CN108872986A - 一种方位角波数均匀化处理的极坐标sar运动补偿成像方法 - Google Patents

一种方位角波数均匀化处理的极坐标sar运动补偿成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，思路为：确定机载SAR雷达，所述机载SAR雷达工作在聚束右侧视前视模式下；机载SAR雷达对其观测区域发射电磁波并接收回波，从而获得原始回波信号；选取机载SAR雷达的观测区域中任意一点，记为点目标P；根据原始回波信号，得到高阶距离徙动补偿后的回波信号；根据高阶距离徙动补偿后的回波信号，得到距离包络补偿后的回波信号；根据距离包络补偿后的回波信号，得到方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号；根据方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号，得到机载SAR聚焦成像，并记为一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法结果。

Description

一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，适用于实际工程应用。
背景技术
极坐标算法(Polar Format Algorithm，PFA)受平面波假设的限制，对斜视角和运动误差变化敏感；在实际应用中，由于运动误差的存在，只用PFA处理是无法聚焦成像的；运动补偿(Motion Compensation,MOCO)又是合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)实测成像的关键问题，尤其对于小型无人机载等航迹不稳定的平台，精确MOCO的实施十分困难。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，该种波数均匀化的极坐标SAR成像方法是将传统PFA波数域二维插值均匀化实现聚焦改进为一步keystone变换加角域波数均匀化来实现聚焦，角域坐标更加契合聚束SAR的工作模式从而能够实现距离和方位二维空变运动误差补偿；而且该种波数均匀化的极坐标SAR成像方法不需要单独补偿运动误差，而是将运动误差作为几何参数，直接作用于算法过程中，做到快速高精度成像；为便于描述，本发明采用的方法也称为方位角波数均匀化参数极坐标算法(Azimuth Angle-Wavenumber-Even ParametricPolar Format Algorithm，AAWE-PPFA)。
为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，包括以下步骤：
步骤1，确定机载SAR雷达，所述机载SAR雷达工作在聚束右侧视前视模式下；机载SAR雷达对其观测区域发射电磁波并接收回波，从而获得原始回波信号；选取机载SAR雷达的观测区域中任意一点，记为点目标P；
步骤2，根据原始回波信号，得到高阶距离徙动补偿后的回波信号；
步骤3，根据高阶距离徙动补偿后的回波信号，得到距离包络补偿后的回波信号；
步骤4，根据距离包络补偿后的回波信号，得到方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号；
步骤5，根据方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号，得到机载SAR聚焦成像，所述机载SAR聚焦成像为一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像结果。
本发明与现有技术相比所具有的优点：
第一，本发明在提供高精度航迹数据的情况下能够精确成像。
第二，本发明不需要进行额外的运动补偿，能够提高算法效率。
第三，本发明可以在大斜视角情况下补偿方位空变运动误差。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法流程图；
图2(a)是本发明仿真采用的斜视SAR成像雷达对场景观测时的几何模型图；
图2(b)是本发明仿真采用的斜视SAR成像三维观测几何模型投影到斜距平面上的几何关系图；
图3(a)是仿真一采用的三维的运动参数误差仿真结果示意图；
图3(b)是仿真二采用的三维的运动参数误差仿真结果示意图；
图3(c)是仿真一中，PPFA仿真点阵设置示意图；
图3(d)是仿真一中，PPFA成像结果示意图；
图3(e)是仿真一中，AAWE-PPFA仿真点阵设置示意图；
图3(f)是仿真一中，AAWE-PPFA成像结果示意图；
图4(a)是仿真一中，PPFA点目标A的成像结果示意图；
图4(b)是仿真一中，PPFA点目标B的成像结果示意图；
图4(c)是仿真一中，PPFA点目标C的成像结果示意图；
图4(d)是仿真一中，PPFA点目标D的成像结果示意图；
图4(e)是仿真一中，AAWE-PPFA点目标A的成像结果示意图；
图4(f)是仿真一中，AAWE-PPFA点目标B的成像结果示意图；
