CN110361733B - 一种基于时频联合重采样的中轨sar大斜视成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法，该方法包括采集目标回波数据；对目标回波数据进行方位时域重采样处理，得到目标在方位向上距离徙动相同的回波数据；对目标在方位向上距离徙动相同的回波数据进行距离徙动校正处理，得到距离‑多普勒域回波数据；对距离‑多普勒域回波数据进行方位频域重采样处理，得到空变校正后的回波数据；对空变校正后的回波数据进行方位傅里叶逆变换，得到时域回波数据；对时域回波数据进行几何校正，得到最终中轨SAR图像。本发明通过方位频域插值法对三阶以及高阶空变进行校正，与现有中轨SAR大斜视成像方法相比，本发明可以减少SAR成像过程中的一些近似，提高了SAR成像的精度。

Description

一种基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法。

背景技术

一直以来，低轨SAR在对地球的观测中起到重大的作用，但是对地球的持续观测能力较差，高轨SAR对于现有的星载观测平台是一个很好的补充，但是发射高轨卫星的成本很高，而且受到空间分辨率的限制，难以大规模的使用，相比之下，中轨SAR的性能显得较为平衡，它有着良好的持续观测能力和适中的分辨率。为了观测更大更广的区域，现有中轨SAR的工作模式通常在斜视模式。然而至今，国内对中轨SAR大斜视成像研究较少。

T.Zeng,Y.Li,Z.Ding在其发表的论文“Subaperture approach based onazimuth-dependent range cell migration correction and azimuth focusingparameter equalization for maneuvering high-squint-mode SAR”(《IEEETrans.Geosci.Remote Sens》Dec.2015,pp.6718–6734)中提出了一种中轨SAR大斜视成像方法，该方法是将一个目标回波数据方位向进行分块，然后对每一块分别进行空变校正处理，对每一块校正后的子孔径做成像处理，最后合成为一个完整的SAR成像；SUNGhuangcai,XING Mengdao,Wang Yong在其发表的论文“A 2-D space-variant chirpscaling algorithm based on the RCM equalization and sub-band synthesis toprocess geosynchronous SAR data”(《IEEE Transactions on Geoscience and RemoteSensing》Jan.2014)中提出了一种适用于中高轨SAR的大斜视成像方法，该方法是假设距离向和方位向的空变的耦合可以忽略，在方位时域设计合适的变标函数，通过变标函数对各阶空变相位进行处理，然后使用线频调变标(Chirp Scaling，简称CS)方法对距离徙动进行处理，最后经过傅里叶逆变换完成SAR成像。

上述中轨SAR成像方法虽然能够实现中轨SAR大斜视成像，但是这些方法因为分块处理成像结果存在栅瓣，或是在时频变换以及变标的过程中存在很多近似，导致中轨SAR成像精度低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法，该方法包括：

采集目标的目标回波数据；

对所述目标回波数据进行方位时域重采样处理，得到目标在方位向上距离徙动相同的回波数据；

对所述目标在方位向上距离徙动相同的回波数据进行距离徙动校正处理，得到距离-多普勒域回波数据；

对所述距离-多普勒域回波数据进行方位频域重采样处理，得到空变校正后的回波数据；

对所述空变校正后的回波数据进行方位傅里叶逆变换，得到时域回波数据；

对所述时域回波数据进行几何校正，得到最终中轨SAR图像。

在本发明的一个实施例中，采集目标回波数据，包括：

利用变PRF采样方法对中轨SAR收发平台实时采集所述目标回波数据。

在本发明的一个实施例中，对所述目标回波数据进行方位时域重采样处理，得到目标在方位向上距离徙动相同的回波数据，包括：

构建所述中轨SAR收发平台与所述目标之间的第一斜距方程；

根据所述第一斜距方程计算方位时域重采样的插值核；

根据所述方位时域重采样的插值核对所述目标回波数据进行方位时域重采样处理，得到所述目标在方位向上距离徙动相同的回波数据。

在本发明的一个实施例中，所述第一斜距方程为：

R≈R_cen+r+g₂(t_a-t_c)²+g₃(t_a-t_c)³+g₄(t_a-t_c)⁴；

其中，R表示中轨SAR收发平台到目标的斜距，R_cen表示中轨SAR收发平台到目标测绘带中心的斜离，r表示经过变PRF采样方法后的中轨SAR收发平台与目标的相对距离，g₂表示距离弯曲项系数，g₃、g₄分别表示高阶空变系数，t_a表示目标回波数据的方位慢时刻，t_c表示目标回波信号的波束中心的时刻。

