CN111751821B - 适用于高分辨率星载场景匹配sar的mwnlcs成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高分辨率星载场景匹配SAR的MWNLCS成像方法。使用本发明能够有效实现星载场景匹配SAR的高分辨率成像。本发明针对星载场景匹配SAR宽幅非线性调频变标(WNLCS)算法在高分辨率条件下失效的特点，对WNLCS成像方法进行改进：在距离徙动校正方面，在原有只进行线性距离徙动校正的MWNLCS算法基础上，以子块的方式实现二次距离徙动校正，更为精确；在方位向信号压缩方面，改进了方位压缩滤波器，基于三阶斜距模型进行多普勒相位补偿，从而克服点扩展函数(PSF)剖面旁瓣不对称的问题；本发明可实现场景中心距离分辨率1.6m的精确成像。

Description

适用于高分辨率星载场景匹配SAR的MWNLCS成像方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)技术领域，具体涉及一种适用于高分辨率星载场景匹配SAR的宽幅非线性调频变标(Modified WideNonlinear Chirp Scaling，简称MWNLCS)成像方法。

背景技术

星载合成孔径雷达是一种工作在微波波段的全天候、全天时主动式高分辨率成像系统，它采用信号处理的方法，通过对目标进行一定时间长度的照射积累，将积累时间内的传感器运动距离等效为对目标进行照射的天线的长度，以此来获得目标区域的高分辨率微波图像。星载SAR能够不受日照条件和天气条件的限制完成对地观测，适用于复杂气象条件下的地表监测。传统的星载SAR通常卫星多工作于近极地轨道，以便使卫星具有对高纬度地区的观测能力，获得较高的地表覆盖率。由于传统的星载SAR不具备连续的距离向波束扫描能力,使成像带近似沿“南北”方向分布。然而，全球诸多热点区域(如地震带、海岸线等)均与“南北”方向呈一定夹角，属于斜向场景范畴。星载SAR对与卫星轨道呈一定的夹角的目标场景(斜向场景)成像时，成像带方向将与场景方向不一致，此时场景极易脱离成像带导致成像失败。为对斜向场景完整成像，传统的星载SAR若以多轨重访的方式生成多成像带，会产生数据获取时间长、多成像带图像一致性差等问题；若以单轨分时模式(扫描模式、TOPS模式等)生成多成像带，则会导致合成孔径时间短、图像方位分辨率差等问题。此外，多成像带观测还存在数据冗余量的升高的固有缺陷，将造成星上存储、计算资源的大量浪费、数据处理效率的下降与观测效率降低等问题。因此，上述多轨重访与单轨分时两种解决途径均不理想。

星载场景匹配合成孔径雷达(LSTM-SAR)可以很好地解决上述数据获取问题。它通过调整波束进行连续的距离向扫描对目标区域进行主动追踪，从而生成与目标观测区域走向一致的波束覆盖条带。星载场景匹配SAR模式下可实现更少的总数据量、更短的数据获取周期和更高的方位向分辨率。但与此同时带来新的问题，该模式下的大斜视数据获取构型会使回波信号具有严重的二维耦合特性，并且该模式的距离向连续波束扫描会使回波信号具有强烈的空变特性。目前，只有一种适用于中分辨率(约5m)成像的宽幅非线性调频变标(WNLCS)算法(Yan Wang,Jing-Wen Li,Jian Yang.Wide Nonlinear Chirp ScalingAlgorithm for Spaceborne Stripmap Range Sweep SAR Imaging[J].EEE Transactionson Geoscience and Remote Sensing,vol.55,no.12,pp.6922-6936.)可对星载场景匹配SAR的回波数据实现高效、准确的成像处理。但是，在分辨率较高的情况下，例如1.6m，由于精度不足，该算法将成像失败。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于高分辨率星载场景匹配SAR的MWNLCS成像方法，能够有效实现星载场景匹配SAR的高分辨率成像。

