CN110441771B - 基于方位时间重采样的高速机动飞行sar成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于方位时间重采样的高速机动飞行SAR成像方法，主要解决高速机动飞行平台的走‑停模型失效和加速度导致的方位维聚焦深度受限的问题。包括以下步骤：步骤1、构建精确的高速机动平台SAR非“走‑停”几何模型，获得收发的距离历程和，并利用双基转换单基的方法简化距离等式；步骤2、对基带雷达回波信号进行一次距离压缩，得到一次距离压缩后的信号；步骤3、对所述一次距离压缩信号进行方位时间重采样，得到具有传统双曲线距离历程的回波信号；步骤4、将经方位时间重采样后的回波信号进行二次距离压缩和距离徙动校正，得到距离维聚焦后的信号；步骤5、将距离维聚焦后的信号进行方位压缩处理，进而得到高速机动飞行SAR的图像。

Description

基于方位时间重采样的高速机动飞行SAR成像方法
【技术领域】
本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于方位时间重采样的高 速机动飞行SAR成像方法。
【背景技术】
高速机动飞行SAR具有极大的飞行速度及空间三维加速度以实现平台不同 的应用需求。在复杂的战场环境下，常规SAR系统由于平台要求沿匀速直线飞 行而无法提供战略规避，必然使得其应用范围受到了极大的限制，然而，利用高 速机动飞行器曲线轨迹的机动性，SAR系统则可以有效的获取目标或目标附近典 型地物地貌特征信息进行图像匹配处理，实现精确定位、制导，提高打击能力。 另外，由于飞行速度极高，高速机动飞行SAR通过制导、探测等能够有效进行 高空高速突防和退出，通过SAR功能的辅助，使敌方的防空系统难以拦截，并 能对重要目标进行快速而迅猛的打击。
高速机动飞行SAR相比于常规传统SAR在功能多样化方面具有巨大的潜力 和应用范围，但是极大的飞行速度及加速度导致传统模型失效及算法失配等问 题。传统SAR成像方法是基于匀速直线运动距离模型推导的，并未考虑高速机 动飞行情形下极大速度及三维加速度矢量带来的极为复杂、难以精确描述的耦合 特性和空变特性，对于场景边缘点目标存在较大的相位误差，以至于成像效果较 差。
【发明内容】
本发明的目的是根据高速机动飞行SAR平台的运动特点，提供一种基于方 位时间重采样的高速机动飞行SAR成像方法，以解决平台加速度导致方位聚焦 深度受限的问题。
本发明采用以下技术方案：基于方位时间重采样的高速机动飞行SAR成像 方法，首先建立了非“走-停”模式的几何模型，并利用双基转换单基的方法简化距 离等式；然后对方位时间进行重采样，去除加速度导致的方位向空变性，得到具 有传统双曲线距离历程的回波信号，最后利用经典的距离多普勒(RD)算法实现高 速机动平台SAR成像。
进一步的，具体按照以下步骤实施：
步骤1、构建精确的高速机动平台SAR非“走-停”几何模型，获得收发的距 离历程和|R(Tt)|，利用双基转换单基的方法将|R(Tt)|等效为新的距离表达式|R(η)|， 以便于处理走-停模型误差；
步骤2、根据高速机动平台SAR非“走-停”几何模型和回波信号原理，获得 基带雷达回波信号s(t,η)；
步骤3、对基带雷达回波信号s(t,η)进行距离向傅里叶变换和一次距离压缩， 得到一次距离压缩后的信号Sr(fr,η)；
步骤4、对一次距离压缩信号Sr(fr,η)进行方位时间重采样，得到具有传统双 曲线距离历程的回波信号Sr(fr,η′)，其中η′为重采样后新的方位慢时间；
步骤5、将经方位时间重采样后的回波信号Sr(fr,η′)依次进行方位向傅里叶变换、二次距离压缩和距离徙动校正，最后进行距离逆傅里叶变换得到距离维聚焦 后的信号Sa(t,fa′)，其中fa′为方位重采样后新的方位频率；
步骤6、将距离维聚焦后的信号Sa(t,fa′)进行方位压缩和方位逆傅里叶变换， 进而得到高速机动飞行SAR的图像。
本发明的有益效果是：本发明提出的基于方位时间重采样的高速机动飞行 SAR成像方法，针对高速机动飞行平台的运动特性带来的走-停模型失效和加速 度导致的方位维聚焦深度受限的问题，能够较好的处理走-停模型误差及加速度 对聚焦的影响，有效提高了成像质量，扩大了成像场景。
【附图说明】
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的成像几何模型图；
图3是本发明的实施例的点目标仿真场景图；
图4a是本发明的“走-停”距离模型相位误差图；
图4b是本发明的等效距离模型相位误差图；
图5a是本发明实施例中点目标A使用传统RD算法得到的点目标成像结果 示意图；
