CN114035191A - 一种用于星载sar超高分辨率模式下的cs成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于星载SAR超高分辨率模式下的CS成像方法，根据所设置的单位幅度点目标进行回波仿真，得到回波数据，进行成像处理，首先随后对原始回波数据进行方位向Deramp处理，消除频谱混叠现象。整体主要包括读取成像参数，并对信号进行方位Deramp操作，计算引入高精度斜距模型后的信号二维频谱，高次相位补偿，Chirp处理，距离压缩和方位压缩。本发明侧重于高分辨率SAR成像算法的精确性和实用性，能够完成在长时间相干累积下对目标的精确聚焦处理。

Description

一种用于星载SAR超高分辨率模式下的CS成像方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，涉及一种高分辨率模式下的星载SAR成像处理方法。

背景技术

随着聚束模式和滑动聚束模式的产生，星载合成孔径雷达(Synthetic ApertureRadar)可以达到的分辨率大大提高。以滑动聚束模式为例，通过控制天线指向地面场景之下的某一点以延长场景目标回波相干累积的时间，以此来提高目标分辨率。

传统Chirp Scaling(CS)方法采用双曲线斜距模型(Hyperbolic Range EquationModel，HREM)或等效斜视距离模型(Equivalent Squint Range Model，ESRM)，通过线性调频信号的变标原理，通过相位相乘代替时域插值，快速地完成随距离变化的距离单元徙动矫正(Range Cell Cigration Correction)。但是在星载高分辨率SAR上，由于相干累积的时间大大延长，HREM或ESRM的精度不足以精确描述雷达的斜距历程，它们带来的斜距误差会转换为相位误差，导致CS方法成像结果畸变。为了解决该问题，参考文献1[L.Huang,X.Qiu,D.Hu and C.Ding,"Focusing of Medium-Earth-Orbit SAR With AdvancedNonlinear Chirp Scaling Algorithm,"in IEEE Transactions on Geoscience andRemote Sensing,vol.49,no.1,pp.500-508,Jan.2011,doi:10.1109/TGRS.2010.2053211.]提出了一种优化的等效斜视距离模型，通过在ESRM中添加一个线性项，提高其精度，并最终在3m分辨率的目标聚焦上实现了良好的效果。然而，该斜距模型无法弥补斜距历程中四次以上的误差项，而参考文献2[K.Eldhuset,"A new fourth-orderprocessing algorithm for spaceborne SAR,"in IEEE Transactions on Aerospaceand Electronic Systems,vol.34,no.3,pp.824-835,July 1998,doi:10.1109/7.705890.]提出了一种四阶的斜距模型，该斜距模型可以很好的弥补误差中的四次项，但由于本身省略了高次相位的原因，更高次的误差项仍旧无法补偿。因此，这两种斜距模型都存在着极其严重的瓶颈。在参考文献3[P.Wang,W.Liu,J.Chen,M.Niu and W.Yang,"AHigh-Order Imaging Algorithm for High-Resolution Spaceborne SAR Based on aModified Equivalent Squint Range Model,"in IEEE Transactions on Geoscienceand Remote Sensing,vol.53,no.3,pp.1225-1235,March 2015,doi:10.1109/TGRS.2014.2336241.]中，Wang等人提出了一种改进的等效斜视距离模型(ModifiedEquivalent Squint Range Model,MESRM)，通过将等效加速度引入ESRM中，极其有效的提高了原斜距模型的精度，即使在高轨道高分辨率的情况下，也有不错的表现效果。