图4(g)是仿真一中，AAWE-PPFA点目标C的成像结果示意图；
图4(h)是仿真一中，AAWE-PPFA点目标D的成像结果示意图；
图5(a)是仿真一中，PPFA点目标A的方位脉冲响应曲线；
图5(b)是仿真一中，PPFA点目标B的方位脉冲响应曲线；
图5(c)是仿真一中，PPFA点目标C的方位脉冲响应曲线；
图5(d)是仿真一中，PPFA算法点目标D的方位脉冲响应曲线；
图5(e)是仿真一中，AAWE-PPFA点目标A的方位脉冲响应曲线；
图5(f)是仿真一中，AAWE-PPFA点目标B的方位脉冲响应曲线；
图5(g)是仿真一中，AAWE-PPFA点目标C的方位脉冲响应曲线；
图5(h)是仿真一中，AAWE-PPFA点目标D的方位脉冲响应曲线；
图6(a)是仿真二中，PPFA成像结果图；
图6(b)是仿真二中，WEPFA成像结果图；
图7(a)是PPFA关于场景1的处理结果局部放大图；
图7(b)是AAWE-PPFA关于场景1的处理结果图局部放大图；
图7(c)是PPFA关于场景2的处理结果局部放大图；
图7(d)是AAWE-PPFA关于场景2的处理结果图局部放大图；
图7(e)是PPFA关于场景3的处理结果局部放大图；
图7(f)是WEPFA关于场景3的处理结果图局部放大图；
图8(a)是仿真二中PPFA点目标A的方位脉冲响应曲线图；
图8(b)是仿真二中AAWE-PPFA点目标A的方位脉冲响应曲线图；
图8(c)是仿真二中PPFA点目标B的方位脉冲响应曲线图；
图8(d)是仿真二中AAWE-PPFA点目标B的方位脉冲响应曲线图。
图9(a)是仿真三中，PPFA成像结果图；
图9(b)是仿真三中，AAWE-PPFA成像结果图。
具体实施方式
参照图1，为本发明的一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法流程图；其中所述方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，包括以下步骤：
步骤1，确定机载SAR雷达，所述机载SAR雷达工作在聚束右侧视前视模式下；首先对图2(a)和图2(b)所示的观测几何和成像几何进行说明。
机载SAR雷达以恒定速度v直线运动形成理想航迹如图2(a)中虚线①所示，同时机载SAR雷达对其观测区域发射电磁波并接收回波，从而获得原始回波信号；机载SAR雷达以速度v匀速直线运动nT时间内飞过的航线为合成孔径La，合成孔径La中含有机载SAR雷达的瞬时位置坐标信息，n为大于0的正整数，T表示机载SAR雷达的脉冲重复周期；合成孔径中心为O，机载SAR雷达高度为H，机载SAR雷达的观测区域中心为S。
将合成孔径中心O到机载SAR雷达的观测区域中心S的连线O-S与图2(a)中虚线①所示理想航迹构成的平面，记为斜距平面Ω；将合成孔径中心O到机载SAR雷达的观测区域中心S的连线O-S与图2(a)中虚线③所示理想航迹法线在斜距平面Ω上的夹角，记为斜视角θsq；机载SAR雷达的理想航迹方向为方位向，在斜距平面Ω上与方位向正交的方向为距离向；选取机载SAR雷达的观测区域中任意一点，记为点目标P。
以合成孔径中心O在地面的垂直投影o为原点，以机载SAR雷达匀速直线运动方向为x轴方向，设定x轴方向为正北方向，正东方向为y轴方向，根据右手法则确定z轴方向，从而构建oxyz直角坐标系记录机载SAR雷达观测数据，则理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中的三维坐标为(X,Y,Z)＝(vtm,0,H)，X表示理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中x轴坐标，Y表示理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中y轴坐标，Z表示理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中z轴坐标，tm表示方位慢时间；其中天线相位中心(Antenna Phase Center，APC)表示机载SAR雷达发射电磁波的等效相位中心，代表机载SAR雷达的准确瞬时位置。
机载SAR雷达实际工作时无法保持匀速直线运动，就会产生运动误差，进而形成真实航迹，如图2(a)中实曲线②所示；在原始回波信号的获取过程中，利用机载SAR雷达自身携带的惯导系统得到机载SAR雷达三维运动误差量为(ΔX,ΔY,ΔZ)，其中ΔX表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中x轴方向的运动误差分量，ΔY表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中y轴方向的运动误差分量，ΔZ表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中z轴方向的运动误差分量。
