CN111273291B - 基于球体模型的俯冲段fenlcs大斜视高分辨成像方法及系统 - Google Patents

基于球体模型的俯冲段fenlcs大斜视高分辨成像方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法及系统。本发明涉及的基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法包括：S11.构建机动平台俯冲段SAR成像的几何构型，并分析所述几何构型的回波特性、空间斜视角的空变特性；S12.对回波信号进行距离向处理；S13.构建等距球体解析模型，并利用方位空变的残留高阶RCMC方法提高所述距离向处理的精度；S14.基于构建的等距球体解析模型对方位空变的多普勒相位进行重新建模，利用FENLCS方法去除多普勒中心频率、实现多普勒调频率方位的均衡，再进行方位压缩，获得最终的聚焦图像。

Description

基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法及系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法及系统。
背景技术
SAR凭借其全天时、全天候、高分辨率等成像优势，使得将其与导弹、无人机、直升机等高速机动平台相结合的机动平台SAR成像技术研究已成为当今研究热点。机动平台因飞行轨迹灵活多变，其SAR成像过程根据平台不同飞行状态一般可划分为直线匀速飞行和曲线加速俯冲两个阶段。机动平台在俯冲模式下，信号回波特性比一般平飞构型更复杂，传统的方位平移不变性不再成立。且俯冲构型下存在的三维速度及加速度导致了空间斜视角的二维空变，使得回波信号随距离、方位向的空变现象加剧，距离方位耦合严重。
大斜视SAR作为一种重要的成像模式，其为SAR成像提供了更多的机动性和灵活性。但由于机动平台俯冲段成像构型下存在三维速度和加速度，使得信号回波模型更复杂多变，加速度的存在使得距离徙动(range cell migration)系数和多普勒参数存在更为剧烈的二维空变现象，导致机动平台俯冲段下的大斜视高分辨率成像变得困难。
通过对机动平台俯冲段SAR成像系统模型的研究分析，俯冲段构型中的信号回波特性主要受三维速度和加速度的影响。空间斜视角在此条件下二维空变，给距离向RCM校正和方位向多普勒参数均衡处理带来了难题。并且，传统方法只对线性距离走动校正(linearrange walk correction,LRWC)后点目标空间变化关系解析式进行了一阶近似，处理精度达不到高分辨率成像的要求。因此，本发明提供了基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法及系统来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法及系统，对机动平台俯冲段构型下的三维速度和加速度进行处理，并获得了精确走动校正后的点目标空间变化关系解析式，确保了机动平台俯冲段的高分辨率SAR成像。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法，包括：
S1.构建机动平台俯冲段SAR成像的几何构型，并分析所述几何构型的回波特性、空间斜视角的空变特性；
S2.对回波信号进行距离向处理；
S3.构建等距球体解析模型，并利用方位空变的残留高阶RCMC方法提高所述距离向处理的精度；
S4.基于构建的等距球体解析模型对方位空变的多普勒相位进行重新建模，利用FENLCS方法去除多普勒中心频率、实现多普勒调频率方位的均衡，再进行方位压缩，获得最终的聚焦图像。
本发明构建了俯冲段斜距几何模型，描述了斜距受三维速度及加速度影响的现象，并分析了三维加速度对二维频谱的影响。为处理由三维速度与加速度带来的距离方位耦合问题，对回波信号进行了结合加速度补偿操作的距离去走动处理。基于距离预处理的结果，构建了一种等距球体解析模型，借此模型推导出了用于准确描述经距离处理后的同一距离单元上的点目标间的方位位置关系的解析式。此解析式在距离向残余高阶项处理中得到了应用，大大提升了距离处理精度，并在方位向处理中用于方位多普勒参数的均衡处理，即实现了多普勒中心的去除以及调频率及高次项的均衡处理，最后实现了方位聚焦。
本发明所提的具体处理流程如图1所示。首先，在距离向上对信号回波进行了结合加速度补偿的LRWC处理，大大削弱了加速度对二维频谱的影响并去除了大部分的线性RCM。接着，通过KT(keystone transform)处理去除了大部分残余线性RCM，并缓解了部分距离方位耦合。在进行一致距离距离徙动校正(bulk range cell migration correction,BRCMC)后，根据信号特点构建了一个等距球体解析模型，用于准确解析描述等距点间二维空变的空间位置关系。接着将通过由该模型导出的方位空变的斜距模型应用于距离向残留的高阶RCM校正处理，大大提高了距离向处理精度；在方位向上应用于方位频域非线性变标(frequency-domain extended non-linear chirp scaling,FENLCS)方法处理，实现了多普勒中心频率的去除和多普勒调频率的均衡，最后完成了方位聚焦。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明利用结合了加速度补偿的LRWC处理去除主要的线性RCM，并削弱了加速度给成像带来的影响。接着，通过KT变换去除了方位零时刻处点目标的残留线性RCM项，缓解了部分距离方位耦合。结合BRCMC处理后的信号回波，本发明提出了一个等距球体解析模型，通过将由该模型导出的同一距离单元点目标的空间位置解析式分别应用于距离向残留高阶RCM校正处理和方位向FENLCS方法处理，提升了距离向处理精度，实现了空变的多普勒中心频率的去除和调频率的均衡，最后完成了方位聚焦。仿真结果证明本发明所构建的等距球体解析模型和相应的信号处理算法在机动平台俯冲段大斜视高分辨成像条件下的有效性。本发明在处理机动平台俯冲段大斜视SAR回波数据具有更好的聚焦效果。