本发明的适用于高分辨率星载场景匹配SAR的MWNLCS成像方法，对WNLCS成像方法进行改进，具体包括如下步骤：

步骤1，基于雷达天线相位中心到地表波束中心线的斜距，对回波进行非线性一致距离徙动校正，去除线性距离徙动，再进行距离向信号压缩；

步骤2，在时域上进行插值，完成残余线性距离徙动校正；在方位向上重新采样到均匀网格；

步骤3，以去除线性部分后的距离徙动小于半个距离单元为依据，在距离向对信号进行子块划分；分别对各子块信号进行多普勒中心补偿，然后进行二次距离徙动校正，再恢复各个子块的多普勒中心；在时域对各个补偿滤波后的子块信号进行拼接；

步骤4，对拼接得到的信号进行二维傅里叶变换，采用三阶扰动滤波器统一多普勒调频率；基于三阶多项式形式的斜距表达式，构建三阶多普勒相位补偿滤波器，进行方位向信号压缩，实现成像。

有益效果：

(1)提出了一种以子块的方式实现二次距离徙动校正的新方法，该方法可以在原有只进行线性距离徙动校正的MWNLCS算法基础上实现更精确的距离徙动校正；

(2)提出了一种基于三阶斜距模型进行多普勒相位补偿的新方法，该方法改进了方位压缩滤波器，可克服点扩展函数(PSF)剖面旁瓣不对称的问题。

附图说明

图1是本发明中MWNLCS方法成像处理步骤的示意图；

图2是本发明中信号获取所采用的星载场景匹配SAR模式示意图；

图3是本发明中MWNLCS方法进行距离徙动校正的效果示意图；

图4是本发明中MWNLCS方法进行二次距离徙动校正的效果示意图；

图5是本发明中MWNLCS方法进行方位向频率扰动的效果示意图；

图6是本发明中MWNLCS方法信号处理的流程图；

图7是本发明实施例中仿真目标的分布图；

图8是本发明实施例中二次距离徙动校正效果图；

图9是本发明实施例中改进的多普勒相位补偿的剖面效果图。

图10是本发明实施例中相同高分辨率下MWNLCS的成像结果；

图11是本发明实施例中相同高分辨率下WNLCS的成像结果。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明针对星载场景匹配SAR宽幅非线性调频变标(WNLCS)算法在高分辨率条件下失效的特点，提供了一种适用于高分辨率星载场景匹配合成孔径雷达成像的高效、准确的改进型WNLCS(MWNLCS)成像处理方法。

本发明的MWNLCS算法流程如图1所示，包括如下五个步骤：

步骤一、非线性一致距离徙动校正与距离向信号压缩。

在高分辨率星载场景匹配SAR的数据获取过程中，按如下方法建立笛卡尔坐标系：原点O与测绘带中心重合，X轴沿波束中心的地表投影方向，Y轴沿波束覆盖带走向，Z轴背离地心方向且垂直于地表。X轴和Y轴分别表示距离和方位角方向。假定LSTM-SAR的波束总是垂直指向ROI方向，沿着Y轴。V为卫星速度，H为卫星高度，回波信号采集中心时刻处的入射角标记为β₀，θ定义为地理斜角，表示波束覆盖带走向与卫星速度矢量的夹角。

假设一个任意的目标P位于ROI内，坐标为(x_p，y_p，0)。天线相位中心与目标P之间的瞬时斜距为R。通过目标P并与Y轴平行的线被标记为L。R_L与R_Lv分别表示从天线相位中心垂直指向Y轴和线L的矢量的长度。R_L0和R_Lv0分别表示在回波信号采集中心时刻的R_L和R_Lv的常数值，R_gref表示在回波信号采集中心时刻的中心斜距地表投影。为了简单起见，可以将回波信号采集中心时刻假设为零。波束中心通过目标P时的中心合成孔径时间表示为t_p。

