CN105143913B - 高分辨率条带sar成像 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SAR成像方法，该SAR成像方法包括：借助于合成孔径雷达来对地球表面的区域执行条带模式下的N个SAR采集，该合成孔径雷达通过空中平台或卫星平台来输送并且包括单个非分区天线和耦合至所述单个非分区天线的单个接收器，N为大于一的整数。使用相对于合成孔径雷达的天底的同一预定俯仰角来执行条带模式下的所有N个SAR采集，使得条带模式下的所述N个SAR采集均与地球表面的同一特定测绘带有关。使用相对于合成孔径雷达的飞行方向的相应偏离角来执行条带模式下的每个SAR采集，所述相应偏离角与用于执行条带模式下的其他N‑1个SAR采集的偏离角不同。所执行的条带模式下的每个SAR采集包括相应雷达发送和接收操作，该相应雷达发送和接收操作单独地或成组地与所执行的条带模式下的其他N‑1个SAR采集的单个雷达发送和接收操作或成组的雷达发送和接收操作在时间上交错，并且包括：在由预定俯仰角和用于所述条带模式下的SAR采集的相应偏离角所定义的相应采集方向上发送和接收相应雷达波束，从而导致所述相应采集方向彼此平行并且不与所执行的条带模式下的其他N‑1个SAR采集的采集方向平行。在两个紧接连续的时刻所执行的并且与条带模式下的两个不同的SAR采集相关的两次雷达发送和接收操作中所发送和接收的雷达波束沿着方位连续，从而相对于经由所执行的条带模式下的N个SAR采集中的任一个SAR采集能够获得的合并时间增加了合并时间。该方法还包括：基于所执行的条带模式下的所有N个SAR采集来生成特定测绘带的区域的SAR图像，所述SAR图像具有相对于标称条带方位分辨率增强了高达N倍的方位分辨率，该标称条带方位分辨率等于合成孔径雷达的单个非分区天线的沿着方位方向的物理长度或等效长度的一半。

Description

高分辨率条带SAR成像
技术领域
本发明总体上涉及借助于合成孔径雷达(SAR)的远程感测，具体地，涉及用于高分辨率条带SAR成像的创新方法。
背景技术
在图1中示出了用于生成地球表面的SAR图像的典型参考几何。对此，希望强调下述事实：在图1中(以及也在下文中将呈现和描述的后续图中)，仅仅为了图示和描述的方便和简洁而并不丧失一般性，地球表面被(以及将被)示为“平坦的”。
具体地，图1示意性地示出了在假定为基本上恒定的高度h处(相对于地球表面)沿着飞行方向d移动的合成孔径雷达(为了描述的简洁，下文中称为SAR传感器)10。如已知的，沿着通过所述SAR传感器10(具体地，其通过SAR传感器10的天线的相位中心)并且与地球表面和飞行方向d正交的天底方向z来测量SAR传感器10的高度h。方便地，通过空中/空间平台(为了简化图示，未在图1中示出)(诸如，例如飞行器或无人驾驶飞行器(UAV)或卫星)沿航程/轨道来输送SAR传感器10。飞行方向d的地面轨迹识别方位方向x，该方位方向x与所述飞行方向d平行并且与天底方向z正交，而与天底方向z和方位方向x正交的交叉跟踪方向y与方位方向x一起标识与地球表面相切的x-y平面。在使用中，借助于适当的天线(为了简化图示而未在图1中示出)，SAR传感器10在采集方向sr上发送雷达脉冲并且接收相关联的反向散射信号，该采集方向sr标识倾斜范围并且与天底方向z形成俯仰角(elevation angle)θ以及与飞行方向d(或者等同地，与方位方向x)形成偏离角(squint angle)该偏离角在图1所示的采集几何中等于90°。
具体地，在图1所示的SAR采集几何与所谓的条带模式有关，在条带模式下，SAR传感器10利用雷达脉冲来照射称为测绘带(swath)的地球表面的条带，然后从其接收相关联的反向散射信号，所述测绘带原则上与方位方向x平行地延伸并且具有沿着交叉跟踪方向y的给定宽度W。为了更加清楚，图2示出了在x-y平面内的条带模式下的SAR采集的几何，其中，可以观察偏离角如何全都相同(特别地，在图2所示的示例中，偏离角均是直角)。
SAR技术可以被视为成熟的技术；实际上，当前存在无数的描述SAR技术的特性和潜能的文章、手册、专利和专利申请；在这点上，可以参考下述文献：
·Josef Mittermayer等人的题为“BidirectionaL SAR Imaging Mode”的文章，IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，第51卷，第1号，2013年1月1日，601页至614页，其在下文中为了简明描述而将被称为Ref1并且描述了用于创建双向SAR图像的模式；
·德国专利申请DE 10319063A1，其在下文中为了简明描述而将被称为Ref2并且涉及具有用于生成多个SAR波束的多个天线元件的SAR天线方法和系统；
·A.Currie等人的题为“Wide-swath SAR”的文章，IEE Proceedings of Radarand SignaL Processing，第139卷，第2号，1992年4月1日，122页至135页，其在下文中为了简明描述而将被称为Ref3并且描述了用于加宽经由SAR可观测的测绘带的各种方法；