附图说明
图1是实施例一提供的一种基于社会关系相关度计算的评审专家指派系统结构图；
图2为实施例一提供的算法处理流程图；
图3为实施例一、二提供的俯冲段SAR成像几何构型示意图；
图4为实施例一提供的斜视角空变对RCM的影响分析示意图；
图5为实施例一提供的加速度对二维频谱的影响示意图；
图6为实施例一提供的等距球体解析模型示意图；
图7为实施例一提供的残留高阶RCMC方法处理前后距离徙动轨迹示意；
图7(a)为实施例一提供的处理前距离徙动轨迹示意图；
图7(b)为实施例一提供的处理后距离徙动轨迹示意图；
图8为实施例一提供的多普勒中心频率空变影响分析示意；
图8(a)为实施例一提供的二阶相位误差示意图；
图8(b)为实施例一提供的三阶相位误差示意图；
图8(c)为实施例一提供的四阶相位误差示意图；
图9为实施例一提供的等距球体解析模型有效性分析示意图；
图10为实施例二提供的处理前后RCM轨迹对比示意图；
图10(a)为实施例二提供的距离处理方法处理前RCM轨迹示意图；
图10(b)为实施例二提供的距离处理方法处理后RCM轨迹示意图；
图11为实施例二提供的处理前后实际聚焦效果对比示意图；
图11(a)为实施例二提供的传统方法处理后的聚焦图像示意图；
图11(b)为实施例二提供的处理后的聚焦图像示意图；
图12为实施例二提供的处理前后的方位脉压剖面示意图；
图12(a)为实施例二提供的传统方法处理后的方位脉压剖面示意图；
图12(b)实施例二提供的处理后的方位脉压剖面示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法及系统。
本发明在距离向上对信号回波进行了结合加速度补偿的LRWC处理，大大削弱了加速度对二维频谱的影响并去除了大部分的线性RCM。接着，通过KT(keystone transform)处理去除了大部分残余线性RCM，并缓解了部分距离方位耦合。在进行一致距离距离徙动校正(bulk range cell migration correction,BRCMC)后，根据信号特点构建了一个等距球体解析模型，用于准确解析描述等距点间二维空变的空间位置关系。接着将通过由该模型导出的方位空变的斜距模型应用于距离向残留的高阶RCM校正处理，大大提高了距离向处理精度；在方位向上应用于方位频域非线性变标(frequency-domain extended non-linearchirp scaling,FENLCS)方法处理，实现了多普勒中心频率的去除和多普勒调频率的均衡，最后完成了方位聚焦。
实施例一
本实施例提供基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法，如图1-2所示，包括：
S11.构建机动平台俯冲段SAR成像的几何构型，并分析所述几何构型的回波特性、空间斜视角的空变特性；
S12.对回波信号进行距离向处理；
S13.构建等距球体解析模型，并利用方位空变的残留高阶RCMC方法提高所述距离向处理的精度；
S14.基于构建的等距球体解析模型对方位空变的多普勒相位进行重新建模，利用FENLCS方法去除多普勒中心频率、实现多普勒调频率方位的均衡，再进行方位压缩，获得最终的聚焦图像。
在步骤S11中，构建机动平台俯冲段SAR成像的几何构型，并分析所述几何构型的回波特性、空间斜视角的空变特性。
本实施例构建机动平台俯冲段SAR成像的几何构型，分析其回波特性及其空间斜视角的空变特性，具体包括：
S111.构建机动平台俯冲段SAR成像几何构型，如图3所示，其中雷达平台沿LMN轨迹进行曲线加速运动。该俯冲成像构型中，雷达平台在加速度的影响下进行曲线俯冲运动，雷达平台瞬时的三维速度为和三维加速度分别为v、a。在方位慢时间ta＝0时刻，机动平台位于点L处，高度为h0，波束中心恰好照射到场景中心点P0，中心斜距为rc0，点P0在地面上的投影到Y轴的距离为rg。
其中，波束在地面的投影与方位向的夹角β为固定的方位角，定义零多普勒平面(YOZ平面)与波束射线指向的夹角为空间斜视角θ0。P2为距离向上的任意一点，可以看出空间斜视角是随距离空变的。P1为任意点目标，雷达平台波束中心穿越成像目标点P1的方位时间为tc，M点处所在高度为h，空间斜视角为θ，波束中心斜距为rc，为了便于后续算法推导，此处将三维速度v分解为(vx,vy,vz)，将三维加速度a分解为(ax,ay,az)，并置初始速度vy为零。根据空间几何关系，目标点P1的瞬时斜距可表示为：
Figure BDA0002384094190000061
其中，
Figure BDA0002384094190000062
为直观展示三维速度和加速度带来的影响，式(1)的根号中主要可分为三项：第一项主要被OX方向的速度及加速度影响，此项在速度恒定、加速度为零的情况下与平飞段一致；第二项是由于水平方向的位移产生的；第三项则是由纵向的加速度引起的。由于根号的存在，此三项相互耦合，因此要实现SAR俯冲段成像的关键在于处理三维速度与加速度带来的耦合问题。
S112.如图3所示，从式(1)可以得出瞬时收发距离和为Rtot＝2R(ta)，将其在ta＝tc处进行泰勒级数展开得到：
Figure BDA0002384094190000063
其中，
Figure BDA0002384094190000064
式(4)中，k1为线性距离徙动(Linear Range Cell Migration,LRCM)项系数，k2为二次距离徙动(Quadratic Range Cell Migration,QRCM)项系数，k3、k4为高次距离徙动项系数。可以看出，展开后的各系数由点目标的具体位置参数决定，也进一步证明了曲线俯冲平台SAR回波数据具有复杂的二维空变特性。为了便于之后的信号处理，此处分别将各系数分解为只包含速度分量与只包含加速度分量两个部分：
Figure BDA0002384094190000071
其中，系数k1中未包含加速度分量。
