CN108061890A - 一种sar成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种SAR成像方法，通过对SAR数据进行校正、距离向补偿、方位频域高次项补偿、方位频域高次相位滤波、方位时域高次项补偿和方位倾斜校正等得到聚焦后的图像。本发明针对子孔径数据处理，在高阶近似二维谱的基础上，同时考虑距离包络和方位目标位置引入的调频率空变，并采用频域高次相位滤波的方法加以解决，有效地提高了成像速度，在保证成像精度的基础上，能够满足实时成像的要求。

Description

一种SAR成像方法
技术领域
本发明涉及一种SAR成像方法，属于精确制导技术领域。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)作为一种微波有源成像系统，具有全天时、全天候和高分辨率成像等优势。将SAR成像技术应用于主动雷达导引头，能够增强其在复杂战场环境下精确制导的自主性和抗干扰能力。飞行平台SAR系统在中制导阶段最常见的应用是通过景象匹配修正弹道和INS误差，是提高制导精度的一种有效措施，已成为当前SAR成像应用的主要方向。
受制于平台的空间和载荷，SAR天线尺寸一般较小，使其全孔径方位分辨率远高于匹配参考图。在实际应用中，飞行器的目标一般位于其飞行方向的正前方，这就要求在大前斜模式下成像。飞行器在俯冲段具有两维加速度，而为了能够给飞行器提供足够的机动时间，成像算法的设计不宜复杂。可在适当损失分辨率的代价下，采用部分孔径数据成像，尽可能简化算法流程、降低运动补偿的复杂度和数据的存取规模，以满足实时成像的要求。因此，对于在俯冲段基于子孔径数据的大斜视SAR成像算法的研究具有重要的意义。
由于飞行器在俯冲段运动的复杂性，致使其回波信号二维谱的推导具有一定难度。在现有的算法研究结果中，利用级数反演法得到了双基构型下回波信号的二维谱，运用在弹载俯冲段回波信号二维谱的推导中得到了回波信号的高阶近似二维谱。但其在方位聚焦时，未考虑方位调频率空变，聚焦效果有限。在利用级数反演法得到高阶近似二维谱的基础上，使用参变量解耦的方法，替换了二维谱中的方位空变项，但其必须满足远场假设近似条件，而实际中该条件很难满足。还有的算法通过采用方位非线性变标来处理方位空变问题，但均为全孔径处理算法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种能有效提高成像速度的子孔径SAR成像方法。
本发明的技术解决方案：一种SAR成像方法，通过以下步骤实现：
第一步，对SAR原始数据X(t,tm)进行距离向求FFT得到X(f,tm)，通过公式(1)的校正函数对X(f,tm)进行校正，其中t表示时间域，f表示频域，tm为方位慢时间,
其中fc为信号的载频，fr为距离多普勒频率，exp{·}表示指数函数，θ为斜视角,即飞行器与夹角大地坐标系OXYZ的YOZ平面的夹角，c表示光速，j表示复数的虚部，h为tm＝0时飞行器的飞行高度，R0为tm＝0时波束中心斜距，vx、vz为飞行器沿X轴、沿Z轴的速度；
方位向是飞行器速度，相比距离向电磁波速度，方位向飞行的时间称为慢时间。将X(f,tm)乘以公式(1)右边即可进行校正。
本步骤的距离向求FFT以及后续步骤中方位向求FFT、距离向求IFFT、方位向求IFFT为本领域公知技术，在此不一一赘述。
第二步，对经第一步校正后的数据进行方位向求FFT得到X(fr,fa)，并通过公式(3)对X(fr,fa)进行距离向补偿，
其中fa为多普勒频率，γ为伽马函数。b'2为过程参数b2在xn＝0处的取值，且过程参数a1＝-2(vzh+vx(R0sinθ+xn))，ax、az为飞行器沿X轴、沿Z轴的加速度，Rref为雷达波束投影中心点到雷达的距离，xn为飞行器沿方位向飞行移动的距离变量；
将X(fr,fa)乘以式(3)右边即可对其进行距离弯曲校正、距离压缩以及二次距离压缩。
第三步，对第二步中完成距离向处理的数据，在距离向进行IFFT得到X(t,fa)，利用公式(4)对X(t,fa)进行方位频域高次项补偿，利用公式(5)对X(t,fa)进行方位频域高次相位滤波，
