CN111999734A - 一种宽带斜视聚束sar两步成像方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带斜视聚束SAR两步成像方法，包括：对原始回波数据进行距离向傅里叶变换，将信号变换到距离频域进行距离向脉冲压缩；对距离向脉冲压缩后的信号进行相位相乘；进行Chip‑Z变换完成变标傅里叶变换；得到方位频谱无模糊的信号；通过对方位频谱无模糊的信号进行相位相乘恢复得到原始回波信号的二维频谱；采用ω‑k算法进行SAR成像。本发明将宽带和斜视因素完美地融合在聚束SAR方位向预处理阶段，并创新地引入了Chirp‑Z变换完成信号的积分运算，从而整个处理过程与传统聚束SAR“两步”成像的算法构架完全相同，保证了不同SAR工作模式成像处理的一致性。

Description

一种宽带斜视聚束SAR两步成像方法及系统
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种宽带斜视聚束SAR两步成像方法及系统。
背景技术
星载高分辨率SAR通常都是通过聚束模式实现。对于复杂的成像几何关系、小场景的SAR成像，首选应是时域成像算法。但是，对于中小斜视角、较大场景的聚束SAR成像，仍然可以采用频域成像算法，除了计算效率方面的考虑以外，还有以下两个方面的因素：首先，星载SAR系统一般都需要实现多种分辨率模式的SAR成像，低分辨SAR无一例外都是采用频域成像算法，因此，高分辨率SAR同样采用频域算法成像具有算法的继承性和一致性；其次，星载高分辨SAR成像多数都需要经过方位自聚焦处理，以补偿轨道、传播路径等误差造成的方位向散焦，虽然近些年随着并行计算技术的发展，SAR 研究者们也在逐渐使用时域成像的手段，但基于时域算法的自聚焦处理技术的研究仍然很少，相反，基于频域成像算法的自聚焦技术研究非常广泛且成熟。
对于星载聚束SAR，雷达系统的脉冲重复频率(Pulse Repeat Frequency，PRF)只要求高于方位向的瞬时频率，不可能高于方位全多普勒带宽，因而，方位频谱混叠在所难免。对于聚束SAR频域成像算法，如何有效地去除方位频谱混叠是首先需要解决的一个问题。文献中有关方位频谱去混叠的方法主要有以下两种：一、方位向子孔径处理；二、方位向全孔径处理。前者通过在方位向选择较少的脉冲进行成像以使所处理信号的方位频谱小于系统的瞬时带宽来避免方位频谱的混叠，得到的子孔径数据再融合成高分辨率SAR图像，但子孔径算法不可避免地会存在孔径划分、拼接及重叠部分的选择等问题，增加了信号处理的复杂性；后者先通过方位预处理，获得无模糊的方位频谱，再利用传统条带模式的方法进行成像，即所谓的“两步成像”算法(参考“Riccardo Lanari, Manlio Tesauro andEugenio Sansosti et al,Spotlight SAR Data Focusing based on a Two-StepProcessing Approach,IEEE Transactions on Geoscience and Remote sensing,2001,39(9):1993-2004.”)。
相对于子孔径处理繁琐的拼接过程，“两步成像”算法在去除方位频谱混叠后可以直接使用已有的条带SAR成像算法，处理过程简洁明了。但是，传统的“两步成像”算法是基于正侧视模型提出的，对于较大斜视角成像，该算法并不能完全去除场景内目标的方位频谱混叠现象。虽然可以通过在方位粗压缩时增加与doppler中心相关的线性相位消除由斜视带来的方位频谱平移(参考“韩冰等，斜视滑动聚束SAR成像的ECS算法，中国科学院研究生院学报，2012，29(5)：674-680.”)，但无法从根本上解决较大斜视角下全场景内目标频谱混叠的问题。