CN105223572A

CN105223572A - 一种基于pfa算法的正前视双基sar成像处理方法

Info

Publication number: CN105223572A
Application number: CN201510582465.7A
Authority: CN
Inventors: 李景文; 王岩; 谢祖刚; 郭德明
Original assignee: Beihang University; CETC 14 Research Institute
Current assignee: Beihang University; CETC 14 Research Institute
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2035-09-14
Also published as: CN105223572B

Abstract

本发明公开了一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法，包括读入正前视双基SAR模式回波仿真数据及相应的成像参数、对回波仿真数据在场景中心点进行时域的完全距离徙动补偿、将解线频调后的回波仿真数据在方位向进行去斜处理、将去斜处理后的回波信号进行坐标转换并离散化、将离散化后的信号利用sinc插值依次进行距离向插值和方位向插值、将经过二维插值解耦后的信号进行二维Fourier变换，得到聚焦后的信号。本发明通过对场景中心点进行二维去斜处理，并在处理过程中近似认为微波传输满足远场条件，即波前近似为平面，可以对系统的运动误差具有较好的抵制能力。

Description

一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，特别涉及一种基于PFA(PolarFormatAlgorithm)算法的正前视双基SAR(SyntheticApertureRadar)成像处理方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是一种先进的天基信息获取的有效载荷，是获取信息的一种重要手段。相比光学传感器，合成孔径雷达(SAR)能克服云雾雨雪和夜暗条件的限制对地面目标成像，实现全天时、全天候、高分辨率、大幅面对地观测，在海洋观测、精细农业、环境保护、灾害监测、资源勘查、地质测绘、政府公共决策等方面有着广泛的应用。许多情况下，能够起到其它空间遥感手段无法替代的作用。

然而，传统的单基地机载SAR用于军事侦察时，几乎没有隐蔽性可言，同时，单基地SAR在正前视的情况下，由于多普勒调频率为零，导致目标在整个合成孔径时间内的带宽为零，从而使得单基地SAR无法对正前方的目标进行成像。双基SAR作为多平台SAR中的一种，几何构型非常灵活，由于收发平台的分置，它的距离分辨率和多普勒分辨率的大小和方向由收发双方共同决定，因此可以通过合理设置双基构型，使得某一平台前视时，距离分辨率方向和多普勒分辨率方向仍存在夹角(即仍能构成一个二维分辨单元)，从而可实现前视二维成像。

但是，正前视双基SAR的成像处理与传统的单基SAR模式有着很多的不同，由于双基SAR回波距离历程由收发天线与目标的相对运动共同决定，其距离历程较单站SAR复杂，单基地SAR的经典频域算法或混合域算法均无法适用于双基SAR的成像，同时，正前视双基SAR回波还具有二维空变性，给成像处理带来了更大的难度，因此，如何合理、高效、精确的对正前视双基SAR的回波数据进行成像处理，显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，针对正前视双基SAR回波数据量具有较强的二维空变性等特点，基于传统的单基地SAR的PFA成像算法，提出了一种正前视双基SAR成像处理方法。

一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法，包括以下步骤：

步骤一：读入正前视双基SAR模式回波仿真数据S(τ,t；R_S)以及相应的成像参数，其中，τ为快时间、t为慢时间、R_S为发射平台和接收平台到目标的距离和，具体包括：方位向采样点数N_a，距离向采样点数N_r，信号采样率f_c，信号带宽Bw，脉冲宽度T_p，脉冲重复频率PRF，零时刻发射平台的位置T(x_t,y_t,z_t)和接收平台的位置R(x_r,y_r,z_r)，参考点P的位置(x₀,y₀,0)，发射平台速度接收平台速度信号波长λ，光速c，合成孔径时间T_syn；

步骤二：对回波仿真数据S(τ,t；r)在场景中心点进行时域的完全距离徙动补偿，即解线频调(Dechirp)处理，得到解线频调后的信号S'(τ,t；r)；

步骤三：将解线频调后的回波仿真数据S'(τ,t；r)在方位向进行去斜处理(RVP)，得到去斜处理后的信号S_r1(τ,t；r)；

步骤四：设定正前视双基SAR的成像坐标系，将去斜处理后的回波信号S_r1(τ,t；r)进行坐标转换并离散化，得到离散后的信号S_r2(i,m)，其中i表示距离向采样点序列，m表示方位向采样点序列；

步骤五：将离散化后的信号S_r2(i,m)利用sinc插值依次进行距离向插值和方位向插值，得到二维插值后的信号S_r3(i,m)；

步骤六：将经过二维插值解耦后的信号S_r3(i,m)进行二维Fourier变换，得到聚焦后的信号S_r4(i',m')。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过对场景中心点进行二维去斜处理，并在处理过程中近似认为微波传输满足远场条件，即波前近似为平面，可以对系统的运动误差具有较好的抵制能力。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明所设定的成像坐标系。

