CN116299462A - 一种低轨卫星辐射源的被动双基前视sar聚束成像方法 - Google Patents

一种低轨卫星辐射源的被动双基前视sar聚束成像方法 Download PDF

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CN116299462A CN202310543501.3A CN202310543501A CN116299462A CN 116299462 A CN116299462 A CN 116299462A CN 202310543501 A CN202310543501 A CN 202310543501A CN 116299462 A CN116299462 A CN 116299462A
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Abstract

本发明公开了一种低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，包括：计算接收平台的接收波门的起始位置，并根据起始位置接收来自地面成像场景区域的雷达回波信号；确定距离向NCS滤波器，并采用距离向NCS滤波器对接收到的雷达回波信号滤波，得到第一滤波信号；根据第一滤波信号分别确定距离向距离徙动矫正滤波器、距离向脉压滤波器和距离向二次脉压滤波器，并采用确定的滤波器对第一滤波信号进行距离向脉压聚焦处理，得到第一聚焦信号；确定方位向NCS滤波器，并采用方位向NCS滤波器对第一聚焦信号滤波处理，得到第二滤波信号；确定匹配滤波器，并采用匹配滤波器对第二滤波信号在方位向聚焦，得到第二聚焦信号；对第二聚焦信号处理，得到SAR图像。

Description

一种低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法。
背景技术
低轨卫星辐射源的被动双基前视合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）构型能够在接收平台的正前方区域形成高分辨的SAR图像，有利于提取高精度定位制导信息。该构型利用星载平台作为照射源，具有波束覆盖范围广和同步信号质量好的优势。然而，由于双基前视SAR的回波信号缺乏精确的解析频谱以及回波信号特性存在二维空变性，导致其在大幅宽场景中远离场景中心区域的聚焦效果急剧恶化。针对上述问题，现有的双基非线性调频变标（Nonlinear Chirp Scaling，NCS）算法大都局限于单站固定构型和方位向NCS算法。
由于收发分置的运动平台在空间中的几何位置、速度矢量等运动参数的不同，导致双基前视SAR构型复杂多变。同时，由于双基前视SAR构型的接收平台还具有机动性强的特点，导致双基前视SAR的回波信号中具有复杂的二维空变性。构型多样性的特点和二维空变特性的存在导致回波信号缺乏足够精确的解析频谱。针对该问题，已有学者提出了Loffeld's bistatic formula（LBF）、级数反演法（Method of Series Reversion，MSR）、距离多普勒算法（Range-Doppler Algorithm，RDA）和调频变标算法（Chirp ScalingAlgorithm，CSA）。一些学者提出了双基NCS算法。目前这些算法大都基于单站固定构型或者属于方位NCS算法，对于低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR构型，上述成像算法在大幅宽场景中的边缘点聚焦成像效果差。
发明内容
为了解决相关技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供一种低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，包括：
S1、计算接收平台的接收波门的起始位置，并根据所述起始位置接收来自地面成像场景区域的雷达回波信号；所述雷达回波信号是所述地面成像场景区域对发射平台发射的雷达信号进行反射后的信号；
S2、确定距离向NCS滤波器，并采用所述距离向NCS滤波器对接收到的雷达回波信号进行滤波，得到第一滤波信号；
S3、根据所述第一滤波信号分别确定距离向距离徙动矫正滤波器、距离向脉压滤波器和距离向二次脉压滤波器；
S4、根据所述距离向距离徙动矫正滤波器、所述距离向脉压滤波器和所述距离向二次脉压滤波器，对所述第一滤波信号进行距离向脉压聚焦处理，得到第一聚焦信号；
S5、确定方位向NCS滤波器，并采用所述方位向NCS滤波器对所述第一聚焦信号进行滤波处理，得到第二滤波信号；
S6、确定匹配滤波器，并采用所述匹配滤波器对所述第二滤波信号在方位向进行聚焦，得到第二聚焦信号；
