CN112748431A - 一种中轨道星载sar的地面运动目标成像方法 - Google Patents

一种中轨道星载sar的地面运动目标成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中轨道星载SAR的地面运动目标成像方法，属于合成孔径雷达SAR成像技术领域。包括以下步骤1)将中轨道星载SAR接收到的目标原始回波信号变换到二维频域；2)在二维频域构造距离徙动校正滤波器，与二维频域中的原始回波信号相乘，达到距离压缩和距离徙动校正的目的；3)对距离压缩和距离徙动校正后的目标回波信号进行距离向逆傅里叶变换，将目标回波信号变换到距离多普勒域；4)在距离多普勒域构造方位压缩滤波器，与距离多普勒域中的目标回波信号相乘，达到方位压缩的目的；5)对方位压缩后的目标回波信号进行方位向逆傅里叶变换，完成地面运动目标成像。本发明方法不需要知道目标的运动参数，并且能同时对多个慢速运动目标进行初步聚焦。

Description

一种中轨道星载SAR的地面运动目标成像方法
技术领域
本发明属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像技术领域，主要内容是提出了一种中轨道星载SAR的地面运动目标成像方法，用于中轨道星载SAR 对地面运动目标进行成像。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种高分辨率成像雷达，合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天时、全天候工作，因此在民用领域发挥着重要作 用。其中，地面运动目标成像作为合成孔径雷达的重要研究方向，一直受到广泛的关 注与重视。中轨道星载SAR泛指轨道高度在两千公里到两万公里之间的星载SAR， 是下一代高性能星载SAR的重要发展方向之一。由于轨道高度较高，与传统低轨道星 载SAR相比，中轨道星载SAR具有波束覆盖范围广、重访周期短、抗摧毁能力强等 优点，中轨道星载SAR因而适合用来执行地面运动目标指示(ground moving target indication，GMTI)任务，中轨道星载多通道SAR-GMTI系统也因此被认为是下一代 天基侦察监视系统的重要发展方向之一。但国内外对中轨道星载SAR的研究还比较少， 且主要集中在地面静止场景成像方面，而对中轨道星载多通道SAR地面运动目标成像 的研究还未见报道。此外，轨道高度的增加，也导致中轨道星载SAR的雷达平台速度 变小、合成孔径时间变长，地球自转效应因而更加显著，雷达的运动轨迹也不能被认 为是直线。这些因素导致雷达与地面运动目标之间的相对运动变得非常复杂，目标的 回波信号特性也因此会很复杂，从而使得地面运动目标成像面临很多困难和挑战。在 此背景下，本发明提出一种适用于中轨道星载SAR的地面运动目标成像方法。
针对传统机载SAR和低轨道星载SAR的地面运动目标成像，人们已进行了较深入的研究。其中，1987年，A.Freeman提出了用前置滤波法对运动目标进行检测。1992 年，Barbarossa等人提出利用时频分析方法进行参数估计，用于补偿由于目标运动引起 的对目标成像的不良影响。1999年，Perry等人提出了一系列基于keystone变换的SAR 地面运动目标成像方法。2001年，J.R.Fienup提出了截断平均法。2012年，朱圣棋等人 提出了一种在二维频域对目标信号进行匹配滤波的方法实现运动目标成像，该方法在 二维频域内进行距离徙动校正。然而，该方法需要预知目标的运动参数信息，而在现 实中这往往不可实现。因此，该方法在实际应用中受到了较大的限制。此外，该方法 不能对多个目标同时成像。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种中轨道星载SAR的地面运动目标成像方法，该方法不需要知道目标的运动参数，并且能同时对多个慢速运动目标进行 初步聚焦。
技术方案
本发明的思路是：1)将中轨道星载SAR接收到的目标原始回波信号变换到二维频域；2)在二维频域构造距离徙动校正滤波器，与二维频域中的原始回波信号相乘，达 到距离压缩和距离徙动校正的目的；3)对距离压缩和距离徙动校正后的目标回波信号 进行距离向逆傅里叶变换，将目标回波信号变换到距离多普勒域；4)在距离多普勒域 构造方位压缩滤波器，与距离多普勒域中的目标回波信号相乘，达到方位压缩的目的； 5)对方位压缩后的目标回波信号进行方位向逆傅里叶变换，完成地面运动目标成像。
一种中轨道星载SAR的地面运动目标成像方法，包括以下具体步骤：
步骤1，通过对中轨道星载SAR接收到的地面运动目标原始回波信号进行距离向和方位向傅里叶变换，将原始回波信号变换到二维频域中；