本发明介绍的MWNLCS方法基于以下事实：星载场景匹配SAR的波束指向始终垂直于波束覆盖带，如图2所示。目标P的瞬时斜距R具有如下表示：

其中，t表示快时间；R_g和t_p与目标的坐标之间具有一一对应的关系：

若使用传统的线性调频信号作为发射信号，将来自目标P的回波信号解调至基频，解调后该回波信号可表示为

其中c是光速，t和τ分别表示方位慢时间和距离快时间，f₀为信号载频，γ为信号调频率。由于信号的幅度不影响成像，式(3)省略了信号的幅度项。不同于传统星载SAR，星载场景匹配SAR的斜距变化可以高达几十公里，对应数万个距离分辨单元，此时不可避免地会遇到发射遮挡的问题。因此，星载场景匹配SAR采用了一种多发射脉冲间隔的采样技术，即非均匀方位采样，并假设使用线性调频(LFM)信号进行传输，得到目标P的后向散射回波：

对式(4)进行距离向傅里叶变换，得到

其中，f_τ表示距离频率。式(5)中第一项为与距离无关的多普勒相位，第二项表示应予以去除的距离向二次相位，第三项表示距离徙动相关相位。因此，构建距离向非线性一致距离徙动校正及二次相位补偿滤波器F_RD：

将式(5)与式(6)相乘，得到信号距离频谱为:

对式(7)进行距离向逆傅里叶变换，可在时域得到距离压缩后的信号为

其中B_r表示发送的LFM信号带宽，函数sinc(·)具有如下定义：

由式(8)可得，对Y轴上的任意点(即横坐标为零的点)，他们的R(t)-R_L(t)+R_L0线性部分在目标的合成孔径中心时刻(t＝t_p)总为零，即：

因此，对于所有沿Y轴分布的目标，他们的距离徙动都被完全去除。

图3进一步演示了MWNLCS方法进行距离徙动校正的原理。图3(a)中给出了编号从A到I的九个位于场景内不同位置的目标，图3(b)给出了在进行非线性一致距离徙动校正之前，9个目标的距离徙动曲线。图3(c)给出了完成了非线性一致距离徙动校正之后，9个目标的距离徙动曲线。可以发现，虽然此时沿Y轴分布的目标的距离徙动被完全去除，偏离Y轴分布的目标仍然具有距离徙动，需要被进一步去除。注意图3(b)所示的距离徙动曲线是对只进行距离向二次相补偿后的信号进行距离向逆傅里叶变换后得到的，并不是MWNLCS方法的中间结果。

步骤二、基于时域插值的残余距离徙动校正。

在距离偏移校正方面，由于大斜视几何，原WNLCS算法中假设只存在线性分量，这种假设对于中等分辨率成像是有效的。在这种情况下，空间不一致的线性距离偏移可以通过使用以下时域内插进行校正：

其中τ′表示新的量程时间。在原WNLCS算法中，基于插值的残差线性距离偏移校正(RLRMC)之后，可以得到一个没有距离偏移信号：

τ_p被定义为：

目标P的位置可以由τ_p和t_p唯一地确定

其中V_g表示沿Y轴的地表波束中心移动速度。

在多普勒相位补偿方面，倾斜距离模式应该比距离徙动校正至少高一个数量级，从而产生二阶近似:

R(t)-R_L(t)+R_L0≈a₀(τ_p,t_p)+a₁(τ_p,t_p)(t-t_p)+a₂(τ_p,t_p)(t-t_p)² (15)

其中a₀、a₁和a₂都是目标相关系数。具体地，可以将参数a₁和a₂以多项式形式进一步逼近。

其中，a₁₀、a₁₁、a₁₂、a₂₀、a₂₁的系数仅取决于目标的距离坐标。

在距离偏移校正方面，分辨率的提高导致距离偏移更加严重，因此式(12)中的信号模型不再足够精确，所以使用以下新的信号模型来表示基于插值的RLRMC之后的数据

其中

是常数系数，这意味着二阶距离偏移在空间上是不变的。

此时场景内所有目标的距离徙动均被完全去除。对于图3(a)中的9个目标，完成残余距离徙动校正之后，9个目标的距离徙动曲线如图3(d)所示。

步骤三、二次距离徙动校正。

假设在RLRMC之后，非均匀采样数据在方位角上重新采样到均匀网格。由于(17)中二次距离偏移假定具有非空变性，因此可以在频域中对其进行理论校正。然而，由于多普勒信息的空间变化，特别是多普勒中心的变化，二次距离徙动校正(QRMC)必须以子块的方式进行。