·Krieger等人的题为“Advanced Concepts for High-Resolution Wide-SwathSAR Imaging”的文章，8th European Conference on Synthetic Aperture Radar，2010年6月7日，524页至527页，其在下文中为了简明描述而将被称为Ref4并且提出了与用于创建高分辨率宽测绘带SAR图像的多通道SAR系统有关的各种概念；
·J.C.CurLander和R.N.McDonough的题为“Synthetic Aperture Radar：Systemsand Signal Processing”的书，WiLey Series in Remote Sensing，WiLey-Interscience，1991，其在下文中为了简明描述而将被称为Ref5并且是关于SAR系统的手册；以及
·G.Franceschetti和R.Lanari的题为“Synthetic Aperture RADARProcessing”的书，CRC Press，1999年3月，其在下文中为了简明描述而将被称为Ref6并且是关于SAR系统的另一技术手册。
众所周知，条带模式下的SAR采集的方位分辨率是角孔径(或者角度差-Δ角度)的函数，由SAR传感器利用该角孔径来观测目标；或者，等同地，方位分辨率也可以被看作与SAR传感器的速度相关的时间差(Δ时间)的函数，利用该时间差来观测目标。特别地，可以通过以下等式来表示方位分辨率(对于进一步的详情，请参考Ref3，Ref5和Ref6)：
其中，res表示方位分辨率，λ表示由SAR传感器使用的波长，并且delta_angle表示角孔径(或角度差-Δ角度)，SAR传感器利用该角孔径来观测目标。
将角度假设为天线的3dB孔径(单向)(＝0.8886λ/L，其中L表示沿着SAR传感器的天线的方位方向的物理长度或等效长度)，可以得到通常与针对条带模式的方位分辨率相关联的约束，其等于L/2(对于进一步的详情，请参考Ref3，Ref5和Ref6)。
当前，非常宽的天线波束用于提高方位分辨率，这些是通过使用小尺寸或照射下的天线或者利用幅度和/或相位调制以例如减小等效尺寸来实现，或者通过使用所谓的聚束模式来实现，在图3中示意性地示出该聚束模式的采集逻辑。
具体地，如图3所示，在聚束模式下的SAR采集逻辑设想了在SAR传感器10的飞行运动期间使用对天线波束的连续或准连续操纵(steering)，以利用雷达脉冲来照射相同的关注区域、然后从该关注区域接收相关联的反向散射信号，以此方式，增大了SAR传感器10在所述关注区域上的持续时间并因此提高了方位分辨率。
以上所述的两种用于提高方位分辨率的方法均受一些缺陷的影响。特别地，非常宽的天线波束的使用需要使用非常高的发送功率，而聚束模式引入了对测绘带的方位长度的限制。
如在文献中表明的那样，存在对操作模式的参数进行关联的数学关系。特别地，方位采样要求将发送/接收脉冲重复频率(PRF)与波束的尺寸和SAR传感器的速度关联(对于进一步的详情，请参考Ref3，Ref5和Ref6)：
其中，α是取决于期望模糊度的参数，v表示SAR传感器的速度并且L表示沿着SAR传感器的天线的方位方向的物理长度或等效长度。
PRF的值限制了测量区域(测绘带)在范围上的扩展(对于进一步的详情，请参考Ref3，Ref5和Ref6)：
其中，ΔR表示测量区域(测绘带)在范围上的扩展，τ表示所发送的脉冲的时间间隔(或持续时间)，并且c表示光的速度。
为了最大程度地利用SAR系统的性能，除条带模式和聚束模式之外，在使用SAR传感器的数年内已提出了各种其他技术，其可以分成三种主要模式：
·突发模式；
·空分模式；以及
·角分模式。
主要的突发模式是ScanSAR模式，其将时间分成同步突发(即，具有规则速率)。在每个突发内以使得正确地对方位频谱进行采样(对于进一步的详情，请参考Ref3，Ref5和Ref6)的方式、但针对更短的时间(并且因而更小的Δ角度)来获取在天线的标称PRF处的场景部分。该时间划分使得能够在随后的突发中沿其他方向切换波束以便增大测绘带范围。实际上，将“方位时间”分成Nb个突发并且在每个突发处获取不同的条带。该模式的最大禁忌在于，通过减小所获取的Δ角度，方位分辨率降低。特别地，保证条带中不存在“孔”的连续覆盖的约束隐含了最佳方位分辨率不能小于(即，优于)特定量(对于进一步的详情，请参考Ref3，Ref5和Ref6)；特别地得到下式：
resScanSar≥(Nb+1)resStrip
其中，resScanSar表示ScanSAR分辨率并且resStrip表示条带参考分辨率(即，L/2)。