由式(2)可知空间斜视角具有二维空变特性，其与地面距离rg有关。为了定量分析此对RCM的影响，本实施例根据斜视角空变对LRCM和QRCM产生的影响进行了仿真分析，高阶项的影响很小因此忽略不计。利用参考斜视角θ0可以将式(3)中LRCM和QRCM误差分别定义为：
Figure BDA0002384094190000072
图4为LRCW和QRCM误差分析仿真结果图，仿真参数如表1所示。
仿真参数 仿真值 仿真参数 仿真值
载波频率 10GHz 脉冲宽度 3.8μs
平台速度 (130,50,-50)m/s 加速度 (1.5,0.5,-0.5)m/s
距离带宽 150MHz 采样频率 378MHz
空间斜视角 52° 脉冲重复频率 840Hz
多普勒带宽 130Hz 参考地面距离 10km
合成孔径时间 1.9261s
表1
从图中可以看出，当距离位置位于成像场景边缘处时，RCM的线性偏移量已超过1/2距离分辨单元，成像质量将受到显著影响。二次项的偏移量远小于线性偏移量，对成像处理影响不大，可进行忽略。
通过对几何构型的分析，单基站SAR因其自发自收的特点，以LFM信号为发射信号，那么可将解调回基带的信号表示为：
Figure BDA0002384094190000081
其中，wr(.)和wa(.)分别为距离、方位包络，τ为距离向快时间，ta为方位向慢时间，fc为载频，Kr为线性调频率，c为光速，Ta为合成孔径时间。
在步骤S12中，对回波信号进行距离向处理。
在本实施例中，分析了加速度对二维频谱的影响，对回波信号进行了结合加速度补偿的LRWC处理，校正了非空变的线性距离徙动，并通过KT变换完全去除了方位零时刻处的线性RCM，接着利用BRCMC实现了统一高阶RCM的校正，具体包括：
S121.为了获得信号的二维频谱，首先利用级数反演((Method of SeriesReverse,MSR)将式(7)变换至距离频域：
Figure BDA0002384094190000082
加速度将直接影响到多普勒参数及方位频谱，尤其是多普勒中心频率。根据式(8)并结合式(5)可知多普勒中心频率表达式为：
Figure BDA0002384094190000083
根据式(9)可知，多普勒中心频率受加速度影响，当加速度较大时，会造成方位频谱混叠，如图5(a)所示，导致后续成像处理无法继续进行，因此必须先对加速度的影响进行削弱。
S122.为削弱加速度影响并进行距离方位去耦合，需要进行加速度校正处理和LRWC处理，该匹配滤波器可表示为：
Figure BDA0002384094190000084
其中，ki0＝ki(rc0,0,θ0),i＝1,2,3,4，ki0a是ki0的加速度分量，θ0是成像场景中心参考点处的斜视角。式(10)中，指数项中的k10(rc0,0,θ0,v)ta为LRWC系数，而后一项为加速度补偿项。为完成距离走动校正以及加速度补偿，将式(10)与式(8)相乘，补偿结果为：
Figure BDA0002384094190000091
上述处理可以削弱由加速度带来的影响，如图5(b)表示加速度补偿后信号二维频谱的实际仿真结果，可以发现频谱混叠现象已经消失。由式(11)可知，由于回波信号的二维空变特性，占据回波数据的距离徙动量和距离方位耦合绝大部分的线性分量并没有完全被去除，仍存在影响成像处理的残留量(k1-k10)ta。
为了完全去除二维空变的残留线性分量和主要的距离-方位耦合，可利用KT变换进行重采样，即：ta＝tmfc/(fr+fc)。将重采样后的信号在fr＝0处进行三阶泰勒级数展开，得：
Figure BDA0002384094190000092
其中，φ0为方位调制项系数，φ1为距离位置项系数，φ2为二次距离调频项系数，φ3为高次距离方位耦合项系数，具体表达式为：
Figure BDA0002384094190000093
观察式(13)中φ1的具体表达式可以发现，经过KT变换处理后的信号在方位零时刻上已不存在线性RCM，即已不存在tm的一次项。接下来对其进行高阶RCM补偿，即进行二次距离压缩(second range compression,SRC)和BRCMC处理，匹配滤波器分别表示为：
HSRC(fr,tm；rc0,θ0)＝exp{-jπ[φ2(tm；rc0,0,θ0)fr 2+φ3(tm；rc0,0,θ0)fr 3]} (18)
Figure BDA0002384094190000101
将式(15)、式(14)与式(12)相乘可得RCM距离延迟曲线为：
Figure BDA0002384094190000102
其中，μ0表示点目标到机动平台方位零时刻位置的距离，Δμ(tm；rc,tc)为BRCMC处理后的残余高阶RCM误差，具体表达式为：
Figure BDA0002384094190000103
从式(16)中可以看出，式中不仅存在二维空变的高阶RCM残留，点目标的实际聚焦位置发生了随方位空变的偏移，表示为：
Figure BDA0002384094190000104
通过分析式(18)可以发现，上述成像处理使得成像点目标的实际聚焦位置发生了定量的距离偏移，所有成像目标的实际聚焦位置都由2rc变为Rtot(0；rc,tc)，因此，具有相同Rtot(0；rc,tc)值的成像目标通过上述距离向处理后将聚焦在相同距离单元上。但是，由于剩余空变高阶RCM的存在，无法认为其RCM轨迹已被矫正到与方位向平行的直线，无法进行后续的方位处理实现精准聚焦。
在步骤S13中，构建等距球体解析模型，并利用方位空变的残留高阶RCMC方法提高所述距离向处理的精度。
在本实施例中，构建了一个等距球体解析模型，推导得到了能准确描述经上述距离向处理后处于同一距离单元上的点目标空间位置关系的解析式，将该式应用于方位空变的残留高阶RCM校正方法，提高了距离向处理的精度，具体包括：