图5b是本发明实施例中点目标A使用本发明方法得到的点目标成像结果示 意图；
图5c是本发明实施例中点目标B使用传统RD算法得到的点目标成像结果 示意图；
图5d是本发明实施例中点目标B使用本发明方法得到的点目标成像结果示 意图；
图5e是本发明实施例中点目标C使用传统RD算法得到的点目标成像结果 示意图；
图5f是本发明实施例中点目标C使用本发明方法得到的点目标成像结果示 意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种基于方位时间重采样的高速机动飞行SAR成像方法，首 先考虑“走-停”模式在高速运动情况下的误差，并利用双基转换单基的方法简化距 离等式；然后对方位时间进行重采样，去除加速度导致的方位向空变性，得到具 有传统双曲线距离历程的回波信号，最后利用经典的RD算法实现高速机动平台 SAR成像。
具体按照以下步骤实施：
步骤1、构建精确的高速机动平台SAR非“走-停”几何模型，获得收发的距 离历程和|R(Tt)|，利用双基转换单基的方法将|R(Tt)|等效为新的距离表达式|R(η)|， 可以更好的处理“走-停”模型误差
步骤2、根据高速机动平台SAR非“走-停”几何模型和回波信号原理，获得 基带雷达回波信号s(t,η)；
步骤3、对基带雷达回波信号s(t,η)进行距离向傅里叶变换和一次距离压缩， 得到一次距离压缩后的信号Sr(fr,η)；
步骤4、对一次距离压缩信号Sr(fr,η)进行方位时间重采样，得到具有传统双 曲线距离历程的回波信号Sr(fr,η′)，其中η′为重采样后新的方位慢时间；去除加 速度导致的方位向空变性，使得经典的成像算法如距离多普勒算法、线调频变标 算法和波数域成像算法等可以直接应用于新的距离等式进行成像处理并且不需 要任何的修改。
步骤5、将经方位时间重采样后的回波信号Sr(fr,η′)依次进行方位向傅里叶变换、二次距离压缩和距离徙动校正，最后进行距离逆傅里叶变换得到距离维聚焦 后的信号Sa(t,fa′)，其中fa′为方位重采样后新的方位频率；
步骤6、将距离维聚焦后的信号Sa(t,fa′)进行方位压缩和方位逆傅里叶变换， 进而得到高速机动飞行SAR的图像。
1、步骤1的具体方法为：
1.1、构建高速机动平台SAR几何模型，获得距离历程表达式：
SAR以速度V和加速度A沿曲线l运动，并在Tt时刻发射线性调频信号，在Tr接收目标回波信号，O为场景中心参考点，Rt和Rr分别为Tt和Tr时刻雷达到O点 的瞬时斜距矢量，则雷达与目标之间的瞬时距离|R|为：
|R|＝|Rt|+|Rr| (18)，
其中，Rt和Rr可以表示为：
Figure BDA0002133456930000051
Figure BDA0002133456930000052
其中，R0为合成孔径中心时刻处的斜距矢量；
1.2、假设雷达在Tt到Tr时间间隔τ内匀速直线运动，根据步骤1.1的几何关 系可得：
Figure BDA0002133456930000053
其中，c为光速；整理公式(4)可得
Figure BDA0002133456930000054
由于光速远远大于雷达的运动速度，则c2-|V|2≈c2；Tt到Tr时间间隔τ表示为 τ＝Tr-Tt≈2|Rt|/c；接收斜距|Rr|可以表示为：
Figure BDA0002133456930000055
根据公式(1)和公式(5)，高速机动飞行SAR非走-停模式的目标距离历程表示 为：
Figure BDA0002133456930000061
1.3、由于发射和接收时间间隔τ很小，利用双基SAR等效为单基SAR的方 法将步骤1.2中的公式(6)简化为：
Figure BDA0002133456930000062
其中，η是等效后新的方位慢时间，且η＝(Tt+Tr)/2。
2、步骤2中，基带雷达回波信号表达s(t,η)为：
Figure BDA0002133456930000063
其中，t为快时间，λ为发射信号波长，γ为发射信号调频率，η0为目标的方位零 多普勒时刻，wr(·)和wa(·)分别表示距离维和方位维的包络信息。
3、步骤3中，一次距离压缩后的频域信号Sr(fr,η)为：
Figure BDA0002133456930000064
其中，fr为距离频率，fc为载波频率，Wr(·)为距离维窗函数。
4、步骤4的具体内容为：
4.1、计算原始方位时间η与新方位时间η′的映射系数，将映射函数定义为：
η＝η′+ε1(η′)2+ε2(η′)3 (27)，
其中，ε1和ε2是映射系数；将公式(10)带入步骤1中的公式(7)得到与新的距离等式：