TOPS模式(针对进一步的详情，请参考Ref4)也被算在突发模式内；该模式利用了方位操纵性能并且需要与聚束模式的扫描方向相反的扫描方向，即，相当于扫频(sweep)而不是再定中心。也就是说，在每个突发中，初始方位操纵确保了SAR传感器向后“看”、然后在突发的末尾指向前。不同于传统的ScanSAR模式，这确保了每个目标由整个天线方向图照射并且这使得能够对辐射响应和方位模糊进行均衡。如随着规定的ScanSAR模式发生的那样，同样地，在TOPS模式(其也是突发模式)下，传感器也总是以比条带模式的典型Δ角度小的Δ角度(或Δ时间)来查看目标。可见，正如ScanSAR(即使相对于传统ScanSAR具有不同的因素/约束)一样，TOPS模式也允许以相对于条带模式降低方位分辨率为代价来扩展测绘带范围。在Ref4中总结了这些概念，其中，在引言中记载了：“示例是以受损的方位分辨率为代价来实现宽测绘带的ScanSAR(或TOPS)模式以及以沿着卫星轨迹的非连续成像为代价来允许提高的方位分辨率的聚束模式”。
如先前所看到的，测绘带宽的要求和分辨率高的要求是相互冲突的。一方面，低PRF优选地具有“更多时间”来获取交叉跟踪高程面内的宽场景，而另一方面，宽的天线波束优选地提高了方位分辨率。然而，该后一特性会要求高PRF，从而与第一要求相反。为了克服这些问题，过去已提出了使用空分模式的技术，诸如，例如偏置相位中心(DPC)技术(对于进一步的详情，请参考Ref3和Ref4)，该技术要求使用多个接收天线。这可以通过使用多个SAR传感器或者通过将单个天线分段并且使用多个接收系统来实现：发送宽波束(小的天线尺寸L)、然后利用沿着方位方向布置的M个天线(如发送中的天线一样具有小尺寸)来同步地接收宽波束。多个接收元件的使用使得能够具有更大数量的方位样本并因此使用更低的物理PRF(对于进一步的详情，请参考Ref3和Ref4)。该技术的最大禁忌在于复杂性；实际上，该技术需要同步使用M个接收器和M个“小”天线(或者分成M个子块的大天线)，并因此需要高发送功率以实现足够的产品敏感性。此外，文献指出了在与对知道M个相位中心的错误的敏感度以及对模糊度的影响有关的算法级的一些关键区域。在文献中存在试图减少这些关键区域的一些变型，诸如高分辨率宽测绘带(HRWS)技术，该技术还设想了俯仰角(elevation)上的分区以便在俯仰角上“跟随”波束，从而提高指向性并因此提高了产品敏感性。
使用角分模式的技术的目的与使用空分模式的技术的目的相似，但是通过在不同方向上进行采样来获取另外的样本。具体地，存在两个主要逻辑：俯仰角的角分和方位的角分。
俯仰角上的角分(对此，可以参考例如Ref4中描述的多俯仰角波束(MEB，Multipleelevation Beam)技术)设想了利用多个天线/接收系统和单个发送器(具有宽的测绘带)的同步采集或者更多的定向发送(对于进一步的详情，请参考Ref3和Ref4)。以此方式，在条带模式下获得具有标称方位分辨率(大约为L/2)的多个采集。为了减少范围模糊的问题，文献提出了在俯仰角上使各个波束偏斜。
代替地，方位上的角分(对此，可以参考例如Ref3中描述的单相中心多波束(SPCMB))设想了经由单个宽波束的发送以及经由M个窄波束的同步接收。以此方式，获得宽波束(提高了分辨率)，但是类似于聚束模式，单一接收通道正确地对不同的角部分进行采样。这些通道然后将在处理期间被重新组合以便获得大M倍的合成Δ角度，因此提高了分辨率(对于进一步的详情，请参考Ref3和Ref4)。通常，在方位上的角分技术具有对于模糊度的多个关键区域；实际上，发送时的天线和接收时的单天线的侧瓣(lateral lobe)相互影响，从而提升了模糊度。
此外，在该情况下，角分技术的最大禁忌在于复杂性；实际上，这些技术考虑同步使用M个接收器和M个“小”天线(或者分区成M个子块的大天线)，并因此需要高发送功率以实现足够的产品敏感性。
在Ref4中很好地总结了空分概念和角分概念，Ref4在第2部分中记载了：“若干个提议通过将多通道雷达接收器与照射地面上的宽区域的小孔径发送器组合来解决方位分辨率对宽测绘带覆盖的难题。示例是偏斜的多波束SAR…，偏置相位中心天线(DPCA)技术…，方阵SAR系统…，以及高分辨率宽测绘带(HRWS)SAR系统”。
虽然目的不同，但是双向SAR成像模式(BiDi—对于进一步的详情，请参考Ref1)也应当看作角分技术。通过利用相位阵列天线的方位栅瓣或在不同时间工作，该模式同步获取两个不同的图像：一个图像关于前面的场景，而另一图像关于后面的场景。方位角差是时间差的等同概念，即，在不同时间看到的相同场景，并因此可以通过比较图像来识别场景中的移动对象。重要的是，强调该技术期望在方位上以角度分开的两个采集，即，不可以组合两个通道的数据以重构分辨率更高的图像。
在Ref1的结论中，记载了：“BiDi短期序列可以用于改变和速度检测。…在速度测量方面的BiDi成像模式的可能性是未来研究工作的主题。BiDi的其他可能应用包括通过利用间隔宽的多普勒频谱对沿轨道偏置的高准确性测量”。
最后，虽然可以利用不同类型的天线来开发SAR技术，但是提供最大使用灵活性的SAR技术是所谓的“相位阵列”类型，其使得能够快速地切换采集方向。可以使用其他类型的天线，诸如Ref2中描述的天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种条带SAR成像方法，该条带SAR成像方法使得能够实现相对于利用当前的条带类型的SAR采集技术可获得的方位分辨率更好的方位分辨率，并且不受前述缺陷的影响。上述目的通过本发明来实现，只要在涉及如在所附权利要求中所定义的SAR成像方法和SAR系统的范围内。
