CN111983612B - 一种sar滑动聚束模式方位去斜方法 - Google Patents

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Abstract

一种SAR滑动聚束模式方位去斜方法。方法包括：根据成像时间内的每个SAR方位时刻的轨道六根数、卫星姿态角以及天线扫描角，确定每个方位时刻对应的多普勒频率；根据每个方位时刻对应的多普勒频率，确定成像时间内的多普勒历程；根据多普勒历程，确定成像时间内的相对距离历程；根据相对距离历程，确定方位去斜函数；将回波信号与方位去斜函数相乘，以对回波信号进行方位去斜。本发明提供的方位去斜方法不依赖虚拟转动点，可以解决大方位扫描角滑动聚束模式虚拟转动点模型失效的问题，同时可以精确去除波束方位扫描引起的多普勒混叠。

Description

一种SAR滑动聚束模式方位去斜方法
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达(SAR)数据处理技术领域，具体涉及一种SAR滑动聚束模式方位去斜方法。
背景技术
滑动聚束模式是先进体制高分宽幅SAR最为常用的一种成像模式，在滑动聚束模式下，天线波束中心的交点在地平面下方的某一点处，这一点被称为虚拟转动点。现有的频域成像算法的第一步通常是对回波信号进行方位去斜处理，采用的方位去斜方法通常先计算虚拟转动点到卫星的距离历程，再利用该距离历程实现方位去斜。可以看出，现有的方位去斜方法依赖虚拟转动点。
但是，随着SAR方位幅宽和方位分辨率的提高，天线波束方位扫描角范围迅速增大，匀速扫描控制下波束中心会明显偏离虚拟转动点，导致虚拟转动点模型失效，此时，无法继续利用虚拟转动点进行方位去斜，使得基于方位去斜的频域成像算法也难以继续适用。
因此，亟需一种不依赖虚拟转动点的方位去斜方法，以解决大方位扫描角滑动聚束模式下的虚拟转动点模型失效的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种SAR滑动聚束模式方位去斜方法，以解决大方位扫描角滑动聚束模式下的虚拟转动点模型失效的问题。
为达到上述目的，本发明实施例提供一种SAR滑动聚束模式方位去斜方法，方法包括：
根据成像时间内的每个SAR方位时刻的轨道六根数、卫星姿态角以及天线扫描角，确定每个方位时刻对应的多普勒频率；
根据所述每个方位时刻对应的多普勒频率，确定所述成像时间内的多普勒历程；
根据所述多普勒历程，确定所述成像时间内的相对距离历程；
根据所述相对距离历程，确定方位去斜函数；
将回波信号与所述方位去斜函数相乘，以对所述回波信号进行方位去斜。
由以上本发明实施例提供的技术方案可见，本发明提供的方位去斜方法不再依赖虚拟转动点，通过波束中心地表交点计算瞬时多普勒历程，再积分得到相对距离历程，就可以构建方位去斜函数，从而实现方位去斜处理。此外，基于本发明提供的方位去斜方法，SAR系统设计也不再需要严格按照虚拟转动点模型，方位波束可以采用更加简单的匀速扫描，使得系统设计和实现变得更加灵活和简单，并且本发明提供的方位去斜方法还能够精确地去除波束方位扫描引起的多普勒混叠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是依赖虚拟转动点的滑动聚束模式示意图；
图2是不依赖虚拟转动点的滑动聚束模式示意图；
图3是本公开实施例提供的方位去斜方法的流程图；
图4是本公开实施例提供的方位去斜方法的算法流程框图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
参考图1所示，为依赖虚拟转动点的滑动聚束模式示意图。参考图2所示，为不依赖虚拟转动点的滑动聚束模式示意图。现有的方位去斜方法都是针对图1所示的依赖虚拟转动点的滑动聚束模式，为了使SAR数据处理不再依赖虚拟转动点，从而可以在图2所示的滑动聚束模式下进行SAR系统设计与数据处理，本公开实施例提供了一种SAR滑动聚束模式方位去斜方法，参考图3所示，该方法可以包括：
S1：根据成像时间内的每个SAR方位时刻的轨道六根数、卫星姿态角以及天线扫描角，确定每个方位时刻对应的多普勒频率。
其中，参考图4所示，步骤S1还可以包括子步骤S101至S104：
S101：根据所述成像时间内的每个SAR方位时刻的轨道六根数、卫星姿态角以及天线扫描角，计算在地球惯性坐标系下，卫星到波束中心地表交点的单位位置矢量、地心到卫星的位置矢量以及卫星的速度矢量。
具体的，地球惯性坐标系下的卫星到波束中心地表交点的单位位置矢量，通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002650611120000031
其中，
Figure BDA0002650611120000032
Figure BDA0002650611120000033
Figure BDA0002650611120000034
Figure BDA0002650611120000035
u1＝-u-π/2
i1＝i-π/2
上述公式中的
Figure BDA0002650611120000036
为地球惯性坐标系下的卫星到波束中心地表交点的单位位置矢量，
Figure BDA0002650611120000037
为天线坐标系下的卫星到波束中心地表交点的单位位置矢量，Aov为地球惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵的逆矩阵，Ave为轨道坐标系到本体坐标系的转换矩阵的逆矩阵，Aea为本体坐标系到天线坐标系的转换矩阵的逆矩阵，θlook为天线视角，θsq为天线斜视角，q为升交点赤径，θyaw为卫星的偏航角，θpitch为卫星的俯仰角，θroll为卫星的横滚角，u为卫星纬度角，i为轨道的倾角。
