CN111175749B - 一种星载sar成像处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种星载合成孔径雷达成像处理方法，该方法包括分析星载合成孔径雷达成像传统双曲线斜距模型和解析推导适用边界条件，完成算法选型；去除原始回波信号中距离向冗余采样数据，通过对斜距模型误差和高次相位误差的补偿实现星载SAR高分辨大斜视数据处理，得到完全聚焦图像。本发明提供的方法结合星载SAR高分辨大斜视处理信号模型，分析了现有模型和算法的处理边界条件，对星载SAR成像处理算法选型具有一定的参考，此外，本发明通过对斜距模型误差和高次相位误差的补偿实现星载SAR高分辨大斜视数据处理，有效地解决了二维频谱严重耦合和速度空变难题，减小了距离向冗余采样，节约了运算所需资源和时间，极大地促进了星载SAR对地观测应用。

Description

一种星载SAR成像处理方法
技术领域
本发明涉及雷达成像技术领域领域，尤其涉及一种星载SAR成像处理方法。
背景技术
星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)是一种主动式微波遥感设备，具有全天时、全天候、二维高分辨、强穿透性、多功能、多用途等特点，在海洋搜救、灾害监测、战场侦查、地图测绘等领域发挥着重要的作用。由于星载SAR具有较大的观测范围，目前已成为主流的对地观测手段。
目前，星载SAR大多工作在正侧视和小斜视情况下，为了更及时、灵活地获取精细对地SAR图像，星载SAR高分辨大斜视模式将被频繁采用。然而高分辨星载SAR往往对应更长的合成孔径时间，卫星运动轨迹不再等效于一条直线，导致传统斜距模型失效；而且，方位向大斜视角将引入大量的距离向冗余采样和强烈的距离方位耦合，导致后期处理数据量急剧增加和传统成像处理算法精度下降。因此，传统模型和处理算法不再满足星载SAR高分辨大斜视快速、高精度图像聚焦要求，将限制星载SAR的应用场景。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种星载SAR高分辨大斜视成像处理方法，解决二维频谱耦合严重和速度空变难题，减小距离向冗余采样，节约运算所需资源和时间。
(二)技术方案
一种星载合成孔径雷达成像处理方法，该方法包括：
分析星载合成孔径雷达成像传统双曲线斜距模型和解析推导适用边界条件，完成算法选型；
去除原始回波信号中距离向冗余采样数据，通过对斜距模型误差和高次相位误差的补偿实现星载SAR高分辨大斜视数据处理，得到完全聚焦图像。
上述方案中，分析星载合成孔径雷达成像传统双曲线斜距模型和解析推导适用边界条件，完成算法选型，包括：
确定斜距模型引入的相位误差Δψ；
将原始回波信号转换到二维频域确定处理边界条件。
其中，相位误差Δψ：
Δψ＝4πΔR/λ
其中，ΔR表示斜距模型引入的最大距离误差，λ表示波长，当Δψ＜π/4时斜距模型适用。
其中，将原始回波信号转换到二维频域确定处理边界条件，确定的处理边界条件为：
Kr(Z+M)＜＜1
其中，Kr为不考虑斜视影响时的距离向调频率，Z和M为中间变量，
Figure BDA0002373437890000021
c表示光速，R0表示最短斜距，fη表示多普勒频率，f0表示载频，Vr表示等效速度，D表示徙动因子，fηc表示多普勒中心频率。
上述方案中，去除原始回波信号中距离向冗余采样数据是通过距离移位校正距离走动量实现，距离位移函数为：
Figure BDA0002373437890000022
其中，fτ为距离向频率，η为方位向采样时刻，c为光速，Vr为等效速度，θsq为斜视角。
上述方案中，通过对斜距模型误差和高次相位误差的补偿实现星载SAR高分辨大斜视数据处理，得到完全聚焦图像包括：
计算双曲线形式的距离模型误差并在回波域进行补偿得到补偿后的二维时域第一回波数据；
将第一回波数据变换到距离频域，校正斜视角引入的距离走动，然后变换到二维时域截取距离向有效数据，最终去除滑聚模式方位向频谱混叠后得到二维时域第二回波数据；
将第二回波数据变换到二维频域并与参考相位相乘，将距离向分块处理，根据相位误差阀值确定距离向分块大小，完成非参考距离处的残余相位补偿，得到完全聚焦图像。
其中，去除滑聚模式方位向频谱混叠采用Deramp变标操作。