具体地，根据本发明的SAR成像方法包括：借助于合成孔径雷达来对地球表面的区域执行条带模式下的N个SAR采集，该合成孔径雷达通过空中平台或卫星平台来运输，并且包括单个非分区天线和耦合至所述单个非分区天线的单个接收器，其中，N是大于一的整数。
使用相对于合成孔径雷达的天底的同一预定仰角来执行条带模式下的所有N个SAR采集，使得条带模式下的所述N个SAR采集均与地球表面的同一特定测绘带有关。
使用相对于合成孔径雷达的飞行方向的相应偏离角来执行条带模式下的每个SAR采集，其中，所述相应偏离角与用于执行条带模式下的其他N-1个SAR采集的偏离角不同。
此外，所执行的条带模式下的每个SAR采集包括下述的相应雷达发送和接收操作：
·该相应雷达发送和接收操作单独地或成组地与所执行的条带模式下的其他N-1个SAR采集的单个雷达发送和接收操作或成组的雷达发送和接收操作在时间上交错；以及
·该相应雷达发送和接收操作包括：在由预定俯仰角和用于所述条带模式下的SAR采集的相应偏离角定义的相应采集方向上发送和接收相应雷达波束，从而导致所述相应采集方向彼此平行并且不与所执行的条带模式下的其他N-1个SAR采集的采集方向平行；
特别地，在两个紧接连续的时刻处所执行的并且与条带模式下的两个不同的SAR采集相关的两次雷达发送和接收操作中所发送和接收的雷达波束沿着方位连续，从而相对于经由所执行的条带模式下的N个SAR采集中的任何单个SAR采集能够获得的合并时间(integration time)增加了合并时间。
最后，根据本发明的SAR成像方法还包括：基于所执行的条带模式下的所有N个SAR采集来生成特定测绘带的区域的SAR图像，所述SAR图像具有相对于标称条带方位分辨率增强了高达N倍的方位分辨率，该标称条带方位分辨率等于合成孔径雷达的单个非分区天线的沿着方位方向的物理长度或等效长度的一半。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参照附图(不按比例)来描述通过非限制性示例提供的一些优选实施例，在附图中：
·图1和图2示意性地示出了针对条带模式下的SAR图像的典型采集几何；
·图3示意性示出了针对聚束模式下的SAR图像的典型采集几何；
·图4和图5示意性地示出了根据本发明的第一方面的用于条带模式下的SAR采集的逻辑的示例；
·图6示意性地示出了通过处理使用图4和图5中的用于条带模式下的SAR采集的逻辑而获取的数据的方法；
·图7和图8示出了申请人为了验证根据本发明的所述第一方面的条带模式下的SAR采集的技术而执行的模拟的结果；
·图9和图10示意性地示出了在执行根据本发明的第二方面的条带模式下的SAR采集的技术时应用第一采集策略的效果；以及
·图11和图12示意性地示出了在执行根据本发明的第二方面的条带模式下的SAR采集的技术时应用第二采集策略的效果。
具体实施方式
提供以下描述以使得本领域中的专家能够实施并使用本发明。对所示的实施例的各种修改对专家而言是显而易见的，并且在不背离本发明的保护范围的情况下下，本文中描述的一般原理可以应用于其他实施例和应用。
因此，并非意在将本发明仅仅限制于本文中所描述和示出的实施例，而是本发明应当符合与在本文中公开并且在所附权利要求中限定的原理和特征一致的最宽范围。
本发明源自申请人的以非常规方式来利用SAR传感器中所使用的天线的操纵性能的洞察力。然后，申请人想到了多波束和多时相SAR采集技术，该技术利用SAR传感器在分时方面的发送和接收特性。
特别地，本发明所基于的构思是将条带模式下的SAR采集分成条带模式下的N个元素采集(其中，N>1)，并且将它们组合以获得方位分辨率比利用传统的条带SAR采集技术获得的方位分辨率好N倍的SAR图像。
具体地，本发明的第一方面涉及执行以脉冲重复间隔(PRI)水平而交错的若干个SAR采集，特别是天线的方位采集方向(即，所使用的偏离角)以PRI水平改变的SAR采集，其中该脉冲重复间隔表示两个连续发送的脉冲之间的时间。
详细地，通过使用增大的脉冲重复频率PRF(其中，PRF＝1/PRI)，可以获得分别具有与天线的尺寸兼容的PRF的N个条带采集(以此方式，方位模糊度值不改变)，以使所使用的各种偏离角的总和可以合成具有更大波束的天线(高达N倍)。通过合并N个偏离角并且补偿幅度调制，可以获得具有改善了N倍的方位分辨率的SAR图像(即，相对于L/2的标称条带模式分辨率而小了N倍)。与聚束模式不同，在不“跟随”预定区域的情况下改变天线的方位采集方向，因此，不引入关于测绘带的方位尺寸(azimuth size)的约束。
所使用的PRF比所考虑的天线的自然标称PRF大N倍，也就是说，所使用的PRF具有在小N倍的天线上所采用的PRF的相同值(即，利用传统技术获得相同方位分辨率所需的尺寸)。
优点是：较大的天线使得能够实现对于相同发送功率而言显著更高的敏感度性能、或者针对相同的性能来使用显著更少的发送功率。另外，由于天线较大，所以显著减少了(通过将发送功率除以天线的表面而获得的)发送中的功率密度。使用物理上较大的天线的事实还使得系统更加灵活，这是因为系统与较低的PRF模式兼容并因此与在较低分辨率下的SPOT/STRIP/SCAN采集兼容，但与显著更好的(即，显著较大的)测绘带兼容。
