始波束；然后，通过设定循环次数的循环递归过程，将相邻子孔径合并，并将每个子区域再次划分为若干个更小的子区域，再将上一次循环生成的波束插值到本次循环生成的距离线上，并相干叠加生成本次循环的波束；

将最后一次循环生成的波束插值到对应的子区域上，并相干叠加生成OS-BFSAR图像。

2.根据权利要求1所述的双站前视合成空间雷达的快速时域成像方法，其特征在于，

设地面成像场景包含若干个静止目标，任意静止目标P_i的位置为N是静止目标的个数，经距离压缩后的回波信号s_rc(τ,η)为：

$s_{rc}(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})={\Σ}_{i=1}^N{\mathrm{\σ}}_{P_i}\·p_{rc}\[B(\mathrm{\τ}-R(\mathrm{\η},r_{P_i})/c_0)\]\·\exp \[-j2{\mathrm{\πf}}_{c}R(\mathrm{\η},r_{P_i})/c_0\]$

其中，τ为快时间，η为慢时间，B为雷达信号的带宽，f_c为雷达信号的中心频率，为静止目标P_i的散射系数，c₀为光速，p_rc[]为回波信号s_rc(τ,η)的包络；为运动雷达在慢时间η时刻时，运动雷达与固定雷达到静止目标P_i的距离之和；

设运动雷达合成孔径的实孔径点数为L，将其因式分解为M级，每次合并的子孔径数为l，则L＝l^M；

第一步，子孔径划分与初始波束生成：

本步骤可视为第1级处理。第1级处理时，将运动雷达的合成孔径划分为L/l个子孔径，每个子孔径包含l个实孔径点数。将成像区域划分为K个子区域。将第1级的第n₁个子孔径(n₁＝1,2,…,L/l)中心与第p₁(p₁＝1,2,…,K)个子区域中心连线形成一条距离线，一共可以得到(L/l)×K条距离线。根据奈奎斯特定律对每一条距离线进行采样，得到若干个距离线上离散的位置。然后，将第1级第n₁个子孔径内距离压缩后的回波信号后向投影到距离线上的离散位置，并相干叠加生成第1级第n₁个子孔径和第p₁个子区域形成的初始波束。

第二步，循环递归子孔径合并与波束生成：

本步骤可视为第m级处理，m＝2,…,M。第m级处理时，按照子孔径逐渐递增的顺序，每l个相邻的第m-1级子孔径合并成一个第m级子孔径，并将每个第m-1级的子区域分裂为2^l个大小相同的第m级的子区域。将第m级第n_m(n_m＝1,2,…,L/l^m)个子孔径中心与第p_m(p_m＝1,2,…,M·2^l·(m-1))个子区域中心连线形成一条距离线，根据奈奎斯特定律对每一条距离线进行采样，得到若干个距离线上离散的位置。然后，将第m-1级的每条波束(共l个波束)插值到第m级相应距离线上的离散位置处，并相干叠加生成第m级波束。

第三步，最终图像生成：

本步骤为最后一级处理。将第M级的每条波束(共l个波束)插值到第M级划分后的相应子区域上，并相干叠加生成最终的OS-BFSAR图像。