图3是本发明步骤五中距离向插值效果示意图。

图4是本发明步骤五中方位向插值效果示意图。

图5是仿真场景设计示意图。

图6是正前视双基SAR点目标成像处理结果。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法，具体流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：读入正前视双基SAR模式回波仿真数据S(τ,t；R_S)以及相应的成像参数，其中，τ为快时间、t为慢时间、R_S为发射平台和接收平台到目标的距离和，具体包括：方位向采样点数N_a，距离向采样点数N_r，信号采样率f_c，信号带宽Bw，脉冲宽度T_p，脉冲重复频率PRF，零时刻发射平台的位置T(x_t,y_t,z_t)和接收平台的位置R(x_r,y_r,z_r)，其中，x_t、y_t和z_t为发射机在直角坐标系中的位置，x_r、y_r和z_r为接收机在直角坐标系中的位置。参考点P的位置(x₀,y₀,0)，其中x₀,y₀为参考点在直角坐标系下的位置。发射平台速度接收平台速度信号波长λ，光速c；

具体为：将回波仿真数据S(τ,t；r)乘以补偿滤波函数H₁(τ,t)，得到解线频调后的信号S'(τ,t；r)，补偿滤波函数H₁(τ,t)为：

H_{1} (τ, t) = r e c t [\frac{t - t_{c}}{T_{s y n}}] \exp {j \frac{2 {πf}_{c} R_{S}}{c}} \exp {- j π γ {(τ - \frac{R_{S}}{c})}^{2}} - - - (1)

其中：T_syn是合成孔径时间，t_c为合成孔径中心时刻，γ为距离向调频率。

步骤三：将解线频调后的回波仿真数据S'(τ,t；r)在方位向进行去斜处理，得到去斜处理后的信号S_r1(τ,t；r)；

具体为：

(a)对回波仿真数据S'(τ,t；r)进行去斜处理，去斜处理后的信号在方位向进行傅里叶变换，得到距离多普勒域信号；

(b)距离多普勒域信号再乘以Dechirp参考函数H₂(f_τ,t)，得到方位向去斜处理后的信号S′_i(τ,t；r)，Dechirp参考函数H₂(f_τ,t)为：

H_{2} (f_{τ}, t) = \exp {- j π \frac{f_{τ}^{2}}{γ}} - - - (2)

其中：f_τ为快时间对应的频率，γ为距离向调频率；

(c)方位向去斜处理后的信号S′_i(τ,t；r)在方位向进行傅里叶变换，得到去斜处理后的时域信号S_r1(τ,t；r)。

具体为：

(a)设定正前视双基SAR的成像坐标系，场景中心为原点，YS轴指向距离向方向，ZS轴指向上方，XS轴为原点与YS轴、ZS轴以右手定则确定。图2所示为直角坐标系和所设定的成像坐标系之间的转换示意图，其中，X，Y，Z为直角坐标系下的三轴，Ω为Y_S轴与X轴夹角，为Ys轴与中心时刻发射机与场景中心斜距在地面的投影方向夹角，为Ys轴与中心时刻接收机与场景中心斜距在地面的投影方向夹角。

(b)将去斜处理后的回波信号S_r1(τ,t；r)进行坐标转换并离散化，得到离散后的信号S_r2(i,m)。

具体为：

(a)对离散化后的信号S_r2(i,m)进行距离向插值，得到经过距离向插值后的信号，图3表示距离向插值后的效果。其中，目标插值序列的选取如下：

K_Ysref(i)＝max(K_Ys(1,m))+ΔK_Ysrefi,(i＝1,...,N_r,,m＝1,...,N_a)(3)

式中：

{ΔK}_{Y s r e f} = \frac{m i n (K_{Y s} (N_{r}, m)) - m a x (K_{Y s} (1, m))}{N_{r} - 1}

K_{Y s} (i, m) = K (i) [\begin{matrix} - c o s Ω (\frac{x_{T} (m)}{\sqrt{x_{T}^{2} (m) + y_{T}^{2} (m) + z_{T}^{2} (m)}} + \frac{x_{R} (m)}{\sqrt{x_{R}^{2} (m) + y_{R}^{2} (m) + z_{R}^{2} (m)}}) \\ - s i n Ω (\frac{y_{T} (m)}{\sqrt{x_{T}^{2} (m) + y_{T}^{2} (m) + z_{T}^{2} (m)}} + \frac{y_{R} (m)}{\sqrt{x_{R}^{2} (m) + y_{R}^{2} (m) + z_{R}^{2} (m)}}) \end{matrix}]