|R(η')|＝|R0+Vη'+(0.5A+V·ε1)η'2+(A·ε1+V·ε2)η'3+σ| (28)，
其中，σ是高阶项，由高阶项引起的相位误差远小于π/4，可以忽略；公式(11)中 的二次和三次项主要影响聚焦深度；为了消除二次项和三次项的影响，令二次和 三次项的系数为零，得到：
Figure BDA0002133456930000071
求解公式(12)，映射系数表示为：
Figure BDA0002133456930000072
其中，Ut是方位向上的单位矢量，新的距离等式为|R(η′)|≈|R0+Vη′|；
4.2、根据步骤4.1中映射函数，定义η′＝η+u1(η)2+u2(η)3，利用级数反演法计 算新的映射系数为：
Figure BDA0002133456930000073
4.3、根据步骤4.2得到新的方位时间，对步骤3得到的一次距离压缩后的信 号Sr(fr,η)进行方位重采样，将Sr(fr,η)插值细化为具有传统双曲线距离历程等式 |R(η′)|≈|R0+Vη′|的回波信号Sr(fr,η′)：
Figure BDA0002133456930000074
5、步骤5的具体内容为：
5.1、对回波信号Sr(fr,η′)进行方位快速傅里叶变换，得到：
Figure BDA0002133456930000075
其中，Wa(g)为方位维窗函数，V＝|V|，
Figure RE-GDA0002220787440000082
R0＝|R0|，η′0为目标的新方位零多普勒时刻；第一个指数项
Figure RE-GDA0002220787440000083
中的
Figure RE-GDA0002220787440000084
表示距离弯曲；第二个指数项
Figure RE-GDA0002220787440000085
表示一次距离压缩剩余项；第三个指数项
Figure RE-GDA0002220787440000086
表示方位调制项；
5.2、根据步骤5.1中得到的二维频域信号S(fr,fa′)构造距离徙动校正函数
Figure BDA0002133456930000086
和二次距离压缩函数
Figure BDA0002133456930000087
消除距离-方位的耦合项，其中采用R0≈Rs的近似，对场景中的距离弯曲和二次距 离压缩调频率以场景中心点处的值近似；
5.3、将距离徙动校正和二次距离压缩后的信号进行逆距离快速傅里叶变换， 得到距离维聚焦后的信号：
Figure BDA0002133456930000088
其中，B为发射信号带宽。
6、步骤6的具体内容为根据步骤5.3得到的将距离维聚焦后的信号Sa(t,fa′)， 构造方位压缩函数：
Figure BDA0002133456930000089
再进行方位压缩和方位 逆傅里叶变换，进而得到高速机动飞行SAR的图像。
本发明首先利用双基转换单基的方法，得到简化距离等式，其相位误差小于 π/4，可简化二维频谱和成像算法的复杂性，较好的处理“走-停”模型误差；然 后对方位时间进行重采样，去除加速度导致的方位向空变性，得到具有传统双曲 线距离历程的回波信号，经典的成像算法如距离多普勒算法、线调频变标算法和 波数域成像算法等可以直接应用于新的距离等式进行成像处理并且不需要任何 的修改。
实施例
通过对以下仿真实验来进一步验证本发明方法的有效性。
仿真条件及参数：在距离向测绘带宽度为2km，方位向测绘带宽度为1km的 场景中，均匀的放置9个点目标，场景布局如图3所示，具体仿真参数如表1所 示。
表1仿真参数表
Figure BDA0002133456930000091
仿真内容及结果：
首先对高速机动飞行SAR的“走-停”模型误差及等效距离模型的误差进行 仿真验证。图4a是“走-停”距离模型相位误差图，图4b是等效距离模型相位 误差图。从图4a可以看出在合成孔径时间内“走-停”距离模型的相位误差远大 于π/4，这说明“走-停”模型对于高速机动平台SAR成像的影响不可忽略；从图 4b可以看出，等效距离模型相位误差远小于π/4，这说明对信号模型的等效处理 对聚焦结果的影响可以忽略，满足成像要求。
然后，分别利用传统的距离多普勒算法和本发明方法对图3包含的点目标进 行仿真成像。
图5a是图3中点目标A使用传统RD获得的点目标成像结果示意图；图5b 是图3中点目标A使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图5c是图3 中点目标B使用传统RD算法获得的点目标成像结果示意图；图5d是图3中点 目标B使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图5e是图3中点目标C 使用传统RD算法获得的点目标成像结果示意图；图5f是图3中点目标C使用 本发明方法获得的点目标成像结果示意图。
