CN116136595A - 基于两级尺度微调的协同探测双基前视sar成像处理方法 - Google Patents

基于两级尺度微调的协同探测双基前视sar成像处理方法 Download PDF

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CN116136595A CN202310166621.6A CN202310166621A CN116136595A CN 116136595 A CN116136595 A CN 116136595A CN 202310166621 A CN202310166621 A CN 202310166621A CN 116136595 A CN116136595 A CN 116136595A
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Abstract

本发明公开了一种基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法，包括：基于协同探测双基前视SAR成像几何模型，得到双基SAR斜距历程；基于双基SAR斜距历程得到基带回波信号，对基带回波信号进行距离向傅里叶变换并进行匹配滤波处理，然后对匹配滤波后的信号依次进行加速度分量、线性徙动参考分量和多普勒中心补偿，得到预处理后的信号；接着对信号依次进行频域尺度微调、高阶徙动分量校正和距离向逆傅里叶变换，得到距离方位解耦的信号；随后对解耦的信号进行方位非空变相位补偿和时域尺度微调处理，得到方位解调后的信号；最后对方位解调后的信号进行方位傅里叶变换，得到聚焦在距离多普勒域内的双基前视SAR图像。本发明提高了方位聚焦精度。

Description

基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法。
背景技术
协同探测双基合成孔径雷达(Bistatic Synthetic Aperture Radar,BiSAR)通过收发分置，能获得目标区域的非后向散射特性，进而获取更加丰富的场景信息，此外，基于收发分置的系统配置，双基SAR能够实现雷达前方位置的探测成像，从而打破单基SAR只能侧视观测的固有缺陷，扩展了SAR系统在侦察和探测等领域的应用。因此，协同双基探测前视SAR成为近些年研究的重点。
相比于传统SAR成像，协同探测双基前视SAR成像处理将面临更复杂的挑战。收发平台的机动特性会使雷达运动偏离理想直线航迹，不可避免的加速度会耦合到双程斜距历程中，进而影响回波的多普勒调频率和高阶多普勒参数，导致频谱畸变。对于协同探测双基前视SAR系统，收发平台中有一方工作在前视模式，此时双基SAR回波数据的距离历程将随方位时间发生剧烈变化，产生严重的距离徙动，进而导致距离向和方位向之间产生严重耦合，回波信号的二维频谱发生形变，传统距离频域校正走动、二维频域校正弯曲的方法将产生较大的误差。此外，在方位向处理中，位于方位不同位置散射点的多普勒参数会随着其位置发生变化，即多普勒参数具有方位空变性，此时无法采用同一个参考函数实现对该距离线上所有点的聚焦处理，传统变标类算法能消除部分空变分量，但需要进行多次正逆傅里叶变换和大量补零处理，算法运算复杂度高，处理效率低。
考虑以上问题，因此如何解决搭载于机动平台的协同探测双基前视SAR成像问题成为了亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法，所述协同探测双基前视SAR成像处理方法包括：
S1、基于协同探测双基前视SAR成像几何模型，得到双基SAR斜距历程；
S2、基于所述双基SAR斜距历程得到基带回波信号，对所述基带回波信号进行距离向傅里叶变换并进行匹配滤波处理，得到匹配滤波后的信号；
S3、对所述匹配滤波后的信号依次进行加速度分量、线性徙动参考分量和多普勒中心补偿，得到预处理后的信号；
S4、对预处理后的信号依次进行频域尺度微调、高阶徙动分量校正和距离向逆傅里叶变换，得到距离方位解耦的信号，之后对所述距离方位解耦的信号进行方位非空变相位补偿和时域尺度微调处理，得到方位解调后的信号；
S5、对方位解调后的信号进行方位傅里叶变换，得到聚焦在距离多普勒域内的双基前视SAR图像。
在本发明的一个实施例中，步骤S1包括：
S1.1、基于所述面向机动平台的协同探测双基前视SAR成像几何模型得到协同双基SAR成像的斜距历程；
S1.2、将所述协同双基SAR成像的斜距历程在方位慢时间tm＝0处进行四阶泰勒级数展开，得到多项式形式的双基SAR斜距历程。
在本发明的一个实施例中，步骤S2包括：