S7、对所述第二聚焦信号进行处理，得到SAR图像。
本发明具有如下有益技术效果：
通过在低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR构型下，提出距离向NCS操作对回波信号的距离向空变参数进行均衡，使得距离向空变参数在二维频域中能够进行一致消除；在方位向上，将收、发平台的多普勒贡献进行分解，利用方位向NCS消除方位向参数的高阶空变，通过构造滤波器对回波信号聚焦，能够在大幅宽场景中改善场景中边缘点的聚焦质量，提高距离向和方位向的分辨率，从而获得全局聚焦良好的SAR图像。同时，也为低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR构型提供了一种高效且实用的频域成像方法。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的示例性的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR构型的空间几何构型示意图；
图2为本发明实施例提供的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法的一个流程图；
图3为本发明实施例提供的示例性的NCS操作的原理示意图；
图4为本发明实施例提供的示例性的合成孔径中心时刻双基前视构型在
Figure SMS_1
平面的几何构型示意图；
图5为本发明实施例提供的示例性的发射平台和接收平台在合成孔径中心时刻的空间几何构型示意图。
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。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
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发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，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。
具体而言，目前，现有成像方法（传统成像方法）没有提出精确的距离多普勒域频谱，即现有双基SAR频域成像算法大多是基于回波信号的二维频谱进行匹配滤波，在距离向仅考虑线性的空变分量，因此成像幅宽受到了限制。现有方法大幅宽场景中的边缘聚焦成像效果差，即在大幅宽场景成像应用中，传统成像算法由于回波信号中复杂的二维耦合空变的存在，大幅宽场景中边缘点的成像聚焦效果变差。
针对上述问题，本发明提供一种低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，其中，在低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR构型下，对回波信号的距离多普勒域频谱解析表达式进行精确推导；基于该表达式，提出距离向NCS操作对回波信号的距离向空变参数进行均衡，使得距离向空变参数在二维频域中能够进行一致消除。在方位向上，将收发平台的多普勒贡献进行分解，利用方位向NCS消除方位向参数的高阶空变。最后，通过构造方位向滤波器对回波信号进行聚焦。能够显著改善大幅宽场景成像中边缘点的聚焦质量，从而获得全局聚焦良好的SAR图像。
图1为本发明所应用的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR构型（系统）的空间几何示意图。如图1所示，在该系统中，发射平台T（例如，卫星）对目标区域进行大范围照射，接收平台R（例如，飞机）的雷达接收机对前视的地面成像场景区域中散射的雷达回波信号进行接收。图1中从R到
Figure SMS_11
的不带点的虚线条为发射平台T发射的雷达信号经过的历程，从T到
Figure SMS_14
的带点的虚线条为雷达反射信号经过的历程。如图1所示，在该系统中，以接收平台R的机下点
Figure SMS_15
为原点建立笛卡尔坐标系，地面为
Figure SMS_2
平面。发射平台T速度定义为
Figure SMS_6
，其速度矢量在地面
Figure SMS_7
的投影与
Figure SMS_8
轴方向一致。接收平台R具有速度
Figure SMS_4
，其速度矢量在地面
Figure SMS_10
的投影与
Figure SMS_12
轴方向一致，因此，接收平台R的速度可分解为Y方向的正向速度
Figure SMS_13
（图1中未示出）和沿Z方向下降的速度
Figure SMS_20
（图1中未示出），合速度矢量指向地面成像场景区域（图1中椭圆虚线代表的区域）的中心点
Figure SMS_21