在本发明的一个实施例中，所述方位时域重采样的插值核为：

其中，t_a′表示方位时域重采样的插值核，

表示求导操作，g₂₀表示距离弯曲项系数g₂的高阶泰勒展开式中的常数项，

表示二次求导操作。

在本发明的一个实施例中，对所述目标在方位向上距离徙动相同的回波数据进行距离徙动校正处理，得到距离-多普勒域回波数据，包括：

对所述目标在方位向上距离徙动相同的回波数据做二维傅里叶变换，得到二维频域数据；

对所述二维频域数据进行距离徙动校正，得到方位空变的回波数据；

对所述方位空变的回波数据进行距离向逆傅里叶变换，得到所述距离-多普勒域回波数据。

在本发明的一个实施例中，对所述二维频域数据进行距离徙动校正，得到方位空变的回波数据，包括：

利用Omega-K方法对所述二维频域数据进行距离徙动校正，得到所述方位空变的回波数据。

在本发明的一个实施例中，对所述距离-多普勒域回波数据进行方位频域采样处理，得到空变校正后的回波数据，包括：

构建所述中轨SAR收发平台与所述目标之间的第二斜距方程；

根据所述第二斜距方程计算方位频域重采样的插值核；

根据所述方位频域重采样的插值核对所述距离-多普勒域回波数据进行方位频域重采样处理，得到所述空变校正后的回波数据。

在本发明的一个实施例中，所述第二斜距方程为：

R_new≈R_cen+r_new+h₂(t_a-t_c)²+h₃(t_a-t_c)³+h₄(t_a-t_c)⁴；

其中，R_new表示中轨SAR收发平台到目标新的斜距，r_new表示经过方位时域重采样后中轨SAR收发平台与目标新的相对距离，h₂表示新的距离弯曲项系数，h₃、h₄分别表示新的高阶空变系数。

在本发明的一个实施例中，所述方位频域重采样的插值核为：

其中，f_a′表示方位频域重采样的插值核，f_a表示目标回波信号的方位频率，

表示二阶偏导操作，l表示t_c时刻目标瞬时新的斜距相对于目标测绘带中心的斜距的差值，λ表示发射信号的波长，h₂₀表示新的距离弯曲项系数h₂的高阶泰勒展开式中的常数项。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过使用方位频域插值法对三阶以及高阶空变进行校正处理，与现有中轨SAR大斜视成像方法相比，本发明可以减少SAR成像过程中的一些近似，提高了SAR成像的精度。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法的仿真场景中目标点分布示意图；

图3a～3f是本发明实施例提供的基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法与传统中轨SAR大斜视成像方法的仿真结果对比示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

目前，为了观测更大更广的区域，中轨SAR的工作模式通常在斜视模式。现有的中轨SAR斜视成像方法包括将一个目标回波数据方位向进行分块，然后对每一块分别进行空变校正处理，对每一块校正后的子孔径做成像处理，最后合成一个完整的SAR成像，该方法虽然能够实现中轨SAR大斜视成像，但是该方法要对数据进行分块处理，成像结果存在栅瓣，并且分块处理会导致计算量增加，影响处理效率；现有的中轨SAR斜视成像方法还包括在方位时域通过设计合适的变标函数，通过变标函数对各阶空变相位进行统一处理，然后使用CS方法对距离徙动进行处理，最后经过傅里叶逆变换完成SAR成像，该方法也能够实现中轨SAR大斜视成像，但是该方法在时频变换以及变标的过程中存在很多近似，同时还会在距离方位两个方向上存在几何形变，从而影响中轨SAR成像的精度。

基于上述存在的问题，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法的流程示意图，本实施例提供的基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法包括：

步骤1、采集目标的目标回波数据；

步骤2、对目标回波数据进行方位时域重采样处理，得到目标在方位向上距离徙动相同的回波数据；

步骤3、对目标在方位向上距离徙动相同的回波数据进行距离徙动校正处理，得到距离-多普勒域回波数据；

步骤4、对距离-多普勒域回波数据进行方位频域重采样处理，得到空变校正后的回波数据；

步骤5、对空变校正后的回波数据进行方位傅里叶逆变换，得到时域回波数据；

步骤6、对时域回波数据进行几何校正，得到最终中轨SAR图像。

其中，步骤1采集目标回波数据。

具体而言，本实施例利用可变脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency，简称PRF)采样方法对中轨SAR收发平台进行实时目标回波数据采集。