S2.1、基于所述双基SAR斜距历程得到基带回波信号，所述基带回波信号表示为：
Figure BDA0004096110850000031
其中，ss0(tr,tm)表示基带回波信号，tr表示距离向快时间变量，wr(tr)表示距离向时域窗函数，tm表示方位向慢时间，wa(tm)表示方位向时域窗函数，exp{·}表示复指数函数，用以表征回波信号的相位信息，j表示虚数单位，Kr表示距离向调频率，fc表示发射信号中心频率，c表示光速，Rbi(tm)表示双基SAR斜距历程；
S2.2、对所述基带回波信号进行距离向匹配滤波处理，利用驻定相位原理对所述基带回波信号进行距离向傅里叶变换，得到距离频域的回波信号，所述距离频域的回波信号表示为：
Figure BDA0004096110850000032
其中，Ss1(fr,tm)表示为距离频域的回波信号，fr表示距离频率变量，Wr(fr)表示距离向频域窗函数，第一个指数项
Figure BDA0004096110850000033
表示距离向调制，第二个指数项/>
Figure BDA0004096110850000034
表示方位向调制和距离徙动；
S2.3、在距离频域方位时域内构造匹配滤波参考函数，并将所述匹配滤波参考函数与距离频域内的回波信号相乘，得到距离向匹配滤波后的信号，所述匹配滤波后的信号表示为：
Figure BDA0004096110850000041
其中，Ss2(fr,tm)表示匹配滤波后的信号，HPC(fr)表示匹配滤波参考函数。
在本发明的一个实施例中，步骤S3包括：
S3.1、在距离频域方位时域构造非理想运动轨迹补偿函数，所述非理想运动轨迹补偿函数表示为：
Figure BDA0004096110850000042
其中，Hacc(fr,tm)表示非理想运动轨迹补偿函数，fr表示距离频率变量，tm表示方位慢时间变量，fc表示发射信号中心频率，c表示光速，ki0_acc表示场景参考点双基斜距历程的第i阶泰勒展开系数中的非理想运动轨迹分量；
S3.2、将所述非理想运动轨迹补偿函数与所述匹配滤波后的信号相乘，得到加速度补偿处理后的信号；
S3.3、在距离频域方位时域构造线性徙动校正与方位谱中心补偿函数，所述线性徙动校正与方位谱中心补偿函数表示为：
Figure BDA0004096110850000043
其中，Hcom(fr,tm)表示线性徙动校正与方位谱中心补偿函数，k10表示场景参考点双基斜距历程的一阶泰勒展开系数；
S3.4、将所述线性徙动校正与方位谱中心补偿函数与所述加速度补偿处理后的信号相乘，得到预处理后的信号。
在本发明的一个实施例中，步骤S4包括：
S4.1、在距离频域内引入第一级线性尺度微调处理，以校正所述预处理后的信号的距离徙动线性残余空变分量，得到频域尺度微调后的信号；
S4.2、对所述频域尺度微调后的信号的高阶徙动分量进行校正、并进行距离向逆傅里叶变换，得到距离方位解耦的信号；
S4.3、对距离方位解耦的信号的方位非空变相位进行补偿得到相位补偿后的信号；
S4.4、在二维时域内引入第二级非线性尺度微调处理，以将所述相位补偿后的信号由非均匀采样修正为均匀采样，得到方位解调后的信号。
在本发明的一个实施例中，所述频域尺度微调后的信号表示为：
Figure BDA0004096110850000051
其中，Ss5(fr,t′m)表示频域尺度微调后的信号，fr表示距离频率变量，Wr(fr)表示距离向频域窗函数，tm表示慢时间，wa(tm)表示方位向时域窗函数，c表示光速，fc表示发射信号中心频率，t′mfc＝tmfc+tmfr，k′0表示预处理后的零阶泰勒展开系数，k′1表示预处理后的一阶泰勒展开系数，k′2表示预处理后的二阶泰勒展开系数，k′3表示预处理后的三阶泰勒展开系数，k′4表示预处理后的四阶泰勒展开系数。
在本发明的一个实施例中，步骤S4.2包括：
S4.21、将所述频域尺度微调后的信号的耦合相位关于方位频率fr＝0进行一阶泰勒级数展开，得到展开后的信号；
S4.22、将高阶徙动补偿函数与所述展开后的信号相乘，得到高阶徙动校正后的信号，所述高阶徙动补偿函数表示为：
Figure BDA0004096110850000052
其中，HRCC(fr，t′m)表示高阶徙动补偿函数，fr表示距离频率变量，t′mfc＝tmfc+tmfr，fc表示发射信号中心频率，c表示光速，k′i0表示场景参考点斜距历程的各阶泰勒展开系数；
S4.23、对所述高阶徙动校正后的信号做距离向逆傅里叶变换，得到距离方位解耦的信号。
在本发明的一个实施例中，步骤S4.3包括：
S4.31、将所述距离方位解耦的信号的方位相位关于方位位置yn＝0进行一阶泰勒级数展开，得到非空变分量与空变分量；