S131.为了解决上述问题，需要建立经距离向处理后处于相同距离单元上的成像点间的距离位置关系，即解出式(18)中关于波束中心距离rc与rc0之间解析表达式。传统方法依据走动校正处理后斜距在方位时间ta＝tc处的方位聚焦位置即R＝k0(rc)+k1(rc0)×tc，求得点目标间波束中心斜距之间的解析关系式。此解析模型只近似到一次项不够精确，给后续距离向和方位向处理带来了较大的误差，若要进行高分辨率成像必须求解出此解析表达式的精确解析解。由于式(18)方程阶数较高，无法直接求出其精确的解析解，可尝试通过分析俯冲SAR空间构型中的几何关系解决上述问题，因此本实施例在此处构建了一个等距球体解析模型。
如图6所示，假设P1是场景区域中选定的某一个成像点目标，在通过前文距离预处理之后，其表示的距离向聚焦位置发生偏移，根据以上分析过程可知是由rc偏移为Rtot(0；rc,tc)。根据前文构建点目标瞬时距离模型的过程可知，Rtot(0；rc,tc)即表示该点目标与机动平台在方位零时刻之间的距离，可由LP1表示。如果点目标P1在经过距离搬移之后处于和参考点P0相同的距离单元内，即Rtot(0；rc,tc)＝rc0，可以认为线段LP1的长度与线段LP0相等，进一步可以将P0和P1看作是为于以rc0为半径，以L点为球心的等距球体上，故可将此模型形象地描述为等距球体解析模型。
由于不同位置上的P1和P0点在经距离向处理后偏移到成像区域中的相同距离单元上，因此点目标剩余高阶RCM中不仅存在由于二维空变的空间斜视角以及曲线俯冲SAR构型本身存在的方位空变性所导致的部分，还将引入由于点目标原始斜距不同而产生的距离空变分量。因此需要先将距离空变的RCM残留分量统一转换为方位非空变部分和方位空变部分，再利用有效的处理方法实现矫正，而完成距离空变RCM转换的关键是被搬移到相同距离单元上的不同点目标的原始斜距之间关于方位慢时间的空变关系，即点目标之间方位空变的斜距模型。
根据前文所述，直接求解式(18)是不现实的，但我们可以利用等距球体解析模型中的几何关系进行求解。由于P1和P0处于同一个球上，则两者到球心的距离相同，即LP1＝LP0＝rc0，又可以发现LP1＝rc0与MP1＝rc共同构成了一个三角形，因此可以借助ΔLMP1中的几何关系求出rc0与rc之间的高阶近似关系：
Figure BDA0002384094190000111
其中，
Figure BDA0002384094190000121
式(19)中的解析表达式更为地准确表述了被距离向处理矫正到同一距离单元上的成像点间的中心斜距关系，构建了将信号距离空变特性统一转换为方位空变特性的等距模型。根据前文的分析可知，瞬时斜距模型(3)中的展开系数ki(rc；tc,θ)是随斜距rc、方位时刻tc以及波束斜视角θ变化的，这也是上述利用参考点数据进行RCMC处理存在高阶残留的原因。由于具有不同rc的点目标聚焦位置被搬移到相同范围单元上，依据式(19)，可将这些点目标复杂的二维空变特性转化为非方位空变部分和方位空变部分的组合，从而应用方位空变剩余RCMC方法整体提高距离向处理的精度。将式(19)代入到展开系数ki中，并进行级数展开得：
Figure BDA0002384094190000122
为了后续处理，此处仍将各系数分解为只包含速度部分和只包含加速度部分，即：
Figure BDA0002384094190000123
实际仿真中，影响较大的为k2项，而线性项和高次项由于影响较小，可只作一阶展开，而四次项的方位空变部分可完全忽略，其可行性将在下文中给出实际仿真验证。
S132.经上述分析，为了实现剩余空变高阶RCM校正，将式(22)代入到式(16)中，可将剩余RCM转换为：
Figure BDA0002384094190000131
式(23)展示了将具有二维空变特性的剩余高阶RCM转换为只包含方位空变分量的表现形式，该结果可以利用高阶剩余RCM矫正方法去除剩余高阶RCM残留。将式(23)乘以如下高阶RCM补偿滤波器：
Figure BDA0002384094190000132
将式(24)与(23)相乘后的结果在tm＝tc处进行泰勒级数展开，令其线性展开系数恒为零，即将(tm-tc)的线性项置零，可以大幅度去除方位边缘点处残留的高阶RCM。通过求解可以得到，
Figure BDA0002384094190000133
将式(25)所示的解回代到RCM轨迹的处理结果中，主要的剩余高阶RCM已被去除，最终的距离向处理结果可以表示为：
Figure BDA0002384094190000134
接下来，根据距离向处理后的结果式(68)，为了验证距离向处理的精度，根据表1给出的仿真参数，以场景中心点与两个方位边缘点为例，对实际剩余高阶RCM矫正结果进行了仿真验证，如图7所示。
观察图7(a)，将一阶近似解析式用于剩余高阶RCM矫正处理后，其方位边缘点P1、P2的RCM误差远远超出了距离分辨率的一半，聚焦效果受到严重影响，距离方位耦合现象明显，无法进行后续方位向处理。而观察应用了等距球体解析模型导出的二阶近似解析式的剩余高阶RCM矫正处理后的RCM轨迹图7(b)，方位边缘点的RCM误差已被补偿降低到距离分辨率的一半以下，对聚焦效果无明显影响，可认为距离向处理已满足高分辨率成像的要求，本实施例所提出的等距球体解析模型在用于剩余高阶RCM矫正处理时，可大大改善距离向处理效果。值得注意的是，该模型还可应用于方位向多普勒中心频率残留的去除以及多普勒调频率的均衡，提升方位向处理性能。
在步骤S14中，基于构建的等距球体解析模型对方位空变的多普勒相位进行重新建模，利用FENLCS方法去除多普勒中心频率、实现多普勒调频率方位的均衡，再进行方位压缩，获得最终的聚焦图像。
在本实施例中，分析了多普勒中心空变的影响，并将由等距球体解析模型导出的解析式应用于多普勒相位的重建模，结合FENLCS算法实现了方位均衡，最后完成了方位压缩，具体为：
S141.根据机动平台SAR系统的实际运行场景，可知曲线俯冲段的回波数据应采用子孔径处理方法完成多普勒相位的均衡与压缩。子孔径SAR数据中，由于同一方位向上的成像点其相位在时域将发生混叠，且各自的调频率是随方位时间空变的。为了解决时域相位混叠问题，可将回波信号转换至频域进行处理，进而才能进行方位均衡与压缩处理。为了对俯冲段SAR数据进行高分辨成像，本节结合前文构建的等距球体解析模型，提出了一种用于处理俯冲段SAR数据的FENLCS算法。