得到原始回波信号后，在斜距平面Ω上对原始回波信号进行成像处理，如图2(b)所示，在斜距平面Ω上定义极坐标系，以合成孔径中心O为原点，以合成孔径中心O到机载SAR雷达的观测区域视线方向为极径r的正方向，以合成孔径中心O到机载SAR雷达的观测区域中心S的视线方向为极角Θ的零点方向，以逆时针方向为正方向，构建(r,Θ)平面极坐标系；将合成孔径中心O到点目标P的连线与图2(b)中虚线③所示的理想航迹法线之间的夹角，记为点目标P的斜视偏置角θP。
在oxyz直角坐标系下获取的原始回波信号投影到(r,Θ)平面极坐标系中进行成像处理，则图2(b)中实曲线②所示的真实航迹②下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系下的坐标为(X+△X,△Y,H+△Z)，点目标P在oxyz直角坐标系中的坐标为(xP,yP,zP)，点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的坐标为(rP,ΘP)，且由图2(b)中角度关系有θP＝θsq+ΘP，ΘP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极角坐标；斜视角θsq为已知量，可知点目标P的斜视偏置角θP与点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极角坐标ΘP一一对应，所以也可以用(rP,θP)表示点目标P在斜距平面上的位置。
由图2(b)中几何关系再应用近似sinθ＝θ可得点目标P在oxyz直角坐标系与(r,Θ)平面极坐标系中的坐标对应关系为：
其中，αP表示点目标P的斜视偏置角θP的余弦值，xP表示点目标P在oxyz直角坐标系中x轴坐标，yP表示点目标P在oxyz直角坐标系中y轴坐标，zP表示点目标P在oxyz直角坐标系中z轴坐标，rP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标，θP表示点目标P的斜视偏置角，H表示机载SAR雷达高度。
则真实航迹②下天线相位中心APC到点目标P的瞬时斜距R(X；θP,rP)为：
其中，真实航迹②下天线相位中心APC到点目标P的瞬时斜距R(X；θP,rP)用图2(b)中实线④表示，真实航迹②为图2(a)中实曲线②和图2(b)中实曲线②，X表示理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中x轴坐标，ΔX表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中x轴方向的运动误差分量，ΔY表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中y轴方向的运动误差分量，ΔZ表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中z轴方向的运动误差分量，H表示机载SAR雷达高度，rP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标，θP表示点目标P的斜视偏置角，xP表示点目标P在oxyz直角坐标系中x轴坐标，yP表示点目标P在oxyz直角坐标系中y轴坐标。
步骤2，由机载SAR雷达接收原始回波信号，并对所述原始回波信号在距离频域依次进行距离匹配滤波、方位去斜Dechirp，进而得到高阶距离徙动补偿后的回波信号；其中机载SAR雷达的观测区域中心S在(r,Θ)平面极坐标系中的坐标为(rc,0)，还可以用机载SAR雷达的观测区域中心S的极径坐标和斜视偏置角两维坐标(rc,θc)表示机载SAR雷达的观测区域中心S在斜距平面中的位置，rc表示机载SAR雷达的观测区域中心S在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标，θc表示机载SAR雷达的观测区域中心S的斜视偏置角，机载SAR雷达的观测区域中心S的斜视偏置角θc与斜视角θsq取值相同。
方位去斜Dechirp是用真实航迹②下天线相位中心APC到机载SAR雷达的观测区域中心S的瞬时斜距作为天线相位中心APC到机载SAR雷达的观测区域中心S的瞬时斜距R(X；θc,rc)，使用所述天线相位中心APC到机载SAR雷达的观测区域中心S的瞬时斜距R(X；θc,rc)对距离匹配滤波后的原始回波信号距离包络进行粗补偿，消除高阶距离徙动，所述天线相位中心APC到机载SAR雷达的观测区域中心S的瞬时斜距R(X；θc,rc)包含运动误差，其表达式为：
其中，天线相位中心APC到机载SAR雷达的观测区域中心S的瞬时斜距R(X；θc,rc)用图2(b)中虚线⑤表示；H表示机载SAR雷达高度，X表示理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中x轴坐标，ΔX表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中x轴方向的运动误差分量，ΔY表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中y轴方向的运动误差分量，ΔZ表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中z轴方向的运动误差分量，rc表示机载SAR雷达的观测区域中心S在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标，θc表示机载SAR雷达的观测区域中心S的斜视偏置角。