虽然可以在通用整数大于一的情况下使用根据本发明的上述第一方面的条带模式下的SAR采集的技术，但是在下文中，为了简明描述并且不丧失一般性，将针对N＝2来示出示例，应当理解的是，在下文中所说明的关于情况N＝2的概念还适用于在大于一的通用整数N的情况下已作的必要变更。
为了更好地理解本发明的第一方面，图4和图5示意性地示出了在N＝2的情况下根据本发明的所述第一方面的条带模式下的SAR采集的逻辑的示例。
特别地，图4(其中所使用的笛卡尔参考系基本上对应于先前针对图1至图3所引入的参考系)在x-y平面内示出了下述SAR传感器20：
·SAR传感器20配备有单个非分区天线(为了简化图示而未在图4中示出)，该单个非分区天线耦合至单个接收器(为了简化图示而未在图4中示出)并且与给定的标称脉冲重复频率PRFnom相关联；以及
·SAR传感器20通过空中/空间平台(为了简化图示而未在图4中示出)(诸如，例如飞行器、UAV、直升飞机或卫星)沿着飞行方向d沿航程/轨道输送。
在图4中所示的示例中，在操作脉冲重复频率PRFOP为天线的标称脉冲重复频率的两倍(即，PRFOP＝2PRFnom)的情况下使用SAR传感器20，以按时间距离PRIOP＝1/(2PRFnom)来发送连续脉冲。特别地，如图4所示，SAR传感器20用于：
·在第一时刻t1处，沿着第一偏离角在相对于方位方向x(即，相对于飞行方向d)所定向的第一采集方向sr1上发送和接收第一雷达波束；以及
·在第二时刻t2处(其中，t2-t1＝PRIOP)，沿着与偏离角不同的第二偏离角在相对于方位方向x(即，相对于飞行方向d)所定向的第二采集方向sr2上发送和接收第二雷达波束。
详细地，SAR传感器20：
·在第一时刻t1处，执行第一SAR后向采集(即，其中，)；以及
·在第二时刻t2处，执行第二SAR前向采集(即，其中，)。
如图4所示，在两个采集方向sr1和sr2上所发送和接收的两个雷达波束沿着方位连续，以此方式使得能够相对于针对给定天线的传统条带技术的合并时间而增加合并时间(具体地，加倍)。
图4所示的两个SAR采集表示图5中所示的条带模式下的总SAR采集的元素采集，其中，可以看出，如何在以PRI水平进行交错的情况下(也就是说，通过始终使后向SAR采集与前向SAR采集交替，即，通过交替使用第一偏离角和使用第二偏离角)执行一系列后向SAR采集(为了简明描述而在下文中也称为奇采集(odd acquisition))和一系列前向SAR采集(为了简明描述而在下文中也称为偶采集(even acquisition))。如先前所提及的，在紧接连续的时刻处执行的奇采集和偶采集的雷达波束沿着方位连续，以相对于经由针对给定天线的传统条带技术能够获得的合并时间而增加了合并时间(特别地，增大至两倍)。换言之，雷达波束的方位宽度和偏离角的变化是为了保证雷达波束的方位连续性并因此保证合并时间的增加(特别地，加倍)。
在图6示出了表示对使用图5所示的条带模式下的SAR采集的技术所获取的数据进行处理的方法。
特别地，如图6所示，所述处理方法包括：
·将快速傅里叶变换(FFT)应用于从奇采集获得的原始数据(块61)和从偶采集获得的原始数据(块62)，以分别获得第一原始频谱和第二原始频谱；
·基于从奇采集和偶采集获得的原始数据并且方便地也基于天线的标称指向值来估计多普勒质心的值(块63)；
·基于所估计的多普勒质心的值和天线的标称指向值来执行对第一原始频谱(块64)和第二原始频谱(块65)的滤波和频率校准(frequency alignment)，以分别获得在频率上准确定位的第一频谱和在频率上准确定位的第二频谱；
·将幅度调制的均衡应用于在频率上准确定位的第一频谱(块66)和在频率上准确定位的第二频谱(块67)，以分别获得第一均衡频谱和第二均衡频谱；
·对第一均衡频谱与第二均衡频谱进行频率组合(块68)，以获得尺寸为第一原始频谱和第二原始频谱的尺寸的两倍的最终频谱；以及
·基于最终频谱来形成SAR图像(块69)，所述SAR图像的方位分辨率为基于仅从奇采集获得的原始数据或仅从偶采集获得的原始数据而形成的SAR图像的方位分辨率的一半(即，优于两倍)。
重要的是强调下述事实：利用所提出的技术，可以经由与天线的指向的变化关联的标称值来将奇采集和偶采集的多普勒质心的值相关联，并因此改进了多普勒质心的估计。
为了更好地理解根据本发明的第一方面的条带模式下的SAR采集的技术的特性和潜能，假定利用由卫星携载的且具有5.6米的长度的平面天线在X带中的操作(并且总是在N＝2的情况下)，图7和图8示出了由申请人执行的模拟的结果。
特别地，图7示出了关于单个目标的响应的双向模式的强度。如可以从图7中的图中推断，根据发明的第一方面的条带模式下的SAR采集的技术使得能够使SAR传感器在目标上的持续时间加倍(即，使合并时间加倍)(在一般情况下乘以因子N)，并因此使分辨率减半(或者在一般情况下除以因子N)(即，将分辨率提高N倍)。