S4.32、基于所述非空变分量与散射点的方位位置的关系，将非空变相位补偿函数与所述二维时域内信号相乘，得到所述相位补偿后的信号，所述非空变相位补偿函数表示为：
Figure BDA0004096110850000061
其中，HDeramp(t′m)表示非空变相位补偿函数，t′mfc＝tmfc+tmfr，fc表示发射信号中心频率，λ表示波长，k′i0表示场景参考点斜距历程的各阶泰勒展开系数。
在本发明的一个实施例中，所述方位解调后的信号表示为：
Figure BDA0004096110850000062
其中，ss9(tr,t″m；yn)表示时域尺度微调后的信号，A表示常数项，sinc表示辛格窗函数，Br表示发射信号带宽，tr表示距离向快时间变量，Rbi0表示参考双基距离和，tm表示方位向慢时间，wa(tm)表示方位向时域窗函数，λ表示波长，yn表示方位位置，
Figure BDA0004096110850000063
k′i1表示斜距历程的各阶泰勒展开系数中关于方位位置的线性项系数，t′mfc＝tmfc+tmfr，fc表示发射信号中心频率。
本发明的有益效果：
本发明考虑机动平台运动中加速度参数的影响，在预处理中引入非理想运动轨迹补偿模块，消除了非理想运动对多普勒调频率及高阶多普勒参数的影响，恢复畸变的二维频谱；在完成线性徙动校正处理后，在距离频域引入线性尺度微调处理，消除距离线性徙动的空变分量，实现距离方位深度解耦；在通过Deramp(相位和信号相乘)处理补偿方位相位的非空变分量后，再次在二维时域引入非线性尺度微调处理，消除方位相位的空变分量，提高方位聚焦精度。
本发明通过第一级线性尺度微调，消除距离徙动的线性空变分量，实现距离方位深度解耦；通过第二级非线性尺度微调，消除方位多普勒参数的空变分量，实现方位精确聚焦。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种协同探测双基前视SAR成像几何模型的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种仿真点目标的方位剖面图；
图5是本发明实施例提供的一种仿真点目标的等高线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
通过将发射机与接收机分置于不同的运动平台上，协同探测双基SAR可以通过信号的发射和回波的非后向接收，对任意位置实现高分辨成像，从而突破了传统单基SAR只能侧视成像的固有缺陷。相比于单基SAR，协同探测双基SAR系统虽然需要增加空时频同步模块和数据链路模块，但其所具备的优势恰恰能满足协同探测体系对SAR的需求。首先，由于收发分置，接收平台不再需要装配大功率发射机，因此接收平台的体积、重量和成本均能得到良好的控制。其次，在协同化探测体系中，多平台之间可形成“一发多收”的多基SAR成像系统，获取不同视角下目标场景的散射信息，提供更加全面的目标特征。最重要的是，协同探测双基SAR弥补了传统单基SAR只能侧视成像的固有缺陷，其中最典型的双基前视模式能够通过合理的构型配置，在某一飞行平台前方区域形成良好的距离和多普勒分辨网格，得到该平台前方区域的高分辨二维图像，从而在其他平台辅助下实现合成孔径雷达的前视成像。综上所述，双基前视SAR系统在协同探测方面有巨大潜力，是未来雷达应用的重要发展趋势之一。
现有的双基前视SAR成像技术为：首先对回波信号进行匹配滤波处理，并将信号变换到距离频域进行走动校正与多普勒中心补偿处理实现距离徙动的初步校正；然后将信号变换到两维频域，以场景中心为参考进行距离弯曲校正；接着将信号变换到距离多普勒域，在距离多普勒域内引入高阶非线性变标因子；随后将信号变换到两维时域，通过Deramp处理消除方位调频；最后将信号变换到距离多普勒域实现最终聚焦。
现有的基于非线性变标的处理的双基前视SAR成像技术未考虑平台机动性的影响，实际上，多维加速度会影响回波的多普勒调频率和高阶多普勒参数，进而导致频谱畸变，影响方位聚焦。现有技术在二维频域中以场景中心为参考进行统一的距离弯曲校正，然而，由于散射点的位置空变性，其双基斜距历程各不相同，二维频域内不同散射点的弯曲特性也各有区别，统一进行距离弯曲校正会导致边缘点存在较大的徙动残余。现有技术在距离多普勒域内引入高阶非线性变标因子来消除多普勒参数的方位空变性，然而该方法只能消除额定的一组空变分量，但引入的变标因子会影响其余的各阶分量，此外，非线性变标类算法需要进行多次正逆傅里叶变换和大量补零处理，算法运算复杂度高，处理效率低。