因此，Daoxiang An等人提出了扩展的“两步成像”算法，用于斜视聚束SAR几何下进行频谱去混叠和成像(参考“Daoxiang An,Xiaotao Huang and Tian Jin et al,Extended Two-Step Focusing Approach for Squinted Spotlight SAR Imaging,IEEETransactions on Geoscience and Remote sensing,2012, 50(7):2889-2900.”)。该方法首先通过相位相乘去除了由距离频率引起的Doppler中心的变化，从而消除了二维频谱的平移和倾斜特性，同时校正了线性走动效应，然后采用传统的去斜函数进行去斜处理获得了无模糊的二维频谱，随后修正距离徙动算法完成了聚焦，但由于忽略了线性走动校正引起的方位空变问题，该方法只适用于小场景成像。韩晓磊分析了滑动聚束SAR方位带宽的组成，指出对于斜视情况距离方位耦合附加的带宽非常大，因此，作者在距离压缩的同时去除了线性走动，从而消除了频谱的二维倾斜，也消除了距离方位的耦合；传统去斜操作后，再在参考函数相乘之后、Stolt插值之前的方位时域补偿该线性走动，从而无需修改Stolt插值就可以完成聚焦(参考“韩晓磊等，斜视滑动聚束模式SAR成像算法研究，电子与信息学报，2013，35(12)：2843-2849.”)。以上这两种方法类似，都是先在方位时域去除线性走动，然后利用传统去斜操作去除频谱模糊，不同点在于是否进行线性走动校正处理，导致了是否进行Stolt插值函数的校正。刘燕针对的不是斜视情况，而是正侧视下大距离带宽造成的频谱模糊，她分析了去斜后系统带宽的大小，指出对于超高分辨率聚束SAR成像，方位预处理时如果采用传统的一维去斜函数，为保证方位频谱不混叠，SAR系统所需的PRF要比采用二维去斜函数所需的PRF大得多，而对于星载SAR系统，测绘带宽和系统数据率的限制使得PRF的取值不可能很大，因此采用二维去斜函数具有非常明显的优势(参考“刘燕，高分辨率及新模式SAR成像算法研究，博士学位论文，2012.04，西安电子科技大学.”)。在正侧视的情况下，她提出方位预处理采用与距离频率相关的二维去斜函数代替传统的一维去斜函数，从而降低系统PRF的需求，随后，通过不同距离频点上的补零处理，消除不同距离频点上输出采样间隔不一致的问题，其它步骤与传统“两步成像”方法类似。
文献中对于斜视聚束SAR成像的讨论很多集中在高频段，而在实际情况中，低频段宽带斜视聚束SAR有很多独特的问题。首先，低频段要达到很高的分辨率，方位向波束带宽要比高频段SAR高得多，造成合成孔径的长度非常大；其次，由于中心工作频率低，距离分辨率高，导致低频段发射信号的相对带宽非常大，甚至超过50％。通过试验发现，对于低频段宽带斜视聚束SAR频域一次性成像，任何文献中的方法单独使用都无法达到满意的聚焦效果。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种将斜视因素完美地融合在聚束SAR方位向预处理阶段，并创新地引入了Chirp-Z变换完成信号的积分运算，从而使整个处理过程与传统聚束SAR“两步”成像的算法构架完全相同，保证了不同SAR工作模式成像处理的一致性的宽带斜视聚束SAR两步成像方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种宽带斜视聚束SAR两步成像方法，包括下列顺序的步骤：
(1)对原始回波数据进行距离向傅里叶变换，将信号变换到距离频域进行距离向脉冲压缩；
(2)将距离向脉冲压缩后的信号与相位Φ1(fr,t)相乘，得到S1(fr,t)信号；
(3)对S1(fr,t)信号进行Chip-Z变换完成变标傅里叶变换，得到S2(fr,t′)信号；
(4)将S2(fr,t′)信号与相位补偿函数Φ2(fr,t)相乘，得到方位频谱无模糊的信号Sde(fr,t′)；
(5)通过对方位频谱无模糊的信号Sde(fr,t′)进行相位相乘恢复得到原始回波信号的二维频谱S(fr,fa)；
(6)采用ω-k算法进行SAR成像。
所述步骤(1)具体是指：
斜视条件下，聚束SAR的回波信号为：
Figure BDA0002656195710000041