通过对式(17)中的信号进行二维傅里叶变换，我们得到了

其中，Φ表示对距离偏移影响不大的相位，f_Dp是目标P的多普勒中心

空变的多普勒中心将引起两个主要问题。首先，由于不同目标的频谱在二维频率支持域中所占的区域不同，QRMC不能用非空变滤波器精确补偿。换句话说，二次距离徙动校正应该在一些适当的近似下实现。其次，多普勒中心的变化容易使频谱在方位上偏离频率支持域，导致方位谱折叠。在这种情况下，方位频率域中的任何处理都是无效的。

为了在观测场景内获得良好的误差平衡，利用场景中任一参考点(τ_ref,t_ref)生成一个非空变的QRMC滤波器：

通过将式(18)与式(20)相乘，得到补偿后的信号为：

基于式(21)，得知仍然存在残余距离徙动，且目标P离参考点越远，残余距离徙动越大。利用一阶微分导数可以考察距离和方位目标坐标对多普勒特性的影响，以多普勒中心f_Dp为例，f_Dp为代表的多普勒参数的空变性主要是沿距离向的。因此，对于具有合理方位成像带的高分辨率成像，可以将式(21)中的信号近似为：

二次距离徙动在式(22)的第二个相位项引起的距离徙动小于半个距离单元时有效。换句话说，一个目标应该在距离向上足够靠近参照点。实际上，可以通过在距离向进行子块处理来满足这种要求。这些子块在基于式(17)的距离时域中被划分为

其中下标k表示距离向的第k个子块。在以参考点为中心的每个子块中，QRMC在二维频域中独立地进行。划分子块时位于子块边界上目标曲线必须被两个相邻子块完全包含，即处于重叠区域内，以避免数据损失。

为了避免空间多普勒中心变化引起的方位谱混叠，首先要将子块谱移到方位基带。这相当于将子块的参考点的多普勒中心移到零频率。该操作可通过将式(23)中第k个子块的信号与相对应的多普勒中心补偿滤波器相乘来进行

F_D,k(t)＝exp{-j2πf_Dref,kt} (24)

其中，f_Dref,k代表第k个子块中参考点的多普勒中心。

将被滤波的信号被转换到二维频域为：

其中f_Dref,k的存在可以有效地抑制多普勒频谱偏移。同样，为适应(25)中的滤波信号，式(20)中的QRMC滤波器应被修改为：

其中所有子块参考点的中心合成孔径时间设置为零。

通过将式(25)与式(26)相乘，得到第k子块数据的滤波二维频谱为：

由于式(27)中与第二个相位相对应的残余距离徙动被子块方法抑制在半个距离单元以下，可以忽略第二个相位的影响得到第k子块数据的滤波二维频谱为：

s_3,k(f_τ,f_t)＝exp{-jΦ(f_t-f_Dref,k)} (28)

最后，通过在时域内乘以式(24)中的多普勒中心补偿滤波器的共轭，恢复初始补偿的多普勒中心，用于后续的方位向处理。

将信号转换到二维时域，在时域中正确地拼接所有子块数据，由此得到无线性和二次距离偏移的信号，这个信号和式(12)中信号的形式是一样的。

图4给出了子块内进行二次距离徙动校正的效果示意图。在进行子块QRMC并将信号转换回时域之后，图4(a)中的曲线将被拉直，结果如图4(b)所示。C1，C2，C3和C4的线完全位于子块1中，而C3，C4和C5的线完全位于子块2中，满足了子块划分边界上目标曲线必须被两个相邻子块完全包含的条件。注意，C3，C4的线被子块1和2冗余地包含，B1和B2的线之间的数据在拼接时应仅用一次。

步骤四、方位向频率扰动处理。具体为：

由于a₂的方位依赖性，使得式(8)中的信号在方位上不能一致压缩。为了在方位向上统一a₂，采用三阶方位扰动滤波器来去除式(16)中a₂的线性项。在多普勒相位补偿方面，更高的分辨率要求更精确的斜距模型。在距离徙动式(17)中的二阶近似下，斜距应扩大到第三阶，如下：