本发明针对上述缺点，提出一种基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法，请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法的流程示意图，图2是本发明实施例提供的另一种基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法的流程示意图。本发明所提供的基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法包括：
S1、基于协同探测双基前视SAR成像几何模型，得到双基SAR斜距历程。
S1.1、基于面向机动平台的协同探测双基前视SAR成像几何模型得到协同双基SAR成像的斜距历程。
如图3所示，在笛卡尔坐标系中建立面向机动平台的双基前视SAR成像几何模型：以成像场景中心参考点为坐标原点建立空间直角坐标系XOYZ，其中X方向与Y方向分别表示水平面内任意垂直的两个方向，Z方向表示天向。
为了更方便地描述机动平台双基成像模型，定义平台方位角γ为斜距矢量地面投影分量与X轴正方向的夹角，擦地角β为波束矢量与地平面的夹角。发射平台工作于斜视模式，接收平台工作于前视模式，发射平台与接收平台分别沿曲线轨迹运动，雷达信号经由发射天线到达成像场景并散射回到接收天线，形成收发闭环。在方位零时刻，发射机的运动速度和加速度分别为vt＝(vtx,vty,vtz)和at＝(atx,aty,atz)，平台到场景中心的距离为Rst，擦地角为βt，平台方位角为γt；接收机的运动速度和加速度分别为vt＝(vtx,vty,vtz)和at＝(atx,aty,atz)，平台到场景中心的距离为Rsr，擦地角为βr，平台方位角为0。用tm表示方位向慢时间变量，则任意时刻发射平台与接收平台的空间位置可以表示为：
Figure BDA0004096110850000101
Figure BDA0004096110850000102
以场景中心参考点为坐标原点在水平面内建立目标坐标系xOy，其与成像坐标系XOY之间的角度φΔ可以表示为：
Figure BDA0004096110850000103
其中，atan表示反正切函数。
此时，对于目标坐标系内任意一点P(xn,yn)，其在成像坐标系内的空间位置可以表示为：
Figure BDA0004096110850000104
进而得到协同双基SAR成像的斜距历程：
Figure BDA0004096110850000105
S1.2、将协同双基SAR成像的斜距历程在方位慢时间tm＝0处进行四阶泰勒级数展开，得到多项式形式的双基SAR斜距历程，多项式形式的双基SAR斜距历程表示为：
Figure BDA0004096110850000111
/>
其中，ki表示第i阶泰勒展开系数，具体表示为：
Figure BDA0004096110850000112
其中，i！表示从1到i的阶乘，
Figure BDA0004096110850000113
表示函数对变量tm求i阶导数。
S2、基于双基SAR斜距历程得到基带回波信号，对基带回波信号进行距离向傅里叶变换并进行匹配滤波处理，得到匹配滤波后的信号。
S2.1、基于所述双基SAR斜距历程得到基带回波信号。
假设搭载于协同探测系统的双基SAR发射天线发射线性调频(LFM)信号，并由接收天线接收来自目标区域的散射回波，经过正交解调处理后，得到基带回波信号ss0(tr,tm)，可以表示为：
Figure BDA0004096110850000114
其中，tr表示距离向快时间变量，wr(tr)表示距离向时域窗函数，tm表示方位向慢时间，wa(tm)表示方位向时域窗函数，exp{·}表示复指数函数，用以表征回波信号的相位信息，j表示虚数单位，Kr表示距离向调频率，fc表示发射信号中心频率，c表示光速，Rbi(tm)表示双基SAR斜距历程。
S2.2、对基带回波信号进行距离向匹配滤波处理，利用驻定相位原理(POSP)对基带回波信号进行距离向傅里叶变换(FT)，得到距离频域的回波信号Ss1(fr,tm)，距离频域的回波信号表示为：
Figure BDA0004096110850000121
其中，fr表示距离频率变量，Wr(fr)表示距离向频域窗函数，第一个指数项
Figure BDA0004096110850000122
表示距离向调制，第二个指数项/>
Figure BDA0004096110850000123
表示方位向调制和距离徙动。
S2.3、在距离频域方位时域内构造匹配滤波参考函数，并将匹配滤波参考函数与距离频域内的回波信号相乘，得到距离向匹配滤波后的信号，所述匹配滤波后的信号表示为：
Figure BDA0004096110850000124
其中，Ss2(fr,tm)表示匹配滤波后的信号，HPC(fr)表示匹配滤波参考函数，
