CN109283531A - 一种双基地构型下的成像区域优化选择方法 - Google Patents

一种双基地构型下的成像区域优化选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双基地构型下的成像区域优化选择方法，应用于星载SAR、机载SAR等领域，首先构建前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统,包括：成像几何与信号模型建立模块、前视几何构型下的双站SAR方位向多普勒分析模块和双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离‑多普勒特性分析模块；通过建立任意构型模式斜距和回波模型，详细分析复杂构型对成像分辨率的影响，并提出了基于距离‑多普勒的成像区域选择方法。本发明结合双站SAR地面分辨单元分析，通过回波的等距离‑多普勒特性仿真分析，解决了任意构型下双基SAR的成像区域选择问题，提高了任意构型下双站SAR成像区域的筛选能力。

Description

一种双基地构型下的成像区域优化选择方法
技术领域
本发明涉及一种成像区域优化选择方法，特别是一种双基地构型下的成像区域优化选择方法。
背景技术
双站合成孔径雷达(Bi SAR)是指收发系统安装在不同平台上的合成孔径雷达系统。由于其收发分置的特性，双站SAR相对于单站SAR具有其独有的优势。但与单站SAR相比，双站SAR的几何构型更为复杂，成像区域的分辨率特性相比单基SAR更为复杂多变；成像区域的选择与成像分辨率和成像效果息息相关。目前针对双站SAR成像技术研究多是针对成像方法等问题，未考虑成像区域优化选择的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种双基地构型下的成像区域优化选择方法，解决在已知双站SAR的几何构型的条件下，如何优化选择成像区域的问题。
一种双基地构型下的成像区域优化选择方法，具体步骤为：
第一步 建立前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统
前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统,包括：成像几何与信号模型建立模块、前视几何构型下的双站SAR方位向多普勒分析模块和双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块。
第二步 成像几何和信号模型模块首先构建双站成像几何，然后根据双站成像几何建立信号模型完成前视几何构型下的双站SAR几何建模分析，建立斜距历程和公式。
第三步 双站SAR方位向多普勒分析模块首先定义飞机发射线性调频信号，将斜距历程和公式代入雷达回波模型公式，得到接收平台接收的点目标回波的基频信号，然后将斜距历程和公式在零点作泰勒展开，并取到泰勒展开式的三次项，从而得到双飞前视SAR的方位向多普勒公式。
第四步 双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块结合双站SAR地面分辨单元分析，求取双站SAR的地面分辨单元面积最小值，再结合双飞前视SAR的方位向多普勒公式，对其等距离-多普勒特性进行仿真分析，综合选择接收平台正前方区域，并且满足多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角接近90°的区域为成像区域，从而完成成像区域优化选择。
进一步的，所述第二步中，成像几何和信号模型模块完成前视几何构型条件下双站SAR的建模及斜距历程和公式的推导过程为：
成像几何和信号模型模块首先构建双站成像几何。前视几何构型条件下双站SAR由两个运动速度和运动方向都不同的发射平台和接收平台组成，发射平台和接收平台垂直飞行，成像区域在接收平台的接收机的下前方，发射平台的发射机沿与y平行的方向前进，其速度为vt，接收机在xy平面内向目标区前进，其速度为vr。接收平台处于被动工作模式，不发射信号，只接收信号。发射平台正侧视照射目标区，发射平台和接收平台的高度分别为ht和hr。
然后，成像几何和信号模型模块根据双站成像几何建立信号模型，对于地平面上双站雷达波束照射范围内的任意一点P，建立P点处的斜距历程和。
对发射平台和接收平台的坐标点进行简化，令发射平台坐标为(0，0，ht)，接收平台坐标为(xr，yr，hr)，地面目标点P坐标为(x，y，0)，则P点处的斜距历程和为：
其中：P表示目标场景中心，vt：发射平台速度矢量；vr：接收平台速度矢量，vrx为接收平台速度矢量在x方向分量，vry为接收平台速度矢量在y方向分量；ht：发射平台高度；hr：接收平台高度；tm表示慢时间。
进一步的，所述第三步中，双站SAR方位向多普勒分析模块完成双飞前视SAR的方位向多普勒公式推导过程为：
首先，定义飞机发射线性调频信号，将斜距历程和公式代入雷达回波模型公式，得到接收平台接收的点目标回波的基频信号。由于点目标斜距历程和为双根号和的形式，称为“平顶双曲线”，用驻相点法很难得到其精确的多普勒域解析表达式。因此将斜距历程和公式在零点作泰勒展开，并取到泰勒展开式的三次项，从而得到双飞前视SAR的方位向多普勒公式f。
其中，V表示R(tm)展开式中tm的一次项；λ表示雷达载波波长；Rt表示发射平台初始斜距；Rr表示接收平台初始斜距；f表示双飞前视SAR的方位向多普勒公式。
进一步的，所述第四步中，双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块结合双站SAR地面分辨单元分析，完成成像区域优化选择。