则在机载SAR雷达发射信号为线性调频信号的前提下，使用所述天线相位中心APC到机载SAR雷达的观测区域中心S的瞬时斜距R(X；θc,rc)对距离匹配滤波后的原始回波信号距离包络进行粗补偿，消除高阶距离徙动后忽略幅度信息，进而得到高阶距离徙动补偿后的回波信号sP(KR,X)，其表达式为：
sP(KR,X)＝exp{-jKR[R(X；θP,rP)-R(X；θc,rc)]}
＝exp[-jKR△R(X；θP,rP)]
其中，X表示理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中x轴坐标；根据电磁波空间传播规律，KR表示频率(fr+fc)对应的径向距离波数，fr表示距离频率，fc表示机载SAR雷达发射电磁波的载频，C表示光速；R(X；θc,rc)表示天线相位中心APC到机载SAR雷达的观测区域中心S的瞬时斜距；R(X；θP,rP)表示真实航迹②下天线相位中心APC到点目标P的瞬时斜距；△R(X；θP,rP)表示方位去斜后的瞬时斜距差，△R(X；θP,rP)＝R(X；θP,rP)-R(X；θc,rc)。
步骤3，对所述高阶距离徙动补偿后的回波信号sP(KR,X)在距离频域做楔石形变换后，再做逆快速傅里叶变换到距离时域，进而得到距离包络补偿后的回波信号。
楔石形变换又称为keystone变换，具体操作如下：
KR＝KRC·β
其中，β表示尺度变换因子，KR表示频率(fr+fc)对应的径向距离波数，KRC表示机载SAR雷达发射电磁波的载频fc对应的径向距离波数，fr表示距离频率，fc表示机载SAR雷达发射电磁波的载频，C表示光速。
keystone插值是一个将不同距离频率对应的径向距离波数变为常数对应的径向距离波数的过程，消除了径向距离波数与方位去斜后的瞬时斜距差△R(X；θP,rP)的耦合，也就是距离频率fr与理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中x轴坐标X的耦合，达到距离向包络补偿的目的；本实施例中用chirp-z变换快速实现keystone插值。
由于机载SAR雷达发射电磁波的载频fc对应的径向距离波数KRC为常数，之后在回波表达式左端变量中省去不写；实际上它实现了逐距离频率变化的对方位维的尺度变换：
KR△R(X；θP,rP)＝KRC△R(X'；θP,rP)
其中，△R(X；θP,rP)表示方位去斜后的瞬时斜距差，△R(X'；θP,rP)表示楔石形变换后的瞬时斜距差，X'表示楔石形变换后理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中x轴坐标。
机载SAR雷达发射电磁波的载频为X波段时，分析尺度变换因子β可知，理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中x轴坐标X与楔石形变换后理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中x轴坐标X'几乎没有差异，因此方位去斜后的瞬时斜距差△R(X；θP,rP)与楔石形变换后的瞬时斜距差△R(X'；θP,rP)近似相等。
使用楔石形变换对所述高阶距离徙动补偿后的回波信号sP(KR,X)进行插值后，再做逆快速傅里叶变换到距离时域，进而得到距离包络补偿后的回波信号sP(rP,X)，其表达式为：
sP(rP,X)＝exp[-jKRC△R(X；θP,rP)]
其中，△R(X；θP,rP)表示方位去斜后的瞬时斜距差，KRC表示机载SAR雷达发射电磁波的载频fc对应的径向距离波数；此时，距离包络补偿后的回波信号sP(rP,X)距离向位置只与点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标rP有关，完成了距离包络的补偿，同时完成了距离坐标从录取平面到成像平面的变换。
从距离包络补偿后的回波信号sP(rP,X)的计算公式中可以看出，对于不同的点目标，方位去斜后的瞬时斜距差△R(X；θP,rP)随点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标rP变化；对原始回波信号数字化后进行采样，得到Q个距离单元；为消除距离空变的影响，在每个距离单元内对方位进行非空变相位补偿和波数均匀化。
由于成像平面由极坐标表示，方位向代表极角坐标，因此下一步需要构造角波数。
步骤4，计算方位向角波数，对距离包络补偿后的回波信号逐距离单元内补偿相位并使用所述方位向角波数进行方位插值，得到方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号。