Figure BDA0004096110850000125
S3、对匹配滤波后的信号依次进行加速度分量、线性徙动参考分量和多普勒中心补偿，得到预处理后的信号。
具体而言，在距离频域内引入非理想运动轨迹补偿函数、线性徙动校正与方位谱中心补偿函数，对加速度分量、线性徙动参考分量和多普勒中心对匹配滤波后的信号进行精确补偿，得到预处理后的信号。
S3.1、在距离频域方位时域构造非理想运动轨迹补偿函数。
高阶非理想运动轨迹补偿能还原回波频谱，避免由加速度引起的方位多普勒参数失配。本发明将非理想运动轨迹从斜距历程中提取出来，在距离频域方位时域构造非理想运动轨迹补偿函数，非理想运动轨迹补偿函数表示为：
Figure BDA0004096110850000131
其中，Hacc(fr,tm)表示非理想运动轨迹补偿函数，ki0_acc表示场景参考点双基斜距历程的第i阶泰勒展开系数中的非理想运动轨迹分量，ki0_acc表示为：
Figure BDA0004096110850000132
S3.2、将非理想运动轨迹补偿函数与匹配滤波后的信号相乘，得到加速度补偿处理后的信号Ss3(fr,tm)，加速度补偿处理后的信号Ss3(fr,tm)表示为：
Figure BDA0004096110850000133
S3.3、在距离频域方位时域构造线性徙动校正与方位谱中心补偿函数。
线性徙动校正与方位谱中心补偿能消除双基SAR回波中距离徙动的大部分分量，同时搬移二维频谱，避免频谱模糊效应。在距离频域方位时域构造的线性徙动校正与方位谱中心补偿函数表示为：
Figure BDA0004096110850000134
其中，Hcom(fr,tm)表示线性徙动校正与方位谱中心补偿函数，k10表示场景参考点双基斜距历程的一阶泰勒展开系数，
Figure BDA0004096110850000135
S3.4、将线性徙动校正与方位谱中心补偿函数与加速度补偿处理后的信号相乘，得到预处理后的信号，预处理后的信号表示为：
Figure BDA0004096110850000136
对预处理后的信号Ss4(fr,tm)进行整理，得到：
Figure BDA0004096110850000137
其中，各阶泰勒展开系数更新为：
Figure BDA0004096110850000141
S4、对预处理后的信号依次进行频域尺度微调、高阶徙动分量校正和距离向逆傅里叶变换，得到距离方位解耦的信号，之后对距离方位解耦的信号进行方位非空变相位补偿和时域尺度微调处理，得到方位解调后的信号。
S4.1、在距离频域内引入第一级线性尺度微调处理，以校正所述预处理后的信号的距离徙动线性残余空变分量，得到频域尺度微调后的信号。
在机动平台双基前视SAR成像中，散射点的距离徙动将呈现二维空变，本发明引入第一级线性尺度微调处理进行残余徙动校正，通过定义虚拟的慢时间，对目标回波进行慢时间维的拉伸、压缩处理，将倒梯形的方位时域支撑区修正为矩形，实现非场景中心处残余走动量的校正。该过程可以表示为：
t′mfc＝tmfc+tmfr
将上式带入信号Ss4(fr,tm)进行化简，得到线性尺度微调之后的信号(即频域尺度微调后的信号)Ss5(fr,t′m)，Ss5(fr,t′m)表示为：
Figure BDA0004096110850000142
此时，距离频率和方位慢时间的一次项之间没有耦合，线性耦合被完全消除。
S4.2、对频域尺度微调后的信号的高阶徙动分量进行校正、并进行距离向逆傅里叶变换，得到距离方位解耦的信号。
S4.21、完成线性徙动分量补偿后，接着对高阶徙动分量进行处理，将频域尺度微调后的信号的耦合相位关于方位频率fr＝0进行一阶泰勒级数展开，得到展开后的信号，展开后的信号表示为：
Figure BDA0004096110850000151
其中，λ表示波长，第一个指数项
Figure BDA0004096110850000152
表示方位调制，第二个指数项
Figure BDA0004096110850000153
表示距离位置和距离弯曲，以场景中心为参考构造距离弯曲补偿函数
S4.22、将高阶徙动补偿函数与展开后的信号相乘，得到高阶徙动校正后的信号。
以场景中心为参考构造高阶徙动补偿函数：
Figure BDA0004096110850000154
其中，ki′0表示场景参考点斜距历程的各阶泰勒展开系数，
Figure BDA0004096110850000155
将高阶徙动补偿函数与展开后的信号Ss5(fr,t′m)相乘，得到高阶徙动校正后的信号Ss6(fr,t′m)，高阶徙动校正后的信号表示为：
Figure BDA0004096110850000156
