CN109188436B - 适用于任意平台轨迹的高效双基sar回波生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法，其包括系统参数初始化，散射图像二维波数谱生成，空变相位谱生成，二维时域回波生成。本发明首先对复杂几何模式下的双基地SAR点、面目标回波建模，再对其进行多普勒特性分析、多普勒相位空间分布特性分析及波数域分析，得到适应复杂几何模式的双基地SAR面目标回波生成方法，最终实现双基地SAR的高效回波生成。

Description

适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法。
背景技术
双基地合成孔径雷达(BISAR)由于其在散射信息获取、抗干扰和前视成像方面的独特优势，已成为当今合成孔径雷达(SAR)领域的研究热点。近年来，提出了越来越多的BISAR成像算法，使SAR成像技术趋于成熟。然而，当BISAR使用在更复杂的应用模式时，仍然需要研究新的成像方法。在SAR成像方法的研究中，回波数据模拟仿真是必不可少的，其中原始回波数据生成起主要作用。目前的SAR回波生成算法主要存在两方面的缺陷。一方面，精确的SAR回波生成算法效率很低。通常，最精确的回波生成方法是在时域上逐点计算并累加的方法，但逐点法具有的计算复杂度。Dexin Li,MarcRodriguez-Cassola,Pau Prats-Iraola,ManqingWu,and Alberto Moreira,“Reverseback projection algorithm forthe accurate generation of sar raw data ofnatural scenes,”IEEE Geoscience&Remote Sensing Letters,14(11):2072-2076,2017.提出了一种逆映射原始数据生成方法，使其计算复杂度降低至，但该算法的效率仍然很低。另一方面，在实际工作时，搭载SAR的平台的飞行轨迹往往是非线性的，但目前的算法无法适用于非线性的情况。YulinHuang,Junjie Wu,“Efficient one-stationary bistatic syntheticaperture radarraw data generationbased on fourier analysis,”Journal of Applied RemoteSensing,vol.10,no.1,pp.015016,2016.提出了一种基于Stlolt映射的静止双基地SAR方法，但是这种方法不适用于前视模式，并且仅适用于平台的运动轨迹是一致线性的情况。目前关于双基地SAR回波生成方法的研究结果中，还没有一种方法能够在保证算法效率的同时，适用于机动性较高的平台。
发明内容
本发明的发明目的是：为了解决现有的方法在双基地合成孔径雷达系统回波生成时存在的上述缺陷，本发明提出了一种适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法。
本发明的技术方案是：一种适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法，包括以下步骤：
A、系统参数初始化
初始化系统参数，包括参考点位置、两个平台的航迹
Figure GDA0002518325290000011
和
Figure GDA0002518325290000012
两个平台到参考点的距离RT(t)和RR(t)、发射信号载波频率fc、脉冲宽度Tp、距离向采样频率Fs、距离向采样点数Nr、脉冲重复间隔PRI、方位向时间向量t、距离时间向量τ、距离频率向量fτ、场景中点目标的距离历史Rb(t；x,y)；
B、散射图像二维波数谱生成
获取散射矩阵并进行补零处理，将处理后的散射矩阵进行二维傅立叶变换，得到散射矩阵的二维波数谱；
C、空变相位谱生成
构造波数域到距离频域的映射关系，将步骤B中得到的二维波数谱变换到距离频域-方位时域，生成空变相位谱；
D、二维时域回波生成
根据点目标回波信号构造一致压缩参考信号，结合步骤C中得到的空变相位谱，生成二维时域回波信号。
进一步地，所述步骤B中，散射矩阵的二维波数谱表示为
Figure GDA0002518325290000021
其中，σ'(x,y)为散射矩阵，kx,ky分别为x，y方向的波数。
进一步地，所述步骤C中，构造波数域到距离频域的映射关系，表示为
Figure GDA0002518325290000022
Figure GDA0002518325290000023
其中，xT(t)，yT(t)分别为发射站的x，y方向的运动轨迹，xR(t)，yR(t)分别为接收站的x，y方向的运动轨迹。
进一步地，所述步骤C中，将步骤B中得到的二维波数谱变换到距离频域-方位时域，生成空变相位谱，表示为