步骤2，在二维频域构造距离徙动校正滤波器，通过与二维频域中的目标回波信号相乘，达到距离压缩和距离徙动校正的目的，得到距离压缩和距离徙动校正后的目 标回波信号；
步骤3，对距离徙动校正后的目标信号进行距离向逆傅里叶变换，将距离徙动校正后的目标信号变换到距离多普勒域，得到距离多普勒域目标回波信号；
步骤4，在距离多普勒域构造方位压缩滤波器，通过与距离多普勒域中的目标回波信号相乘，达到方位压缩的目的，得到方位匹配滤波后的目标回波信号；
步骤5，对方位压缩后的目标回波信号进行方位向逆傅里叶变换，完成地面运动目标成像。
上述技术方案的特点和进一步改进在于：
(1)步骤2的具体子步骤为：
2a)不存在多普勒模糊的慢速目标的二维频域回波信号S(fa,fr)的表达式为：
Figure BDA0002859884570000031
其中，c为光速，fa为多普勒频率，fc为雷达发射信号的载频，fr为距离频率；Wr(fr)是目标信号距离频谱的包络，Wa(fa)是目标信号方位频谱的包络，R0,l1,l2是距离方程 二阶泰勒展开式的常数项、一阶系数和二阶系数，Kr为雷达发射的线性调频信号的调 频率，tac是雷达波束中心穿越目标的时刻；
在二维频域构造如下距离压缩滤波器，实现距离压缩和距离徙动校正：
Figure BDA0002859884570000032
其中rs0是tac＝0时刻卫星到观测场景中心的距离，ve是雷达的等效速度，vsr0是tac＝0时刻卫星的速度在径向方向的投影。
2b)将二维频域的目标回波信号S(fa,fr)与距离徙动校正滤波器Hrcmc(fa,fr)相乘，达到距离压缩和距离徙动校正的目的：
Figure BDA0002859884570000041
其中，Sr(fa,fr)为距离徙动校正后的目标信号。
(2)步骤4的具体子步骤为：
4a)对Sr(fa,fr)进行距离向逆傅里叶变换，并忽略残余距离徙动，得到距离匹配滤波后距离多普勒域目标回波信号的表达式
Figure BDA0002859884570000042
其中，tr为快时间，pr(tr)为距离冲激响应函数；
在距离多普勒域构造如下方位压缩滤波器实现方位压缩：
Figure BDA0002859884570000043
其中
Figure BDA0002859884570000044
4b)将距离多普勒域目标回波信号与构造的方位压缩滤波器相乘，达到方位压缩的目的：
Figure BDA0002859884570000045
有益效果
本发明提出的一种中轨道星载SAR的地面运动目标成像方法，与现有技术相比具有以下优点：
a)本发明在二维频域进行距离徙动校正，且计算效率高，仅需要进行相位相乘和一维傅里叶变换；
b)本发明在距离多普勒域进行方位压缩，能对距离位置不同的多个目标同时成像；
c)目前的SAR成像方法大多需要预知目标的运动参数，而在现实中这往往不可 实现。本发明构造距离徙动校正滤波器和方位压缩滤波器时并没有利用运动目标的运 动信息，且能实现对多个慢速目标的初步聚焦。
附图说明
图1是本发明中轨道星载SAR地面运动目标成像方法的流程示意图；
图2是斜距平面中轨道星载SAR系统观测几何图；
图3是距离徙动校正前的目标轨迹图；
图4是距离徙动校正后的目标轨迹图；
图5是用本发明方法的慢速目标1成像结果图；
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
参照图1，说明本发明中轨道星载SAR的地面运动目标成像方法，其包括以下具 体步骤：
步骤1，通过对中轨道星载SAR接收到的地面运动目标原始回波信号进行距离向和方位向傅里叶变换，将原始回波信号变换到二维频域中
参照图2，为中轨道星载SAR系统观测几何图。
假设为极轨(倾角等于90°，能保证全球覆盖能力)、圆轨道(能简化分析)， 近地点幅角ω等于零度(地球赤道略鼓、两极稍扁)。在这种假设下，ECI中卫星的 坐标为
xs1＝rscos(f)Px+rssin(f)Qx＝rscos(f)cosΩ
ys1＝rscos(f)Py+rssin(f)Qy＝rscos(f)sinΩ
zs1＝rscos(f)Pz+rssin(f)Qz＝rssin(f)
根据坐标转换，并考虑到：f＝f0+ωsta，ΩG＝ΩG0+ωeta，其中f0和ΩG0分别为慢 时间零点到真近点角和格林时角，则ECR坐标系中，卫星的坐标为：
xs＝xs1cosΩG+ys1sinΩG
＝rs cosfcosΩcosΩG+rs cosfsinΩsinΩG
＝rs cosfcos(ΩG-Ω)
＝rs cos(f0+ωsta)cos(ΩG0+ωeta-Ω)
ys＝-xs1sinΩG+ys1cosΩG
＝-rs cosfcosΩsinΩG+rs cosfsinΩcosΩG
