CN106932778A - 方位多通道fmcw sar滑动聚束成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方位多通道FMCW SAR滑动聚束成像方法，包括：利用一个通道发射调频连续波信号，方位向M个通道同时接收，获得M路方位向欠采样的调频连续波滑动聚束SAR回波信号；对每路回波数据在方位向进行Deramping操作，消除多普勒中心随时间的变化；对Deramping操作之后的M路回波数据进行方位向重构获得一路回波数据；对方位重构之后的回波数据进行频域补零和Ramping操作，得到无混叠的场景回波信号；对获得的无混叠回波信号进行成像处理得到聚焦的SAR图像。

Description

方位多通道FMCW SAR滑动聚束成像方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达成像技术领域，尤其涉及一种方位多通道FMCW SAR滑动聚束成像方法。

背景技术

合成孔径雷达是一种主动微波遥感设备，能够全天时、全天候地实现对地观测，在国民经济与军事应用的诸多领域都发挥着重要的作用。

FMCW SAR由于其体积小、重量轻、分辨率高和成本低而在军用和民用领域备受青睐，世界各国纷纷开始了FMCW SAR系统的研制。多套机载FMCW SAR系统得到了成功研制并进行了试验验证。2009年，荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)、TNO(荷兰国家应用科学研究所)、SSBV公司等单位率先提出了星载FMCW SAR系统Panel SAR。

在星载条件下，更大的作用距离给系统提出了更高的要求。为了保证系统性能，在机载FMCW SAR的基础上，星载FMCW SAR需要对系统参数进行调整。提高发射功率、增大天线面积都是保证FMCW SAR系统信噪比的有效手段。但是提高发射功率对器件的要求大为增加，而且增加了系统的成本和功耗。增加天线面积可以提高天线的放大增益，但这样一方面会限制方位向的分辨率，另外一方面也会限制成像的测绘带宽度。同时，星载条件下，平台速度较快，需要较高的PRF以避免高方位向分辨率情况下的频谱混叠。方位多通道技术可以有效的解决上述问题，在避免方位频谱混叠的情况下，降低系统PRF并增加系统接收增益。但是方位多通道系统往往存在方位向非均匀采样的问题，需要进行方位多通道重构以保证成像质量。

滑动聚束作为一种介于条带与聚束模式之间的工作模式，具有在方位分辨率和方位测绘带范围之间灵活折中的优点，在满足方位测绘带范围的前提下可以进一步提高系统的方位分辨率。传统条带模式的多通道重建算法将各通道数据经过重构滤波器后直接叠加，等效PRF稍大于场景的多普勒带宽。而滑动聚束模式的波束主动扫描导致其场景多普勒带宽远大于瞬时多普勒带宽，若直接采用条带模式的重建算法会出现频谱混叠。

发明内容

本发明解决的问题是现有星载FMCW SAR系统成像质量低；为解决所述问题，本发明提供方位多通道FMCW SAR滑动聚束成像方法。

方位向多通道FMCW SAR滑动聚束成像方法包括：步骤一、方位向M个通道同时接收调频连续波信号，获得M路方位向欠采样的调频连续波滑动聚束SAR回波数据；

步骤二、对每路回波数据在方位向进行Deramping操作，参考函数表示为：其中为多普勒中心的调频率，V为平台运动速度，η为方位向时间，Δx_m为第m个接收通道与发射天线之间的距离；

步骤三、对Deramping操作之后的回波数据进行重构；

步骤四、对重构之后的回波数据进行频域补零和Ramping操作，操作函数为：H_ramp＝exp[jπK_rotη²]；

步骤五、对Ramping操作后的回波信号进行成像处理。

进一步，所述M路方位向欠采样的调频连续波滑动聚束SAR回波数据表示为：

其中σ(r₀,η₀)为目标后向散射系数，t为距离快时间，T_spot为合成孔径时间，η_start为观测的起始时间，η_end为观测的结束时间，f_c为发射信号中心频率，K_r为距离向调频率，τ_c＝2R_ref/c为平台到参考距离R_ref的往返时间，τ_d＝2R_m(t,η,r₀)/c为第m个通道到目标的往返时间，其中R_m(t,η,r₀)表示为：