式中：Ω为Y_S轴与X轴夹角，i为离散化后距离向采样点序列i，m为离散化后方位向采样点序列用。

(b)对经过距离向插值后的信号进行方位向插值，得到经过方位向插值后的信号，即二维插值后的信号S_r3(i,m)，图4表示方位向插值后的效果。其中，目标插值序列的选取如下：

K_Xsref(m)＝K_Xsref(1)+ΔK_Xsrefm,(m＝1,...,N_a)(4)

式中：

{ΔK}_{X s r e f} = \frac{K_{Y s r e f} (1) \frac{K_{X s} (1, N_{a})}{K_{Y s} (1, N_{a})} - K_{Y s r e f} (1) \frac{K_{X s} (1, 1)}{K_{Y s} (1, 1)}}{N_{a} - 1}

K_{X s} (i, m) = K (i) [\begin{matrix} - s i n Ω (\frac{x_{T} (m)}{\sqrt{x_{T}^{2} (m) + y_{T}^{2} (m) + z_{T}^{2} (m)}} + \frac{x_{R} (m)}{\sqrt{x_{R}^{2} (m) + y_{R}^{2} (m) + z_{R}^{2} (m)}}) \\ + c o s Ω (\frac{y_{T} (m)}{\sqrt{x_{T}^{2} (m) + y_{T}^{2} (m) + z_{T}^{2} (m)}} + \frac{y_{R} (m)}{\sqrt{x_{R}^{2} (m) + y_{R}^{2} (m) + z_{R}^{2} (m)}}) \end{matrix}]

实施例：

本发明的一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法，具体为：

步骤一：读入正前视双基SAR模式回波仿真数据S(τ,t；R_S)以及相应的成像参数，包括:方位向采样点数N_a＝4096，距离向采样点数N_r＝4096，信号采样率f_c＝15GHz，信号带宽Bw＝180MHz，脉冲宽度τ＝3.5us，脉冲重复频率PRF＝500Hz，零时刻发射平台的位置T＝(-40000,0,6000)和接收平台的位置R＝(0,-50000,6000)，参考点P的位置(0,0,0)，发射平台速度接收平台速度信号波长λ＝0.02m，光速c＝3×10⁸m/s，合成孔径时间T_syn＝6s；

步骤二：对回波仿真数据S(τ,t；r)在场景中心点进行时域的完全距离徙动补偿，即解线频调(Dechirp)处理，得到解线频调后的信号S'(τ,t；r)；方法如公式(1)所示；

(a)对解线频调后的信号在方位向进行傅里叶变换；

(b)再乘以Dechirp参考函数；

方法如公式(4)所示；

(c)对去斜处理hoist的信号在方位向进行傅里叶逆变换；

步骤四：设定正前视双基SAR的成像坐标系，将去斜处理后的回波信号S_r1(τ,t；r)进行坐标转换并离散化，得到离散后的信号S_r2(i,m)，其中i表示距离向采样点序列，m表示方位向采样点序列；：

(a)依据图2所设的成像坐标系统对去斜后的信号进行坐标转换；

(b)将转换后的信号进行离散化处理，得到离散后的信号

(a)对离散化后的信号进行距离向插值；

目标插值序列的选取如公式(3)所示；

(b)对距离向插值后的信号进行方位向插值；

目标插值序列的选取如公式(4)所示；

为了说明该方法的有效性，进行如下仿真实验，场景设置为3×3点阵如图5所示，设置点目标O为场景中心点。成像参数如表1所示。

表1成像参数

利用本发明的方法进行成像处理并对成像质量进行评估。成像结果如图6所示，其中垂直方向为方位向，水平方向为距离向。表2详细的给出了各点目标在距离向的峰值旁瓣比和积分旁瓣比以及距离向和方位向的分辨率信息。评估结果表明各点目标的峰值旁瓣比和积分旁瓣比都和理论值较为接近，从而验证可本发明的有效性和准确性。

表2点目标距离向成像质量评估结果

本发明提供了一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法。该方法主要用于接收机正前视的双基SAR模式，针对其SAR回波数据具有二维空变性的特点，提出了一种正前视双基SAR成像处理方法。

Claims

1.一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法，包括以下步骤：

步骤一：读入正前视双基SAR模式回波仿真数据S(τ,t；R_S)以及相应的成像参数，其中，τ为快时间、t为慢时间、R_S为发射平台和接收平台到目标的距离和，具体包括：方位向采样点数N_a，距离向采样点数N_r，信号采样率f_c，信号带宽Bw，脉冲宽度T_p，脉冲重复频率PRF，零时刻发射平台的位置T(x_t,y_t,z_t)和接收平台的位置R(x_r,y_r,z_r)，其中，x_t、y_t和z_t为发射机在直角坐标系中的位置，x_r、y_r和z_r为接收机在直角坐标系中的位置；参考点P的位置(x₀,y₀,0)，其中x₀,y₀为参考点在直角坐标系下的位置；发射平台速度接收平台速度信号波长λ，光速c；