＝-rs cosfsin(ΩG-Ω)
＝-rs cos(f0+ωsta)sin(ΩG0+ωeta-Ω)
zs＝zs1
＝rssinf
＝rssin(f0+ωsta)
ta时刻目标到雷达的瞬时距离可表示为：
R(ta)＝R0+l1ta+l2ta 2
其中
Figure BDA0002859884570000061
Figure BDA0002859884570000062
Figure BDA0002859884570000063
其中，
Figure BDA0002859884570000064
为坐标原点到卫星的向量，
Figure BDA0002859884570000065
为坐标原点到目标的向量。
Figure BDA0002859884570000066
和
Figure BDA0002859884570000067
Figure BDA0002859884570000068
分别为
Figure BDA0002859884570000069
和
Figure BDA00028598845700000610
的导数和二阶导数。
下面对l2进行变形
Figure BDA0002859884570000071
其中
Figure BDA0002859884570000072
Figure BDA0002859884570000073
Figure BDA0002859884570000074
Figure BDA0002859884570000075
Figure BDA0002859884570000076
Figure BDA0002859884570000077
Figure BDA0002859884570000081
目标原始回波信号可表示为：
Figure BDA0002859884570000082
其中，tr为快时间，ta为慢时间，pr(·)为距离压缩冲激响应函数，wa(·)为方位包络，fc为载频。
依次经距离向、方位向傅里叶变换，并利用驻定相位原理，得到二维频域目标回波信号，可表示为：
Figure BDA0002859884570000083
其中，fr为距离脉冲，PRF为脉冲重复频率，fa为多普勒频率，且满足 -PRF/2≤fa≤PRF/2，Wa(·)为方位频率包络，Wr(fr)为距离频率包络，M多普勒模 糊数。
由于fc>>fr，有1/(fc+fr)≈1/fc-fr/fc 2，则
Figure BDA0002859884570000084
成立，则不存在多普勒模糊的慢速目标的二维谱可以写成
Figure BDA0002859884570000085
步骤2，在二维频域构造距离徙动校正滤波器，通过与二维频域中的目标回波信号相乘，实现距离压缩和距离徙动校正，得到距离压缩和距离徙动校正后的目标回波 信号。
2a)由二维频域目标回波信号的表达式可以看出，上式中最后一个指数项
Figure BDA0002859884570000091
是由于距离徙动造成的，我们可以通过补偿它来实现距离徙动校正。 因此，可以在二维频域构造如下距离压缩滤波器实现距离压缩和距离徙动校正：
Figure BDA0002859884570000092
2b)将二维频域的目标回波信号S(fa,fr)与构造的距离匹配滤波器Hrcmc相乘，达到距离压缩和距离徙动校正的目的：
Figure BDA0002859884570000093
其中，Sr(fa,fr)为距离徙动校正后的目标信号。
步骤3，对距离徙动校正后的目标信号进行距离向逆傅里叶变换，将距离徙动校正后的目标信号变换到距离多普勒域，得到距离多普勒域的目标回波信号。
对Sr(fa,fr)进行距离向逆傅里叶变换，得到距离多普勒域中的目标回波信号为：
Figure BDA0002859884570000094
其中，pr(·)为距离冲激响应函数。
由上式可以看出，存在残余距离徙动
Figure BDA0002859884570000095
考虑到-PRF/2≤fa≤PRF/2
该残余距离徙动的最大值为
Figure BDA0002859884570000101
因此上述距离徙动可以忽略不计，进而得到化简后的距离多普勒域目标信号为：
Figure BDA0002859884570000102
步骤4，在距离多普勒域构造方位压缩滤波器，通过与距离多普勒域中的目标回波信号相乘，实现方位压缩，得到方位匹配滤波后的目标回波信号。
4a)根据距离多普勒域目标回波信号的表达式可以得出，相位
Figure BDA0002859884570000103
决定了目标方位调制。因此，在距离多普勒域构造如下方位匹配滤波器，实现方位压缩：
Figure BDA0002859884570000104