点，
Figure SMS_22
点的坐标表示为
Figure SMS_23
。
Figure SMS_16
点为地面成像场景区域中的任意一点，
Figure SMS_17
点的坐标表示为
Figure SMS_18
。并且，如图1所示，在方位向慢时间
Figure SMS_19
时刻，发射平台T的坐标为
Figure SMS_5
，接收平台R的坐标为
Figure SMS_26
，
Figure SMS_27
和
Figure SMS_28
分别为发射平台T和接收平台R的高度，
Figure SMS_3
和
Figure SMS_9
分别为合成孔径中心时刻接收平台R和发射平台T与中心点
Figure SMS_29
的连线与
Figure SMS_30
轴方向的夹角（以下称
Figure SMS_24
为第一夹角，
Figure SMS_25
为第二夹角）。
图2是本发明实施例提供的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法的一个流程图，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
S1、计算接收平台的接收波门的起始位置，并根据起始位置接收来自地面成像场景区域的雷达回波信号；雷达回波信号是地面成像场景区域对发射平台发射的雷达信号进行反射后的信号。
具体的，S1包括：
S11、获取接收平台的速度
Figure SMS_31
、方位向慢时间
Figure SMS_32
时刻接收平台至地面成像场景区域的中心点的第一斜距历程
Figure SMS_33
，以及方位向慢时间
Figure SMS_34
时刻发射平台至中心点的第二斜距历程
Figure SMS_35
。
S12、基于接收平台的速度
Figure SMS_36
、第一斜距历程
Figure SMS_40
和第二斜距历程
Figure SMS_44
，计算起始位置
Figure SMS_38
，根据起始位置接收来自地面成像场景区域的雷达回波信号。
Figure SMS_42
的公式为公式（1）：
Figure SMS_43
（1），
Figure SMS_45
为方位向慢时间，
Figure SMS_37
为第一斜距历程与第二斜距历程之和，
Figure SMS_39
为预设斜距幅宽，该斜距幅宽取决于成像场景幅宽，
Figure SMS_41
为光速。
这里，接收平台的大前向速度会导致较大的距离走动，经过波门调整之后，可以实现将雷达回波信号中主要的距离走动去除，同时可将大幅宽场景中边缘点的回波完整接收。在距离向点数一定时，接收到的回波信号的幅宽得到了增大。
S2、确定距离向NCS滤波器，并采用距离向NCS滤波器对接收到的雷达回波信号进行滤波，得到第一滤波信号。
具体的，S2包括：
S21、获取接收平台的速度
Figure SMS_48
、发射平台的速度
Figure SMS_50
、雷达回波信号的载波频率
Figure SMS_52
、雷达信号的线性调频率
Figure SMS_47
、第一斜距历程
Figure SMS_49
、第二斜距历程
Figure SMS_53
、方位向频率
Figure SMS_54
、第一夹角
Figure SMS_46
和第二夹角
Figure SMS_51
。
S22、基于
Figure SMS_56
、
Figure SMS_59
、
Figure SMS_62
、
Figure SMS_57
、
Figure SMS_61
、
Figure SMS_65
、
Figure SMS_66
、
Figure SMS_55
和
Figure SMS_60
，计算非线性调频相位的系数
Figure SMS_67
和
Figure SMS_68
，并根据
Figure SMS_58
和
Figure SMS_63
得到距离向NCS滤波器
Figure SMS_64
。
具体的，
Figure SMS_69
的表达式为：
Figure SMS_70
（2）；
Figure SMS_71
的表达式为：
Figure SMS_72
（3）；
距离向NCS滤波器
Figure SMS_73
的表达式为：
Figure SMS_74
（4）；
其中，
Figure SMS_75
，
Figure SMS_76
为距离向快时间，
Figure SMS_77
为虚数单位，
Figure SMS_78
为圆周率，
Figure SMS_79
，
Figure SMS_80
，
Figure SMS_81
为以自然常数e为底的指数函数。
S23、采用距离向NCS滤波器对接收到的雷达回波信号进行滤波，得到第一滤波信号。
具体的，步骤S23包括：
S231、对接收到的雷达回波信号进行距离向傅里叶变换，得到雷达回波信号的距离频谱。