进一步地，步骤2对目标回波数据进行方位时域重采样处理，得到目标在方位向上距离徙动相同的回波数据。

具体而言，本实施例中轨SAR收发平台接收经过变PRF处理后的目标回波数据，因为该目标回波数据存在距离徙动量的问题，需要对目标回波数据的距离徙动量进行消除。为此，本实施例步骤2首先获取目标在方位向上距离徙动相同的回波数据，具体包括步骤2.1、步骤2.2：

步骤2.1、构建中轨SAR收发平台与目标之间的第一斜距方程。

具体而言，本实施例在消除距离徙动量前，首先构建了中轨SAR收发平台与目标之间的第一斜距方程，该第一斜距方程具体设计为：

R≈R_cen+r+g₂(t_a-t_c)²+g₃(t_a-t_c)³+g₄(t_a-t_c)⁴ (1)

其中，R表示中轨SAR收发平台到目标的斜距，R_cen表示中轨SAR收发平台到目标测绘带中心的斜离，r表示经过变PRF采样方法后的中轨SAR收发平台与目标的相对距离，g₂表示距离弯曲项系数，g₃、g₄分别表示高阶空变系数，t_a表示目标回波数据的方位慢时刻，t_c表示目标回波信号的波束中心的时刻。

需要说明的是，公式(1)中的g₂、g₃、g₄的大小具体由第一斜距方程决定。

步骤2.2、根据第一斜距方程计算方位时域重采样的插值核。

具体而言，本实施例设计的方位时域重采样的插值核为：

其中，t_a′表示方位时域重采样的插值核，

表示求导操作，g₂₀表示距离弯曲项系数g₂的高阶泰勒展开式中的常数项，

表示二次求导操作。

通过上述公式(1)第一斜距方程中的距离弯曲项系数g₂、目标回波数据的方位慢时刻t_a，来计算方位时域重采样的插值核t_a′的值。

步骤2.3、根据方位时域重采样的插值核对目标回波数据进行方位时域重采样处理，得到目标在方位向上距离徙动相同的回波数据。

具体而言，本实施例将步骤2.2得到的方位时域重采样的插值核t_a′设置为方位时域采样时间，即使用方位时域重采样插值核来重新定义方位时间尺度，改变目标回波数据的方位重采样位置，经过坐标轴的非线性伸缩，可以将方位向不同目标的调频率校正成一致，得到目标在方位向上距离徙动相同的回波数据。

进一步地，步骤3对目标在方位向上距离徙动相同的回波数据进行距离徙动校正处理，得到距离-多普勒域回波数据。

具体而言，本实施例通过步骤2获取了目标在方位向上距离徙动相同的回波数据，然后对该回波数据的距离徙动量进行消除，具体步骤3包括步骤3.1、步骤3.2、步骤3.3：

步骤3.1、对目标在方位向上距离徙动相同的回波数据做二维傅里叶变换，得到二维频域数据。

具体而言，本实施例首先将目标在方位向上距离徙动相同的回波数据进行二维傅里叶变化，将时域的回波数据转换为频域的回波数据。

步骤3.2、对二维频域数据进行距离徙动校正，得到方位空变的回波数据。

具体而言，本实施例利用Omega-K方法对二维频域数据进行距离徙动校正，得到方位空变的回波数据，此时参考距离处的距离徙动量已经被消除了，但是其他距离单元处仍然存在距离空变的距离徙动量，本实施例使用Stolt插值方法对其他距离单元处的距离徙动量进行处理，从而使得场景中心目标点得到很好的聚焦。

步骤3.3、对方位空变的回波数据进行距离向逆傅里叶变换，得到距离-多普勒域回波数据。

具体而言，本实施例对步骤3.2得到的方位空变的回波数据进行距离向逆傅里叶变换，将频域的回波数据转换为时域的回波数据，该时域的回波数据即为距离-多普勒域回波数据。

进一步地，步骤4对距离-多普勒域回波数据进行方位频域重采样处理，得到空变校正后的回波数据。

具体而言，上述步骤3.2处理后的方位空变回波数据，其场景中心目标点得到了很好的聚焦，但是场景边沿目标点仍然存在散焦，存在三阶以及高阶方位空变，本实施例进一步地对三阶以及高阶方位空变进行处理，使得场景边沿目标点得以聚焦。具体步骤4包括步骤4.1、步骤4.2、步骤4.3：

步骤4.1、构建中轨SAR收发平台与目标之间的第二斜距方程。

具体而言，本实施例在对三阶以及高阶方位空变进行处理前，首先构建了中轨SAR收发平台与目标之间的第二斜距方程，该第二斜距方程具体设计为：

R_new≈R_cen+r_new+h₂(t_a-t_c)²+h₃(t_a-t_c)³+h₄(t_a-t_c)⁴ (3)