首先，分析双站SAR的地面分辨单元。在地面某处双站SAR的多普勒分辨率大小为ρd，地距分辨率为ρr，多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为则双站SAR的地面分辨单元面积为：
从双站SAR的地面分辨单元面积公式判断，当多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为90°时，则双站SAR的地面分辨单元面积取最小值，从而实现对地面的高分辨率二维成像。
根据双飞前视SAR的方位向多普勒公式，对其等距离-多普勒特性进行仿真分析，所述发射平台和接收平台运动方向的运动速度仿真取值为vr＝vt，综合选择接收平台正前方区域，并且满足多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角接近90°的区域为成像区域。
更优的，所述发射平台和接收平台运动方向的运动速度仿真取值为vr＝vt＝500m/s。
更优的，当成像区域内成像分辨率大小相差超过分辨率的百分之十时，进行分块处理，以满足图像的保真度。
该方法针对前视成像构型，考虑了复杂构型下的回波的方位多普勒历史；结合双站SAR地面分辨单元分析，通过回波的等距离-多普勒特性仿真分析，可实现对双基地SAR前视成像区域提供优化范围。
附图说明
图1双飞前视SAR空间几何模型示意图；
图2双基地SAR距离-多普勒分辨单元示意图；
图3发射接收任意飞行几何前视成像模式的等距离-多普勒特性示意图。
具体实施方式
一种双基地构型下的成像区域优化选择方法的具体步骤为：
第一步 建立前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统
前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统,包括：成像几何与信号模型建立模块、前视几何构型下的双站SAR方位向多普勒分析模块和双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块。
成像几何与信号模型建立模块的功能为：完成前视几何构型下的双站SAR几何建模分析，完成斜距历程和公式推导。
双站SAR方位向多普勒分析模块的功能为：根据建立的双基地斜距和公式，完成双飞前视SAR的方位向多普勒公式推导。
双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块的功能为：根据双飞前视SAR的方位向多普勒公式，结合双站SAR地面分辨单元分析，完成成像区域优化选择。
第二步 成像几何和信号模型模块完成前视几何构型条件下双站SAR的建模及斜距历程和公式的推导
成像几何和信号模型模块首先构建双站成像几何。前视几何构型条件下双站SAR由两个运动速度和运动方向都不同的发射平台和接收平台组成，发射平台和接收平台垂直飞行，成像区域在接收平台的接收机的下前方，发射平台的发射机沿与y平行的方向前进，其速度为vt，接收机在xy平面内向目标区前进，其速度为vr。接收平台处于被动工作模式，不发射信号，只接收信号。发射平台正侧视照射目标区，发射平台和接收平台的高度分别为ht和hr。
然后，成像几何和信号模型模块根据双站成像几何建立信号模型。对于地平面上双站雷达波束照射范围内的任意一点P，建立P点处的斜距历程和。
对发射平台和接收平台的坐标点进行简化，令发射平台坐标为(0，0，ht)，接收平台坐标为(xr，yr，hr)，地面目标点P坐标为(x，y，0)，则P点处的斜距历程和为：
其中：P表示目标场景中心，vt：发射平台速度矢量；vr：接收平台速度矢量，vrx为接收平台速度矢量在x方向分量，vry为接收平台速度矢量在y方向分量；ht：发射平台高度；hr：接收平台高度；tm表示慢时间。
第三步 双站SAR方位向多普勒分析模块完成双飞前视SAR的方位向多普勒公式推导。
首先，定义飞机发射线性调频信号，将斜距历程和公式代入雷达回波模型公式，得到接收平台接收的点目标回波的基频信号。由于点目标斜距历程和为双根号和的形式，称为“平顶双曲线”，用驻相点法很难得到其精确的多普勒域解析表达式。因此将斜距历程和公式在零点作泰勒展开，并取到泰勒展开式的三次项，从而得到双飞前视SAR的方位向多普勒公式。
其中，V表示R(tm)展开式中tm的一次项；λ表示雷达载波波长；Rt表示发射平台初始斜距；Rr表示接收平台初始斜距；f表示双飞前视SAR的方位向多普勒公式。
第四步 双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块结合双站SAR地面分辨单元分析，完成成像区域优化选择。
首先，分析双站SAR的地面分辨单元。在地面某处双站SAR的多普勒分辨率大小为ρd，地距分辨率为ρr，多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为则双站SAR的地面分辨单元面积为：
从双站SAR的地面分辨单元面积公式判断，当多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为90°时，则双站SAR的地面分辨单元面积取最小值，从而实现对地面的高分辨率二维成像。
根据双飞前视SAR的方位向多普勒公式，对其等距离-多普勒特性进行仿真分析，所述发射平台和接收平台运动方向的运动速度仿真取值为vr＝vt＝500m/s，考虑选择接收平台正前方区域，同时尽量选择图中网格均匀即空变性小、分辨率良好的区域，使得多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角接近90°，作为优化选择的成像区域。

