CN110261854B - 一种适用于慢速平台的广域sar成像方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于SAR成像技术领域，特别涉及一种适用于慢速平台的广域SAR成像方法，包括如下步骤：得到雷达方位向波束的覆盖范围；得到满足方位向分辨率所需的合成孔径长度；得到的合成孔径长度,得到条带模式方位向成像场景的重叠区域；得到方位向波束的旋转角度；如果平台飞行距离是否大于或等于合成孔径长度，则调整雷达方位向波束指向，否则，继续录取当前预成像方位向子场景的回波数据；获得子场景SAR图像；对各子场景SAR图像进行合成，获得广域SAR成像结果。本申请的适用于慢速平台的广域SAR成像方法，可以明显提高方位向的成像场景范围，适用于慢速平台实现快速广域SAR成像侦察。

Description

一种适用于慢速平台的广域SAR成像方法

技术领域

本申请属于SAR成像技术领域，特别涉及一种适用于慢速平台的广域SAR成像方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)作为一种主动式微波遥感设备，不仅具备常规雷达全天时、全天候、远作用距离的特点，还能够对地面静止场景进行两维高分辨率成像，极大扩展了常规雷达的功能，提升了雷达的信息获取和感知能力。介于其优异的性能表现，从上世纪五十年代出现以来，SAR技术就受到世界各主要军事强国的青睐，持续投入大量人力、物力和财力竞相开展研究，并在此后的近七十年时间里得到了快速发展。

获得更大的成像场景范围一直是SAR技术发展的重点。SAR图像的两个维度分别被称为距离向和方位向，其中距离向对应于电磁波传播方向，方位向对应于平台飞行方向。在SAR系统工作过程中，条带模式是最常用的成像模式，其距离向成像场景范围受限于雷达俯仰维波束覆盖能力，方位向成像场景范围受限于平台的飞行距离。为了进行广域成像，SAR系统需要改变自身的工作模式。目前，常用的广域SAR成像模式主要有Scan模式和TOPS模式两种。

对于直升机、无人机以及高空飞艇等慢速平台而言，由于平台飞行高度较低，远距离成像时雷达波束擦地角小，较窄的俯仰维波束宽度就能够覆盖很宽的距离向场景，因此，容易实现距离向宽测绘带成像，无需采用类似于Scan模式的距离向扫描形式。为了扩大方位向的成像范围，采用类似于TOPS模式的方位向扫描形式似乎是一种可行的途径。然而，TOPS模式的方位向分辨率近似为(v+ωR_B)D_a/2v，其中v为平台飞行速度，ω为雷达波束沿方位向的扫描速度，R_B为目标到载机飞行航迹的最近距离，D_a为雷达天线方位向实孔径长度。由此可知，当载机飞行速度低、雷达探测距离远时，要达到相同的方位向分辨率，波束沿方位向的扫描速度很低。例如，当平台速度50m/s、探测距离100km、天线方位向实孔径长度0.6m时，要获得优于3m的成像分辨率，则雷达波束扫描速度应低于0.25°/s，如此低的扫描速度，无论是采用机械扫描方式还是有源相控阵天线的电扫描方式都是难以控制的。因此，直升机、无人机、高空飞艇等慢速平台难以采用常规TOPS模式来扩大方位向成像幅宽。

综合以上分析，常规的Scan模式和TOPS模式均不适用于直升机、无人机、高空飞艇等慢速平台以实现对地广域SAR成像。针对该类平台，应充分考虑平台运动“慢”的特点，研究适合于其自身的波束扫描和成像模式。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种适用于慢速平台的广域SAR成像方法。

本申请公开了一种适用于慢速平台的广域SAR成像方法，包括如下步骤：

步骤一、根据SAR系统的工作波长、天线方位孔径长度、成像距离以及波束方位角，得到雷达方位向波束的覆盖范围；

步骤二、根据SAR系统的工作波长、成像距离、波束方位角以及方位向分辨率，得到满足方位向分辨率所需的合成孔径长度；

步骤三、根据步骤一得到的覆盖范围和步骤二得到的合成孔径长度,得到条带模式方位向成像场景的重叠区域；

步骤四、根据重叠区域和相邻子场景图像之间的重叠率，得到方位向波束的旋转角度；

步骤五、将预成像区域划分为多个方位向子场景，采用条带模式录取方位向子场景的回波数据；其中，在录取当前方位向子场景的回波数据时，判断平台飞行距离是否大于或等于步骤二中得到的合成孔径长度；如果是，则调整雷达方位向波束指向，且调整角度为步骤四中得到的旋转角度，并继续录取下一个方位向子场景的回波数据；否则，继续录取当前预成像方位向子场景的回波数据；