其中，R_new表示中轨SAR收发平台到目标新的斜距，r_new表示经过方位时域重采样后中轨SAR收发平台与目标的新的相对距离，h₂表示新的距离弯曲项系数，h₃、h₄分别表示新的高阶空变系数。

需要说明的是，公式(3)中的h₂、h₃、h₄的大小具体由第二斜距方程决定。

步骤4.2、根据第二斜距方程计算方位频域重采样的插值核。

具体而言，本实施例设计的方位频域重采样的插值核为：

其中，f_a′表示方位频域重采样的插值核，f_a表示目标回波信号的方位频率，

表示二阶偏导操作，l表示t_c时刻目标点瞬时斜距相对于场景中心斜距的差值，λ表示发射信号的波长，h₂₀表示距离弯曲项系数的高阶泰勒展开式中的常数项。

通过上述公式(3)第二斜距方程中新的距离弯曲项系数h₂、目标回波信号的波束中心的时刻t_c，来计算方位频域重采样的插值核f_a′的值。

步骤4.3、根据方位频域重采样的插值核对距离-多普勒域回波数据进行方位频域重采样处理，得到空变校正后的回波数据。

具体而言，本实施例将上述步骤4.2得到的方位频域重采样的插值核设置为方位频域采样频率，即使用方位频域重采样插值核来重新定义方位时间尺度，改变距离-多普勒域回波数据的方位重采样位置，经过坐标轴的非线性伸缩，可以将方位向不同目标的调频率校正成一致，达到处理距离-多普勒域回波数据中剩余的三阶以及高阶方位空变回波数据的目的，从而得到空变校正后的回波数据。

本实施例使用方位频域插值对三阶以及高阶空变进行校正处理，从而减少了SAR成像过程中的一些近似数据，提高了SAR成像的精度。

步骤5、对空变校正后的回波数据进行方位傅里叶逆变换，得到时域回波数据。

具体而言，本实施例对步骤4得到的空变校正后的回波数据进行方位向傅里叶逆变换，将频域的回波数据转换为时域的回波数据，此时得到回波数据进行了距离徙动量的消除和三阶以及高阶空变的校正处理，从而使得场景中所有的目标点都能够很好的聚焦。

步骤6、对时域回波数据进行几何校正，得到最终中轨SAR图像。

具体而言，本实施例在步骤5得到的时域回波数据可能在距离向和方位向均存在几何形变，从而影响中轨SAR图像，因此，本实施例将方位时间尺度变换回原始的方位时间尺度，该处理过程可以看作是校正距离徙动量的逆过程，这样由变PRF采样处理造成的距离偏移被校正，进而解决了中轨SAR图像在距离向和方位向两个方向上存在的几何形变问题，提高了SAR成像的精度。至此，本实施例基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法得以完成。

综上所述，本实施例提供的基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法，实现思路是使用方位时域插值法处理中轨SAR大斜视成像中调频率沿方位向上的线性和二次空变，利用omega-K方法处理中轨SAR大斜视成像中存在的距离空变，然后再采用方位频域插值法对新产生的高阶空变进行校正，实现中轨SAR大斜视成像。本实施例通过两次方位重采样对空变进行校正，相比现有中轨SAR大斜视成像方法，其实现简单易懂，同时也降低了计算复杂度，大大缩短了成像时间，有利于工程实现。

为了验证本申请提供的基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法的有效性，通过以下仿真实验做以进一步说明：

请参见图2，图2是本发明实施例提供的基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法的仿真场景中目标点分布示意图，本实施例在40km的菱形场景中布置了5×5个目标点，同一方位处的目标点具有相同的多普勒中心，同一距离处的目标点在完成变PRF处理后具有相同的最近斜距。本实施例具体的仿真参数请参见表1所示。

表1、仿真参数

请参见图3a～3f，图3a～3f是本发明实施例提供的基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法与传统中轨SAR大斜视成像方法的仿真结果对比示意图。为了评估本申请所提供的方法对场景中不同目标点的聚焦效果，本实施例中挑选了典型的目标点A、O、B进行了分析。具体地，图3a～3c是使用传统中轨SAR大斜视成像方法对目标点A、O、B的成像结果，图3d～3f是使用本申请所提供的中轨SAR大斜视成像方法对目标点A、O、B的成像结果，可以看出，传统中轨SAR大斜视成像方法虽然对场景中心处的目标点的聚焦效果较好，但是场景边沿目标点仍然是散焦的，而本申请所提供的中轨SAR大斜视成像方法不仅对场景中心处的目标点的聚焦效果好，还对场景边沿目标点有良好的聚焦效果。其中，传统中轨SAR大斜视成像方法本实施例采用的是现有的时频变标方法。