发明内容

本发明的目的是为了解决超高分辨率下星载SAR成像困难的问题，提出了一种基于改进斜距模型的高分辨率CS方法，能够完成在长时间相干累积下对目标的精确聚焦处理。

本发明的用于高分辨率星载SAR的成像处理方法，具体步骤为：

步骤一：读入成像参数和需要进行成像处理的星载SAR的回波数据。

步骤二：计算场景中各个距离门的多普勒参数。

步骤三：根据各个距离门的多普勒参数，计算各个距离门上的斜距模型参数。

步骤四：对步骤1中的原始回波数据进行方位向Deramp处理，消除频谱混叠现象。

步骤五：对步骤三中的斜距模型进行泰勒展开并取六阶近似，通过近似后的斜距模型计算回波信号二维频谱，通过计算得到的二维频谱对回波信号进行距离向高次频谱补偿。

步骤六：将步骤五中补偿后的结果转到RD域中，进行Chirp处理，完成对各个距离门上目标的补余RCM进行矫正。

步骤七：对矫正后的信号进行继续宁距离补偿，将完成距离向处理的信号转换回到RD域中。

步骤八：在RD域中计算方位补偿因子，将其与距离补偿后的信号相乘，完成方位压缩处理和残留相位补偿；补偿结束后，对结果进行方位向逆傅里叶变换，实现对目标的聚焦处理。

本发明的优点在于：

(1)精度高。本发明通过引入高精度斜距模型，并对其进行高次逼近。能够实现对极高分辨率的目标进行聚焦处理。

(2)实用性强。相比于目前大多数利用混合相关或其他成像方法对高分辨率图像进行处理的手段，本发明保留了CS方法批量进行RCMC的优势，以相位相乘代替繁琐的插值处理，简化了运算过程。因此，本发明具有更好的实用性。

附图说明

图1是本发明星载SAR超高分辨率模式下的CS成像方法流程图；

图2是回波信号原始图；

图3是六阶近似后的斜距模型在12s时间内引入的相位误差；

图4是场景中心目标插值后的成像结果；

图5是场景中心目标距离向剖面图；

图6是场景中心目标方位向剖面图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明用于星载SAR超高分辨率模式下的CS成像方法，整体主要包括：对信号进行方位Deramp操作，计算引入高精度斜距模型后的信号二维频谱，高次相位补偿，Chirp处理，距离压缩和方位压缩。本发明实施方式中，设置9个单位幅度点目标，根据所设置的点目标进行回波仿真，得到回波数据，进行成像处理。本发明流程图如图1所示，具体步骤为：

步骤一：读入相关的成像参数和需要进行成像处理的星载SAR的回波数据，包括步骤101和102。

步骤101、读入成像参数，包括：距离向采样点数N_r，方位向采样点数N_a，信号采样率F_s，信号带宽B_w，脉冲重复频率PRF，脉冲宽度Tao，信号波长λ，参考斜距R_ref，旋转点调频率f_{r_rot}。

步骤102、根据回波数据的方位向采样点数N_a和距离向采样点数N_r，读入需要进行成像处理的星载SAR的回波数据s₀(τ,η)，τ表示距离向时间，η表示方位向时间，其大小为N_a×N_r。

其中，本实施例中具体成像参数为：N_r＝35000，N_a＝60000，f_s＝1.2GHz，B_w＝1.0GHz，PRF＝5500，Tao＝0.000003s，λ＝0.03125，R_ref＝593km。图2给出了回波信号的原始图。

步骤二：根据卫星星历和参考文献3，计算场景中各个距离门的多普勒参数，包括：多普勒中心频率f_d，多普勒调频率f_r，多普勒调频率的微分f_r3，多普勒调频率的二阶微分f_r4。本实施例中，中心距离门(即参考斜距)处的多普勒中心频率为f_d＝-4.97Hz，多普勒调频率为f_r＝-5.91KHz，多普勒调频率的微分f_r3＝0.02Hz/s，多普勒调频率二阶微分f_r4＝2.77Hz/s²。

步骤三：根据步骤二中得到的各个距离门的多普勒参数，计算各个距离门上的斜距模型参数，包括等效速度V，等效斜视角

三阶项系数Δa₃，四阶项系数Δa₄：

本实施例中，中心距离门处V＝7.4km/s，

Δa₃＝-54.32，Δa₄＝-5.80。

步骤四：对步骤一中读入的原始回波数据s₀(τ,η)进行方位Deramp处理，消除频谱混叠现象。

结合参考文献：[王鹏波,周荫清,陈杰,李春升.基于二维Deramp处理的高分辨率聚束SAR成像方法[J].北京航空航天大学学报,2007(01):72-75.]，方位Deramp处理后的回波数据为：

s₁(τ,η)＝exp{jπf_{r_rot}η²}*s₀(τ,η) (2)

方位Deramp处理后，新脉冲重复频率PRF变为：

为了简化表达，以下步骤针对s₀(τ,η)进行处理，后续经方位Deramp处理后的回波数据的处理方法相同，最终处理结果根据傅里叶变换时频关系，最后在方位向补偿时加上Deramp带来的相位exp{jπf_{r_rot}η²}即可。

步骤五：对步骤三中的斜距模型进行泰勒展开并取六阶近似，通过近似后的斜距模型计算回波信号二维频谱，通过计算得到的二维频谱对回波信号进行距离向高次频谱补偿，包括如下步骤：

