CN106443670A - 一种非匀速大斜视cs成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非匀速大斜视CS成像方法，在传统时域走动校正CS成像方法基础上，通过对非匀速信号模型分析，通过引入速度序列和三次校正函数，消除了平台非匀速运动对成像结果的影响。本发明不仅可以得到较高的成像分辨率，并且由于不存在插值运算，处理的复杂度较低，适用于各种小型平台SAR成像。

Description

一种非匀速大斜视CS成像方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达(SAR)成像领域，具体涉及一种非匀速条件下大斜视条件下的时域走动校正Chirp Scaling(CS)成像方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)成像具有远距离、全天时、全天候、和穿透性强等优点，尤其是大斜视SAR成像可以灵活的改变波束指向，对战场前方区域进行高分辨成像，不仅极大地增强了战场信息的获取能力，而且可以为无人机和巡航导弹提供地形匹配导航和SAR图像制导，具有很高的应用价值。但无人机和巡航导弹等小型平台因为机体较小，容易受气象条件的影响使速度发生变化，使得回波数据沿方位向采样不均匀，影响成像效果。

时域校正距离走动的CS成像方法可以处理大斜视SAR数据，但该方法在非匀速情况下会失效。内插阵列变换和非均匀傅立叶变换(NUFFT)等方法对速度变化的校正较为精确，但这些方法由于需要复杂的矩阵和插值运算，处理的复杂度较高复杂，运算速率较低。

本发明在对非匀速大斜视SAR回波信号模型分析的基础上，针对非匀速情况对传统的时域校正距离走动的CS成像方法进行了改进。可以较好的处理非匀速大斜视条件下的SAR成像问题。

传统的时域校正距离走动的CS成像方法为：

步骤1：将回波信号进行距离向FFT，然后乘以走动校正函数，函数表达式为：

其中θ是斜视角，V是雷达平台移动速度，t_a是方位向时间，f_r为距离向频率，f_a为方位向频率，f_c为发射信号载频。

步骤2：将走动校正后的信号进行距离向IFFT和方位向FFT，乘以调频变标(CS)函数，函数表达式为：

其中α表示某一个距离徙动轨迹的时延差，表达式为α＝[1/d(f_a)-1]，t_r为距离向时间，K_m＝1/K_r+K_SRC，K_r是发射信号调频率，K_SRC为二次距离压缩的调频率，表达式为：

R_ref为参考距离，一般选为场景中心距离；

步骤3：将调频变标后的信号进行距离向FFT，然后乘以距离徙动校正和距离压缩函数，函数表达式为：

步骤4：将进行过上述步骤后的信号进行距离向IFFT，然后乘以方位压缩和残余相位补偿函数，函数表达式为：

其中Θ(f_a)为残余相位，表达式为：

步骤5：最后将信号进行方位向IFFT，即完成了整个成像过程。

时域校正距离走动的CS成像方法可以处理斜视SAR回波信号，并且可以有效消除信号空变性对于成像结果的影响。但是在低载频和大斜视角下成像结果会发生非对称畸变，且无法处理平台非匀速运动时的回波信号，而传统的速度补偿方法一般需要插值运算，计算量较大。

发明内容

要解决的技术问题

为了克服传统时域校正距离走动CS成像方法在大斜视角下的畸变以及无法处理平台非匀速运动时的回波信号的缺点。本发明在对非匀速大斜视SAR回波模型的分析基础上，提出了一种新的非匀速大斜视CS成像方法。

技术方案

一种非匀速大斜视CS成像方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将一个合成孔径长度内的所有方位采样点的瞬时速度生成一个速度序列V＝[V₁ V₂ … V_N]，其中N为方位采样点数；

步骤2：将回波信号进行距离向FFT，然后乘以走动校正函数，所述的走动校正函数表达式为：

其中θ是斜视角，V是速度序列，t_a是方位向时间，f_r为距离向频率，f_a为方位向频率，f_c为发射信号载频，c表示光速；

步骤3：将走动校正后的回波信号进行方位向FFT，在二维频域乘以三次相位因子，所述的三次相位因子表达式为：

其中β主要由合成孔径中心两侧速度变化范围2δV和方位向理论分辨率ρ_a决定，表达式为β≈80δV+0.2ρ_a，其中δV为合成孔径中心速度两侧的平均速度与中心速度的比值，表达式为：