其中，Ss6(fr,t′m)表示高阶徙动校正后的信号。
步骤S4.23、对高阶徙动校正后的信号做距离向逆傅里叶变换，得到距离方位解耦的信号(即距离方位解耦后的二维时域内信号)，距离方位解耦的信号表示为：
Figure BDA0004096110850000161
其中，ss7(tr,t′m)表示距离方位解耦的信号，Rbi0＝k′0表示参考双基距离和，即方位零时刻收发平台到场景中任意一点的距离之和。
S4.3、对距离方位解耦的信号的方位非空变相位进行补偿得到相位补偿后的信号。
S4.31、将距离方位解耦的信号的方位相位关于方位位置yn＝0进行一阶泰勒级数展开，得到非空变分量与空变分量。
取出二维时域内信号ss7(tr,t′m)的方位相位，将其关于方位位置yn＝0进行一阶泰勒级数展开，得到非空变分量与空变分量，此时方位相位
Figure BDA0004096110850000162
可以表示为：
Figure BDA0004096110850000163
其中，第一指数项
Figure BDA0004096110850000164
表示与聚焦无关的常数项，可用常数A表示，第二个指数项/>
Figure BDA0004096110850000165
表示方位相位的非空变分量，第三个指数项/>
Figure BDA0004096110850000166
表示方位相位的空变分量；式中，k′i0表示斜距历程的各阶泰勒展开系数中关于方位位置的常数项系数，/>
Figure BDA0004096110850000167
k′i1表示斜距历程的各阶泰勒展开系数中关于方位位置的线性项系数，/>
Figure BDA0004096110850000168
S4.32、基于非空变分量与散射点的方位位置的关系，将非空变相位补偿函数与二维时域内信号相乘，得到相位补偿后的信号。
非空变分量与散射点的方位位置无关，可以通过相位相乘直接进行补偿，构造非空变相位补偿函数，非空变相位补偿函数表示为：
Figure BDA0004096110850000171
其中，HDeramp(t′m)表示非空变相位补偿函数。
将非空变相位补偿函数与二维时域内信号ss7(tr,t′m；yn)进行相乘，得到相位补偿后的信号，相位补偿后的信号表示为：
Figure BDA0004096110850000172
其中，ss8(tr,t′m；yn)表示相位补偿后的信号。
S4.4、在二维时域内引入第二级非线性尺度微调处理，以将相位补偿后的信号由非均匀采样修正为均匀采样，得到方位解调后的信号。
对于方位相位沿散射点方位位置空变的分量，引入第二级非线性尺度微调，将时域信号由非均匀采样修正为均匀采样，从而消除多普勒调频率和高阶多普勒参数的空变，该过程可以表示为：
Figure BDA0004096110850000173
将上式带入信号ss8(tr,t′m；yn)进行化简，得到方位解调后的信号，方位解调后的信号表示为：
Figure BDA0004096110850000174
其中，ss9(tr,t″m；yn)表示为方位解调后的信号，sinc表示辛格窗函数，Br表示发射信号带宽。
S5、对时域尺度微调后的信号进行方位傅里叶变换，得到聚焦在距离多普勒域内的双基前视SAR图像，双基前视SAR图像表示为：
Figure BDA0004096110850000181
其中，ss10(tr,fa；yn)表示双基前视SAR图像，Ta表示合成孔径时间，fa表示多普勒频率变量，如此便得到了聚焦在距离多普勒域内的图像。
接下来通过点目标仿真验证本发明的有效性。
仿真参数如表所示。
表1仿真参数
参数 雷达系统 参数 发射平台 接收平台
频段 X波段 平台速度 (171,-45,-31)m/s (196,113,-39)m/s
信号带宽 100MHz 平台加速度 (2,-1,1.5)m/s2 (1.8,1.2,-1)m/s2
采样率 125MHz 中心斜距 22km 24km
PRF 2kHz 平台方位角 20° -40°
录取时间 1.024s 擦地角 15° 18°
在地面场景中沿x方向与y方向设置一组3×3的方形点阵，幅宽为1.5km×1.5km，分别选取位于目标坐标系中心坐标(0,0)的散射点为参考点T1、位于目标坐标系x轴正方向坐标(750,0)的散射点为边缘点T2、位于目标坐标系第一象限内坐标(750,750)的散射点为边缘点T3考察成像结果。
如图4所示，给出了所选三个点的方位剖面图，可以看出边缘点与中心点具有相似的聚焦效果，第一零点较低，第一旁瓣接近理论值；如图5所示，给出了所选的三个点的等高线图，可以看出三个点的等高线图基本一致，主副瓣明显分开，说明了本发明所述方法的有效性。