步骤501、对斜距模型进行泰勒展开，并取六阶结果进行近似，图3给出了近似后斜距模型在12s内引入的相位误差，证明该近似具有良好的逼近效果，引入的相位误差可以被忽略。原斜距模型的表达式为：

进行泰勒展开后，取前六阶进行近似，有：

R(η)≈R₀+R₁η+R₂η²+R₃η³+R₄η⁴+R₅η⁵+R₆η⁶ (5)

其中，R₀～R₆为斜距模型泰勒展开系数。

步骤502、SAR点目标回波信号的数学表达式为：

其中，A₀为信号幅度，ω_r(·)和ω_a(·)为天线距离向和方位向方向图，f₀为信号载频，K_r为距离向信号调频率，c为光速。

通过驻定相位原理(Principle Of Stationary Phase，POSP)，计算得到回波信号的二维频谱为：

S₀(f_τ,f_η)＝A₀Φ_r(f_τ)ω_a(f_η-f_ηc)exp{jΦ(f_τ,f_η)} (7)

上式中，Φ(f_τ,f_η)为回波信号二维频谱相位，为：

其中：

f_τ为距离向频率，f_η为方位向频率。

步骤503、对频谱相位Φ(f_τ,f_η)沿f_τ做泰勒展开，得到结果：

Φ(f_τ,f_η)＝D₀(f_η)+D₁(f_η)f_τ+D₂(f_η)f_τ ²+… (10)

因此，高次相位可求得为：

Φ_high-order(f_τ,f_η)＝Φ(f_τ,f_η)-[D₀(f_η)+D₁(f_η)f_τ+D₂(f_η)f_τ ²] (11)

根据(12)进行距离向高次频谱补偿，得到结果Sh_pc(f_τ,f_η)：

步骤六：将步骤五中补偿后的结果S_hpc(f_τ,f_η)转到RD域中，进行Chirp处理，包括如下子步骤601～602。

步骤601、根据POSP原理，对信号进行距离向傅里叶逆变换，得到RD域结果：

步骤602、由(15)式可以得到，RD域中信号调频率br(f_η)和距离徙动R_rd(f_η)可以表示为：

据此，Chirp相位因子可以求得为：

Φ₁(τ,f_η)＝exp{-jπbr(f_η,R_{ref_c})Cs(f_η)(τ-τ_ref(f_η))²} (16)其中：

R_{ref_c}为中心距离门处的参考斜距。

将S_hpc(τ,f_η)与Chirp相位因子相乘，得到S_chirp(τ,f_η)，完成对各个距离门上目标的补余RCM进行矫正。

步骤七：把经过Chirp处理后的信号S_chirp(τ,f_η)转换到二位频域中，乘以距离向相位补偿因子Φ₂(f_τ,f_η)，其中包括距离压缩滤波器和RCMC滤波器:

然后通过距离向傅里叶逆变换，将完成距离向处理的信号转换回到RD域中得到S_RC(τ,f_η):

步骤八：将S_RC(τ,f_η)在RD域中乘以方位向补偿因子Φ₃(τ,f_η)，完成方位处理和残余相位补偿。最后进行方位向傅里叶逆变换，得到S_focus(τ,η)，实现目标聚焦。其中：

S_focus(τ,η)＝IFFT[S_RC(τ,f_η)×τ₃(τ,f_η)，f_η]＝A₀sinc(τ)sinc(η) (22)

由于在步骤四时对信号进行了方位Deramp处理，所以在RD域中，实际方位补偿相位Φ_{3_deramp}(τ,f_η)应在Φ₃(τ,f_η)上加上Deramp处理引入的相位，即：

图4给出了完成成像后场景中心点插值后的结果。图5和图6分别给出了场景中心点目标距离向剖面和方位向剖面。可以看到，距离向与方位向峰值旁瓣比均在-13.22dB左右，与理论峰值旁瓣比-13.26dB相差无几，证明了本发明的良好性能。

Claims (5)