进一步，所述步骤三包括：

步骤3.1、将回波数据进行方位向傅里叶变换，将信号变换到多普勒域；

步骤3.2、方位向各个通道的回波数据乘以重构滤波器，重构滤波器为：P(f_a)＝H^-1(f_a)，，

为第m个通道的传递函数，f_a为多普勒频率。

进一步，所述步骤五包括：

步骤5.1、将步骤4的输出乘以H₁(t,f_a)＝exp[-j2πf_at+jπK_rt²(1-β(f_a)²)]，完成多普勒频移校正及距离徙动空变性校正，其中λ为信号波长，v为平台运动速度；

步骤5.2、经过步骤5.1处理后的数据变换到距离频率域，乘以相位函数其中f_r为距离向频率。之后再将信号变换到距离时间域；

步骤5.3、将步骤5.2处理后的数据乘以H₃(t,f_a)＝exp[jπK_rt²(β(f_a)²-β(f_a))]；

步骤5.4、将步骤5.3处理后的数据乘以

步骤5.5，将步骤5.4处理后的数据乘以之后再乘以

步骤5.6、将步骤5.5处理后的数据乘以

本发明的优点包括：

在利用多个方位接收通道突破方位向分辨率对雷达接收天线孔径的限制条件、保证系统高分辨并获得高天线增益的前提下，实现多通道重构并完成滑动聚束成像处理。

附图说明

图1为方位多通道FMCW SAR滑动聚束成像方法流程示意图；

图2(a)、(b)、(c)分别为仿真得到的使用本发明所提供的方位多通道FMCW SAR滑动聚束成像方法成像结果的俯视图，距离向剖面图和方位向剖面图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质做进一步阐述。

如图1所示，本发明提供的方位多通道FMCW SAR滑动聚束成像方法包括：

步骤一、利用一个通道发射调频连续波信号，方位向M个通道同时接收，M为任意整数，获得M路方位向欠采样的调频连续波滑动聚束SAR回波信号；

获得的M路方位向欠采样的调频连续波滑动聚束SAR回波信号可以表示为：

其中t为距离快时间，η为方位向时间，T_spot为合成孔径时间，η_start为观测的起始时间，η_end为观测的结束时间，f_c为发射信号中心频率，K_r为距离向调频率，τ_c＝2R_ref/c为平台到参考距离R_ref的往返时间，参考距离R_ref为经验值，τ_d＝2R_m(t,η,r₀)/c为第m个通道到目标的往返时间，其中R_m(t,η,r₀)可以表示为：

其中V为平台运动速度，△x_m为第m个接收通道与发射天线之间的距离。

步骤二、对每路回波数据在方位向进行Deramping操作，消除多普勒中心随时间的变化；参考函数可以表示为：

其中为多普勒中心的调频率。

步骤三、对Deramping操作之后的M路回波数据进行方位向多通道重构处理，获得消除多普勒混叠的等效单通道回波数据，具体包括

步骤3.1、将各个通道的回波进行方位向傅里叶变换，将信号变换到多普勒域，得到第m个通道的传递函数：

f_a为多普勒频率。

则Deramping操作之后的多通道滑动聚束系统传递矩阵可以表示为：

其中，

步骤3.2、方位向各个通道的回波数据乘以重构滤波器，并将各个通道所得结果对应相加，得到消除多普勒混叠的等效单通道回波信号频谱。

其中，重构滤波器可以表示为：

P(f_a)＝H^-1(f_a)

步骤四、对方位重构之后的回波数据进行频域补零和Ramping操作，得到无混叠的场景回波信号。

其中Ramping操作函数可以表示为：

H_ramp＝exp[jπK_rotη²]

步骤五、对获得的无混叠回波信号进行成像处理得到聚焦的SAR图像；包括：

步骤5.1、多普勒频移校正及距离徙动空变性的校正(频率变标)，参考函数可以表示为：

H₁(t,f_a)＝exp[-j2πf_at+jπK_rt²(1-β(f_a)²)]

步骤5.2、经过第一步处理后的数据变换到距离频率域，乘以相位函数

即可完成残余视频相位的校正，之后重新将信号变换到距离时间域。

步骤5.3、在距离时域、方位频域乘以参考函数

H₃(t,f_a)＝exp[jπK_rt²(β(f_a)²-β(f_a))]