R(t)-R_L(t)+R_L0≈a₀(τ_p,t_p)+a₁(τ_p,t_p)(t-t_p)+a₂(τ_p,t_p)(t-t_p)²+a₃(τ_p)(t-t_p)³ (29)

式中，用a₃表示的附加三次项的系数仅取决于目标的距离坐标。由于式(15)和式(29)相比，二阶和三阶斜距多项式具有相同的系数a₂，所以可以应用原WNLCS算法中的原始三阶扰动滤波器：

在式(30)中，τ_p已被替换为τ以便实际操作。将信号与扰动滤波器相乘，得到：

其中φ表示相位仅由不影响方位压缩的常数和线性分量组成。

经过修正的方位向频率扰动操作后，图3(a)中各目标的方位时频特性如图5(b)所示。结合式(31)和图5(b)可以发现，虽然位于同一距离单元但具有不同方位位置目标的多普勒调频率已被统一，它们的多普勒中心频率仍具有空变特性。

步骤五、改进的多普勒相位补偿与方位向信号压缩。

由于斜距近似扩大到了第三阶，扰动滤波器对信号的影响需要重新考虑。在原WNLCS算法中，扰动滤波器的三阶分量被忽略，因此，二阶方位频域滤波器对于方位压缩是足够精确的。但是，对于高分辨率的情况，三阶分量的影响不能忽略。

由于扰动滤波后的信号(式(31))中二阶和三阶相位项的系数与方位目标坐标无关，因此距离多普勒域中信号的二阶和三阶相位项在方位上是非空变的。因此，通过一个新的更精确的三阶滤波器可以方便地进行方位压缩：

三阶滤波器F_AC'中增加的第二个立方相位对方位旁瓣不对称性进行了额外的校正，有助于提高图像质量。对信号s₄进行方位向傅里叶变换，将得到的信号距离多普勒谱与三阶滤波器F_AC'相乘，再进行方位向逆傅里叶变换将滤波后的信号转换回时域，可以得到方位向压缩后的聚焦图像。

如果最终产品为斜距图像，得到的最终幅度图像s₅₁可表示为

如果最终产品为地距图像，则需要进行一次额外的距离向时域插值，将斜距图像转换为地距图像。该距离向时域插值可表示为

其中τ″为插值后的新距离时间。此时，几何校正后的最终幅度图像s₅₂可表示为

本发明所介绍的MWNLCS成像处理方法的信号处理流程图如图6所示。

下面结合一个具体实例进行说明：

在本实例中，设星载场景匹配SAR观测区域的尺寸为7km×7km(距离×方位)，9个待观测目标均匀分布这一区域之中，如图7所示。该仿真实验的主要性能参数、系统参数和空间参数如表1所示。

表1星载场景匹配SAR仿真参数列表

步骤一、基于表1中参数、图7中仿真目标分布与式(4)所示的目标回波表达式，进行星载场景匹配SAR回波数据仿真，得到场景回波数据s₀。依据表1中参数与式(5)计算距离向非线性一致距离徙动校正及二次相位补偿滤波器F_RD，对回波数据s₀进行距离向傅里叶变换，得到信号的距离频谱(式(5))，将距离向非线性一致距离徙动校正与二次相位补偿滤波器F_RD与式(5)相乘，得到滤波后信号的距离频谱(式(7))。对式(7)进行距离向逆傅里叶变换，得到距离向压缩后的时域信号s₁。如图8所示，图8(a)与图8(d)为中心目标T₅和边缘目标T₇距离压缩后的时域信号。

步骤二、基于表1中参数与式(11)，通过时域插值处理进行残余距离徙动校正，得到残余距离徙动校正后的信号s₂'。如图8所示，图8(b)与图8(e)为中心目标T₅和边缘目标T₇经过残余距离徙动校正后的时域信号。