具体的，地球惯性坐标系下的地心到卫星的位置矢量以及卫星的速度矢量，通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002650611120000041
Figure BDA0002650611120000042
其中，
Figure BDA0002650611120000043
Figure BDA0002650611120000044
上述公式中的
Figure BDA0002650611120000045
为所述地球惯性坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量，Aov为地球惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵的逆矩阵，
Figure BDA0002650611120000046
为轨道坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量，
Figure BDA0002650611120000047
为所述地球惯性坐标系下的卫星的速度矢量，
Figure BDA0002650611120000048
为轨道坐标系下的卫星的速度矢量，a为轨道的半长轴，e为轨道的离心率，u为卫星纬度角，w为近地点辐角，μ为地球引力常数。
S102：根据所述单位位置矢量以及所述地心到卫星的位置矢量，计算在所述地球惯性坐标系下，卫星到波束中心地表交点的位置矢量。
具体的，地球惯性坐标系下，卫星到波束中心地表交点的位置矢量，可以通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002650611120000049
其中，
Figure BDA00026506111200000410
Figure BDA0002650611120000051
Figure BDA0002650611120000052
Figure BDA0002650611120000053
上述公式中的
Figure BDA0002650611120000054
为所述地球惯性坐标系下的卫星到波束中心地表交点的位置矢量，
Figure BDA0002650611120000055
为卫星到波束中心地表交点的位置矢量的模值，
Figure BDA0002650611120000056
为所述地球惯性坐标系下的卫星到波束中心地表交点的单位位置矢量，
Figure BDA0002650611120000057
以及
Figure BDA0002650611120000058
分别为
Figure BDA0002650611120000059
在地球惯性坐标系的x轴、y轴、z轴上的投影，
Figure BDA00026506111200000510
为地球惯性坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量，Ea为地球的长半轴，Eb为地球的短半轴，
Figure BDA00026506111200000511
Figure BDA00026506111200000512
以及
Figure BDA00026506111200000513
分别为
Figure BDA00026506111200000514
在地球惯性坐标系的x轴、y轴、z轴上的投影。
S103：根据所述卫星到波束中心地表交点的位置矢量以及所述地心到卫星的位置矢量，计算在所述地球惯性坐标系下，地心到波束中心地表交点的位置矢量与波束中心地表交点的速度矢量。
具体的，在地球惯性坐标系下，地心到波束中心地表交点的位置矢量与波束中心地表交点的速度矢量，通过以下公式计算得到：
Figure BDA00026506111200000515
Figure BDA00026506111200000516
上述公式中的
Figure BDA00026506111200000517
为所述地球惯性坐标系下的地心到波束中心地表交点的位置矢量，
Figure BDA00026506111200000518
为所述地球惯性坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量，
Figure BDA00026506111200000519
为所述地球惯性坐标系下的卫星到波束中心地表交点的位置矢量，
Figure BDA00026506111200000520
为所述地球惯性坐标系下的波束中心地表交点的速度矢量，ωe为地球的自转角速度。
S104：根据所述地心到波束中心地表交点的位置矢量与波束中心地表交点的速度矢量，以及所述地心到卫星的位置矢量与卫星的速度矢量，计算所述方位时刻对应的多普勒频率。
具体的，方位时刻对应的多普勒频率通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002650611120000061
上述公式中的fa为所述多普勒频率，
Figure BDA0002650611120000062
为所述地球惯性坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量，
Figure BDA0002650611120000063
为所述地球惯性坐标系下的地心到波束中心地表交点的位置矢量，
Figure BDA0002650611120000064
为所述地球惯性坐标系下的卫星的速度矢量，
Figure BDA0002650611120000065
为所述地球惯性坐标系下的波束中心地表交点的速度矢量，λ为SAR信号波长。
S2：根据所述每个方位时刻对应的多普勒频率，确定所述成像时间内的多普勒历程。
具体的，通过多项式拟合，计算多普勒历程的各阶系数，以得到所述多普勒历程：
Figure BDA0002650611120000066