4b)将距离多普勒域目标回波信号与方位匹配滤波器相乘，达到方位压缩的目的：
Figure BDA0002859884570000105
步骤5，对方位压缩后的目标回波信号进行方位向逆傅里叶变换，完成地面运动目标成像
对Sa(fa,tr)进行方位向逆傅里叶变换，得到SAR图像域目标信号的表达式为：
Figure BDA0002859884570000106
其中，pa(·)为方位冲激响应函数。
从上面的分析过程可以看出，在整个成像过程中，本发明没有使用目标的运动信息。
本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明：
(1)距离压缩后的目标轨迹仿真。
中轨道星载SAR系统参数见表1，实验仿真了两个慢速运动目标，它们的仿真参 数如表2、3所示。在二维频域通过相位相乘实现距离压缩，然后进行距离向逆傅里叶 变换获得距离压缩后的目标轨迹。仿真结果见图3。由图3可以看到，两个目标均存 在明显的距离徙动。
表1中轨道星载SAR系统参数
Figure BDA0002859884570000111
表2慢速目标1的仿真参数
Figure BDA0002859884570000112
表3慢速目标2的仿真参数
Figure BDA0002859884570000113
(2)用本发明进行距离徙动校正后的目标轨迹仿真。
仿真(2)中的参数设置与仿真(1)中的设置相同，且没有使用目标的运动信息， 仿真结果见图4。由图4可以看出，两个目标的距离徙动都被校正了。这个仿真实验 说明本发明可以在不使用目标运动信息的前提下，实现距离徙动校正。
(3)本发明地面运动目标成像结果仿真。
仿真(3)中的参数设置与仿真(1)中的设置相同，仿真时没有使用目标的任何 运动信息，仿真结果见图5。由图5可以看出，目标的成像效果很好。这个仿真实验 证明了本发明可以在不使用目标运动信息的前提下，实现对多个地面慢速目标的成像。

Claims (1)

1.一种中轨道星载SAR的地面运动目标成像方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过对中轨道星载SAR接收到的地面运动目标原始回波信号进行距离向和方位向傅里叶变换，将原始回波信号变换到二维频域中；
步骤2：在二维频域构造距离徙动校正滤波器，通过与二维频域中的目标回波信号相乘，达到距离压缩和距离徙动校正的目的，得到距离压缩和距离徙动校正后的目标回波信号；
2a)不存在多普勒模糊的慢速目标的二维频域回波信号S(fa,fr)的表达式为：
Figure FDA0002859884560000011
其中，c为光速，fa为多普勒频率，fc为雷达发射信号的载频，fr为距离频率；Wr(fr)是目标信号距离频谱的包络，Wa(fa)是目标信号方位频谱的包络；R0,l1,l2分别是距离方程二阶泰勒展开式的常数项、一阶系数和二阶系数，Kr为雷达发射的线性调频信号的调频率，tac是雷达波束中心穿越目标的时刻；
在二维频域构造如下距离压缩滤波器，实现距离压缩和距离徙动校正：
Figure FDA0002859884560000012
其中rs0是tac＝0时刻卫星到观测场景中心的距离，ve是雷达的等效速度，vsr0是tac＝0时刻卫星的速度在径向方向的投影；
2b)将二维频域的目标回波信号S(fa,fr)与距离徙动校正滤波器Hrcmc(fa,fr)相乘，达到距离压缩和距离徙动校正的目的：
Figure FDA0002859884560000021
其中，Sr(fa,fr)为距离徙动校正后的目标信号；
步骤3：对距离徙动校正后的目标信号进行距离向逆傅里叶变换，将距离徙动校正后的目标信号变换到距离多普勒域，得到距离多普勒域目标回波信号；
对Sr(fa,fr)进行距离向逆傅里叶变换，并忽略残余距离徙动，得到距离匹配滤波后距离多普勒域目标回波信号的表达式：
Figure FDA0002859884560000022
其中，c为光速，tr为快时间，pr(tr)为距离冲激响应函数；
步骤4：在距离多普勒域构造方位压缩滤波器，通过与距离多普勒域中的目标回波信号相乘，达到方位压缩的目的，得到方位匹配滤波后的目标回波信号；
4a)在距离多普勒域构造如下方位压缩滤波器实现方位压缩：
Figure FDA0002859884560000023
其中
Figure FDA0002859884560000024
4b)将距离多普勒域目标回波信号与构造的方位压缩滤波器相乘，达到方位压缩的目的：
Figure FDA0002859884560000031
步骤5：对方位压缩后的目标回波信号进行方位向逆傅里叶变换，完成地面运动目标成像。
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