根据式(12)，由于常数项对处理没有影响，因此忽略其常数项并将其在tm＝tc处进行泰勒展开得到：
Figure BDA0002384094190000151
其中，
Figure BDA0002384094190000152
式(27)中，λ＝fc/c。Δk＝(k1-k10)为经距离去走动和加速度补偿处理后的残留多普勒中心频率偏移量，fd2表示方位调频率，fd3、fd4表示方位时域高次项系数。
利用MSR将式(27)转换为方位频域，由于常数项对聚焦无影响，对常数项进行忽略后得：
Figure BDA0002384094190000153
其中，ψ1为目标方位位置信息项，ψ2为目标方位调制项，ψ3、ψ4为高次扰动项，Δfdc＝(k1-k10)/λ，各系数具体表达式为：
Figure BDA0002384094190000154
观察式(29)，由于距离向处理需要削弱加速度的影响并进行距离方位解耦合，导致距离去走动和加速度补偿处理后引入了空变的多普勒中心频率Δfdc，该现象将影响聚焦点目标准确方位位置，并给多普勒调频率均衡和高次相位补偿带来困难。其对多普勒相位产生的误差可表示为：
Figure BDA0002384094190000161
实际仿真结果如图8所示，仿真参数见表1。观察图8可以看出，空变的多普勒中心频率对二次相位误差的影响较大，对高次项影响次之，但在成像场景边缘处均大于阈值π/4，严重影响聚焦质量，需要对其进行处理才能进行高分辨率成像。
S142.为了消除多普勒中心空变对聚焦产生的影响并顺利进行多普勒调频率及高次相位的均衡处理，此处将式(27)整理为：
Figure BDA0002384094190000162
其中，
Figure BDA0002384094190000163
为目标方位位置信息项，
Figure BDA0002384094190000164
为目标方位调制项，
Figure BDA0002384094190000165
为高次扰动项。
由于距离向处理后，位于同一距离单元上的不同方位的点目标与原先位置存在偏移，导致点目标的方位信息存在空变性，会对方位均衡和聚焦产生影响。而该准确偏移量可通过前文等距球体解析模型推导得出，即式(19)。将式(19)用于式(32)中，为了后续成像处理，将各二维空变的多普勒相位系数分解为非方位空变部分和方位空变部分，即：
Figure BDA0002384094190000166
其中，四次相位由于影响较小，可对空变部分进行忽略。
接下来引入频域高次非空变预滤波处理，即将式(32)与如下滤波器相乘：
Figure BDA0002384094190000167
为弱化方位空变效应，将经过预滤波处理后的信号转换到方位时域得并乘以如下时域相位调节因子：
Figure BDA0002384094190000171
其中Y3、Y4是待定的系数。
利用MSR对上述处理结果进行傅里叶变换，此时信号转换为方位频域。通过与引入的方位FENLCS因子相乘：
Figure BDA0002384094190000172
将相乘后的信号经傅里叶逆变换后转换到方位时域可得：
SS4(tm；rc,tc)＝exp{jΩ(tm；tc)} (41)
其中，
Figure BDA0002384094190000173
式(38)中，第一项为用于聚焦处理的一致聚焦项，第二项包含成像点聚焦位置信息，第三项为畸变项，其它项为方位高次相位空变项。为了后续方位均衡的顺利进行，将一阶耦合项设置为
Figure BDA0002384094190000175
并将高阶项设置为零，即可消除多普勒相位空变性，满足均衡要求。即需满足：
Figure BDA0002384094190000174
得到各均衡系数如下：
Figure BDA0002384094190000181
求出的解即为前文给出的各均衡参数参数，得到利用FENLCS算法进行处理后的压缩项信号为：
Figure BDA0002384094190000182
由式(41)可发现多普勒相位空变性已被消除，此时已可以进行方位压缩处理，方位压缩滤波器可根据式(41)表示为：
Figure BDA0002384094190000183
本实施例的有益效果：
针对机动平台俯冲段构型下回波数据的二维空变问题，本实施例利用结合了加速度补偿的LRWC处理去除主要的线性RCM，并削弱了加速度给成像带来的影响。接着，通过KT变换去除了方位零时刻处点目标的残留线性RCM项，缓解了部分距离方位耦合。结合BRCMC处理后的信号回波，本实施例提出了一个等距球体解析模型，通过将由该模型导出的同一距离单元点目标的空间位置解析式分别应用于距离向残留高阶RCM校正处理和方位向FENLCS方法处理，提升了距离向处理精度，实现了空变的多普勒中心频率的去除和调频率的均衡，最后完成了方位聚焦。仿真结果证明本实施例所构建的等距球体解析模型和相应的信号处理算法在机动平台俯冲段大斜视高分辨成像条件下的有效性。本实施例在处理机动平台俯冲段大斜视SAR回波数据具有更好的聚焦效果。
实施例二
本实施例公开的基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法与实施例一的不同之处在于：
图2为机动平台俯冲段SAR的几何构型，其中雷达平台沿LMN轨迹进行曲线加速运动。该俯冲成像构型中，雷达平台在加速度的影响下进行曲线俯冲运动，雷达平台瞬时的三维速度为和三维加速度分别为v、a。在方位慢时间ta＝0时刻，机动平台位于点L处，高度为h0，波束中心恰好照射到场景中心点P0，中心斜距为rc0，点P0在地面上的投影到Y轴的距离为rg。
表2所示为该说明实例所采用的场景中心的系统仿真参数，而成像区域的距离向和方位向宽度分别是2.0km和3km，而且其理论分辨率都是1.0m。本实例所选取的目标P0，P1，P2，P3和P4的在地面二维坐标系上的位置分别是(6647.3，6647.3)m，(7838.7，6349.8)m，(5638.7，7089.6)m，(6126.4，6126.4)m和(7543.4，7543.4)m。其中P1和P2为方位边缘点，P0是方位中心参考点。