上述公式中的fa(ta)为所述多普勒历程，fdc、fdr1、fdr2、fdr3以及fdr4分别为各阶系数，ta为SAR方位时刻。
S3：根据所述多普勒历程，确定所述成像时间内的相对距离历程。
具体的，根据相对距离历程和多普勒历程的关系表达式：
fa(ta)＝-2ΔR′a(ta)/λ
通过积分可以计算得到相对距离历程：
Figure BDA0002650611120000067
上述公式中的ΔRa(ta)为所述相对距离历程，fdc、fdr1、fdr2、fdr3以及fdr4分别为所述多普勒历程中的各阶系数，ta为SAR方位时刻，λ为SAR信号波长。
S4：根据所述相对距离历程，确定方位去斜函数。
具体的，方位去斜函数为距离时域的方位去斜函数，或距离频域的方位去斜函数；其中，距离时域的方位去斜函数通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002650611120000071
距离频域的方位去斜函数通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002650611120000072
上述公式中的Hdechirp(ta)为距离时域的方位去斜函数，ta为SAR方位时刻，λ为SAR信号波长，ΔRa(ta)为所述相对距离历程，Hdechirp(fτ，ta)为距离频域的方位去斜函数，fτ为距离频率，c为光速，fc为SAR信号载频。
S5：将回波信号与所述方位去斜函数相乘，以对所述回波信号进行方位去斜。
由以上本发明实施例提供的技术方案可见，本发明提供的方位去斜方法不再依赖虚拟转动点，通过波束中心地表交点计算瞬时多普勒历程，再积分得到相对距离历程，就可以构建方位去斜函数，从而实现方位去斜处理。此外，基于本发明提供的方位去斜方法，SAR系统设计也不再需要严格按照虚拟转动点模型，方位波束可以采用更加简单的匀速扫描，使得系统设计和实现变得更加灵活和简单。并且本发明提供的方位去斜方法还能够精确地去除波束方位扫描引起的多普勒混叠。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种SAR滑动聚束模式方位去斜方法，其特征在于，包括：
根据成像时间内的每个SAR方位时刻的轨道六根数、卫星姿态角以及天线扫描角，确定每个方位时刻对应的多普勒频率；
根据所述每个SAR方位时刻对应的多普勒频率，确定所述成像时间内的多普勒历程；
根据所述多普勒历程，确定所述成像时间内的相对距离历程；
根据所述相对距离历程，确定方位去斜函数；
将回波信号与所述方位去斜函数相乘，以对所述回波信号进行方位去斜；
其中，所述根据成像时间内的每个SAR方位时刻的轨道六根数、卫星姿态以及天线扫描角，确定每个方位时刻对应的多普勒频率，包括以下步骤：
根据所述成像时间内的每个SAR方位时刻的轨道六根数、卫星姿态角以及天线扫描角，计算在地球惯性坐标系下，卫星到波束中心地表交点的单位位置矢量、地心到卫星的位置矢量以及卫星的速度矢量；
根据所述单位位置矢量以及所述地心到卫星的位置矢量，计算在所述地球惯性坐标系下，卫星到波束中心地表交点的位置矢量；
根据所述卫星到波束中心地表交点的位置矢量以及所述地心到卫星的位置矢量，计算在所述地球惯性坐标系下，地心到波束中心地表交点的位置矢量与波束中心地表交点的速度矢量；
根据所述地心到波束中心地表交点的位置矢量与波束中心地表交点的速度矢量，以及所述地心到卫星的位置矢量与卫星的速度矢量，计算所述方位时刻对应的多普勒频率。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述地球惯性坐标系下的卫星到波束中心地表交点的单位位置矢量，通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003494526760000011
其中，
Figure FDA0003494526760000021
Figure FDA0003494526760000022
为地球惯性坐标系下的卫星到波束中心地表交点的单位位置矢量，
Figure FDA0003494526760000023
为天线坐标系下的卫星到波束中心地表交点的单位位置矢量，Aov为地球惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵的逆矩阵，Ave为轨道坐标系到本体坐标系的转换矩阵的逆矩阵，Aea为本体坐标系到天线坐标系的转换矩阵的逆矩阵，θsq为天线斜视角。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述地球惯性坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量以及卫星的速度矢量，通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003494526760000024
Figure FDA0003494526760000025
其中，
Figure FDA0003494526760000026
Figure FDA0003494526760000027
Figure FDA0003494526760000028
为所述地球惯性坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量，Aov为地球惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵的逆矩阵，
Figure FDA0003494526760000029
为轨道坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量，
Figure FDA00034945267600000210