进一步对指标进行定量评估，计算所选三个点的方位分辨率、峰值旁瓣比与积分旁瓣比如表2所示，可以看出算法的性能指标参数与理论值(方位分辨率1.13m，峰值旁瓣比-13.26dB，积分旁瓣比-9.80dB)基本吻合，进一步了本发明所述方法的有效性。
表2性能指标参数统计结果
散射点 方位分辨率 峰值旁瓣比 积分旁瓣比
T1 1.13m -13.24dB -9.76dB
T2 1.12m -13.23dB -9.78dB
T3 1.14m -13.12dB -9.74dB
本发明在系统建模时考虑到收发平台的机动特性，并在预处理中对加速度引起的非理想运动轨迹进行精确补偿。在线性徙动校正与方位谱中心补偿后，在距离频域引入第一级线性尺度微调处理，通过方位时域支撑区修正实现残余线性徙动校正，并对高阶徙动分量进行统一处理，进而实现全场景散射点的距离徙动精确校正。在方位向处理中，通过Deramp处理消除各阶多普勒参数的非空变分量，接着引入第二级非线性尺度微调处理，通过定义虚拟的慢时间，对信号进行拉伸、压缩处理，将信号由非均匀采样修正为均匀采样，从而消除多普勒调频率和高阶多普勒参数的空变特性，最后得到距离多普勒域的精聚焦图像。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于两级尺度微调的协同探测双基前视SAR成像处理方法，其特征在于，所述协同探测双基前视SAR成像处理方法包括：
S1、基于协同探测双基前视SAR成像几何模型，得到双基SAR斜距历程；
S2、基于所述双基SAR斜距历程得到基带回波信号，对所述基带回波信号进行距离向傅里叶变换并进行匹配滤波处理，得到匹配滤波后的信号；
S3、对所述匹配滤波后的信号依次进行加速度分量、线性徙动参考分量和多普勒中心补偿，得到预处理后的信号；
S4、对预处理后的信号依次进行频域尺度微调、高阶徙动分量校正和距离向逆傅里叶变换，得到距离方位解耦的信号，之后对所述距离方位解耦的信号进行方位非空变相位补偿和时域尺度微调处理，得到方位解调后的信号；
S5、对方位解调后的信号进行方位傅里叶变换，得到聚焦在距离多普勒域内的双基前视SAR图像。
2.根据权利要求1所述的协同探测双基前视SAR成像处理方法，其特征在于，步骤S1包括：
S1.1、基于所述面向机动平台的协同探测双基前视SAR成像几何模型得到协同双基SAR成像的斜距历程；
S1.2、将所述协同双基SAR成像的斜距历程在方位慢时间tm＝0处进行四阶泰勒级数展开，得到多项式形式的双基SAR斜距历程。
3.根据权利要求1所述的协同探测双基前视SAR成像处理方法，其特征在于，步骤S2包括：
S2.1、基于所述双基SAR斜距历程得到基带回波信号，所述基带回波信号表示为：
Figure FDA0004096110840000021
其中，ss0(tr,tm)表示基带回波信号，tr表示距离向快时间变量，wr(tr)表示距离向时域窗函数，tm表示方位向慢时间，wa(tm)表示方位向时域窗函数，exp{·}表示复指数函数，用以表征回波信号的相位信息，j表示虚数单位，Kr表示距离向调频率，fc表示发射信号中心频率，c表示光速，Rbi(tm)表示双基SAR斜距历程；
S2.2、对所述基带回波信号进行距离向匹配滤波处理，利用驻定相位原理对所述基带回波信号进行距离向傅里叶变换，得到距离频域的回波信号，所述距离频域的回波信号表示为：
Figure FDA0004096110840000022
其中，Ss1(fr,tm)表示为距离频域的回波信号，fr表示距离频率变量，Wr(fr)表示距离向频域窗函数，第一个指数项
Figure FDA0004096110840000023
表示距离向调制，第二个指数项/>
Figure FDA0004096110840000024
表示方位向调制和距离徙动；
S2.3、在距离频域方位时域内构造匹配滤波参考函数，并将所述匹配滤波参考函数与距离频域内的回波信号相乘，得到距离向匹配滤波后的信号，所述匹配滤波后的信号表示为：
Figure FDA0004096110840000025
其中，Ss2(fr,tm)表示匹配滤波后的信号，HPC(fr)表示匹配滤波参考函数。
4.根据权利要求1所述的协同探测双基前视SAR成像处理方法，其特征在于，步骤S3包括：
S3.1、在距离频域方位时域构造非理想运动轨迹补偿函数，所述非理想运动轨迹补偿函数表示为：
Figure FDA0004096110840000031
其中，Hacc(fr,tm)表示非理想运动轨迹补偿函数，fr表示距离频率变量，tm表示方位慢时间变量，fc表示发射信号中心频率，c表示光速，ki0_acc表示场景参考点双基斜距历程的第i阶泰勒展开系数中的非理想运动轨迹分量；