4.1初始化：令q'表示第q'个距离单元，q'＝1,2,…,Q，Q表示对原始回波信号数字化后采样得到的距离单元总个数。
4.2设点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点为Pq'，Pq'在oxyz直角坐标系中坐标为(xPq',yPq')，在斜距平面上的坐标为(rP,θq')，则满足：
其中，H表示机载SAR雷达高度，xPq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'在oxyz直角坐标系中x轴坐标，yPq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'在oxyz直角坐标系中y轴坐标；θq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'的斜视偏置角，θq'与斜视角θsq取值相等；rP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标，αq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'的斜视偏置角θq'的余弦值。
然后，对真实航迹②下天线相位中心APC到点目标P的瞬时斜距R(X；θP,rP)在第q'个距离单元处关于ΘP＝0进行二阶泰勒展开，得到方位去斜后第q'个距离单元处的瞬时斜距差△R(X；θq',rP)为：
△R(X；θq',rP)＝R(X；θq',rP)-R(X；θc,rc)+f(rP,X)ΘP+g(rP,X)Θ2 P
其中，R(X；θq',rP)表示真实航迹②下天线相位中心APC到点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'的瞬时斜距，Pq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点，ΘP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极角坐标；f(rP,X)表示真实航迹②下天线相位中心APC到点目标P的瞬时斜距R(X；θP,rP)在第q'个距离单元处关于ΘP泰勒展开后的一阶系数，g(rP,X)表示真实航迹②下天线相位中心APC到点目标P的瞬时斜距
R(X；θP,rP)在第q'个距离单元处关于ΘP泰勒展开后的二阶系数，其表达式分别为：
和
其中，R(X；θq',rP)表示真实航迹②下天线相位中心APC到点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'的瞬时斜距，Pq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点，X表示理想航迹下天线相位中心APC在oxyz直角坐标系中x轴坐标，ΔX表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中x轴方向的运动误差分量，ΔY表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中y轴方向的运动误差分量，ΔZ表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中z轴方向的运动误差分量。
接着，使用第q'个距离单元对应滤波器与距离包络补偿后的回波信号sP(rP,X)相乘，补偿方位去斜后第q个距离单元处的瞬时斜距差△R(X；θq',rP)中与点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极角坐标ΘP无关的量，即相乘消除了△R(X；θq',rP)展开式中的R(X；θq',rP)-R(X；θc,rc)；进而得到经过滤波器补偿的距离包络补偿后第q'个距离单元的回波信号sq'(rP,X)；其中，
4.3定义方位向第q'个距离单元对应角波数Kq'(rP)如下：
Kq'(rP)＝KRC·f(rP,X)
其中，KRC表示机载SAR雷达发射电磁波的载频fc对应的径向距离波数，f(rP,X)表示真实航迹②下天线相位中心APC到点目标P的瞬时斜距R(X；θP,rP)在第q'个距离单元处关于ΘP泰勒展开后的一阶系数。
4.4忽略二次项位，并使用方位向第q'个距离单元对应角波数Kq'(rP)对所述经过滤波器补偿的距离包络补偿后第q'个距离单元的回波信号sq'(rP,X)进行方位插值，得到方位向角波数均匀化后第q'个距离单元的回波信号sq'[Kq'(rP)]，其表达式为：
sq'[Kq'(rP)]＝exp[-jKq'(rP)ΘP]
其中，ΘP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极角坐标。
4.5由于成像时，点目标P可能落在任意一个距离单元内，因此，令q'的值分别取1至Q，重复执行4.2至4.4，进而分别得到方位向角波数均匀化后第1个距离单元的回波信号s1[K1(rP)]至方位向角波数均匀化后第Q个距离单元的回波信号sQ[KQ(rP)]，记为方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号sP[KΘ(rP)]，其表达式为：