其中b3'、b4'分别为过程参数b3、b4在xn＝0处的取值，且 过程参数a1＝-2(vzh+vx(R0sinθ+xn))，a3＝axvx+azvz，R0′表示距离向位于R0处的点被压缩后的位置斜距，λ表示雷达工作中心频率对应到自由空间的波长；
过程参数n1和n2为ψ1在xn＝0处泰勒展开对应的一次项和二次项系数,k0、k1、k2分别对应ψ2在xn＝0处泰勒展开对应的零次项、一次项和二次项系数，ψ1和ψ2由X(t,fa)的相位在fa＝0处泰勒级数展开后对应的一次项和二次项系数；
第四步，对经第三步方位向处理的数据进行方位向IFFT,并通过公式(6)、(7)对其进行方位时域高次项补偿和方位倾斜校正，
其中，K0为雷达的调斜率；
第五步，对第四步经方位向处理的数据再进行方位FFT，得到聚焦后的图像，完成子孔径SAR成像。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明针对子孔径数据处理，在高阶近似二维谱的基础上，同时考虑距离包络和方位目标位置引入的调频率空变，并采用频域高次相位滤波的方法加以解决，有效地提高了成像速度，在保证成像精度的基础上，能够满足实时成像的要求；
(2)本发明对雷达数据方位向的处理中，采用子孔径成像，在方位频域引入高次相位解除多普勒参数的空变性，在进行多普勒参数空变分析时，同时考虑了距离包络引入的空变和方位点坐标空变，从而实现了多普勒参数一阶、二阶空变的精确补偿；
(3)本发明利用谱分析技术在方位频域采用实现了一致化聚焦成像；
(4)本发明采用包含高次项情况下的方位频谱推导方法，针对级数反演推导的信号模型，进行聚集处理，处理过程中只包含FFT和复乘运算，不涉及插值处理，处理速度快，能够实时成像，并易于工程实现。
附图说明
图1为本发明SAR俯冲大斜视成像模型；
图2为本发明流程图；
图3a为未使用本发明的点目标仿真SAR成像结果；
图3b为使用本发明进行点目标仿真成像结果。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，建立飞行载体SAR模型。飞行器沿大地坐标系XOZ平面内弧线ABC飞行，假设B点位于方位慢时间tm等于零的时刻，即tm＝0处，此时飞行器飞行高度为h，波束中心线与地平面XOY的交点为P，将该点作为场景中心点，等效地建立了圆锥坐标系，对应的波束中心斜距为R0，BP与YOZ平面的夹角为斜视角，记为θ。沿X轴的速度、加速度分别为vx，ax；沿Z轴的速度、加速度分别为vz，az。
具体成像过程如图2所示，通过以下步骤实现：
1、对SAR原始数据X(t,tm)进行距离向求FFT得到X(f,tm)，并对X(f,tm)进行校正。
校正函数如公式(1)所示：
其中t表示时间域，f表示频域，fc为信号的载频，fr为距离多普勒频率，exp{·}表示指数函数。
2、对经校正后的数据进行方位向求FFT得到X(fr,fa)，并对X(fr,fa)进行距离弯曲校正、距离压缩和二次距离压缩的补偿。
X(fr,fa)的信号表达式如公式(2)所示：
X(fr,fa)＝Wr(fr)Wa(fa)exp[jΘ(fr,fa)] (2)
其中，fa为多普勒频率，Wa(·)为方位窗的频域形式，Wr(·)为距离窗的频域形式，Θ(fr,fa)为二维频域相位。
将Θ(fr,fa)在fr＝0处进行泰勒展开，近似到距离频率fr的二次项，并对各项在fa＝0处进行泰勒展开，近似到方位频率fa的二次项，得到完成本步骤所需要的补偿函数(3)。
其中，KRCC(xn；R0)为距离弯曲项xn表示飞行器方位向移动距离，KSRC(xn；R0)为二次距离脉压项，KRC为距离脉压项；γ表示伽马函数，b'2为b2在xn＝0处的取值，Rref为参考距离。
如图1模型图所示，可以推得
过程参数a1＝-2(vzh+vx(R0sinθ+xn))，a3＝axvx+azvz，
将X(fr,fa)乘以式(3)中的即可对其进行距离弯曲校正、距离压缩以及二次距离压缩的补偿。