完成逆频率变标。

步骤5.4、乘以参考函数

完成二次距离压缩。

步骤5.5、乘以参考函数

完成距离徙动校正，将二次距离脉压、距离徙动校正后的数据变换到距离频率域，等价地实现了距离压缩。之后将距离压缩后的数据乘以相位保持函数补偿参考距离的影响。

相位保持函数为：

步骤5.6、乘以方位匹配函数

并进行方位向逆傅里叶变换，完成方位向聚焦，所述方位匹配函数补偿滑动聚束造成的方位向偏差。

图2(a)、(b)、(c)为使用本发明所用方法仿真得到的成像结果的俯视图，距离向剖面图和方位向剖面图，从图2可以看出本发明方案成像效果好。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.方位向多通道FMCW SAR滑动聚束成像方法，其特征在于，包括：

步骤一、方位向M个通道同时接收调频连续波信号，获得M路方位向欠采样的调频连续波滑动聚束SAR回波数据；表示为：

$\begin{array}{c}{S}_{IF}(t,\mathrm{\η})=\mathrm{\σ}(r_0,{\mathrm{\η}}_0)rect\left(\frac{\mathrm{\η}-\frac{({\mathrm{\η}}_{start}+{\mathrm{\η}}_{end})}{2}}{T_{spot}}\right)\exp \{-j2{\mathrm{\πf}}_c{\mathrm{\τ}}_d\}\\ \·\exp \{-j2{\mathrm{\πK}}_r({\mathrm{\τ}}_d-{\mathrm{\τ}}_c)(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_c)\}\·\exp \left\{{\mathrm{j\πK}}_r{({\mathrm{\τ}}_d-{\mathrm{\τ}}_c)}^2\right\}\end{array}$

其中t为距离快时间，T_spot为合成孔径时间，η_start为观测的起始时间，σ(r₀,η₀)为目标后向散射系数，η_end为观测的结束时间，f_c为发射信号中心频率，K_r为距离向调频率，τ_c＝2R_ref/c为平台到参考距离R_ref的往返时间，τ_d＝2R_m(t,η,r₀)/c为第m个通道到目标的往返时间，其中R_m(t,η,r₀)表示为：

$R_m(t,\mathrm{\η},r_0)=\sqrt{r_0^2+V^2{(t+\mathrm{\η})}^2}+\sqrt{r_0^2+{\[V(t+\mathrm{\η})-{\mathrm{\Δx}}_m\]}^2};$

步骤二、对每路回波数据在方位向进行Deramping操作，参考函数表示为：

其中为多普勒中心的调频率，V为平台运动速度，η为方位向时间，Δx_m为第m个接收通道与发射天线之间的距离；

步骤三、对Deramping操作之后的回波数据进行重构，

包括：步骤3.1、将回波数据进行方位向傅里叶变换，将信号变换到多普勒域；

步骤3.2、方位向各个通道的回波数据乘以重构滤波器，重构滤波器为：P(f_a)＝H^-1(f_a)，

为第m个通道的传递函数，f_a为多普勒频率；

步骤四、对重构之后的回波数据进行频域补零和Ramping操作，操作函数为：

H_ramp＝exp[jπK_rotη²]；

步骤五、对Ramping操作后的回波信号进行成像处理，包括：

步骤5.1、将步骤四的输出乘以H₁(t,f_a)＝exp[-j2πf_at+jπK_rt²(1-β(f_a)²)]，完成多普勒频移校正及距离徙动空变性校正；其中λ为信号波长，v为平台运动速度；

步骤5.2、经过步骤5.1处理后的数据变换到距离频率域，乘以相位函数其中f_r为距离向频率，之后再将信号变换到距离时间域；

步骤5.3、将步骤5.2处理后的数据乘以H₃(t,f_a)＝exp[jπK_rt²(β(f_a)²-β(f_a))]；

步骤5.4、将步骤5.3处理后的数据乘以

步骤5.5，将步骤5.4处理后的数据乘以之后再乘以

步骤5.6、将步骤5.5处理后的数据乘以