sP[KΘ(rP)]＝{s1[K1(rP)],…,sQ[KQ(rP)]}T；其中，下标Θ表示(r,Θ)平面极坐标系中的极角，上标T表示矩阵转置操作。
步骤5，根据所述方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号sP[KΘ(rP)]，计算得到机载SAR聚焦成像。
对所述方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号sP[KΘ(rP)]做方位维逆快速傅里叶变换，将方位维逆快速傅里叶变换后得到的结果记为机载SAR聚焦成像，所述机载SAR聚焦成像为一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像结果。
通过以下仿真实验对本发明效果作进一步验证说明。
1.仿真条件：
本发明在相同仿真条件下与运动误差参数化的极坐标SAR成像方法(ParametricPolar Format Algorithm，PPFA)处理进行结果对比，PPFA是将运动误差作为几何参数直接改进PFA插值核的过程；点目标仿真参数如表1所示。
表1
运动误差仿真如图3(a)和图3(b)所示，仿真点阵及成像情况如图3(c)、图3(d)、图3(e)和图3(f)所示。
2.仿真内容及分析：
仿真1：用本发明方法成像，选取图3(c)中A、B、C、D四点进行成像处理并与PPFA结果进行对比；其中，点目标A、B、C、D坐标分别为(0，-1.5)、(255.3，-5)、(0，898)、(271.8，594.4)(单位为m)；而后对PPFA和AAWE-PPFA处理后的点目标进行成像，对比结果如图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)、图4(e)、图4(f)、图4(g)和图4(h)所示，主要考虑运动误差对方位成像的影响；图5(a)至图5(h)给出了图4(a)至图4(h)中点目标A、B、C、D在两种算法下的方位脉冲响应曲线对比结果；表2用峰值旁瓣比(PSLR)、积分旁瓣比(ISLR)、脉冲响应宽度(IRW)三个参量衡量图5(a)至图5(h)的对比结果；目标点A、B、C、D方位脉冲响应曲线量化统计结果如表2所示。
表2
仿真2：用本发明方法对实测数据处理，实测数据来自Ku波段机载SAR，实验参数如表3所示。
表3点目标仿真参数
图6(a)和图6(b)分别给出了一段实验数据的PPFA和AAWE-PPFA处理结果，图6(b)中用矩形框标出了三块特征明显的场景，分别为场景1、场景2和场景3；另外在场景1和场景2分别中用圆圈标出了两个孤立散射点A、B；对场景1、场景2和场景3分别通过PPFA和AAWE-PPFA处理的结果如图7(a)至图7(f)所示，图7(a)为PPFA关于场景1的处理结果局部放大图，图7(b)为WEPFA关于场景1的处理结果图局部放大图，图7(c)是PPFA关于场景2的处理结果局部放大图，图7(d)是AAWE-PPFA关于场景2的处理结果图局部放大图，图7(e)是PPFA关于场景3的处理结果局部放大图，图7(f)是AAWE-PPFA关于场景3的处理结果图局部放大图。
图8(a)至图8(d)为两种成像算法下，点目标A、B的方位脉冲响应函数，图8(a)为仿真二中PPFA点目标A的方位脉冲响应曲线图，图8(b)为仿真二中AAWE-PPFA点目标A的方位脉冲响应曲线图，图8(c)为仿真二中PPFA点目标B的方位脉冲响应曲线图，图8(d)为仿真二中AAWE-PPFA点目标B的方位脉冲响应曲线图；表4为图8(a)-图8(d)中方位脉冲响应曲线的量化分析结果，评价因子分别为峰值旁瓣比(PSLR)、积分旁瓣比(ISLR)和主波束宽度(IRW)；目标点A、B方位脉冲响应曲线量化统计结果如表4所示。
表4
仿真3：用本发明方法对实测数据处理，实测数据来自Ku波段机载SAR，实验参数除斜视角为67.8°外其余如表1所示。
用本发明方法与PPFA对实测数据处理结果如图9(a)和图9(b)所示，图9(a)是仿真三中，PPFA成像结果图；图9(b)是仿真三中，AAWE-PPFA成像结果图。
3.仿真结果分析：
仿真1成像结果对比如图4所示，图4(a)至图4(d)为仿真一中PPFA对点目标A、B、C、D的成像结果，可以发现除观测中心点A外，点B、点C和点D均出现较严重散焦现象；图4(e)至图4(h)为仿真一中，AAWE-PPFA对点目标A、B、C、D的成像结果，目标点A、B、C、D均能良好聚焦，从图5(a)至图5(h)和表2的对比结果具说明AAWE-PPFA对方位空变运动误差有更好的补偿作用。
仿真2的成像结果对比如图7(a)至图7(f)所示，通过PPFA处理后，点目标出现明显的散焦现象，而AAWE-PPFA的处理结果聚焦良好；图8和表3的结果都显示AAWE-PPFA明显优于PPFA。