从图5a，5c和5e中可以看出，运用传统的距离多普勒算法无法消除加速度 带来的方位空变性的影响，导致图3中的点目标A和点目标C出现严重的方位 散焦，同时位于图3中心的点目标B出现了轻微的散焦。
从图5b，5d和5f中可以看出，图3包含的中心点目标B和边缘点目标A和 C都可以得到很好的成像效果。本发明所提的聚焦方法能够很好地解决高速机动 飞行情况下传统的“走－停”模型失效以及加速度导致的点目标方位维散焦等问 题，说明了本发明方法的有效性。
表2给出了分别用传统距离多普勒算法和本发明方法对点目标仿真结果的成 像质量评估参数，其中，IRW为主瓣宽度，PSLR为峰值旁瓣比，ISLR为积分旁 瓣比，成像处理中均未进行加窗处理。
表2点目标成像质量评估
Figure BDA0002133456930000111
理想的距离IRW和方位IRW分别为1.33m和0.44m。从表2中可以看出， 本发明对点目标的成像结果的分辨率优于传统RD算法。另外，使用本发明方法 得到的所有的点目标的距离向PSLR均约为-13.25dB，距离向ISLR均约为-10.68 dB，方位向PSLR均约为-13.28dB，方位向ISLR均约为-10.40dB，上述指标值 非常接近理想点目标的指标值，远远优于传统RD算法的成像指标。综上所述， 仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

Claims (5)

1.基于方位时间重采样的高速机动飞行SAR成像方法，其特征在于，根据高速机动平台SAR非“走-停”几何模型，并利用双基转换单基的方法简化距离等式；然后对方位时间进行重采样，去除加速度导致的方位向空变性，得到具有传统双曲线距离历程的回波信号，最后利用经典的距离多普勒(RD)算法实现高速机动平台SAR成像；
具体按照以下步骤实施：
步骤1、构建精确的高速机动平台SAR非“走-停”几何模型，获得收发的距离历程之和|R(Tt)|，利用双基转换单基的方法将|R(Tt)|等效为新的距离表达式|R(η)|， Tt为发射线性调频信号的时刻；
步骤2、根据所述高速机动平台SAR非“走-停”几何模型和回波信号原理，获得基带雷达回波信号s(t,η)；t为快时间，η是等效后新的方位慢时间；
步骤3、对所述基带雷达回波信号s(t,η)进行距离向傅里叶变换和一次距离压缩，得到一次距离压缩后的信号Sr(fr,η)；fr为距离频率；
步骤4、对所述一次距离压缩信号Sr(fr,η)进行方位时间重采样，得到具有传统双曲线距离历程的回波信号Sr(fr,η′)，其中η′为重采样后新的方位慢时间；
步骤5、将经方位时间重采样后的所述回波信号Sr(fr,η′)依次进行方位向傅里叶变换、二次距离压缩和距离徙动校正，最后进行距离逆傅里叶变换得到距离维聚焦后的信号Sa(t,fa′)，其中fa′为方位重采样后新的方位频率；
所述步骤5的具体内容为：
5.1、对回波信号Sr(fr,η′)进行方位快速傅里叶变换，得到：
Figure FDA0002847389570000011
其中，Wa(·)为方位维窗函数，V＝|V|，
Figure FDA0002847389570000021
R0＝|R0|，η′0为目标的新方位零多普勒时刻；第一个指数项
Figure FDA0002847389570000022
中的
Figure FDA0002847389570000023
表示距离弯曲；第二个指数项
Figure FDA0002847389570000024
表示一次距离压缩剩余项；第三个指数项
Figure FDA0002847389570000025
表示方位调制项；Wr(·)表示距离维窗函数，c表示光速，V表示速度，λ为发射信号波长、R0为合成孔径中心时刻处的斜距矢量；
5.2、根据步骤5.1中得到的二维频域信号S(fr,fa′)构造距离徙动校正函数
Figure FDA0002847389570000026
和二次距离压缩函数
Figure FDA0002847389570000027
消除距离-方位的耦合项，其中采用R0≈Rs的近似，对场景中的距离弯曲和二次距离压缩调频率以场景中心点处的值近似；
5.3、将距离徙动校正和二次距离压缩后的信号进行逆距离快速傅里叶变换，得到距离维聚焦后的信号：
Figure FDA0002847389570000028
其中，B为发射信号带宽；ωr(·)表示距离维的包络信息；