其中，根据相位误差阀值确定距离向分块大小采用以下公式进行：
Figure BDA0002373437890000031
其中，Δψsrc，R为残余相位误差，ΔR为到参考距离Rref的距离，Vr为等效速度，Ts为合成孔径时间。
(三)有益效果
本发明提供的星载合成孔径雷达成像处理方法结合星载SAR高分辨大斜视处理信号模型，详细分析了现有模型和算法的处理边界条件，对星载SAR成像处理算法选型具有重要的参考价值，此外，本发明通过对斜距模型误差和高次相位误差的补偿实现星载SAR高分辨大斜视数据处理，有效地解决了二维频谱严重耦合和速度空变难题，减小了距离向冗余采样，节约了运算所需资源和时间，极大地促进了星载SAR对地观测应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的星载合成孔径雷达成像处理方法流程图；
图2为本发明实施例提供的高轨星载SAR滑动聚束模式的成像几何示意图；
图3为本发明实施例中通过斜距模型误差和高次相位误差补偿完成星载SAR高分辨大斜视数据处理流程图；
图4为本发明实施例中高轨星载SAR大斜视情况下HRE斜距模型适用边界分析结果；
图5为本发明实施例中高轨星载SAR大斜视情况下补偿前后Kr(Z+M)边界分析结果；
图6为本发明实施例中高轨星载SAR大斜视情况下剔除距离向无效数据前后回波数据的对比结果图，其中(a)图为仿真点阵目标分布示意图，(b)图为剔除距离向无效数据前回波数据的结果图，(c)图为剔除距离向无效数据后回波数据的结果图；
图7为本发明实施例点目标仿真数据二维频谱和“哑铃形”距离向脉压结果，其中(a)图为点目标仿真数据二维频谱图，(b)图为“哑铃形”距离向脉压结果图；
图8为本发明实施例点目标仿真数据二维脉压结果，其中(a)为二维聚焦结果图，(b)为距离向切面图，(c)为方位向切面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明实施例提供的星载合成孔径雷达成像处理方法流程图，该方法包括：
分析星载合成孔径雷达成像传统双曲线斜距模型和解析推导适用边界条件，完成算法选型；
去除原始回波信号中距离向冗余采样数据，通过对斜距模型误差和高次相位误差的补偿实现星载SAR高分辨大斜视数据处理，得到完全聚焦图像。
步骤一：分析星载合成孔径雷达成像传统双曲线斜距模型和解析推导适用边界条件，完成算法选型。
以高分辨率星载SAR滑动聚束模式成像几何为例，如图2所示，在长合成孔径时间下，卫星运行轨迹是一条略微弯曲的曲线，具有非线性性。而HRE模型将卫星运行轨迹默认为是一条直线，因此双曲线形式的距离模型(Hyperbolic Range Equation，HRE)描述的斜距历程与目标真实的斜距历程间存在误差，而且该误差随着合成孔径时间的增大而增大。
假设对于目标PT2，HRE模型引入的最大距离误差为ΔR，对应相位误差Δψ为4πΔR/λ，其中λ表示波长，当Δψ＜π/4时，HRE模型适用；当Δψ＞π/4时，HRE模型将导致方位向散焦。因此，星载SAR高分辨成像处理时，斜距模型引入的相位误差Δψ是需要考虑的处理边界条件。分析完斜距模型适用边界条件后，利用驻定相位原理(POSP)，将原始回波信号转换到二维频域，校正多普勒中心后，可表示为：
Figure BDA0002373437890000051
其中，S2df为二维频域的回波数据，fτ为距离向频率，fη为多普勒频率，c为光速，Kr为不考虑斜视影响时的距离向调频率，Vr为等效速度，R0为最短斜距，f0为载频，fηc为多普勒中心频率，D为徙动因子，θa(fτ，fη)为相位项，Wr(fτ)是距离频谱包络，Wa(fη)是方位频谱包络。将上式中的根式展开成fτ的幂级数，并保留到fτ 2项，θa(fτ，fη)变为：
Figure BDA0002373437890000052
将上式进行关于fτ的POSP，可得
Figure BDA0002373437890000053
其中，
Figure BDA0002373437890000054
Figure BDA0002373437890000055