仿真3的成像结果对比图如图9(a)和图9(b)所示，可以看出在大斜视条件下AAWE-PPFA的聚焦效果十分良好，极大优于PPFA。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定机载SAR雷达，所述机载SAR雷达工作在聚束右侧视前视模式下；机载SAR雷达对其观测区域发射电磁波并接收回波，从而获得原始回波信号；选取机载SAR雷达的观测区域中任意一点，记为点目标P；
步骤2，根据原始回波信号，得到高阶距离徙动补偿后的回波信号；
步骤3，根据高阶距离徙动补偿后的回波信号，得到距离包络补偿后的回波信号；
步骤4，根据距离包络补偿后的回波信号，得到方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号；
步骤5，根据方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号，得到机载SAR聚焦成像，所述机载SAR聚焦成像为一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像结果。
2.如权利要求1所述的一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，其特征在于，在步骤1中，所述机载SAR雷达，还包括：
机载SAR雷达以恒定速度v直线运动形成理想航迹；机载SAR雷达实际工作时无法保持匀速直线运动，就会产生运动误差，进而形成真实航迹；机载SAR雷达以速度v匀速直线运动nT时间内飞过的航线为合成孔径，合成孔径中心为O，机载SAR雷达高度为H，机载SAR雷达的观测区域中心为S，将合成孔径中心O到机载SAR雷达的观测区域中心S的连线与理想航迹构成的平面，记为斜距平面Ω；将合成孔径中心O到机载SAR雷达的观测区域中心S的连线与理想航迹法线在斜距平面Ω上的夹角，记为斜视角θsq；将合成孔径中心O到点目标P的连线与理想航迹法线之间的夹角，记为点目标P的斜视偏置角θP；机载SAR雷达的理想航迹方向为方位向，在斜距平面Ω上与方位向正交的方向为距离向；
以合成孔径中心O在地面的垂直投影o为原点，以机载SAR雷达匀速直线运动方向为x轴方向，设定x轴方向为正北方向，正东方向为y轴方向，根据右手法则确定z轴方向，从而构建oxyz直角坐标系，理想航迹下天线相位中心在oxyz直角坐标系中的三维坐标为(X,Y,Z)＝(vtm,0,H)，X表示理想航迹下天线相位中心在oxyz直角坐标系中x轴坐标，Y表示理想航迹下天线相位中心在oxyz直角坐标系中y轴坐标，Z表示理想航迹下天线相位中心在oxyz直角坐标系中z轴坐标，tm表示方位慢时间；其中天线相位中心表示机载SAR雷达发射电磁波的等效相位中心，代表机载SAR雷达的准确瞬时位置。
3.如权利要求2所述的一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，其特征在于，在步骤2中，所述高阶距离徙动补偿后的回波信号为sP(KR,X)，其表达式为：
sP(KR,X)＝exp{-jKR[R(X；θP,rP)-R(X；θc,rc)]}
＝exp[-jKR△R(X；θP,rP)]
其中，X表示理想航迹下天线相位中心在oxyz直角坐标系中x轴坐标，KR表示频率(fr+fc)对应的径向距离波数，fr表示距离频率，fc表示机载SAR雷达发射电磁波的载频，C表示光速；R(X；θc,rc)表示天线相位中心到机载SAR雷达的观测区域中心S的瞬时斜距；R(X；θP,rP)表示真实航迹下天线相位中心到点目标P的瞬时斜距；△R(X；θP,rP)表示方位去斜后的瞬时斜距差，△R(X；θP,rP)＝R(X；θP,rP)-R(X；θc,rc)，rP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标，θP表示点目标P的斜视偏置角，rc表示机载SAR雷达的观测区域中心S在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标，θc表示机载SAR雷达的观测区域中心S的斜视偏置角。
4.如权利要求3所述的一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，其特征在于，在步骤3中，所述距离包络补偿后的回波信号为sP(rP,X)，其表达式为：
sP(rP,X)＝exp[-jKRC△R(X；θP,rP)]
其中，△R(X；θP,rP)表示方位去斜后的瞬时斜距差，KRC表示机载SAR雷达发射电磁波的载频fc对应的径向距离波数，fc表示机载SAR雷达发射电磁波的载频，C表示光速，rP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标，θP表示点目标P的斜视偏置角。
5.如权利要求4所述的一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，其特征在于，步骤4的子步骤为：
4.1初始化：令q'表示第q'个距离单元，q'＝1,2,…,Q，Q表示对原始回波信号数字化后采样得到的距离单元总个数；