步骤6、将距离维聚焦后的信号Sa(t,fa′)进行方位压缩和方位逆傅里叶变换，进而得到高速机动飞行SAR的图像；
所述步骤6中，根据步骤5.3得到的将距离维聚焦后的信号Sa(t,fa′)，构造方位压缩函数：
Figure FDA0002847389570000029
再进行方位压缩和方位逆傅里叶变换，进而得到高速机动飞行SAR的图像。
2.如权利要求1所述的基于方位时间重采样的高速机动飞行SAR成像方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法为：
1.1、构建高速机动平台SAR几何模型，获得距离历程表达式：
SAR以速度V和加速度A沿曲线l运动，并在Tt时刻发射线性调频信号，在Tr时刻接收目标回波信号，O为场景中心参考点，Rt和Rr分别为Tt和Tr时刻雷达到O点的瞬时斜距矢量，则雷达与目标之间的瞬时距离|R|为：
|R|＝|Rt|+|Rr| (3)，
其中，Rt和Rr可以表示为：
Figure FDA0002847389570000031
Figure FDA0002847389570000032
其中，R0为合成孔径中心时刻处的斜距矢量；
1.2、假设雷达在Tt到Tr时间间隔τ内匀速直线运动，根据步骤1.1的几何关系可得：
Figure FDA0002847389570000033
其中，c为光速；整理公式(6)可得
Figure FDA0002847389570000034
由于光速远远大于雷达的运动速度，则c2-|V|2≈c2；Tt到Tr时间间隔τ表示为τ＝Tr-Tt≈2|Rt|/c；接收斜距|Rr|可以表示为：
Figure FDA0002847389570000035
根据公式(3)和公式(7)，高速机动飞行SAR非走-停模式的目标距离历程表示为：
Figure FDA0002847389570000041
1.3、利用双基SAR等效为单基SAR的方法将步骤1.2中的公式(8)简化为：
Figure FDA0002847389570000042
其中，η是等效后新的方位慢时间，且η＝(Tt+Tr)/2。
3.如权利要求1或2所述的基于方位时间重采样的高速机动飞行SAR成像方法，其特征在于，所述步骤2中，所述基带雷达回波信号表达s(t,η)为：
Figure FDA0002847389570000043
其中，t为快时间，λ为发射信号波长，γ为发射信号调频率，η0为目标的方位零多普勒时刻，ωr(·)和ωa(·)分别表示距离维和方位维的包络信息。
4.如权利要求1或2所述的基于方位时间重采样的高速机动飞行SAR成像方法，其特征在于，所述步骤3中，所述一次距离压缩后的频域信号Sr(fr,η)为：
Figure FDA0002847389570000044
其中，fr为距离频率，fc为载波频率，Wr(·)为距离维窗函数，j为虚数单位，ωa(·)表示方位维包络信息，η0为目标的方位零多普勒时刻。
5.如权利要求2所述的基于方位时间重采样的高速机动飞行SAR成像方法，其特征在于，所述步骤4的具体内容为：
4.1、计算等效后新的方位慢时间η与重采样后新的方位慢时间η′的映射系数，将映射函数定义为：
η＝η′+ε1(η′)2+ε2(η′)3 (12)，
其中，ε1和ε2是映射系数；将公式(12)带入步骤1中的公式(9)得到新的距离等式：
|R(η′)|＝|R0+Vη′+(0.5A+V·ε1)η′2+(A·ε1+V·ε2)η′3+σ| (13)，
其中，σ是高阶项，令二次和三次项的系数为零，得到：
Figure FDA0002847389570000051
求解公式(14)，映射系数表示为：
Figure FDA0002847389570000052
其中，Ut是方位向上的单位矢量，新的距离等式为|R(η′)|≈|R0+Vη′|；
4.2、根据步骤4.1中映射函数，定义η′＝η+u1(η)2+u2(η)3，利用级数反演法计算新的映射系数为：
Figure FDA0002847389570000053
4.3、根据步骤4.2得到新的方位慢时间，对步骤3得到的一次距离压缩后的信号Sr(fr,η)进行方位重采样，将Sr(fr,η)插值细化为具有传统双曲线距离历程等式|R(η′)|≈|R0+Vη′|的回波信号Sr(fr,η′)：
Figure FDA0002847389570000054
Wr(·)表示距离维窗函数，ωa(·)为方位维包络信息，η0′为目标新的方位零多普勒时刻，fc为载波频率。
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