其中，TP为脉冲宽度，
Figure BDA0002656195710000042
为距离向时间，t为方位向时间，tc为聚束SAR成像的中心时刻；L为聚束SAR合成孔径长度；τ0是目标回波的延迟时间，且τ0＝2R(t)/C，
Figure BDA0002656195710000043
C为光速，r为tc时刻目标与雷达的斜距，
Figure BDA0002656195710000044
为斜视角，v是平台的速度，Kr为距离向线性调频信号的调频率，fc为载波的中心频率， wr(.)、wa(.)分别是距离和方位向的窗函数；不失一般性,这里认为中心时刻tc为0，傅里叶变换后，式(1)变为：
傅里叶变换后，式(1)变为：
Figure BDA0002656195710000045
其中，fr为距离向频率；距离向脉冲压缩的函数为：
Figure BDA0002656195710000046
S(fr,t)与式(3)相乘得到S1(fr,t)：
Figure BDA0002656195710000047
所述步骤(2)具体是指：
将式(4)中的R(t)在0处进行四阶泰勒展开，可得：
Figure BDA0002656195710000048
将上式代入式(4)中，则相位部分有：
Figure BDA0002656195710000051
利用考虑多普勒频率的二维去斜函数进行去斜：
Figure BDA0002656195710000052
距离压缩后的信号与去斜函数进行卷积后的信号为：
Figure BDA0002656195710000053
其中，t′为方位向新的时间，将Φ1(fr,t)与距离脉冲压缩后的信号S(fr,t)相乘：
Figure BDA0002656195710000054
得到S1(fr,t)：
Figure BDA0002656195710000055
所述步骤(3)具体是指：
在完成步骤(2)后，式(8)变为：
Figure BDA0002656195710000061
其中，
Figure BDA0002656195710000062
式(11)中的
Figure BDA0002656195710000063
满足以下方程：
Figure BDA0002656195710000064
这里，Δt、Δt′分别是原始和去斜后的方位向采样时间间隔，P是去斜后的方位向采样点数，N指自然数集；
式(11)中的积分利用Chirp-Z变换实现，Chip-Z变换后的信号为：
Figure BDA0002656195710000065
所述步骤(4)具体是指：
将S2(fr,t′)与相位补偿函数Φ2(fr,t)相乘：
Figure BDA0002656195710000066
根据式(11)得到方位频谱无模糊的信号Sde(fr,t′)。
所述步骤(5)具体是指：
信号Sde(fr,t′)方位傅里叶变换后的二维频谱为：
Figure BDA0002656195710000071
其中，S(fr,fa)是在新脉冲重复频率下原始SAR信号的二维频谱，FT(·)表示傅里叶变换；根据式(15)，聚束SAR信号的二维频谱S(fr,fa)通过去斜后信号的二维频谱 Sde(fr,fa)乘上相位Φ3(fr,t)恢复；fa是方位向频率；
Figure BDA0002656195710000072
在所述步骤(2)中，采用式(7)中的去斜函数进行方位频谱去模糊时，去斜处理后信号的带宽见式(17)：
Figure BDA0002656195710000073
它由方位向场景的瞬时带宽和整个合成孔径时间内三次项、四次项造成的剩余带宽组成，其中，Ls为成像的方位向场景，Br为距离向带宽，|t|max表示|t|的最大值，这里为
Figure BDA0002656195710000074
在步骤(3)中，Chirp-Z变换的具体方法为：
(3a)将S1(fr,t)与变标核φ4相乘：
Figure BDA0002656195710000075
其中，n为表征所处方位点数的变量，实际处理时n＝0，1，…,P-1；