图8示出了通过模拟间隔2.8米(即，天线尺寸的一半)的两个目标的存在而获得的方位响应。在图8的曲线图中，由于所实现的分辨率显著小于(大约为天线尺寸的一半或大约为天线尺寸的四分之一)传统技术所考虑的值(大约为天线的物理长度或等效长度的一半)，因此两个目标截然不同。
众所周知，描述SAR图像的敏感度特性的参数、从其得到天线的特性以及原理雷达参数(诸如发送功率)的参数是NESZ(噪声等效散射系数(Noise Equivalent SigmaZero))，针对NESE，以下比例定理成立：
其中：
·GT表示发送时的天线增益，
·GR表示接收时的天线增益，
·LP表示由于天线的非理想方向图的合并而引起的损耗，以及
·PT表示发送功率。
如前所述，根据本发明的第一方面的SAR采集的方法使得能够实现相对于利用传统技术能够获得的方位分辨率更好(高达N倍)的针对条带模式下的采集的方位分辨率(大约为天线的物理长度或等效长度的一半)。
现在将在敏感度方面对两个系统之间的差异进行分析，这两个系统具有相同分辨率，但是其中一个系统使用基于使用具有物理长度或等效长度L的一半的长度的天线的传统技术，而另一系统使用根据本发明的第一方面的创新技术并且基于长了N倍(也就是说，具有N×L的长度)的天线的使用。
长了N倍的天线在发送和接收时都导致了增益的N倍增大。如前所述，在处理中所使用的PRF小了N倍，即，使用小了N倍的多个样本来聚焦单个目标。
由于会切点的存在(对此，可以参照例如图7)，相对于传统情况，合并可能稍微较高。然而，取决于天线波束的形状和N的值的该值并不非常大。
总结得到：
其中，NESZinv表示与根据本发明的第一方面的技术相关联的NESZ，并且NESZtrad表示与传统条带技术相关联的NESZ。
因此，利用根据本发明的第一方面的技术，存在产品敏感性的相当大的增加，即，可以检测强度小了N倍的信号。因此，根据本发明的第一方面的所述技术还可以用于减小发送功率，并因此降低技术复杂度。
下表1总结了根据本发明的第一方面的技术相对于传统技术针对在方位分辨率方面的相同性能的优点和缺点。
表1
为了更突出通过使用根据本发明的第一方面的技术获得的相对于传统技术的优点，在下面的表2和表3中列出了针对相同产品性能和俯仰角上的相同大小的比较。
特别地，已通过由申请人假定如下卫星应用获得了以下在表2中所示的数据：其中，卫星高度为大约619Km，天线尺寸在大约1.5m的范围内，分辨率为1m×1m，测绘带宽度大于10Km(根据俯仰角，在13Km与15Km之间)，NESZ为大约-24dBm2/m2以及PRF在9300Hz与10500Hz之间的范围内。
表2
此外，已通过由申请者假定下述卫星应用而获得了以下在表3中所示的数据：其中，卫星高度为大约619Km，天线尺寸在大约1.5m的范围内，分辨率为1.5m×1.5m，测绘带宽度为大约20Km，NESZ为大约-24dBm2/m2，以及PRF在6200Hz与7000Hz之间的范围内。
表3
如可以从在前述表中所示的数据中推断，根据本发明的第一方面的技术使得能够产生或者在任何情况下利用具有度量分辨率的条带产品来显著减少SAR系统的关键区域，并且增加了可以利用已设计的/操作的SAR系统来获得的产品的类型。
如目前已描述的，根据本发明的第一方面的技术使得能够同步获取N个条带图像。特别地，根据本发明的所述第一方面，这些图像是利用不同的偏离角以增大方位分辨率来获得的。
为了不改变图像品质参数，与根据本发明的第一方面的技术一起使用的PRF比天线的自然PRF大。通过增大PRF，可以获得的测绘带范围更小。因此，本发明的第二方面与下述的条带模式下的SAR采集技术有关，该技术不使用增大的PRF，或者在任何情况下不使用增大了N倍的PRF，以控制对产品的效果并且管理所引起的劣化。
特别地，本发明的所述第二方面涉及不以PRI水平进行交错的所谓的突发模式条带技术，即，其中，不通过以PRI水平改变天线的方位采集方向，而是通过以PRI块改变天线的方位采集方向，来执行N个条带采集。
具体地，本发明的第二方面涉及下述的突发模式条带技术：其中，在不增大PRF的情况下通过在PRI块中改变天线的方位采集方向(即，所使用的偏离角)来执行N次条带采集。
根据本发明的第二方面的具有偏离角的变化和未增大的PRF的突发模式条带技术使得能够将方位分辨率提高N倍，而不使测绘带范围劣化，也就是说，不改变测绘带范围的尺寸。特别地，该技术使得能够实现比所使用的天线的物理长度或等效长度的一半小N倍的方位分辨率(即，相对于传统条带技术的方位分辨率好N倍的方位分辨率)。
为了将采集分成两次(在一般情况下的N次)并且假定使用所使用的天线的自然标称PRF，在采集方案中引入了“孔”。如果这些孔不具有周期性特性，则效果将是所有侧瓣的分布式提高，即ISLR(综合旁瓣比)参数劣化，而不是PSLR(峰值旁瓣比)劣化。反之亦然，通过使用针对两种(在一般情况下为N种)类型的采集的周期性执行模式，产生了在已知位置的成对回波。根据需求，可以选择各种解决方案，然后在采集逻辑中应用给定模式。由于将对更低数量的样本进行合并，所以产品将具有受损的NESZ参数。