Figure BDA0002384094190000191
表2
为了验证等距球体解析模型的有效性，本实施例对等距球体解析模型近似表示多普勒调频率的准确性进行了仿真验证，如图9所示。
从图9可以看到在一个合成孔径时间内，等距球体解析模型的二阶近似值无限逼近调频率的闭合表达式精确值，其误差可以忽略不计，利用等距球体推导的解析式进行方位均衡不会造成误差影响，满足成像要求。
图10给出了本实施例所提距离处理方法处理前后的RCM轨迹对比，从图9(a)中可以看出，进行本实施例所提距离处理方法前的RCM在做完LRWC、KT、BRCMC处理后仍存在包络偏离距离单元的问题，将对最后的聚焦效果产生直接影响，如图11(a)所示。观察图11(a)，除中心参考点外，边缘点P1、P2的聚焦图像能量并不集中，主旁瓣耦合严重，聚焦质量差。
为了观察点目标具体聚焦效果，对P0、P1、P2三点的方位脉压剖面图进行了仿真分析。观察图12(a)，方位边缘点P1、P2的方位脉压图中，主瓣旁瓣不对称，主瓣旁瓣能量分布不均匀，聚焦效果不佳。
作为比较，图10(b)给出了经本实施例所提距离处理方法处理后RCM轨迹仿真图，从图中可以看出，经处理后RCM轨迹并未出现跨越距离单元现象，可以认为距离向处理效果良好。本实施例方法处理后的聚焦效果图如图11(b)所示，方位边缘点P1、P2中心能量集中，并未存在耦合现象，聚焦效果良好。
通过对比图12(a)和图12(b)，本实施例所提方法处理后的方位脉压剖面图性能明显优于传统方法的参考算法的方位脉压剖面图性能。为直观体现本实施例所提算法的优异性能，本实施例对点目标聚焦性能进行了计算，如表3所示。
Figure BDA0002384094190000201
表3
观察表3，其中理想的峰值旁瓣比应为-13.3dB，积分旁瓣比为-10dB，显然本发明所使用的方法更接近理论值，证明了本发明所提算法的有效性。
实施例三
本实施例提供基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像系统，包括：
第一构建模块，用于构建机动平台俯冲段SAR成像的几何构型，并分析所述几何构型的回波特性、空间斜视角的空变特性；
第一处理模块，用于对回波信号进行距离向处理；
第二构建模块，用于构建等距球体解析模型，并利用方位空变的残留高阶RCMC方法提高所述距离向处理的精度；
第二处理模块，用于基于构建的等距球体解析模型对方位空变的多普勒相位进行重新建模，利用FENLCS方法去除多普勒中心频率、实现多普勒调频率方位的均衡，再进行方位压缩，获得最终的聚焦图像。
进一步的，所述第一构建模块包括：
构建机动平台俯冲段SAR成像几何构型，其中雷达平台沿LMN轨迹进行曲线加速运动，目标点P1的瞬时斜距可表示为：
Figure BDA0002384094190000211
其中，
Figure BDA0002384094190000212
其中，v表示雷达平台瞬时的三维速度；vx,vy,vz表示雷达平台瞬时的三维速度的分解；a表示雷达平台瞬时的三维加速度；ax,ay,az表示雷达平台瞬时的三维加速度分解；t表示方位慢时间；h表示雷达平台瞬时高度；rc表示波束中心斜距；θ表示空间斜视角；β为波束在地面的投影与方位向的夹角；ta表示方位慢时间；tc表示雷达平台波束中心穿越成像目标点的方位时间；rg表示点在地面上的投影到Y轴的距离；
分析所述几何构型的回波特性、空间斜视角的空变特性；
若LFM信号为发射信号，将解调回基带的回波信号表示为：
Figure BDA0002384094190000221
其中，wr(.)和wa(.)分别表示距离、方位包络；τ表示距离向快时间；fc表示载频；Kr表示线性调频率；c表示光速；Ta表示合成孔径时间；
将公式(4)变换至距离频域：
Figure BDA0002384094190000222
其中，fr为距离频率。
进一步的，所述第一处理模块中对回波信号进行距离向处理包括LRWC处理和KT处理，具体包括：
加速度校正处理和LRWC处理，表示为：
Figure BDA0002384094190000223
其中，ki0＝ki(rc0,0,θ0),i＝1,2,3,4，ki0a表示ki0的加速度分量，θ0表示成像场景中心参考点处的斜视角；指数项中的k10(rc0,0,θ0,v)ta表示LRWC系数；
Figure BDA0002384094190000224
表示加速度补偿项；
将式(5)与式(4)相乘，补偿结果为：
Figure BDA0002384094190000231
通过KT变换去除方位零时刻处的线性RCM；
利用KT变换进行重采样：
ta＝tmfc/(fr+fc)
将重采样后的信号在fr＝0处进行三阶泰勒级数展开，得：
Figure BDA0002384094190000232
其中，φ0表示方位调制项系数，φ1表示距离位置项系数，φ2表示二次距离调频项系数，φ3表示高次距离方位耦合项系数，具体表达式为：
Figure BDA0002384094190000233
对高阶RCM进行二次距离压缩和BRCMC处理，匹配滤波器分别表示为：
HSRC(fr,tm；rc0,θ0)＝exp{-jπ[φ2(tm；rc0,0,θ0)fr 2+φ3(tm；rc0,0,θ0)fr 3]} (9)
Figure BDA0002384094190000234
将式(7)、式(9)与式(10)相乘可得RCM距离延迟曲线为：
Figure BDA0002384094190000241
其中，μ0表示点目标到机动平台方位零时刻位置的距离；Δμ(tm；rc,tc)表示BRCMC处理后的残余高阶RCM误差。
进一步的，所述第二构建模块包括：
构建等距球体解析模型，利用高阶剩余RCM矫正方法去除剩余高阶RCM残留；
Figure BDA0002384094190000242