请参见表2，表2为目标点A、O、B的峰值旁瓣比(Peak SideLobe Ratio，简称PSLR)和积分旁瓣比(Integrated SideLobe Ratio，简称ISLR)指标。

表2.目标点A、O、B的PSLR和ISLR指标

由表2可见，在距离向，目标点A、O、B的PSLR均小于-13.22dB，ISLR均小于-10.39dB；在方位向，目标点A、O、B的PSLR均小于-13.13dB，ISLR均小于-10.62dB，本实施例提供的中轨SAR大斜视成像方法的仿真结果满足理论值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于时频联合重采样的中轨SAR大斜视成像方法，其特征在于，所述方法包括：

采集目标的目标回波数据；

对所述目标回波数据进行方位时域重采样处理，得到目标在方位向上距离徙动相同的回波数据；

对所述目标在方位向上距离徙动相同的回波数据进行距离徙动校正处理，得到距离-多普勒域回波数据；

对所述距离-多普勒域回波数据进行方位频域重采样处理，得到空变校正后的回波数据；

对所述空变校正后的回波数据进行方位傅里叶逆变换，得到时域回波数据；

对所述时域回波数据进行几何校正，得到最终中轨SAR图像；

其中，对所述目标回波数据进行方位时域重采样处理，得到目标在方位向上距离徙动相同的回波数据，包括：

构建所述中轨SAR收发平台与所述目标之间的第一斜距方程；所述第一斜距方程为：

R≈R_cen+r+g₂(t_a-t_c)²+g₃(t_a-t_c)³+g₄(t_a-t_c)⁴；

其中，R表示中轨SAR收发平台到目标的斜距，R_cen表示中轨SAR收发平台到目标测绘带中心的斜离，r表示经过变PRF采样方法后的中轨SAR收发平台与目标的相对距离，g₂表示距离弯曲项系数，g₃、g₄分别表示高阶空变系数，t_a表示目标回波数据的方位慢时刻，t_c表示目标回波信号的波束中心的时刻；

根据所述第一斜距方程计算方位时域重采样的插值核，所述方位时域重采样的插值核为：

其中，t_a′表示方位时域重采样的插值核，

表示求导操作，g₂₀表示距离弯曲项系数g₂的高阶泰勒展开式中的常数项，

表示二次求导操作；

根据所述方位时域重采样的插值核对所述目标回波数据进行方位时域重采样处理，得到所述目标在方位向上距离徙动相同的回波数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采集目标回波数据，包括：

利用变PRF采样方法对中轨SAR收发平台实时采集所述目标回波数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述目标在方位向上距离徙动相同的回波数据进行距离徙动校正处理，得到距离-多普勒域回波数据，包括：

对所述目标在方位向上距离徙动相同的回波数据做二维傅里叶变换，得到二维频域数据；

对所述二维频域数据进行距离徙动校正，得到方位空变的回波数据；

对所述方位空变的回波数据进行距离向逆傅里叶变换，得到所述距离-多普勒域回波数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述二维频域数据进行距离徙动校正，得到方位空变的回波数据，包括：

利用Omega-K方法对所述二维频域数据进行距离徙动校正，得到所述方位空变的回波数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述距离-多普勒域回波数据进行方位频域采样处理，得到空变校正后的回波数据，包括：

构建所述中轨SAR收发平台与所述目标之间的第二斜距方程；

根据所述第二斜距方程计算方位频域重采样的插值核；

根据所述方位频域重采样的插值核对所述距离-多普勒域回波数据进行方位频域重采样处理，得到所述空变校正后的回波数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二斜距方程为：

R_new≈R_cen+r_new+h₂(t_a-t_c)²+h₃(t_a-t_c)³+h₄(t_a-t_c)⁴；

其中，R_new表示中轨SAR收发平台到目标新的斜距，r_new表示经过方位时域重采样后中轨SAR收发平台与目标的新的相对距离，h₂表示新的距离弯曲项系数，h₃、h₄分别表示新的高阶空变系数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方位频域重采样的插值核为：

其中，f_a′表示方位频域重采样的插值核，f_a表示目标回波信号的方位频率，

表示二阶偏导操作，l表示t_c时刻目标瞬时新的斜距相对于目标测绘带中心的斜距的差值，λ表示发射信号的波长，h₂₀表示新的距离弯曲项系数h₂的高阶泰勒展开式中的常数项。

Images