(3b)对步骤(3a)的处理结果进行方位向快速傅里叶变换FFT；
(3c)对共轭变标核φ5进行FFT处理；
Figure BDA0002656195710000081
(3d)将步骤(3b)的结果与步骤(3c)的结果相乘；
(3e)将步骤(3d)的结果进行方位向逆快速傅里叶变换IFFT；
(3f)将步骤(3e)所得的结果与φ5进行相乘，完成Chirp-Z变换。
本发明的另一目的在于提供一种宽带斜视聚束SAR两步成像方法的系统，包括：
距离压缩模块，完成对原始回波数据的距离向脉冲压缩；
考虑多普勒频率的二维去斜函数相乘模块，即方位去斜处理，在去除方位向调频率的同时，也去除信号在二维频谱上的平移和倾斜；
Chirp-Z变换模块，用Chirp-Z变换完成变标傅里叶变换，同时Chirp-Z变换转换为卷积运算，而卷积通过频域乘积实现；
考虑多普勒频率的二维残余相位补偿模块，用于补偿由于去斜操作所引入的残余相位；
考虑多普勒频率的二维频谱恢复模块，通过对去斜处理后的方位频谱无模糊的信号进行相位相乘，恢复得到原始回波信号的二维频谱；
传统条带SAR成像模块，完成聚束SAR方位向频谱去混叠和二维频谱恢复后，按照传统条带ω-k算法进行SAR成像。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明在传统聚束SAR“两步”成像算法的基础上，考虑宽带和斜视两方面的综合因素对传统算法进行改进，打破了去斜处理只是针对方位相位的二次项进行操作的固定思维，创造性地将由于斜视造成的方位频谱展宽和由于距离向宽带造成的方位频谱展宽都融入到去斜函数中，统一进行频谱去混叠处理；第二，本发明无需单独考虑斜视引起的走动的去除和恢复的问题，从而不需要如文献中所示的修正传统距离徙动算法；第三，本发明将斜视因素完美地融合在聚束SAR方位向预处理阶段，即方位频谱去混叠步骤和频谱恢复步骤，并创新地引入了 Chirp-Z变换完成信号的积分运算，从而整个处理过程与传统聚束SAR“两步”成像的算法构架完全相同，保证了不同SAR工作模式成像处理的一致性。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是Chirp-Z变换的方法流程图；
图3是星载聚束SAR系统的仿真参数；
图4是场景中点目标的分布图；
图5是在PRF＝2200Hz、K＝1时，场景右下角目标压缩后的幅度图；
图6是在PRF＝2200Hz、K＝1时，场景右下角目标压缩后的等值线图；
图7是在PRF＝2200Hz、K＝1时，场景右下角目标压缩后的方位向点目标响应图；
图8是在PRF＝2200Hz、K＝1时，场景右下角目标压缩后的距离向点目标响应图；
图9是在PRF＝2200Hz、K≠1时，场景右下角目标压缩后的幅度图；
图10是在PRF＝2200Hz、K≠1时，场景右下角目标压缩后的等值线图；
图11是在PRF＝2200Hz、K≠1时，场景右下角目标压缩后的方位向点目标响应图；
图12是在PRF＝2200Hz、K≠1时，场景右下角目标压缩后的距离向点目标响应图；
图13是在PRF＝3200Hz、K≠1时，场景右下角目标压缩后的幅度图；
图14是在PRF＝3200Hz、K≠1时，场景右下角目标压缩后的等值线图；
图15是在PRF＝3200Hz、K≠1时，场景右下角目标压缩后的方位向点目标响应图；
图16是在PRF＝3200Hz、K≠1时，场景右下角目标压缩后的距离向点目标响应图。
具体实施方式
如图1所示，一种宽带斜视聚束SAR两步成像方法，包括下列顺序的步骤：
(1)对原始回波数据进行距离向傅里叶变换，将信号变换到距离频域进行距离向脉冲压缩；
(2)将距离向脉冲压缩后的信号与相位Φ1(fr,t)相乘，得到S1(fr,t)信号；
(3)对S1(fr,t)信号进行Chip-Z变换完成变标傅里叶变换，得到S2(fr,t′)信号；
(4)将S2(fr,t′)信号与相位补偿函数Φ2(fr,t)相乘，得到方位频谱无模糊的信号Sde(fr,t′)；