Figure GDA0002518325290000024
其中，
Figure GDA0002518325290000025
为距离频域-方位时域上的空变相位谱。
进一步地，所述步骤D中，根据点目标回波信号构造一致压缩参考信号，表示为
Figure GDA0002518325290000031
其中，S0(fτ,t)为一致压缩参考信号，wr[·]为距离向时域窗函数，Br为带宽，Tr为传输信号脉冲宽度，Rb0(t)为场景中心点的距离历史。
进一步地，所述步骤D中，将构造的一致压缩参考信号与步骤C中得到的空变相位谱相乘，得到原始回波的距离频域-方位时域形式，再对原始回波的距离频域-方位时域形式进行距离向傅里叶反变换，得到二维时域原始回波信号。
本发明的有益效果是：本发明首先对复杂几何模式下的双基地SAR点、面目标回波建模，再对其进行多普勒特性分析、多普勒相位空间分布特性分析及波数域分析，得到适应复杂几何模式的双基地SAR面目标回波生成方法，最终实现双基地SAR的高效回波生成。
附图说明
图1是本发明的适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中双基地SAR雷达工作示意图；
图3是本发明实施例中采用的目标场景示意图；
图4是本发明实施例中成像结果示意图；
图5是本发明实施例中表面目标模拟结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了方便描述本发明的内容，首先对以下术语进行解释：
术语1：双基地合成孔径雷达(Bistatic Synthetic Aperture Radar)
双基地合成孔径雷达是指在雷达平台运动过程中，发射站天线对成像区域进行照射、接收站天线接收成像区域中的目标散射回波；利用发射信号的大带宽形成距离向高分辨，通过成像处理算法补偿方位向信号的多普勒相位以实现方位向孔径合成进而形成方位向高分辨，从而实现成像区域内的两维高分辨成像。双基地SAR信号模型参见文献“Wu,J.,Li,Z.,Huang,Y.,Yang,J.,&Liu,Q.H.A generalized omega-k algorithm to processtranslationally variant bistatic-sar data based on two-dimensional stoltmapping.IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing,52(10),6597-6614,2014”。
术语2：点目标参考函数(Point Target Reference Function)
点目标参考函数是指对回波数据进行一致压缩时采用的参考点的信号函数。参考函数可以是时域的，也可以是频域的，如在某个域生成了参考函数，成像处理时则将回波信号与参考函数在该域上共轭相乘，再变换到时频对应的另一个域上实现压缩。参考函数一般只包含相位项，不包含包络项。
如图1所示，为本发明的适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法的流程示意图。一种适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法，包括以下步骤：
A、系统参数初始化
初始化系统参数，包括参考点位置、两个平台的航迹
Figure GDA0002518325290000041
和
Figure GDA0002518325290000042
两个平台到参考点的距离RT(t)和RR(t)、发射信号载波频率fc、脉冲宽度Tp、距离向采样频率Fs、距离向采样点数Nr、脉冲重复间隔PRI、方位向时间向量t、距离时间向量τ、距离频率向量fτ、场景中点目标的距离历史Rb(t；x,y)；
B、散射图像二维波数谱生成
获取散射矩阵并进行补零处理，将处理后的散射矩阵进行二维傅立叶变换，得到散射矩阵的二维波数谱；
C、空变相位谱生成
构造波数域到距离频域的映射关系，将步骤B中得到的二维波数谱变换到距离频域-方位时域，生成空变相位谱；
D、二维时域回波生成
根据点目标回波信号构造一致压缩参考信号，结合步骤C中得到的空变相位谱，生成二维时域回波信号。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤A中参考点位置，定义为(0,0,0)；两个平台的航迹，记为
Figure GDA0002518325290000043
和
Figure GDA0002518325290000044
两个平台到参考点的距离，定义为
Figure GDA0002518325290000045