去除方位边缘点处残留的高阶RCM，得到最终的距离向处理结果；
Figure BDA0002384094190000243
进一步的，所述第二处理模块包括：
根据机动平台SAR系统的实际运行场景，得到曲线俯冲段的回波数据应采用子孔径处理方法完成多普勒相位的均衡与压缩；
Figure BDA0002384094190000244
其中，
Figure BDA0002384094190000251
其中，λ＝fc/c；Δk＝(k1-k10)表示经距离去走动和加速度补偿处理后的残留多普勒中心频率偏移量；fd2表示方位调频率；fd3、fd4表示方位时域高次项系数；
利用MSR将式(14)转换为方位频域，得到：
Figure BDA0002384094190000252
其中，ψ1表示目标方位位置信息项，ψ2表示目标方位调制项，ψ3、ψ4表示高次扰动项；
利用FENLCS算法进行处理后的压缩项信号为，表示为：
Figure BDA0002384094190000253
进行方位压缩处理，匹配滤波器表示为：
Figure BDA0002384094190000254
需要说明的是，本实施例提供的基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像系统与实施例一类似，在此不多做赘述。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法，其特征在于，包括：
S1.构建机动平台俯冲段SAR成像的几何构型，并分析所述几何构型的回波特性、空间斜视角的空变特性；
S2.对回波信号进行距离向处理；
S3.构建等距球体解析模型，并利用方位空变的残留高阶RCMC方法提高所述距离向处理的精度；
S4.基于构建的等距球体解析模型对方位空变的多普勒相位进行重新建模，利用FENLCS方法去除多普勒中心频率、实现多普勒调频率方位的均衡，再进行方位压缩，获得最终的聚焦图像；
所述步骤S1包括：
S11.构建机动平台俯冲段SAR成像几何构型，其中雷达平台沿LMN轨迹进行曲线加速运动，目标点P1的瞬时斜距可表示为：
Figure FDA0003320479040000011
其中，
Figure FDA0003320479040000021
其中，v表示雷达平台瞬时的三维速度；vx,vy,vz表示雷达平台瞬时的三维速度的分解；a表示雷达平台瞬时的三维加速度；ax,ay,az表示雷达平台瞬时的三维加速度分解；t表示方位慢时间；h表示雷达平台瞬时高度；rc为波束中心斜距；θ为空间斜视角；β为波束在地面的投影与方位向的夹角；ta表示方位慢时间；tc表示雷达平台波束中心穿越成像目标点的方位时间；rg表示点在地面上的投影到Y轴的距离；
S12.分析所述几何构型的回波特性、空间斜视角的空变特性；
若LFM信号为发射信号，将解调回基带的回波信号表示为：
Figure FDA0003320479040000022
其中，wr(.)和wa(.)分别表示距离、方位包络；τ表示距离向快时间；fc表示载频；Kr表示线性调频率；c表示光速；Ta表示合成孔径时间；
将公式(3)变换至距离频域：
Figure FDA0003320479040000023
其中，fr为距离频率；
所述步骤S2中对回波信号进行距离向处理包括LRWC处理和KT处理，具体包括：
S21.加速度校正处理和LRWC处理，表示为：
Figure FDA0003320479040000031
其中，ki0＝ki(rc0,0,θ0),i＝1,2,3,4，ki0a表示ki0的加速度分量，θ0表示成像场景中心参考点处的斜视角；指数项中的k10(rc0,0,θ0,v)ta表示LRWC系数；ki0a(rc0,0,θ0,a)
Figure FDA0003320479040000032
表示加速度补偿项；
将式(5)与式(4)相乘，补偿结果为：
Figure FDA0003320479040000033
S22.通过KT变换去除方位零时刻处的线性RCM；
利用KT变换进行重采样：
ta＝tmfc/(fr+fc)
将重采样后的信号在fr＝0处进行三阶泰勒级数展开，得：
Figure FDA0003320479040000034
其中，φ0表示方位调制项系数，φ1表示距离位置项系数，φ2表示二次距离调频项系数，φ3表示高次距离方位耦合项系数，具体表达式为：
Figure FDA0003320479040000041
S23.对高阶RCM进行二次距离压缩和BRCMC处理，匹配滤波器分别表示为：
HSRC(fr,tm；rc0,θ0)＝exp{-jπ[φ2(tm；rc0,0,θ0)fr 2+φ3(tm；rc0,0,θ0)fr 3]} (9)
Figure FDA0003320479040000042
将式(7)、式(9)与式(10)相乘可得RCM距离延迟曲线为：
Figure FDA0003320479040000043
其中，μ0表示点目标到机动平台方位零时刻位置的距离；Δμ(tm；rc,tc)表示BRCMC处理后的剩余高阶RCM残留。
2.根据权利要求1所述的基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31.构建等距球体解析模型，利用高阶剩余RCM矫正方法去除剩余高阶RCM残留；
Figure FDA0003320479040000051
S32.去除方位边缘点处残留的高阶RCM，得到最终的距离向处理结果；
Figure FDA0003320479040000052
3.根据权利要求2所述的基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S41.根据机动平台SAR系统的实际运行场景，得到曲线俯冲段的回波数据应采用子孔径处理方法完成多普勒相位的均衡与压缩；
Figure FDA0003320479040000053
其中，
Figure FDA0003320479040000061