3、对经距离向处理后的数据，在距离向进行IFFT得到X(t,fa)，利用公式(4)对X(t,fa)进行方位频域高次项补偿，利用公式(5)对X(t,fa)进行方位频域高次相位滤波，
其中b3'、b4'分别为过程参数b3、b4在xn＝0处的取值，且 过程参数a1＝-2(vzh+vx(R0sinθ+xn))，a3＝axvx+azvz，R0′表示距离向位于R0处的点被压缩后的位置斜距，λ表示雷达工作中心频率对应到自由空间的波长；
过程参数
具体过程如下：
将X(t,fa)的相位在fa＝0处展开为泰勒级数,令其一次项系数为ψ1，二次系数为ψ2；进一步地，将ψ1与ψ2分别在xn＝0处展开为泰勒级数，保留至xn的二次项，并表示成：得到如公式(5)的方位高次相位滤波函数，并通过在频域引入高次项，消除时域的低阶空变项以及调频率的一阶、二阶空变项。
4、对经方位频域高次项补偿和方位频域高次相位滤波后的数据进行方位向IFFT,并进行方位向高次项补偿和方位倾斜校正。
方位向高次项补偿和方位倾斜校正分别采用公式(6)、(7)进行，
其中，R0′表示距离向位于R0处的点被压缩后的位置斜距；
K0为雷达调斜率。
5、对经方位向高次项补偿和方位倾斜校正的数据进行方位FFT，得到聚集后的图像。
利用以上步骤，对点目标进行了仿真，现有技术成像结果如图3a所示，而利用本发明方位向成像结果的第一副瓣、第一零点均有明显下降，如图3b所示。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种SAR成像方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，对SAR原始数据X(t,tm)进行距离向求FFT得到X(f,tm)，通过公式(1)的校正函数对X(f,tm)进行校正，
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其中t表示时间域，f表示频域，tm为方位慢时间,fc为信号的载频，fr为距离多普勒频率，exp{·}表示指数函数，θ为斜视角,c表示光速，j表示复数的虚部，h为tm＝0时飞行器的飞行高度，R0为tm＝0时波束中心斜距，vx、vz为飞行器沿X轴、沿Z轴的速度；
第二步，对经第一步校正后的数据进行方位向求FFT得到X(fr,fa)，并通过公式(3)对X(fr,fa)进行距离向补偿，
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其中fa为多普勒频率，γ为伽马函数，b'2为过程参数b2在xn＝0处的取值，且过程参数a1＝-2(vzh+vx(R0 sinθ+xn))，ax、az为飞行器沿X轴、沿Z轴的加速度，Rref为雷达波束投影中心点到雷达的距离，xn为飞行器沿方位向飞行移动的距离变量；
第三步，对第二步中完成距离向处理的数据，在距离向进行IFFT得到X(t,fa)，利用公式(4)对X(t,fa)进行方位频域高次项补偿，利用公式(5)对X(t,fa)进行方位频域高次相位滤波，
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其中b′3、b′4分别为过程参数b3、b4在xn＝0处的取值，且 a3＝axvx+azvz，R′0表示距离向位于R0处的点被压缩后的位置斜距，λ表示雷达工作中心频率对应到自由空间的波长；
过程参数n1和n2为ψ1在xn＝0处泰勒展开对应的一次项和二次项系数,k0、k1、k2分别对应ψ2在xn＝0处泰勒展开对应的零次项、一次项和二次项系数，ψ1和ψ2为X(t,fa)的相位在fa＝0处泰勒级数展开后对应的一次项和二次项系数；
第四步，对经第三步方位向处理的数据进行方位向IFFT,并通过公式(6)、(7)对其进行方位时域高次项补偿和方位倾斜校正，
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其中，K0为雷达的调斜率；
第五步，对第四步经方位向处理的数据再进行方位FFT，得到聚焦后的图像，完成子孔径SAR成像。
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