步骤二：对回波仿真数据S(τ,t；r)在场景中心点进行时域的完全距离徙动补偿，即解线频调Dechirp处理，得到解线频调后的信号S'(τ,t；r)；

2.根据权利要求1所述的一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法，所述的步骤二具体为：

将回波仿真数据S(τ,t；r)乘以补偿滤波函数H₁(τ,t)，得到解线频调后的信号S'(τ,t；r)，补偿滤波函数H₁(τ,t)为：

H_{1} (τ, t) = r e c t [\frac{t - t_{c}}{T_{s y n}}] \exp {j \frac{2 {πf}_{c} R_{S}}{c}} \exp {- j π γ {(τ - \frac{R_{S}}{c})}^{2}} - - - (1)

3.根据权利要求1所述的一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法，所述的步骤三具体包括：

(b)距离多普勒域信号再乘以Dechirp参考函数H₂(f_τ,t)，得到方位向去斜处理后的信号S_i'(τ,t；r)，Dechirp参考函数H₂(f_τ,t)为：

H_{2} (f_{τ}, t) = \exp {- j π \frac{f_{τ}^{2}}{γ}} - - - (2)

其中：f_τ为快时间对应的频率，γ为距离向调频率；

(c)方位向去斜处理后的信号S_i'(τ,t；r)在方位向进行傅里叶变换，得到去斜处理后的时域信号S_r1(τ,t；r)。

4.根据权利要求1所述的一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法，所述的步骤四具体包括：

(a)设定正前视双基SAR的成像坐标系，场景中心为原点，YS轴指向距离向方向，ZS轴指向上方，XS轴为原点与YS轴、ZS轴以右手定则确定；

5.根据权利要求1所述的一种基于PFA算法的正前视双基SAR成像处理方法，所述的步骤五具体包括：

具体为：

(a)对离散化后的信号S_r2(i,m)进行距离向插值，得到经过距离向插值后的信号，目标插值序列的选取如下：

K_Ysref(i)＝max(K_Ys(1,m))+ΔK_Ysrefi(3)

式中：i＝1,...,N_r,,m＝1,...,N_a；

{ΔK}_{Y s r e f} = \frac{\min (K_{Y s} (N_{r}, m)) - m a x (K_{Y s} (1, m))}{N_{r} - 1}

K_{Y s} (i, m) = K (i) [\begin{matrix} - c o s Ω (\frac{x_{T} (m)}{\sqrt{x_{T}^{2} (m) + y_{T}^{2} (m) + z_{T}^{2} (m)}} + \frac{x_{R} (m)}{\sqrt{x_{R}^{2} (m) + y_{R}^{2} (m) + z_{R}^{2} (m)}}) \\ - s i n Ω (\frac{y_{T} (m)}{\sqrt{x_{T}^{2} (m) + y_{T}^{2} (m) + z_{T}^{2} (m)}} + \frac{y_{R} (m)}{\sqrt{x_{R}^{2} (m) + y_{R}^{2} (m) + z_{R}^{2} (m)}}) \end{matrix}]

式中：Ω为Y_S轴与X轴夹角，i为离散化后距离向采样点序列i，m为离散化后方位向采样点序列用；

(b)对经过距离向插值后的信号进行方位向插值，得到经过方位向插值后的信号，即二维插值后的信号S_r3(i,m)，目标插值序列的选取如下：

K_Xsref(m)＝K_Xsref(1)+ΔK_Xsrefm(4)

式中：m＝1,...,N_a；

{ΔK}_{X s r e f} = \frac{K_{Y s r e f} (1) \frac{K_{X s} (1, N_{a})}{K_{Y s} (1, N_{a})} - K_{Y s r e f} (1) \frac{K_{X s} (1, 1)}{K_{Y s} (1, 1)}}{N_{a} - 1}

K_{x s} (i, m) = K (i) [\begin{matrix} - s i n Ω (\frac{x_{T} (m)}{\sqrt{x_{T}^{2} (m) + y_{T}^{2} (m) + z_{T}^{2} (m)}} + \frac{x_{R} (m)}{\sqrt{x_{R}^{2} (m) + y_{R}^{2} (m) + z_{R}^{2} (m)}}) \\ + c o s Ω (\frac{y_{T} (m)}{\sqrt{x_{T}^{2} (m) + y_{T}^{2} (m) + z_{T}^{2} (m)}} + \frac{y_{R} (m)}{\sqrt{x_{R}^{2} (m) + y_{R}^{2} (m) + z_{R}^{2} (m)}}) \end{matrix}]