(5)通过对方位频谱无模糊的信号Sde(fr,t′)进行相位相乘恢复得到原始回波信号的二维频谱S(fr,fa)；
(6)采用ω-k算法进行SAR成像。
所述步骤(1)具体是指：
斜视条件下，聚束SAR的回波信号为：
Figure 1
其中，TP为脉冲宽度，
Figure BDA0002656195710000102
为距离向时间，t为方位向时间，tc为聚束SAR成像的中心时刻；L为聚束SAR合成孔径长度；τ0是目标回波的延迟时间，且τ0＝2R(t)/C，
Figure BDA0002656195710000103
C为光速，r为tc时刻目标与雷达的斜距，
Figure BDA0002656195710000104
为斜视角，v是平台的速度，Kr为距离向线性调频信号的调频率，fc为载波的中心频率， wr(.)、wa(.)分别是距离和方位向的窗函数；不失一般性,这里认为中心时刻tc为0，傅里叶变换后，式(1)变为：
Figure BDA0002656195710000105
其中，fr为距离向频率；距离向脉冲压缩的函数为：
Figure BDA0002656195710000106
S(fr,t)与式(3)相乘得到S1(fr,t)：
Figure BDA0002656195710000107
所述步骤(2)具体是指：
将式(4)中的R(t)在0处进行四阶泰勒展开，可得：
Figure 2
将上式代入式(4)中，则相位部分有：
Figure BDA0002656195710000112
聚束SAR方位去斜时，传统的方法是去除雷达中心频率处方位向二次相位造成的调频率，去斜函数为：
Figure BDA0002656195710000113
在距离向带宽较大时，同时去除二次项调频率与距离频率的关系，此时的去斜函数为：
Figure BDA0002656195710000114
而对于斜视成像，斜视角会造成Doppler频率的偏移并随着距离频率倾斜，使得总的Doppler带宽变大，此时，通常的方法是在去斜处理时去除上式中的一次项以去除该带宽：
Figure BDA0002656195710000115
同时去除中心频率处的二次项，此时的去斜函数为：
Figure BDA0002656195710000116
在窄带假设下上述处理能够满足斜视聚束SAR方位向频谱去混叠的要求。但是，当存在斜视角并且系统相对带宽达到35％或更高时，上述三种去斜函数都无法取得满意的压缩结果。在本申请中提出利用考虑多普勒频率的二维去斜函数进行去斜：
h(fr,t)＝h1(fr,t)·h2(fr,t)
在去除方位向调频率的同时，也去除了信号在二维频谱的平移和倾斜。
距离压缩后的信号与去斜函数进行卷积后的信号为：
Figure BDA0002656195710000121
其中，t′为方位向新的时间，将Φ1(fr,t)与距离脉冲压缩后的信号S(fr,t)相乘：
Figure BDA0002656195710000122
得到S1(fr,t)：
Figure BDA0002656195710000123
所述步骤(3)具体是指：
在完成步骤(2)后，式(8)变为：
Figure BDA0002656195710000124
其中，
Figure BDA0002656195710000131
式(11)中的积分若没有系数K时可以利用FFT直接计算，只要使得式(11)中的
Figure BDA0002656195710000132
满足以下方程：
Figure BDA0002656195710000133
这里，Δt、Δt′分别是原始和去斜后的方位向采样时间间隔，P是去斜后的方位向采样点数，N指自然数集；当存在系数K时，上述积分成为变标傅里叶变换(SCFT)。这里，提出利用Chirp-Z变换完成SCFT计算。Chirp-Z变换可以转换为卷积运算，而卷积又可以通过频域乘积快速实现，Chirp-Z变换后的信号为：
Figure BDA0002656195710000134
所述步骤(4)具体是指：