作为示例，图9和图10示出了利用根据本发明的第二方面的具有未增大的PRF的突发模式条带技术来应用N种类型的采集的周期性执行模式的效果，而图11和图12示出了利用根据本发明的第二方面的具有未增大的PRF的突发模式条带技术来应用N种类型的采集的随机执行模式的效果。
相对于根据本发明的第一方面的技术，根据第二方面的技术引入了较少的技术约束，因为天线波束的切换以相当低的频率发生。
简要地总结，本发明涉及：
·使用增大了N倍的PRF并且以PRI水平而交错使用N个不同偏离角以将方位分辨率提高N倍，即，以获得具有相对于条带模式的标称方位分辨率的数值(条带模式的标称方位分辨率的所述数值，如之前所说明的，等于L/2，其中L表示沿着所使用的SAR天线的方位方向的物理长度或等效长度)小了N倍的数值的方位分辨率；以及
·使用未增大的PRF并且突发使用N个不同偏离角以将方位分辨率提高N倍，即，以获得具有相对于条带模式的标称方位分辨率的数值(即，L/2)小了N倍的数值的方位分辨率。
总之，本发明利用了多波束采集逻辑，该多波束采集逻辑使得能够实现具有与聚束模式的分辨率相当的极限分辨率的条带采集，从而克服了对与天线波束的宽度关联的方位分辨率的约束。本发明还使得能够以更高效的方式管理所辐射的能量，从而减少确保针对产品所设立的敏感度值所需的功率(减少发送时的功率和发送时的功率密度)。
因此，本发明不仅增大了针对已产生的系统的产品的范围，而且尤其是产生了用于设计新SAR系统的新方法。
最后，在已将本发明与传统的聚束模式和条带模式进行比较之后，现在还将描述与先前所描述的高分辨率宽测绘带SAR图像生成的已知技术的主要差异。
具体地，不同于本发明，突发技术(例如，ScanSAR和TOPS)设想了降低方位分辨率以增大测绘带范围。
不同于利用单个接收通道(即，利用单个接收器)起作用的本发明，空分技术(例如，DPC和HRWS)和角分技术(例如，MEB和SPCMB)设想了使用用于同步接收的M个系统并且还设想了使用小天线(通常，天线被分成M个更小的天线)。
在Ref1中描述的BiDi模式具有与移动目标识别(MTI)不同的目的，并因此不具有提高方位分辨率的目的。此外，采集几何与本发明的采集几何不同，并且波束缺乏方位连续性。对此，应当注意的是，如在III C部分和III D部分中明确描述并且在Ref1的图11中清楚示出，用于前向采集和后向采集的雷达波束(在上述的III C部分和III D部分中所描述并且在上述Ref1的图11中示出的特定BiDi模式下)在方位上是间隔开的，而根据本发明，它们是连续的。在确认以上所述时，应当注意的是，Ref1的图11中所示的合并时间是离散的而不是连续的。因此，由于波束沿着方位不连续并因此合并时间也不连续，所以不可以对更大的孔径进行合成，即，不可以获得更长的合并时间(如在本发明中发生的；例如，根据本发明的第一方面，合并时间增大了N倍)，因此，不可以提高方位分辨率。特别地，Ref1的图11中所示的前向采集和后向采集均用来生成具有条带模式的方位的最大标称分辨率(即，L/2)的相应SAR图像，但是不能如在本发明中发生的用于(因为波束沿方位不连续，并且因此，合并时间也不连续)生成具有提高的方位分辨率(即，具有小于L/2的分辨率)的单个SAR图像。通过BiDi模式的终端应用来确定前述考虑。实际上，在Ref1中描述的BiDi模式的应用仅是用于测量目标/场景移动的速度的MTI类型的，并且不考虑如在本发明中所设想的在条带模式下所获取的SAR图像的方位分辨率的增大。
此外，还应当注意的是，Ref2具有天线级实现逻辑并且不像本发明那样具有采集逻辑。另外，如可以从Ref2的图3中推断的，相对于天线的测绘带，采集以相当大的空间间隔开并且具有重复性特性。突发不保证对具有天线的自然频率(PRF)的方位角频谱的连续采样，即，在关于相同测绘带的突发中不存在时间连续性，因此，不同于本发明所设想的方位分辨率，可实现的最佳方位分辨率比条带模式的标称方位分辨率(即，L/2)差。特别地，Ref2的图3中所示的几何是ScanSAR模式的典型几何。
最后，还应当注意的是，Ref3的第5部分提出了ScanSAR模式，即，获取具有在时间上不连续的突发的多个子测绘带范围。突发是顺序性的并且相对于条带模式下可获得的那些突发具有较短的持续时间，因此，与本发明所设想的相反，参照条带模式的标称分辨率(即，L/2)存在方位分辨率的降低。此外，Ref3的图10未示出采集逻辑，而仅描述了可以根据场景的距离来选择的PRF值。特别地，根据Ref3的图10中所示，在范围内的各个区域上设想了同步突发，从而迫使方位分辨率劣化。
总之，清楚的是，可以在不背离如所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下将各种修改应用于本发明。

Claims (7)

1.一种SAR成像方法，包括：借助于合成孔径雷达(20)来对地球表面的区域执行条带模式下的N个SAR采集，所述合成孔径雷达(20)通过空中平台或卫星平台来输送，并且所述合成孔径雷达(20)包括单个非分区天线和耦合至所述单个非分区天线的单个接收器，N为大于一的整数；