1.一种用于星载SAR超高分辨率模式下的CS成像方法，其特征在于：具体方法设计为：

步骤一：读入成像参数和需要进行成像处理的星载SAR的回波数据；

步骤二：计算场景中各个距离门的多普勒参数；

步骤三：根据各个距离门的多普勒参数，计算各个距离门上的斜距模型参数；

步骤四：对步骤1中的原始回波数据进行方位向Deramp处理，消除频谱混叠现象；

步骤五：对步骤三中的斜距模型进行泰勒展开并取六阶近似，通过近似后的斜距模型计算回波信号二维频谱，通过计算得到的二维频谱对回波信号进行距离向高次频谱补偿；

步骤六：将步骤五中补偿后的结果转到RD域中，进行Chirp处理，完成对各个距离门上目标的补余RCM进行矫正；

步骤七：对矫正后的信号进行继续宁距离补偿，将完成距离向处理的信号转换回到RD域中；

步骤八：在RD域中计算方位补偿因子，将其与距离补偿后的信号相乘，完成方位压缩处理和残留相位补偿；补偿结束后，对结果进行方位向逆傅里叶变换，实现对目标的聚焦处理。

2.如权利要求1所述一种用于星载SAR超高分辨率模式下的CS成像方法，其特征在于：步骤五的具体方法设计为：

a、对斜距模型进行泰勒展开，并取六阶结果进行近似，原斜距模型的表达式为：

进行泰勒展开后，取前六阶进行近似，有：

R(η)≈R₀+R₁η+R₂η²+R₃η²+R₄η⁴+R₅η⁵+R₆η⁶

其中，R₀～R₆为斜距模型泰勒展开系数；

b、SAR点目标回波信号的数学表达式为：

其中，A₀为信号幅度，ω_r(·)和ω_a(·)为天线距离向和方位向方向图，f₀为信号载频，K_r为距离向信号调频率，c为光速；

通过驻定相位原理计算得到回波信号的二维频谱为：

上式中，Φ(f_τ，f_η)为回波信号二维频谱相位，为：

其中：

f_τ为距离向频率，f_η为方位向频率；

c、对频谱相位Φ(f_τ，f_η)沿f_τ做泰勒展开，得到结果：

Φ(f_τ，f_η)＝D₀(f_η)+D₁(f_η)f_τ+D₂(f_η)f_τ ²+…

因此，高次相位可求得为：

Φ_high-order(f_τ，f_η)＝Φ(f_τ，f_η)-[D₀(f_η)+D₁(f_η)f_τ+D₂(f_η)f_τ ²]

进行距离向高次频谱补偿，得到结果S_hpc(f_τ，f_η)：

3.如权利要求1所述一种用于星载SAR超高分辨率模式下的CS成像方法，其特征在于：步骤六的具体方法设计为：

A、根据POSP原理，对信号进行距离向傅里叶逆变换，得到RD域结果：

B、RD域中信号调频率br(f_η)和距离徙动R_rd(f_η)可以表示为：

据此，Chirp相位因子可以求得为：

Φ₁(τ，f_η)＝exp{-jπbr(f_η，R_{ref_c})Cs(f_η)(τ-σ_ref(f_η))²}

其中：

R_{ref_c}为中心距离门处的参考斜距；

将S_hpc(τ，f_η)与Chirp相位因子相乘，得到S_chirp(τ，f_η)，完成对各个距离门上目标的补余RCM进行矫正。

4.如权利要求1所述一种用于星载SAR超高分辨率模式下的CS成像方法，其特征在于：步骤七的具体方法设计为：

把经过Chirp处理后的信号S_chirp(τ，f_η)转换到二位频域中，乘以距离向相位补偿因子Φ₂(f_τ，f_n)，其中包括距离压缩滤波器和RCMC滤波器：

然后通过距离向傅里叶逆变换，将完成距离向处理的信号转换回到RD域中得到S_RC(τ，f_η)：

5.如权利要求1所述一种用于星载SAR超高分辨率模式下的CS成像方法，其特征在于：步骤八的具体方法设计为：

在RD域中将距离补偿后的信号S_RC(τ，f_η)乘以方位向补偿因子Φ₃(τ，f_η)，完成方位处理和残余相位补偿。最后进行方位向傅里叶逆变换，得到S_focus(τ，η)，实现目标聚焦。其中：

S_focus(τ，η)＝IFFT[S_RC(τ，f_η)×Φ₃(τ，f_η)，f_η]＝A₀sinc(τ)sinc(η)

由于在步骤四时对信号进行了方位Deramp处理，所以在RD域中，实际方位补偿相位Φ_{3_deramp}(τ，f_η)应在Φ₃(τ，f_η)上加上Deramp处理引入的相位，即：

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