将S2(fr,t′)与相位补偿函数Φ2(fr,t)相乘：
Figure BDA0002656195710000135
以补偿由于去斜操作所造成的残余相位，就可以消除距离向大带宽造成的方位向频谱混叠，根据式(11)得到方位频谱无模糊的信号Sde(fr,t′)。
所述步骤(5)具体是指：
信号Sde(fr,t′)方位傅里叶变换后的二维频谱为：
Figure BDA0002656195710000136
其中，S(fr,fa)是在新脉冲重复频率下原始SAR信号的二维频谱，FT(·)表示傅里叶变换；根据式(15)，聚束SAR信号的二维频谱S(fr,fa)通过去斜后信号的二维频谱 Sde(fr,fa)乘上相位Φ3(fr,t)恢复；fa是方位向频率；
Figure BDA0002656195710000141
完成步骤(1)至步骤(5)就完成了聚束SAR方位向频谱去混叠和二维频谱恢复，再按照传统条带SAR成像算法进行成像即可。对于宽带高分辨SAR成像，宜采用ω-k 算法。
需要说明的是，采用式(7)的去斜函数进行方位频谱去模糊时，虽然可以去除方位向相位的一次项和二次项，但对于相对带宽很大的SAR系统来说，此时三次项和四次项引起的Doppler调频率仍将难以忽略。如果在PRF设计的时候不考虑这两项的带宽，仍然可能造成频谱的轻微混叠从而影响成像质量。
在所述步骤(2)中，采用式(7)中的去斜函数进行方位频谱去模糊时，去斜处理后信号的带宽见式(17)：
Figure BDA0002656195710000142
它由方位向场景的瞬时带宽和整个合成孔径时间内三次项、四次项造成的剩余带宽组成，其中，Ls为成像的方位向场景，Br为距离向带宽，|t|max表示|t|的最大值，这里为
Figure BDA0002656195710000143
采用式(7)的去斜函数处理时，雷达系统所需的最小PRF必须大于BDe，否则将会影响成像质量。
在步骤(3)中，Chirp-Z变换的具体方法为：
(3a)将S1(fr,t)与变标核φ4相乘：
Figure BDA0002656195710000144
其中，n为表征所处方位点数的变量，实际处理时n＝0，1，…,P-1；
(3b)对步骤(3a)的处理结果进行方位向快速傅里叶变换FFT；
(3c)对共轭变标核φ5进行FFT处理；
Figure BDA0002656195710000151
(3d)将步骤(3b)的结果与步骤(3c)的结果相乘；
(3e)将步骤(3d)的结果进行方位向逆快速傅里叶变换IFFT；
(3f)将步骤(3e)所得的结果与φ5进行相乘，完成Chirp-Z变换。
本系统包括：
距离压缩模块，完成对原始回波数据的距离向脉冲压缩；
考虑多普勒频率的二维去斜函数相乘模块，即方位去斜处理，在去除方位向调频率的同时，也去除信号在二维频谱上的平移和倾斜；
Chirp-Z变换模块，用Chirp-Z变换完成变标傅里叶变换，同时Chirp-Z变换转换为卷积运算，而卷积通过频域乘积实现；
考虑多普勒频率的二维残余相位补偿模块，用于补偿由于去斜操作所引入的残余相位；
考虑多普勒频率的二维频谱恢复模块，通过对去斜处理后的方位频谱无模糊的信号进行相位相乘，恢复得到原始回波信号的二维频谱；
传统条带SAR成像模块，完成聚束SAR方位向频谱去混叠和二维频谱恢复后，按照传统条带ω-k算法进行SAR成像。
图1、图2给出了基于Chirp-z变换的宽带高分辨率聚束SAR成像的技术流程。为了验证该技术流程的有效性，利用仿真的P波段星载聚束SAR回波进行成像和分析。图 3是用于仿真的星载聚束SAR的系统参数，中心斜视角为-12°。利用该参数仿真得到的距离向斜距分辨率约为0.6m，方位分辨率约为1m。成像的场景大小为10km×10km， 3行3列共九个点目标呈“田”字形均匀分布在场景中，见图4。为了排除轨道曲率的影响，这里假设卫星飞行的轨道为直线。根据方位向天线长度计算瞬时Doppler带宽， PRF＝2200Hz可以达到系统设计的要求；而根据式(17)，在中心斜视角为-12°度时，三次项、四次项造成的去斜后剩余带宽最大可达到770Hz和70Hz。因此，这里分别采用 PRF＝2200Hz和3200Hz进行成像仿真。