其中，fτ为距离向频率，fη为多普勒频率，c为光速，Kr为不考虑斜视影响时的距离向调频率，Vr为等效速度，R0为最短斜距，f0为载频，fηc为多普勒中心频率，D为徙动因子，Z和M为中间变量。由此发现距离向脉压后的脉冲包络长度按1/[1-Kr(Z+M)]被改变，为尽量减小脉冲包络长度变化，Kr(Z+M)应满足远小于1的条件。但M中包含与fηc的相关项，在星载大斜视条件下fηc可能达到105的量级，此时Kr(Z+M)不满足远小于1的条件，需要补偿掉M中与fηc的相关项，在二维频域以场景中心斜距Rref为准，校正相位为：
Figure BDA0002373437890000061
因此，星载SAR大斜视成像处理时，Kr(Z+M)＜＜1是需要考虑的处理边界条件。
步骤二：去除原始回波信号中距离向冗余采样数据，通过对斜距模型误差和高次相位误差的补偿实现星载SAR高分辨大斜视数据处理，得到完全聚焦图像。
根据星载SAR高分辨大斜视信号特点，剔除距离向冗余采样数据。星载SAR工作在高分辨大斜视状态时，大斜视、大带宽和长合成孔径时间导致单点目标大徙动量，此时为保证二维分辨率和测绘带宽，回波采样数据量将大幅提高，因此，需要利用信号处理知识，剔除斜视角引入的距离向冗余采样数据，减少后期处理运算量。此时可以通过改变目标各方位时刻的采样起始时间，相当于通过距离移位校正距离走动量，消除大斜视对数据采样的影响，并减小数据量。距离位移函数可表示为：
Figure BDA0002373437890000062
其中fτ为距离向频率，η为方位向采样时刻，c为光速，Vr为等效速度，θsq为斜视角。
此外，星载SAR高分辨大斜视导致回波数据距离和方位交叉耦合，而二维频谱耦合将导致距离向脉压呈“哑铃形”。RD、CS这些传统成像处理算法一般需要在距离脉压后校正距离徙动，但“哑铃形”距离向脉压结果将导致边缘处距离徙动校正失败，降低成像处理精度。针对星载SAR高分辨数据处理，赵秉吉等人从高阶多普勒参数出发推导出了一种适应长合成孔径时间的距离模型，并基于该距离模型开发成像处理算法，但该距离模型和算法是在正侧视背景下开发的，忽略了大斜视情况下的二维频谱严重耦合，难以满足星载SAR高分辨大斜视成像处理。
通过斜距模型误差和高次相位误差补偿实现星载SAR高分辨大斜视数据处理的过程如图3所示，该方法基于HRE距离模型，包括以下步骤：
S1，计算双曲线形式的距离模型误差并在回波域进行补偿得到补偿后的二维时域第一回波数据；
S2，将第一回波数据变换到距离频域，校正斜视角引入的距离走动，然后变换到二维时域截取距离向有效数据，最终去除滑聚模式方位向频谱混叠后得到二维时域第二回波数据；
S3，将第二回波数据变换到二维频域并与参考相位相乘，将距离向分块处理，根据相位误差阀值确定距离向分块大小，完成非参考距离处的残余相位补偿，得到完全聚焦图像。
具体的，步骤S1中基于卫星轨道参数和空间几何关系，计算目标在照射期间与卫星的斜距历程，并与HRE模型描述的卫星和目标点间的斜距历程进行比对，计算HRE模型误差并在回波域进行补偿，得到补偿后的二维时域第一回波数据L1；
步骤S2中将第一回波数据L1变换到距离频域，校正斜视角引入的距离走动，变换到二维时域截取距离向有效数据，再进行Deramp变标操作操作去除滑聚模式方位向频谱混叠问题，得到二维时域第二回波数据L2；
步骤S3中在距离频域，首先对第二回波数据L2恢复斜视角引入的距离走动，接着变换到二维频域，与参考相位相乘，实现参考点的完全脉压；最后考虑距离空变引入的二次相位误差，将距离向分块处理，根据相位误差阀值π/4确定距离向分块大小，完成非参考距离处的残余相位补偿，得到完全聚焦图像L3。下式为距离向分块依据。
Figure BDA0002373437890000071
其中，Δψsrc，R为残余相位误差，ΔR为到参考距离Rref的距离，Vr为等效速度，Ts为合成孔径时间。
下面对本发明的星载SAR高分辨大斜视成像处理过程行示例性说明。在本示例性说明中，采用中高轨星载SAR卫星作为载荷处理对象，处理数据分辨率约为0.5m，雷达参数如表1所示：
表1雷达主要参数
下视角 30° 斜视角 20°
发射带宽 700MHz 等效速度 2470m/s
PRF 800Hz 场景中心距离 9200km