发射信号载波频率，记为fc；脉冲宽度，记为Tp；距离向采样频率，记为Fs；距离向采样点数，记为Nr；脉冲重复间隔，记为PRI；方位向时间向量，记为t＝[-PRI·Na/2,-PRI·(Na/2-1),…,PRI·(Na/2-1)]；距离时间向量，记为τ＝[-1/Fs·Nr/2,-1/Fs·(Nr/2-1),…,1/Fs·(Nr/2-1)]；距离频率向量，记为fτ＝[-Fs/2,-Fs·(Nr/2-1)/Nr,…,Fs·(Nr/2-1)/Nr]；
场景中点目标的距离历史为：
Figure GDA0002518325290000051
由此可以得出，点目标回波的基带信号为：
Figure GDA0002518325290000052
其中，σ(x,y)为点目标(x,y)的雷达有效截面积，wr[·]表示距离向时域窗函数，代表发射脉冲信号的包络，窗宽度为Tp，τ为快时间域变量，c为光速，ωr为方位向包络函数，Tr为传输信号脉冲宽度，Br为带宽，λ为波长。
如图2所示，为本发明实施例中双基地SAR雷达工作示意图。系统坐标系以地面区域中心为参考原点，平台在YOZ平面内沿Y方向运动。如表1所示，为成像系统参数表。
表1、成像系统参数表
Figure GDA0002518325290000053
如图3所示，为本发明实施例中采用的目标场景示意图，图中的圆点为布置于地面上3×3共9个点目标。每两个相邻点在X和Y方向上距离为200m。P1,P2是位于场景拐角处的两个目标。O为该区域中心，并被设置为参考目标。场景中任意一点的位置坐标记为P(x,y)。
构造方位时间向量t＝[-PRI·Na/2,-PRI·(Na/2-1),…,PRI·(Na/2-1)]，其中，PRI为脉冲重复时间，Na为目标回波方位向采样点数。距离时间向量，记为τ＝[-1/Fs·Nr/2,-1/Fs·(Nr/2-1),…,1/Fs·(Nr/2-1)]，其中，Fs为距离向采样率，Nr为目标回波距离向采样点数；两个平台的航迹，记为
Figure GDA0002518325290000061
和
Figure GDA0002518325290000062
两个平台到参考点的距离，定义为
Figure GDA0002518325290000063
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤B根据步骤A中系统参数获取散射矩阵σ'(x,y)，其矩阵长度为Nx×Ny，对散射矩阵进行两侧补零，得到σ”(x,y)，其矩阵长度Mx×My。对补零后的散射矩阵进行二维傅立叶变换，得到散射矩阵的二维波数谱，表示为
Figure GDA0002518325290000064
其中，H(kx,ky)为散射矩阵的二维波数谱，kx，ky表示x，y方向的波数。其波数谱在波数域中的两维坐标轴kx,ky取值分别为：
Figure GDA0002518325290000065
Figure GDA0002518325290000066
其中，kxmin,kymin分别为x方向波数和y方向波数的最小值，kxmax,kymax分别为x方向波数和y方向波数的最大值，均可根据上文给出的波数映射关系求出；Dx,Dy分别为成像场景的x方向尺寸和y方向尺寸。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤C根据步骤A中记录的航迹构造波数域到距离频域的映射关系，表示为
Figure GDA0002518325290000067
Figure GDA0002518325290000068
其中，映射前的二维波数坐标轴取值范围在步骤B中已得到，映射后在距离频域-方位时域的二维坐标轴则在步骤A中已得到，该域上每一数据位点对应的波数值可由上面的变换公式计算得到。根据这一映射关系，通过升采样和最近邻插值法将步骤B中得到的二维波数谱H(kx,ky)变换到距离频域-方位时域，变换后得到空变相位谱，表示为
Figure GDA0002518325290000071
其中，
Figure GDA0002518325290000077
为距离频域-方位时域上的空变相位谱。
将距离历史Rb(t；x,y)对空间坐标(x,y)二维泰勒展开，此处近似认为其只含常数项及线性项而忽略高阶项，即：
Figure GDA0002518325290000072
基于这一近似，得到
Figure GDA0002518325290000073
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤D按照初始化雷达平台飞行轨迹和点目标位置，利用MATLAB仿真出点目标回波信号的回波数据sr(τ,t；x,y)。根据参考点目标的回波表达式，构造一致压缩参考信号，表示为
Figure GDA0002518325290000074
其中，S0(fτ,t)为一致压缩参考信号，wr[·]为距离向时域窗函数，Br为带宽，Tr为传输信号脉冲宽度，Rb0(t)为场景中心点的距离历史。
对点目标的回波信号在二维空间中进行积分，得到面目标的回波信号，表示为
Figure GDA0002518325290000075