首先，PRF＝2200Hz时，成像的去斜函数为h10(fr,t)，亦即去斜函数的二次项没有考虑距离频率的影响，此时K＝1。对于该场景成像，图像右下角目标的压缩结果见图5 至图8。可以看到，由于该去斜函数没有考虑距离频率的影响，不仅方位向压缩恶化，距离向压缩也受到了影响。
其次，PRF＝2200Hz，去斜函数为h(fr,t)，此时去斜函数的二次项考虑了距离频率的影响，此时K≠1。该区域右下角目标成像的结果见图9至图12。可以看到目标压缩的质量明显提高，方位向旁瓣明显不对称的现象也消失了，距离向压缩接近理想情况。但是方位向一侧的旁瓣有明显抬升现象，导致峰值旁瓣比(PSLR)达不到系统要求，目标的主瓣也有轻微的展宽。
最后，PRF＝3200Hz，去斜函数仍然为h(fr,t)，右下角目标的压缩结果见图13至图16。此时，方位向旁瓣抬升和主瓣展宽现象消除了，两维分辨率也有所提高，图像压缩质量明显改善。
综上所述，本发明在传统聚束SAR“两步”成像算法的基础上，考虑宽带和斜视两方面的综合因素对传统算法进行改进，打破了去斜处理只是针对方位相位的二次项进行操作的固定思维，创造性地将由于斜视造成的方位频谱展宽和由于距离向宽带造成的方位频谱展宽都融入到去斜函数中，统一进行频谱去混叠处理。

Claims (6)

1.一种宽带斜视聚束SAR两步成像方法，其特征在于：包括下列顺序的步骤：
(1)对原始回波数据进行距离向傅里叶变换，将信号变换到距离频域进行距离向脉冲压缩；
(2)将距离向脉冲压缩后的信号与相位Φ1(fr,t)相乘，得到S1(fr,t)信号；
(3)对S1(fr,t)信号进行Chip-Z变换完成变标傅里叶变换，得到S2(fr,t′)信号；
(4)将S2(fr,t′)信号与相位补偿函数Φ2(fr,t)相乘，得到方位频谱无模糊的信号Sde(fr,t′)；
(5)通过对方位频谱无模糊的信号Sde(fr,t′)进行相位相乘恢复得到原始回波信号的二维频谱S(fr,fa)；
(6)采用ω-k算法进行SAR成像。
2.根据权利要求1所述的宽带斜视聚束SAR两步成像方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是指：
斜视条件下，聚束SAR的回波信号为：
Figure FDA0002656195700000011
其中，TP为脉冲宽度，
Figure FDA0002656195700000012
为距离向时间，t为方位向时间，tc为聚束SAR成像的中心时刻；L为聚束SAR合成孔径长度；τ0是目标回波的延迟时间，且τ0＝2R(t)/C，
Figure FDA0002656195700000013
C为光速，r为tc时刻目标与雷达的斜距，
Figure FDA0002656195700000014
为斜视角，v是平台的速度，Kr为距离向线性调频信号的调频率，fc为载波的中心频率，wr(.)、wa(.)分别是距离和方位向的窗函数；不失一般性,这里认为中心时刻tc为0，傅里叶变换后，式(1)变为：
Figure FDA0002656195700000021
其中，fr为距离向频率；距离向脉冲压缩的函数为：
Figure FDA0002656195700000022
S(fr,t)与式(3)相乘得到S1(fr,t)：
Figure FDA0002656195700000023
所述步骤(2)具体是指：
将式(4)中的R(t)在0处进行四阶泰勒展开，可得：
Figure FDA0002656195700000024
将上式代入式(4)中，则相位部分有：
Figure FDA0002656195700000025
利用考虑多普勒频率的二维去斜函数进行去斜：
Figure FDA0002656195700000026
距离压缩后的信号与去斜函数进行卷积后的信号为：
Figure FDA0002656195700000031