其中，所述合成孔径雷达(20)的所述单个非分区天线与标称脉冲重复频率相关联；
其中，使用相对于所述合成孔径雷达(20)的天底的同一预定俯仰角来执行条带模式下的所有N个SAR采集，使得所述条带模式下的N个SAR采集均与地球表面的同一特定测绘带有关；
其中，使用相对于所述合成孔径雷达(20)的飞行方向的相应偏离角来执行条带模式下的每个SAR采集，所述相应偏离角与用于执行条带模式下的其他N-1个SAR采集的偏离角不同；
其中，所执行的条带模式下的每个SAR采集包括下述的相应雷达发送和接收操作：
·所述相应雷达发送和接收操作单独地或成组地与所执行的条带模式下的其他N-1个SAR采集的单个雷达发送和接收操作或成组的雷达发送和接收操作在时间上交错；以及
·所述相应雷达发送和接收操作包括：在由所述预定俯仰角和用于所述条带模式下的SAR采集的相应偏离角定义的相应采集方向上发送和接收相应雷达波束，从而导致所述相应采集方向彼此平行并且不与所执行的条带模式下的其他N-1个SAR采集的采集方向平行；并且；
其中，在两个紧接连续的时刻所执行的并且与条带模式下的两个不同的SAR采集相关的两次雷达发送和接收操作中所发送和接收的雷达波束沿着方位连续，从而相对于经由所执行的条带模式下的N个SAR采集中的任一个SAR采集能够获得的合并时间增加了合并时间；并且
其中，所述雷达发送和接收操作通过以下操作来执行：
·使用比所述标称脉冲重复频率大N倍的操作重复频率；或者
·不增大操作重复频率的情况下改变在脉冲重复间隔块中所使用的偏离角；
所述方法还包括：基于所执行的条带模式下的所有N个SAR采集来生成所述特定测绘带的区域的SAR图像，所述SAR图像具有相对于标称条带方位分辨率增强了高达N倍的方位分辨率，所述标称条带方位分辨率等于所述合成孔径雷达(20)的所述单个非分区天线的沿着所述方位方向的物理长度或等效长度的一半。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所执行的条带模式下的每个SAR采集的所述相应雷达发送和接收操作单独地与所执行的条带模式下的其他N-1个SAR采集的单个雷达发送和接收操作在时间上交错；并且
其中，以等于所述标称脉冲重复频率的N倍的操作重复频率来执行所述雷达发送和接收操作，使得以所述标称脉冲重复频率执行所述条带模式下的N个SAR采集中的每个SAR采集。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，生成SAR图像包括：
·基于从所执行的条带模式下的所有N个SAR采集所获得的原始数据来估计多普勒质心值(块63)；以及
·通过使用所估计的多普勒质心值和表示所述合成孔径雷达(20)的所述单个非分区天线的相应指向的数据来处理从所执行的条带模式下的N个SAR采集中的每个SAR采集获得的原始数据，从而获得N个频谱，所述N个频谱中的每个频谱与所执行的条带模式下的相应SAR采集相关；
·对与所执行的条带模式下的N个SAR采集相关的所述N个频谱进行频率组合，从而获得尺寸为所述N个频谱中的每个频谱的尺寸的N倍的单个最终频谱(块68)，以及
·基于所述最终频谱来生成所述特定测绘带的区域的SAR图像(块69)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，处理从所执行的条带模式下的N个SAR采集中的每个SAR采集获得的原始数据包括：
·针对所执行的条带模式下的每个SAR采集，将快速傅里叶变换应用于从所述SAR采集获得的原始数据，从而获得相应原始频谱(块61和块62)；
·针对所执行的条带模式下的每个SAR采集，基于所估计的多普勒质心值和表示所述合成孔径雷达(20)的所述单个非分区天线的相应指向的数据来执行对所述相应原始频谱的滤波和频率校准，从而获得在频率上准确定位的相应频谱(块64和块65)；以及
·针对所执行的条带模式下的每个SAR采集，将幅度调制的均衡应用于在频率上准确定位的相应频谱，从而获得相应的均衡频谱(块66和块67)；并且
其中，对与所执行的所述条带模式下的N个SAR采集相关的N个频谱进行频率组合包括：对N个均衡频谱进行频率组合(块68)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所执行的条带模式下的每个SAR采集的相应雷达发送和接收操作成组地与所执行的条带模式下的其他N-1个SAR采集的成组的雷达发送和接收操作在时间上交错；并且
其中，以与所述标称脉冲重复频率相当的操作重复频率执行所述雷达发送和接收操作。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，条带模式下的N个不同的SAR采集的成组的雷达发送和接收操作根据周期性交错模式或随机交错模式在时间上交错。
7.一种合成孔径雷达系统(20)，包括：
·单个非分区天线和耦合至所述单个非分区天线的单个接收器；以及
·所述合成孔径雷达系统(20)被配置成执行权利要求1中要求保护的SAR成像方法。
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