步骤三、基于表1中参数、式(24)与式(26)，将信号s₂'在时域内划分为若干子块s_2,k'，并将s_2,k'子块与每个子块对应的多普勒中心补偿滤波器F_D,k相乘，再将得到的滤波信号进行二维傅里叶变换,得到二维频域的信号s_3,k。将s_3,k与二次距离徙动校正滤波器F_QRMC,k相乘，得到二次距离徙动校正后的信号。再将得到的信号在时域内乘以F_D,k的共轭，恢复初始补偿的多普勒中心。再通过在时域中正确地拼接所有子块数据，得到无线性和二次距离徙动的更精确距离徙动校正的信号，这个信号在形式上和(12)中的s₂一样。如图8所示，图8(c)与图8(f)为中心目标T₅和边缘目标T₇经过二次距离徙动校正后的时域信号。图9(a)给出了场景中心目标T₅在原WNLCS算法下未进行二次距离校正的成像结果剖面图。

步骤四、基于表1中参数与式(30)，生成修正的方位向频率扰动滤波器F_AP。将F_AP与步骤三得到的信号在时域相乘，得到经过修正的方位向频率扰动处理后的时域信号s₄。

步骤五、基于表1中参数与式(32)，生成方位向二次相位补偿滤波器F_AC'。对信号s₄进行方位向傅里叶变换，将得到的信号距离多普勒谱与三阶滤波器F_AC'相乘，再进行方位向逆傅里叶变换将滤波后的信号转换回时域，得到方位向压缩后的聚焦图像。图9(b)给出了场景中心目标T₅进行二次距离校正但未进行改进的多普勒相位补偿的成像结果剖面图。图9(c)给出了场景中心目标T₅进行二次距离校正且进行改进的多普勒相位补偿后的成像结果剖面图。图10给出了场景边缘目标T₁、T₂、T₃、T₄、T₆、T₇、T₈与T₉的成像结果剖面图，可见图中所有点均聚焦良好。图11给出了在原WNLCS算法下场景边缘目标T₁、T₂、T₃、T₄、T₆、T₇、T₈与T₉的成像结果剖面图。将图11中原WNLCS算法下的结果与图10中MWNLCS算法下的结果比较，可以发现原WNLCS算法在高分辨率下已经失效，而MWNLCS算法在高分辨率下成像效果良好。

本发明介绍了一种适用于高分辨率星载场景匹配SAR的MWNLCS成像处理方法，该方法的处理流程没有引入额外的冗余数据，同时具备对较宽场景回波数据进行全孔径成像的能力，因此该MWNLCS方法具有较高的成像处理效率，是一种适用于星载场景匹配SAR对地观测需求的高效、准确的成像处理方法。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种适用于高分辨率星载场景匹配SAR的MWNLCS成像方法，其特征在于，对WNLCS成像方法进行改进，具体包括如下步骤：

步骤1，基于雷达天线相位中心到地表波束中心线的斜距，对回波进行非线性一致距离徙动校正，去除线性距离徙动，再进行距离向信号压缩；

步骤2，在时域上进行插值，完成残余线性距离徙动校正；在方位向上重新采样到均匀网格；

步骤3，以去除线性部分后的距离徙动小于半个距离单元为依据，在距离向对信号进行子块划分；分别对各子块信号进行多普勒中心补偿，然后进行二次距离徙动校正，再恢复各个子块的多普勒中心；在时域对各个补偿滤波后的子块信号进行拼接；

步骤4，对拼接得到的信号进行二维傅里叶变换，采用三阶扰动滤波器统一多普勒调频率；基于三阶多项式形式的斜距表达式，构建三阶多普勒相位补偿滤波器，进行方位向信号压缩，实现成像；

所述步骤3二次距离徙动校正公式如下：

其中f_τ为距离频率，f_t为方位频率，c为光速，

是常数系数，f₀为信号载频，a₂为目标相关系数，τ表示距离快时间，τ_ref,k表示第k个子块的距离快时间；

所述步骤4三阶多普勒相位补偿滤波器公式如下：

其中a₂₀、a₂₁为相关系数、λ为波长。

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