ρ_a与发射信号波长λ、中心斜距R₀、合成孔径长度L_a和斜视角θ有关，表达式为：

步骤4：将走动校正后的信号进行距离向IFFT，乘以调频变标CS函数，所述的CS函数表达式为：

其中R_ref为参考距离，一般选为场景中心距离；α表示某一个距离徙动轨迹的时延差，表达式为α＝[1/d(f_a)-1]，t_r为距离向时间，K_m＝1/K_r+K_SRC，K_r是发射信号调频率，K_SRC为二次距离压缩的调频率，表达式为：

步骤5：将调频变标后的信号进行距离向FFT，然后乘以距离徙动校正和距离压缩函数，所述的距离徙动校正和距离压缩函数表达式为：

步骤6：对步骤5得到的信号进行距离向IFFT，然后乘以方位压缩和残余相位补偿函数，所述的方位压缩和残余相位补偿函数表达式为：

其中Θ(f_a)为残余相位，表达式为：

步骤7：将步骤6得到的信号进行方位向IFFT，即完成了整个成像过程。

有益效果

本发明提出的一种非匀速大斜视CS成像方法，在传统时域走动校正CS成像方法基础上，通过对非匀速信号模型分析，通过引入速度序列和三次校正函数，消除了平台非匀速运动对成像结果的影响。本发明不仅可以得到较高的成像分辨率，并且由于不存在插值运算，处理的复杂度较低，适用于各种小型平台SAR成像。

附图说明

图1是斜视SAR成像示意图。

图2是实时采样速度序列示意图。

图3是非匀速条件下的时域走动校正CS方法流程图。

图4是传统时域走动校正CS成像方法在非匀速条件下成像结果。

图5本发明在非匀速条件下成像结果。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

步骤1：将实时采样速度生成序列引入信号模型和处理流程。如图2所示，如果雷达为非匀速运动，则每一个方位采样点的瞬时速度非定值。将一个合成孔径长度内的所有方位采样点的瞬时速度生成一个速度序列，设方位采样点数为N，则速度序列V＝[V₁ V₂ …V_N]。将其替换信号模型以及后续处理中所有补偿和校正函数中的速度常数V，即完成实时采样速度序列的引入。

步骤2：将回波信号进行距离向FFT，然后乘以走动校正函数，函数表达式为：

其中θ是斜视角，V是速度序列，t_a是方位向时间，f_a为方位向频率，c＝3×10⁸表示光速，f_c为发射信号载频，根据雷达系统实际工作情况而定，f_r为距离向频率：

N_x为距离采样点数，dx＝4*X/N_x/c，X是距离向场景宽度。

步骤3：将走动校正后的回波信号进行方位向FFT，在二维频域乘以三次相位因子，三次相位因子表达式为：

N_y为距离采样点数，dy＝2*Y/N_y/V'，Y是距离向场景宽度。V′为平台位于合成孔径中心时的速度。

β主要由合成孔径中心两侧速度变化范围2δV和方位向理论分辨率ρ_a决定，表达式为β≈80δV+0.2ρ_a其中δV为合成孔径中心速度两侧的平均速度与中心速度的比值，表达式为：

ρ_a与发射信号波长λ、中心斜距R₀、合成孔径长度L_a和斜视角θ有关，表达式为：

步骤4：将走动校正后的信号进行距离向IFFT，乘以调频变标(CS)函数，函数表达式为：

其中α表示某一个距离徙动轨迹的时延差，表达式为α＝[1/d(f_a)-1]，t_r为距离向时间，K_m＝1/K_r+K_SRC，K_r是发射信号调频率，K_SRC为二次距离压缩的调频率，表达式为：

R_ref为参考距离，一般选为场景中心距离；

步骤5：将调频变标后的信号进行距离向FFT，然后乘以距离徙动校正和距离压缩函数，函数表达式为：

步骤6：将进行过上述步骤后的信号进行距离向IFFT，然后乘以方位压缩和残余相位补偿函数，函数表达式为：

其中Θ(f_a)为残余相位，表达式为：

步骤7：最后将信号进行方位向IFFT，即完成了整个成像过程。

图4和图5分别采用传统的时域走动校正CS成像方法和本发明中针对非匀速改进的时域走动校正CS成像方法对非匀速大斜视SAR回波信号进行成像。该回波信号斜视角为60°，速度为200±20m/s，雷达平台据点目标中心斜距5000m，载频为5GHz。由图4可以看出传统成像方法只能对距离向进行一定压缩，而方位向由于速度变化而完全散焦。本发明的成像方法通过对速度变化的补偿，距离向和方位向均可以良好聚焦。说明了本方法适用于非匀速大斜视SAR成像。