步骤六、对各个方位向子场景的回波数据进行成像处理，获得子场景SAR图像；

步骤七、对各子场景SAR图像进行合成，获得广域SAR成像结果。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤一中，是通过如下公式(1)得到天线方位向波束宽度：

其中，λ为SAR系统工作波长，D_a为天线方位向孔径长度；

再根据如下公式(2)得到雷达方位向波束的覆盖范围：

其中，R_S为成像距离以及

为波束方位角。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤二中，是通过如下公式(2)得到合成孔径长度：

其中，k为方位向加窗处理导致的主瓣展宽；ρ_a为方位向分辨率。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤三中，是通过如下公式(4)得到天线方位向成像幅宽：

再根据如下公式(5)得到条带模式方位向成像场景的重叠区域：

根据本申请的至少一个实施方式，在所述公式(3)至公式(5)中，k＝1.2。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤四中，是通过如下公式(6)得到旋转角度：

其中，d％为相邻子场景图像之间的重叠率。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的适用于慢速平台的广域SAR成像方法，可以明显提高方位向的成像场景范围，适用于慢速平台实现快速广域SAR成像侦察；相比于常规TOPS模式，本发明可以简化雷达方位向波束控制，只需要每隔一个合成孔径时间调整一次波束指向即可，并且由于方位向子场景内雷达工作在条带模式，实时成像算法更加成熟。

附图说明

图1是所提广域SAR成像模式示意图；

图2是雷达工作几何示意图；

图3是方位波束指向调整示意图；

图4是方位波束指向调整前后的方位向成像幅宽对比图；

图5是仿真点目标场景；

图6是方位波束指向调整前后的方位向子场景成像结果对比图；

图7是方位波束指向调整前后的方位向子场景图像合成结果对比图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

下面结合附图1-图7对本申请的适用于慢速平台的广域SAR成像方法进一步详细说明。

图1所示为本申请适用于慢速平台的广域SAR成像方法中一种适用于慢速平台的广域SAR成像模式的示意图，图中以方位向三个子场景为例。假设SAR平台以速度v沿X轴方向匀速直线飞行，平台航迹到成像场景中心的最近距离为R_S，满足方位向分辨率要求的合成孔径长度为L_a。在某一个方位向子场景的数据录取过程中，保持雷达方位向波束指向不变。

当数据录取过程中平台的飞行距离达到满足方位向分辨率要求的合成孔径长度时，调整雷达方位向波束指向，对下一个方位向子场景进行观测成像。成像时，对每个方位子场景的回波信号进行单独处理，得到子场景对应的SAR图像，然后将所有子场景图像进行方位向合成，既可以得到广域SAR成像结果。

具体地，本申请的适用于慢速平台的广域SAR成像方法，包括如下步骤：

步骤一、根据SAR系统的工作波长、天线方位孔径长度、成像距离以及波束方位角，得到雷达方位向波束的覆盖范围。

具体地，假设SAR系统工作波长为λ，天线方位向孔径长度为D_a，则天线方位向波束宽度为：

根据图2所示的雷达工作几何示意图，可以确定雷达方位向波束在地面的覆盖范围为：

其中，

为波束方位角。当SAR系统工作在正侧视时，

波束覆盖范围最小，因此，以正侧视工作时的波束覆盖能力来设计广域SAR成像模式。

步骤二、根据SAR系统的工作波长、成像距离、波束方位角以及方位向分辨率，得到满足方位向分辨率所需的合成孔径长度。

具体地，根据SAR平台飞行参数、雷达成像距离、工作几何关系以及分辨率要求，确定满足方位向分辨率所需的合成孔径长度。假设SAR图像方位向分辨率为ρ_a，则所需的合成孔径长度为：

其中，k为方位向加窗处理导致的主瓣展宽，一般取k＝1.2。当雷达工作在正侧视或者小斜视构型下时，波束方位角

对合成孔径长度的影响较小，广域SAR模式设计时可以不考虑。

步骤三、根据步骤一得到的覆盖范围和步骤二得到的合成孔径长度,得到条带模式方位向成像场景的重叠区域。

具体地，在步骤三中，是通过如下公式(4)得到常规条带模式可满足方位分辨率要求的天线方位向成像幅宽：

式中忽略了波束方位角的影响。由此，可以确定常规条带模式方位向成像场景的重叠区域如下公式(5)得到：

步骤四、根据重叠区域和相邻子场景图像之间的重叠率，得到方位向波束的旋转角度。

具体地，通过调整方位向波束指向角度，减少相邻方位向子场景图像之间的重叠区域来扩大方位向成像幅宽。结合图3所示的方位波束指向调整示意图，假设SAR图像方位向合成时要求相邻子场景图像之间的重叠率为d％，由此，可以确定方位向波束指向的旋转角度(调整角度)θ为：