4.2设点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点为Pq'，Pq'在oxyz直角坐标系中坐标为(xPq',yPq')，在斜距平面上的坐标为(rP,θq')，则满足：
其中，H表示机载SAR雷达高度，xPq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'在oxyz直角坐标系中x轴坐标，yPq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'在oxyz直角坐标系中y轴坐标；θq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'的斜视偏置角，θq'与斜视角θsq取值相等；rP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极径坐标，αq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'的斜视偏置角θq'的余弦值；
然后，对真实航迹下天线相位中心到点目标P的瞬时斜距R(X；θP,rP)在第q'个距离单元处关于ΘP＝0进行二阶泰勒展开，得到方位去斜后第q'个距离单元处的瞬时斜距差△R(X；θq',rP)为：
其中，R(X；θq',rP)表示真实航迹下天线相位中心到点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'的瞬时斜距，Pq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点，ΘP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极角坐标；f(rP,X)表示真实航迹下天线相位中心到点目标P的瞬时斜距R(X；θP,rP)在第q'个距离单元处关于ΘP泰勒展开后的一阶系数，
g(rP,X)表示真实航迹下天线相位中心到点目标P的瞬时斜距R(X；θP,rP)在第q'个距离单元处关于ΘP泰勒展开后的二阶系数，其表达式分别为：
和
其中，R(X；θq',rP)表示真实航迹下天线相位中心到点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点Pq'的瞬时斜距，Pq'表示点目标P所在第q'个距离单元的方位中心点，X表示理想航迹下天线相位中心在oxyz直角坐标系中x轴坐标，ΔX表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中x轴方向的运动误差分量，ΔY表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中y轴方向的运动误差分量，ΔZ表示机载SAR雷达沿oxyz直角坐标系中z轴方向的运动误差分量；
接着，使用第q'个距离单元对应滤波器与距离包络补偿后的回波信号
sP(rP,X)相乘，进而得到经过滤波器补偿的距离包络补偿后第q'个距离单元的回波信号sq'(rP,X)；其中，
4.3定义方位向第q'个距离单元对应角波数Kq'(rP)如下：
Kq'(rP)＝KRC·f(rP,X)；
4.4使用方位向第q'个距离单元对应角波数Kq'(rP)对所述经过滤波器补偿的距离包络补偿后第q'个距离单元的回波信号sq'(rP,X)进行方位插值，得到方位向角波数均匀化后第q'个距离单元的回波信号sq'[Kq'(rP)]，其表达式为：
sq'[Kq'(rP)]＝exp[-jKq'(rP)ΘP]
其中，ΘP表示点目标P在(r,Θ)平面极坐标系中的极角坐标；
4.5令q'的值分别取1至Q，重复执行4.2至4.4，进而分别得到方位向角波数均匀化后第1个距离单元的回波信号s1[K1(rP)]至方位向角波数均匀化后第Q个距离单元的回波信号sQ[KQ(rP)]，记为方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号sP[KΘ(rP)]，其表达式为：
sP[KΘ(rP)]＝{s1[K1(rP)],…,sQ[KQ(rP)]}T；其中，下标Θ表示(r,Θ)平面极坐标系中的极角，上标T表示矩阵转置操作。
6.如权利要求5所述的一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，其特征在于，所述(r,Θ)平面极坐标系，其建立过程为：
以合成孔径中心O为原点，以合成孔径中心O到机载SAR雷达的观测区域视线方向为极径r的正方向，以合成孔径中心O到机载SAR雷达的观测区域中心S的视线方向为极角Θ的零点方向，以逆时针方向为正方向，构建(r,Θ)平面极坐标系。
7.如权利要求5所述的一种方位角波数均匀化处理的极坐标SAR运动补偿成像方法，其特征在于，在步骤5中，所述机载SAR聚焦成像，其得到过程为：
对所述方位向角波数均匀化后点目标P的回波信号做方位维逆快速傅里叶变换，将方位维逆快速傅里叶变换后得到的结果记为机载SAR聚焦成像。
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