成像速度对比

CPU:AMD Athlon(tm)Processor LE-1660 2.8Ghz

内存：4G

操作系统：windows 7(64位)

软件：Matlab 2013a

1024x1024数据成像时间：本发明方法4.68s；基于方位向非均匀快速傅立叶变换的chirp scaling成像方法9.31s。

Claims (1)

1.一种非匀速大斜视CS成像方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将一个合成孔径长度内的所有方位采样点的瞬时速度生成一个速度序列V＝[V₁V₂…V_N]，其中N为方位采样点数；

步骤2：将回波信号进行距离向FFT，然后乘以走动校正函数，所述的走动校正函数表达式为：

$H_1=\exp \[j4\mathrm{\π}\frac{{\mathrm{sin\θVt}}_a}{c}(f_r+f_c)\]$

其中θ是斜视角，V是速度序列，t_a是方位向时间，f_r为距离向频率，f_a为方位向频率，f_c为发射信号载频，c表示光速；

步骤3：将走动校正后的回波信号进行方位向FFT，在二维频域乘以三次相位因子，所述的三次相位因子表达式为：

$H_2=\exp \{-j\mathrm{\π}(1+\mathrm{\β})\frac{R_0{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{sin\θf}}_a}{4V^3{\cos }^4\mathrm{\θ}d{\left(f_a\right)}^3}\}$

其中β主要由合成孔径中心两侧速度变化范围2δV和方位向理论分辨率ρ_a决定，表达式为β≈80δV+0.2ρ_a，其中δV为合成孔径中心速度两侧的平均速度与中心速度的比值，表达式为：

$\mathrm{\δ}V=\frac{2\underset{i=N/2+1}{\overset{N}{\Σ}}Vcos\mathrm{\θ}-\underset{i=1}{\overset{N/2}{\Σ}}Vcos\mathrm{\θ}}{{\mathrm{NV}}_{N/2}}$

ρ_a与发射信号波长λ、中心斜距R₀、合成孔径长度L_a和斜视角θ有关，表达式为：

${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{{\mathrm{\λR}}_0}{2L_{a}cos\mathrm{\θ}}$

步骤4：将走动校正后的信号进行距离向IFFT，乘以调频变标CS函数，所述的CS函数表达式为：

$H_3=\exp \left\{{\mathrm{j\πK}}_m\mathrm{\α}{\[t_r-\frac{2(R_{ref}-{\mathrm{\αR}}_{ref})}{c}\]}^2\right\}$

其中R_ref为参考距离，一般选为场景中心距离；α表示某一个距离徙动轨迹的时延差，表达式为α＝[1/d(f_a)-1]，t_r为距离向时间，K_m＝1/K_r+K_SRC，K_r是发射信号调频率，K_SRC为二次距离压缩的调频率，表达式为：

$K_{SRC}=\frac{2{\mathrm{\πR}}_0\mathrm{\λ}{(f_a\mathrm{\λ}/2Vcos\mathrm{\θ})}^2}{c^{2}d{\left(f_a\right)}^3}$

步骤5：将调频变标后的信号进行距离向FFT，然后乘以距离徙动校正和距离压缩函数，所述的距离徙动校正和距离压缩函数表达式为：

$H_4=\exp \left\{j\mathrm{\π}\frac{4{\mathrm{\αR}}_{ref}}{c}{f}_r\right\}\·\exp \left\{\frac{f_r^2}{K_m(1+\mathrm{\α})}\right\}$

步骤6：对步骤5得到的信号进行距离向IFFT，然后乘以方位压缩和残余相位补偿函数，所述的方位压缩和残余相位补偿函数表达式为：

$H_5=\exp \{-j\frac{4{\mathrm{\πR}}_{0}d\left(f_a\right)}{\mathrm{\λ}}\}\·\exp \{-j\mathrm{\Θ}\left(f_a\right)\}$

其中Θ(f_a)为残余相位，表达式为：

$\mathrm{\Θ}\left(f_a\right)=\frac{4{\mathrm{\πK}}_m\mathrm{\α}(1+\mathrm{\α}){(R_0-R_{ref})}^2}{c^2}$

步骤7：将步骤6得到的信号进行方位向IFFT，即完成了整个成像过程。