中高轨星载SAR方位向斜视角为20°时，首先，分析HRE斜距模型精度，图4表明随着合成孔径时间的增加，HRE模型精度逐渐下降，该模型最多可描述10s照射时间内的斜距历程，因此在大斜视高分辨星载SAR成像处理时需要补偿相应误差；接着，分析传统解析推导适用边界，发现在斜视角大于10°时|Kr(Z+M)|不满足远小于1的条件，而多普勒项补偿后可满足斜视角高达25°的处理要求，经多普勒项补偿后传统解析推导适用范围极大提高，如图5所示；然后，通过距离频域方位时域处理去除距离向冗余采样，图6给出了斜视角20°，距离走动校正前后点阵目标回波的对比结果，其中(a)图为仿真点阵目标分布示意图，(b)图为剔除距离向无效数据前回波数据的结果图，(c)图为剔除距离向无效数据后回波数据的结果图，可见校正斜视引入的大距离走动后，大大消除了距离向冗余采样，减小了后期处理数据量；最后，仿真斜视角20°、分辨率0.5m的回波数据，耦合的二维频谱和“哑铃形”距离向脉压结果，如图7所示，其中(a)图为点目标仿真数据二维频谱图，(b)图为“哑铃形”距离向脉压结果图。同时，基于本发明所提成像处理流程处理20°斜视角、0.5m分辨率的回波数据，二维精确聚焦结果如图8所示，其中(a)为二维聚焦结果图，(b)为距离向切面图，(c)为方位向切面，评估发现PSLR优于-26dB，ISLR优于-21dB，分辨率满足系统设计要求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种星载合成孔径雷达成像处理方法，其特征在于，该方法包括：
分析星载合成孔径雷达成像传统双曲线斜距模型和解析推导适用边界条件，完成算法选型；
去除原始回波信号中距离向冗余采样数据，通过对斜距模型误差和高次相位误差的补偿实现星载SAR高分辨大斜视数据处理，得到完全聚焦图像；
其中，所述分析星载合成孔径雷达成像传统双曲线斜距模型和解析推导适用边界条件，完成算法选型，其特征在于，包括：
确定斜距模型引入的相位误差Δψ；
将原始回波信号转换到二维频域确定处理边界条件，所述将原始回波信号转换到二维频域确定处理边界条件，确定的处理边界条件为：
Kr(Z+M)＜＜1
其中，Kr为不考虑斜视影响时的距离向调频率，Z和M为中间变量，
Figure FDA0003425549050000011
c表示光速，R0表示最短斜距，fη表示多普勒频率，f0表示载频，Vr表示等效速度，D表示徙动因子，fηc表示多普勒中心频率；
其中，所述去除原始回波信号中距离向冗余采样数据，通过对斜距模型误差和高次相位误差的补偿实现星载SAR高分辨大斜视数据处理，得到完全聚焦图像，其特征在于，包括：
计算双曲线形式的距离模型误差并在回波域进行补偿得到补偿后的二维时域第一回波数据；
将第一回波数据变换到距离频域，校正斜视角引入的距离走动，然后变换到二维时域截取距离向有效数据，最终去除滑聚模式方位向频谱混叠后得到二维时域第二回波数据；
将第二回波数据变换到二维频域并与参考相位相乘，将距离向分块处理，根据相位误差阀值确定距离向分块大小，完成非参考距离处的残余相位补偿，得到完全聚焦图像；
所述根据相位误差阀值确定距离向分块大小采用以下公式进行：
Figure FDA0003425549050000021
其中，Δψsrc,R为残余相位误差，ΔR为到参考距离Rref的距离，Vr为等效速度，Ts为合成孔径时间。
2.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达成像处理方法，其特征在于，所述相位误差Δψ：
Δψ＝4πΔR/λ
其中，ΔR表示斜距模型引入的最大距离误差，λ表示波长，当Δψ＜π/4时斜距模型适用。
3.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达成像处理方法，其特征在于，所述去除原始回波信号中距离向冗余采样数据是通过距离移位校正距离走动量实现，距离位移函数为：
Figure FDA0003425549050000022
其中，fτ为距离向频率，η为方位向采样时刻，c为光速，Vr为等效速度，θsq为斜视角。
4.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达成像处理方法，其特征在于，所述去除滑聚模式方位向频谱混叠采用Deramp变标操作。
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