其中，t′为方位向新的时间，将Φ1(fr,t)与距离脉冲压缩后的信号S(fr,t)相乘：
Figure FDA0002656195700000032
得到S1(fr,t)：
Figure FDA0002656195700000033
所述步骤(3)具体是指：
在完成步骤(2)后，式(8)变为：
Figure FDA0002656195700000034
其中，
Figure FDA0002656195700000035
式(11)中的
Figure FDA0002656195700000036
满足以下方程：
Figure FDA0002656195700000037
这里，Δt、Δt′分别是原始和去斜后的方位向采样时间间隔，P是去斜后的方位向采样点数，N指自然数集；
式(11)中的积分利用Chirp-Z变换实现，Chip-Z变换后的信号为：
Figure FDA0002656195700000041
所述步骤(4)具体是指：
将S2(fr,t′)与相位补偿函数Φ2(fr,t)相乘：
Figure FDA0002656195700000042
根据式(11)得到方位频谱无模糊的信号Sde(fr,t′)。
3.根据权利要求1所述的宽带斜视聚束SAR两步成像方法，其特征在于：所述步骤(5)具体是指：
信号Sde(fr,t′)方位傅里叶变换后的二维频谱为：
Figure FDA0002656195700000043
其中，S(fr,fa)是在新脉冲重复频率下原始SAR信号的二维频谱，FT(·)表示傅里叶变换；根据式(15)，聚束SAR信号的二维频谱S(fr,fa)通过去斜后信号的二维频谱Sde(fr,fa)乘上相位Φ3(fr,t)恢复；fa是方位向频率；
Figure FDA0002656195700000044
4.根据权利要求2所述的宽带斜视聚束SAR两步成像方法，其特征在于：
在所述步骤(2)中，采用式(7)中的去斜函数进行方位频谱去模糊时，去斜处理后信号的带宽见式(17)：
Figure FDA0002656195700000051
它由方位向场景的瞬时带宽和整个合成孔径时间内三次项、四次项造成的剩余带宽组成，其中，Ls为成像的方位向场景，Br为距离向带宽，|t|max表示|t|的最大值，这里为
Figure FDA0002656195700000052
5.根据权利要求2所述的宽带斜视聚束SAR两步成像方法，其特征在于：在步骤(3)中，Chirp-Z变换的具体方法为：
(3a)将S1(fr,t)与变标核φ4相乘：
Figure FDA0002656195700000053
其中，n为表征所处方位点数的变量，实际处理时n＝0，1，…,P-1；
(3b)对步骤(3a)的处理结果进行方位向快速傅里叶变换FFT；
(3c)对共轭变标核φ5进行FFT处理；
Figure FDA0002656195700000054
(3d)将步骤(3b)的结果与步骤(3c)的结果相乘；
(3e)将步骤(3d)的结果进行方位向逆快速傅里叶变换IFFT；
(3f)将步骤(3e)所得的结果与φ5进行相乘，完成Chirp-Z变换。
6.实施权利要求1至5中任一项所述宽带斜视聚束SAR两步成像方法的系统，其特征在于：包括：
距离压缩模块，完成对原始回波数据的距离向脉冲压缩；
考虑多普勒频率的二维去斜函数相乘模块，即方位去斜处理，在去除方位向调频率的同时，也去除信号在二维频谱上的平移和倾斜；
Chirp-Z变换模块，用Chirp-Z变换完成变标傅里叶变换，同时Chirp-Z变换转换为卷积运算，而卷积通过频域乘积实现；
考虑多普勒频率的二维残余相位补偿模块，用于补偿由于去斜操作所引入的残余相位；
考虑多普勒频率的二维频谱恢复模块，通过对去斜处理后的方位频谱无模糊的信号进行相位相乘，恢复得到原始回波信号的二维频谱；
传统条带SAR成像模块，完成聚束SAR方位向频谱去混叠和二维频谱恢复后，按照传统条带ω-k算法进行SAR成像。
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