其中，λ＝fc/c；Δk＝(k1-k10)表示经距离去走动和加速度补偿处理后的残留多普勒中心频率偏移量；fd2表示方位调频率；fd3、fd4表示方位时域高次项系数；
利用MSR将式(14)转换为方位频域，得到：
Figure FDA0003320479040000062
其中，ψ1表示目标方位位置信息项，ψ2表示目标方位调制项，ψ3、ψ4表示高次扰动项；
S42.利用FENLCS算法进行处理后的压缩项信号表示为：
Figure FDA0003320479040000063
进行方位压缩处理，匹配滤波器表示为：
Figure FDA0003320479040000064
4.基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像系统，其特征在于，包括：
第一构建模块，用于构建机动平台俯冲段SAR成像的几何构型，并分析所述几何构型的回波特性、空间斜视角的空变特性；
第一处理模块，用于对回波信号进行距离向处理；
第二构建模块，用于构建等距球体解析模型，并利用方位空变的残留高阶RCMC方法提高所述距离向处理的精度；
第二处理模块，用于基于构建的等距球体解析模型对方位空变的多普勒相位进行重新建模，利用FENLCS方法去除多普勒中心频率、实现多普勒调频率方位的均衡，再进行方位压缩，获得最终的聚焦图像；
所述第一构建模块包括：
构建机动平台俯冲段SAR成像几何构型，其中雷达平台沿LMN轨迹进行曲线加速运动，目标点P1的瞬时斜距可表示为：
Figure FDA0003320479040000071
其中，
Figure FDA0003320479040000072
其中，v表示雷达平台瞬时的三维速度；vx,vy,vz表示雷达平台瞬时的三维速度的分解；a表示雷达平台瞬时的三维加速度；ax,ay,az表示雷达平台瞬时的三维加速度分解；t表示方位慢时间；h表示雷达平台瞬时高度；rc表示波束中心斜距；θ表示空间斜视角；β表示波束在地面的投影与方位向的夹角；ta表示方位慢时间；tc表示雷达平台波束中心穿越成像目标点的方位时间；rg表示点在地面上的投影到Y轴的距离；
分析所述几何构型的回波特性、空间斜视角的空变特性；
若LFM信号为发射信号，将解调回基带的回波信号表示为：
Figure FDA0003320479040000081
其中，wr(.)和wa(.)分别表示距离、方位包络；τ表示距离向快时间；fc表示载频；Kr表示线性调频率；c表示光速；Ta表示合成孔径时间；
将公式(3)变换至距离频域：
Figure FDA0003320479040000082
其中，fr为距离频率；
所述第一处理模块中对回波信号进行距离向处理包括LRWC处理和KT处理，具体包括：
加速度校正处理和LRWC处理，表示为：
Figure FDA0003320479040000083
其中，ki0＝ki(rc0,0,θ0),i＝1,2,3,4，ki0a表示ki0的加速度分量，θ0表示成像场景中心参考点处的斜视角；指数项中的k10(rc0,0,θ0,v)ta表示LRWC系数；ki0a(rc0,0,θ0,a)
Figure FDA0003320479040000084
表示加速度补偿项；
将式(5)与式(4)相乘，补偿结果为：
Figure FDA0003320479040000091
通过KT变换去除方位零时刻处的线性RCM；
利用KT变换进行重采样：
ta＝tmfc/(fr+fc)
将重采样后的信号在fr＝0处进行三阶泰勒级数展开，得：
Figure FDA0003320479040000092
其中，φ0表示方位调制项系数，φ1表示距离位置项系数，φ2表示二次距离调频项系数，φ3表示高次距离方位耦合项系数，具体表达式为：
Figure FDA0003320479040000093
对高阶RCM进行二次距离压缩和BRCMC处理，匹配滤波器分别表示为：
HSRC(fr,tm；rc0,θ0)＝exp{-jπ[φ2(tm；rc0,0,θ0)fr 2+φ3(tm；rc0,0,θ0)fr 3]} (9)
Figure FDA0003320479040000101
将式(7)、式(9)与式(10)相乘可得RCM距离延迟曲线为：
Figure FDA0003320479040000102
其中，μ0表示点目标到机动平台方位零时刻位置的距离；Δμ(tm；rc,tc)表示BRCMC处理后的剩余高阶RCM残留。
5.根据权利要求4所述的基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像系统，其特征在于，所述第二构建模块包括：
构建等距球体解析模型，利用高阶剩余RCM矫正方法去除剩余高阶RCM残留；
Figure FDA0003320479040000103
去除方位边缘点处残留的高阶RCM，得到最终的距离向处理结果；
Figure FDA0003320479040000104
6.根据权利要求5所述的基于球体模型的俯冲段FENLCS大斜视高分辨成像系统，其特征在于，所述第二处理模块包括：
根据机动平台SAR系统的实际运行场景，得到曲线俯冲段的回波数据应采用子孔径处理方法完成多普勒相位的均衡与压缩；
Figure FDA0003320479040000111
其中，
Figure FDA0003320479040000112
其中，λ＝fc/c；Δk＝(k1-k10)表示经距离去走动和加速度补偿处理后的残留多普勒中心频率偏移量；fd2表示方位调频率；fd3、fd4表示方位时域高次项系数；
利用MSR将式(14)转换为方位频域，得到：
Figure FDA0003320479040000113
其中，ψ1表示目标方位位置信息项，ψ2表示目标方位调制项，ψ3、ψ4表示高次扰动项；
利用FENLCS算法进行处理后的压缩项信号表示为：
Figure FDA0003320479040000121
进行方位压缩处理，匹配滤波器表示为：
Figure FDA0003320479040000122
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