Claims (6)

1.一种双基地构型下的成像区域优化选择方法，其特征在于具体步骤为：
第一步 建立前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统
前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统,包括：成像几何与信号模型建立模块、前视几何构型下的双站SAR方位向多普勒分析模块和双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块；
第二步 成像几何和信号模型建立模块首先构建双站成像几何，然后根据双站成像几何建立信号模型完成前视几何构型下的双站SAR几何建模分析，建立斜距历程和公式；
第三步 双站SAR方位向多普勒分析模块首先定义飞机发射线性调频信号，将斜距历程和公式代入雷达回波模型公式，得到接收平台接收的点目标回波的基频信号，然后将斜距历程和公式在零点作泰勒展开，并取到泰勒展开式的三次项，从而得到双飞前视SAR的方位向多普勒公式；
第四步 双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块结合双站SAR地面分辨单元分析，求取双站SAR的地面分辨单元面积最小值，再结合双飞前视SAR的方位向多普勒公式，对其等距离-多普勒特性进行仿真分析；
综合选择接收平台正前方区域，并且满足多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角接近90°的区域为成像区域，从而完成成像区域优化选择。
2.根据权利要求1所述的双基地构型下的成像区域优化选择方法，其特征在于，在第二步中，成像几何和信号模型模块完成前视几何构型条件下双站SAR的建模及斜距历程和公式的推导过程为：
成像几何和信号模型模块首先构建双站成像几何；前视几何构型条件下双站SAR由两个运动速度和运动方向都不同的发射平台和接收平台组成，发射平台和接收平台垂直飞行，成像区域在接收平台的接收机的下前方，发射平台的发射机沿与y平行的方向前进，其速度为vt，接收机在xy平面内向目标区前进，其速度为vr；接收平台处于被动工作模式，不发射信号，只接收信号；发射平台正侧视照射目标区，发射平台和接收平台的高度分别为ht和hr；
然后，成像几何和信号模型模块根据双站成像几何建立信号模型，对于地平面上双站雷达波束照射范围内的任意一点P，建立P点处的斜距历程和；
对发射平台和接收平台的坐标点进行简化，令发射平台坐标为(0，0，ht)，接收平台坐标为(xr，yr，hr)，地面目标点P坐标为(x，y，0)，则P点处的斜距历程和为：
其中：P表示目标场景中心，vt：发射平台速度矢量；vr：接收平台速度矢量，vrx为接收平台速度矢量在x方向分量，vry为接收平台速度矢量在y方向分量；ht：发射平台高度；hr：接收平台高度；tm表示慢时间。
3.根据权利要求2所述的双基地构型下的成像区域优化选择方法，其特征在于，在第三步中，双站SAR方位向多普勒分析模块完成双飞前视SAR的方位向多普勒公式推导过程为：
首先，定义飞机发射线性调频信号，将斜距历程和公式代入雷达回波模型公式，得到接收平台接收的点目标回波的基频信号；由于点目标斜距历程和为双根号和的形式，称为“平顶双曲线”，用驻相点法很难得到其精确的多普勒域解析表达式；因此将斜距历程和公式在零点作泰勒展开，并取到泰勒展开式的三次项，从而得到双飞前视SAR的方位向多普勒公式f；
其中，V表示R(tm)展开式中tm的一次项；λ表示雷达载波波长；Rt表示发射平台初始斜距；Rr表示接收平台初始斜距；f表示双飞前视SAR的方位向多普勒公式。
4.根据权利要求3所述的双基地构型下的成像区域优化选择方法，其特征在于，在第四步中，双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块结合双站SAR地面分辨单元分析，完成成像区域优化选择；
首先，分析双站SAR的地面分辨单元；在地面某处双站SAR的多普勒分辨率大小为ρd，地距分辨率为ρr，多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为
则双站SAR的地面分辨单元面积为：
从双站SAR的地面分辨单元面积公式判断，当多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为90°时，则双站SAR的地面分辨单元面积取最小值，从而实现对地面的高分辨率二维成像；
根据双飞前视SAR的方位向多普勒公式，对其等距离-多普勒特性进行仿真分析，所述发射平台和接收平台运动方向的运动速度仿真取值为vr＝vt，综合选择接收平台正前方区域，并且满足多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角接近90°的区域为成像区域。
5.根据权利要求4所述的双基地构型下的成像区域优化选择方法，其特征在于，所述发射平台和接收平台运动方向的运动速度仿真取值为vr＝vt＝500m/s。
6.根据权利要求4所述的双基地构型下的成像区域优化选择方法，其特征在于，当成像区域内成像分辨率大小相差超过分辨率的百分之十时，进行分块处理。
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