S3.2、将所述非理想运动轨迹补偿函数与所述匹配滤波后的信号相乘，得到加速度补偿处理后的信号；
S3.3、在距离频域方位时域构造线性徙动校正与方位谱中心补偿函数，所述线性徙动校正与方位谱中心补偿函数表示为：
Figure FDA0004096110840000032
其中，Hcom(fr,tm)表示线性徙动校正与方位谱中心补偿函数，k10表示场景参考点双基斜距历程的一阶泰勒展开系数；
S3.4、将所述线性徙动校正与方位谱中心补偿函数与所述加速度补偿处理后的信号相乘，得到预处理后的信号。
5.根据权利要求1所述的协同探测双基前视SAR成像处理方法，其特征在于，步骤S4包括：
S4.1、在距离频域内引入第一级线性尺度微调处理，以校正所述预处理后的信号的距离徙动线性残余空变分量，得到频域尺度微调后的信号；
S4.2、对所述频域尺度微调后的信号的高阶徙动分量进行校正、并进行距离向逆傅里叶变换，得到距离方位解耦的信号；
S4.3、对距离方位解耦的信号的方位非空变相位进行补偿得到相位补偿后的信号；
S4.4、在二维时域内引入第二级非线性尺度微调处理，以将所述相位补偿后的信号由非均匀采样修正为均匀采样，得到方位解调后的信号。
6.根据权利要求1所述的协同探测双基前视SAR成像处理方法，其特征在于，所述频域尺度微调后的信号表示为：
Figure FDA0004096110840000041
其中，Ss5(fr,t′m)表示频域尺度微调后的信号，fr表示距离频率变量，Wr(fr)表示距离向频域窗函数，tm表示慢时间，wa(tm)表示方位向时域窗函数，c表示光速，fc表示发射信号中心频率，t′mfc＝tmfc+tmfr，k′0表示预处理后的零阶泰勒展开系数，k′1表示预处理后的一阶泰勒展开系数，k′2表示预处理后的二阶泰勒展开系数，k′3表示预处理后的三阶泰勒展开系数，k′4表示预处理后的四阶泰勒展开系数。
7.根据权利要求5所述的协同探测双基前视SAR成像处理方法，其特征在于，步骤S4.2包括：
S4.21、将所述频域尺度微调后的信号的耦合相位关于方位频率fr＝0进行一阶泰勒级数展开，得到展开后的信号；
S4.22、将高阶徙动补偿函数与所述展开后的信号相乘，得到高阶徙动校正后的信号，所述高阶徙动补偿函数表示为：
Figure FDA0004096110840000042
其中，HRCC(fr，t′m)表示高阶徙动补偿函数，fr表示距离频率变量，t′mfc＝tmfc+tmfr，fc表示发射信号中心频率，c表示光速，k′i0表示场景参考点斜距历程的各阶泰勒展开系数；
S4.23、对所述高阶徙动校正后的信号做距离向逆傅里叶变换，得到距离方位解耦的信号。
8.根据权利要求5所述的协同探测双基前视SAR成像处理方法，其特征在于，步骤S4.3包括：
S4.31、将所述距离方位解耦的信号的方位相位关于方位位置yn＝0进行一阶泰勒级数展开，得到非空变分量与空变分量；
S4.32、基于所述非空变分量与散射点的方位位置的关系，将非空变相位补偿函数与所述二维时域内信号相乘，得到所述相位补偿后的信号，所述非空变相位补偿函数表示为：
Figure FDA0004096110840000051
其中，HDeramp(t′m)表示非空变相位补偿函数，t′mfc＝tmfc+tmfr，fc表示发射信号中心频率，λ表示波长，k′i0表示场景参考点斜距历程的各阶泰勒展开系数。
9.根据权利要求5所述的协同探测双基前视SAR成像处理方法，其特征在于，所述方位解调后的信号表示为：
Figure FDA0004096110840000052
其中，ss9(tr,t″m；yn)表示时域尺度微调后的信号，A表示常数项，sinc表示辛格窗函数，Br表示发射信号带宽，tr表示距离向快时间变量，Rbi0表示参考双基距离和，tm表示方位向慢时间，wa(tm)表示方位向时域窗函数，λ表示波长，yn表示方位位置，
Figure FDA0004096110840000053
k′i1表示斜距历程的各阶泰勒展开系数中关于方位位置的线性项系数，t′mfc＝tmfc+tmfr，fc表示发射信号中心频率。/>
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117665817A (zh) * 2024-02-01 2024-03-08 西安电子科技大学 一种完整可实时处理的双基前视sar高分辨成像方法
CN117665817B (zh) * 2024-02-01 2024-04-30 西安电子科技大学 一种完整可实时处理的双基前视sar高分辨成像方法

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