其中，ss(τ,t)为面目标的回波信号，sr(τ,t；x,y)为点目标回波信号。
将积分后的点目标回波信号变换至距离频域-方位时域，完整表示为
Figure GDA0002518325290000076
其中，c为光速。
将构造的一致压缩参考信号与步骤C中得到的空变相位谱相乘，得到原始回波的距离频域-方位时域形式，表示为
Figure GDA0002518325290000081
再对原始回波的距离频域-方位时域形式进行距离向傅里叶反变换，得到二维时域原始回波信号ss(τ,t)。
本发明的解决方案是首先对复杂几何模式下的双基地SAR点、面目标回波建模，再对其进行多普勒特性分析、多普勒相位空间分布特性分析及波数域分析，研究适应复杂几何模式的双基地SAR面目标回波生成算法，最终实现双基地SAR的高效回波生成。
本发明为基于二维逆波束映射的高效双基地SAR回波生成方法，数据映射是在波数域和距离频率-方位时域之间进行的，因此不需要导出回波信号的二维频谱，该方法可以很好的应用于各种形状的双基地几何体，甚至是机动SAR平台。点目标和面目标都表明了该方法的有效性，同时保留了基于FFT算法的计算成本比较低的优点。
如图4所示，为本发明实施例中成像结果示意图，结果表明，本方法的成像结果与目标是一致的，表明了此方法的有效性。
如图5所示，为本发明实施例中表面目标模拟结果示意图，原始图像为256×256像素，成像结果由BPA处理得到，可以看出，本发明的方法生成的回波数据得到的成像结果与原始图像一致，证明了本方法的有效性和精确性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、系统参数初始化
初始化系统参数，包括参考点位置、两个平台的航迹
Figure FDA0002518325280000011
和
Figure FDA0002518325280000012
两个平台到参考点的距离RT(t)和RR(t)、发射信号载波频率fc、脉冲宽度Tp、距离向采样频率Fs、距离向采样点数Nr、脉冲重复间隔PRI、方位向时间向量t、距离时间向量τ、距离频率向量fτ、场景中点目标的距离历史Rb(t；x,y)；
B、散射图像二维波数谱生成
获取散射矩阵并进行补零处理，将处理后的散射矩阵进行二维傅立叶变换，得到散射矩阵的二维波数谱；
C、空变相位谱生成
构造波数域到距离频域的映射关系，将步骤B中得到的二维波数谱变换到距离频域-方位时域，生成空变相位谱；
D、二维时域回波生成
根据点目标回波信号构造一致压缩参考信号，结合步骤C中得到的空变相位谱，生成二维时域回波信号。
2.如权利要求1所述的适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法，其特征在于，所述步骤B中，散射矩阵的二维波数谱表示为
Figure FDA0002518325280000013
其中，σ'(x,y)为散射矩阵，kx,ky分别为x，y方向的波数。
3.如权利要求2所述的适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法，其特征在于，所述步骤C中，构造波数域到距离频域的映射关系，表示为
Figure FDA0002518325280000014
Figure FDA0002518325280000015
其中，xT(t)，yT(t)分别为发射站的x，y方向的运动轨迹，xR(t)，yR(t)分别为接收站的x，y方向的运动轨迹，c为光速。
4.如权利要求3所述的适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法，其特征在于，所述步骤C中，将步骤B中得到的二维波数谱变换到距离频域-方位时域，生成空变相位谱，表示为
Figure FDA0002518325280000021
其中，
Figure FDA0002518325280000022
为距离频域-方位时域上的空变相位谱，σ(x,y)为点目标(x,y)的雷达有效截面积。
5.如权利要求4所述的适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法，其特征在于，所述步骤D中，根据点目标回波信号构造一致压缩参考信号，表示为
Figure FDA0002518325280000023
其中，S0(fτ,t)为一致压缩参考信号，wr[·]为距离向时域窗函数，Br为带宽，Tr为传输信号脉冲宽度，Rb0(t)为场景中心点的距离历史。
6.如权利要求5所述的适用于任意平台轨迹的高效双基SAR回波生成方法，其特征在于，所述步骤D中，将构造的一致压缩参考信号与步骤C中得到的空变相位谱相乘，得到原始回波的距离频域-方位时域形式，再对原始回波的距离频域-方位时域形式进行距离向傅里叶反变换，得到二维时域原始回波信号。
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