为所述地球惯性坐标系下的卫星的速度矢量，
Figure FDA00034945267600000211
为轨道坐标系下的卫星的速度矢量，a为轨道的半长轴，e为轨道的离心率，u为卫星纬度角，w为近地点辐角，μ为地球引力常数。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述地球惯性坐标系下，卫星到波束中心地表交点的位置矢量，通过以下公式计算得到：
Figure FDA00034945267600000212
其中，
Figure FDA0003494526760000031
Figure FDA0003494526760000032
Figure FDA0003494526760000033
Figure FDA0003494526760000034
Figure FDA0003494526760000035
为所述地球惯性坐标系下的卫星到波束中心地表交点的位置矢量，
Figure FDA0003494526760000036
为卫星到波束中心地表交点的位置矢量的模值，
Figure FDA0003494526760000037
为所述地球惯性坐标系下的卫星到波束中心地表交点的单位位置矢量，
Figure FDA0003494526760000038
以及
Figure FDA0003494526760000039
分别为
Figure FDA00034945267600000310
在地球惯性坐标系的x轴、y轴、z轴上的投影，
Figure FDA00034945267600000311
为地球惯性坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量，Ea为地球的长半轴，Eb为地球的短半轴，
Figure FDA00034945267600000312
以及
Figure FDA00034945267600000313
分别为
Figure FDA00034945267600000314
在地球惯性坐标系的x轴、y轴、z轴上的投影。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述地球惯性坐标系下，地心到波束中心地表交点的位置矢量与波束中心地表交点的速度矢量，通过以下公式计算得到：
Figure FDA00034945267600000315
Figure FDA00034945267600000316
Figure FDA00034945267600000317
为所述地球惯性坐标系下的地心到波束中心地表交点的位置矢量，
Figure FDA00034945267600000318
为所述地球惯性坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量，
Figure FDA00034945267600000319
为所述地球惯性坐标系下的卫星到波束中心地表交点的位置矢量，
Figure FDA00034945267600000320
为所述地球惯性坐标系下的波束中心地表交点的速度矢量，ωe为地球的自转角速度。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方位时刻对应的多普勒频率通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003494526760000041
其中，fa为所述多普勒频率，
Figure FDA0003494526760000042
为所述地球惯性坐标系下的所述地心到卫星的位置矢量，
Figure FDA0003494526760000043
为所述地球惯性坐标系下的地心到波束中心地表交点的位置矢量，
Figure FDA0003494526760000044
为所述地球惯性坐标系下的卫星的速度矢量，
Figure FDA0003494526760000045
为所述地球惯性坐标系下的波束中心地表交点的速度矢量，λ为SAR信号波长。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，通过多项式拟合，计算多普勒历程的各阶系数，以得到所述多普勒历程：
Figure FDA0003494526760000046
其中，fa(ta)为所述多普勒历程，fdc、fdr1、fdr2、fdr3以及fdr4分别为各阶系数，ta为方位时刻。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述相对距离历程通过以下公式计算：
Figure FDA0003494526760000047
其中，ΔRa(ta)为所述相对距离历程，fdc、fdr1、fdr2、fdr3以及fdr4分别为所述多普勒历程中的各阶系数，ta为SAR方位时刻，λ为SAR信号波长。
9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方位去斜函数为距离时域的方位去斜函数，或距离频域的方位去斜函数；其中，
距离时域的方位去斜函数通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003494526760000048
距离频域的方位去斜函数通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003494526760000049
Hdechirp(ta)为距离时域的方位去斜函数，ta为SAR方位时刻，λ为SAR信号波长，ΔRa(ta)为所述相对距离历程，Hdechirp(fτ,ta)为距离频域的方位去斜函数，fτ为距离频率，c为光速，fc为SAR信号载频。
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