图4给出了不调整波束指向和调整波束后雷达方位向波束在地面的覆盖范围对比，图中以方位向三个子场景为例。可见，调整方位波束指向后，相邻子场景图像之间的重叠区域减小，方位向成像幅宽扩大。

步骤五、对某个方位向子场景侦察成像时，将预成像区域划分为多个方位向子场景，采用条带模式录取方位向子场景的回波数据；其中，在录取当前方位向子场景的回波数据时，判断平台飞行距离是否大于或等于步骤二中得到的合成孔径长度；如果是，则调整雷达方位向波束指向，且调整角度为步骤四中得到的旋转角度，并继续录取下一个方位向子场景的回波数据；否则，继续录取当前预成像方位向子场景的回波数据。

步骤六、对各个方位向子场景的回波数据进行成像处理，获得子场景SAR图像。对如图5所示的点目标场景进行仿真，方位波束指向调整前后的方位向子场景成像结果对比如图6所示，其中方位向有三个子场景。

步骤七、对各子场景SAR图像进行合成，获得广域SAR成像结果。如图7所示为图6的方位向三个子场景图像的合成结果对比，可见方位波束指向调整后的成像场景范围明显高于调整前的成像场景范围。

综上所述，本申请的适用于慢速平台的广域SAR成像方法，可以明显提高方位向的成像场景范围，适用于慢速平台实现快速广域SAR成像侦察；相比于常规TOPS模式，本发明可以简化雷达方位向波束控制，只需要每隔一个合成孔径时间调整一次波束指向即可，并且由于方位向子场景内雷达工作在条带模式，实时成像算法更加成熟。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种适用于慢速平台的广域SAR成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据SAR系统的工作波长、天线方位孔径长度、成像距离以及波束方位角，得到雷达方位向波束的覆盖范围；

步骤二、根据SAR系统的工作波长、成像距离、波束方位角以及方位向分辨率，得到满足方位向分辨率所需的合成孔径长度；

步骤三、根据步骤一得到的覆盖范围和步骤二得到的合成孔径长度,得到条带模式方位向成像场景的重叠区域；

步骤四、根据重叠区域和相邻子场景图像之间的重叠率，得到方位向波束的旋转角度；

步骤五、将预成像区域划分为多个方位向子场景，采用条带模式录取方位向子场景的回波数据；其中，在录取当前方位向子场景的回波数据时，判断平台飞行距离是否大于或等于步骤二中得到的合成孔径长度；如果是，则调整雷达方位向波束指向，且调整角度为步骤四中得到的旋转角度，并继续录取下一个方位向子场景的回波数据；否则，继续录取当前预成像方位向子场景的回波数据；

步骤六、对各个方位向子场景的回波数据进行成像处理，获得子场景SAR图像；

步骤七、对各子场景SAR图像进行合成，获得广域SAR成像结果。

2.根据权利要求1所述的适用于慢速平台的广域SAR成像方法，其特征在于，在所述步骤一中，是通过如下公式(1)得到天线方位向波束宽度：

其中，λ为SAR系统工作波长，D_a为天线方位向孔径长度；

再根据如下公式(2)得到雷达方位向波束的覆盖范围：

其中，R_S为成像距离以及

为波束方位角。

3.根据权利要求2所述的适用于慢速平台的广域SAR成像方法，其特征在于，在所述步骤二中，是通过如下公式(2)得到合成孔径长度：

其中，k为方位向加窗处理导致的主瓣展宽；ρ_a为方位向分辨率。

4.根据权利要求3所述的适用于慢速平台的广域SAR成像方法，其特征在于，在所述步骤三中，是通过如下公式(4)得到天线方位向成像幅宽：

再根据如下公式(5)得到条带模式方位向成像场景的重叠区域：

5.根据权利要求4所述的适用于慢速平台的广域SAR成像方法，其特征在于，在所述公式(3)至公式(5)中，k＝1.2。

6.根据权利要求4所述的适用于慢速平台的广域SAR成像方法，其特征在于，在所述步骤四中，是通过如下公式(6)得到旋转角度：

其中，d％为相邻子场景图像之间的重叠率。

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