这里，接收到的雷达回波信号
Figure SMS_82
的表达式为公式（5）：
Figure SMS_84
（5）；其中，
Figure SMS_91
、
Figure SMS_93
分别为雷达回波信号的距离向和方位向窗函数，
Figure SMS_85
为距离向快时间，
Figure SMS_88
为方位向慢时间，
Figure SMS_89
为光速，
Figure SMS_90
为雷达信号的线性调频率，
Figure SMS_83
为雷达信号的载波波长，雷达信号的载波频率为
Figure SMS_86
；
Figure SMS_87
为雷达回波信号的斜距历程，在接收平台经过波门调整之后，
Figure SMS_92
的精确的表达式为公式（6）：
Figure SMS_94
（6）。
图1所示的系统中的发射平台T和接收平台R对地面成像场景区域分别正侧视和前视，距离走动和距离徙动分别由接收平台R和发射平台T贡献。在接收波门调整后，
Figure SMS_97
在该系统下分解为公式（7）：
Figure SMS_100
（7），其中，
Figure SMS_107
为方位向慢时间
Figure SMS_98
时刻的发射平台T和接收平台R到点
Figure SMS_102
的斜距历程之和，
Figure SMS_104
表示为公式（8）：
Figure SMS_106
（8），其中，
Figure SMS_95
是方位向慢时间
Figure SMS_99
时刻的发射平台T到点
Figure SMS_103
的斜距历程，
Figure SMS_105
是方位向慢时间
Figure SMS_96
时刻的接收平台R到点
Figure SMS_101
的斜距历程。
通过对接收到的雷达回波信号
Figure SMS_108
进行距离向傅里叶变换，得到雷达回波信号的距离频谱，该雷达回波信号的距离频谱
Figure SMS_109
的表达式为公式（9）：
Figure SMS_110
（9），
Figure SMS_111
为距离向频率，
Figure SMS_112
为回波信号在距离频域的包络函数，
Figure SMS_113
如公式（7）所示。
S232、对回波信号的距离频谱进行方位向傅里叶变换，得到雷达回波信号的二维频谱。
对公式（9）所示的雷达回波信号的距离频谱进行方位向傅里叶变换，得到雷达回波信号的二维频谱，该雷达回波信号的二维频谱
Figure SMS_114
的表达式为公式（10）：
Figure SMS_115
（10）。
S233、对雷达回波信号的二维频谱进行形式变换，得到形式变换后的二维频谱。
对公式（10）所示的雷达回波信号的二维频谱的相位在
Figure SMS_116
处进行三阶泰勒级数展开，得到相位
Figure SMS_117
的表达式为公式（11）：
Figure SMS_118
（11）；
此时，公式（10）所示的雷达回波信号的二维频谱可表示为公式（12）：
Figure SMS_119
（12）；
并且，在该雷达回波信号的二维频谱的相位中，距离徙动
Figure SMS_120
和等效距离调频率的表达式分别为公式（13）和（14）：
Figure SMS_121
（13），
Figure SMS_122
（14）。
这里，公式（12）所示的雷达回波信号的二维频谱即为上述的形式变换后的二维频谱。
S234、对形式变换后的二维频谱进行距离向傅里叶逆变换，得到雷达回波信号的距离多普勒谱。
将公式（12）所示的雷达回波信号的二维频谱进行距离向傅里叶逆变换，得到雷达回波信号的距离多普勒谱
Figure SMS_123
（即回波信号在距离多普勒域中的表示），其表达式为公式（15）：
Figure SMS_124
（15）；该雷达回波信号的距离多普勒谱中的相位
Figure SMS_125
的表达式为公式（16）：
Figure SMS_126
（16）。
S235、采用距离向NCS滤波器对雷达回波信号的距离多普勒谱进行距离向NCS操作，得到第一滤波信号。
这里，NCS操作原理如图3所示，该原理为通过在原具有空变的调频相位上加一个高次的调频相位，以改变原具有空变的调频相位，消除空变特性。图3中的左上图为信号的具有空变的调频相位
Figure SMS_144
随时间
Figure SMS_149
的导数
Figure SMS_150
关于时间
Figure SMS_130
的变化，由于空变特性的存在，在时间
Figure SMS_141
，
Figure SMS_142
，
Figure SMS_143
时刻的导数
Figure SMS_138
的斜率
Figure SMS_140
，
Figure SMS_145
，
Figure SMS_147
不同。图3中的左下图为引入的高阶NCS相位随时间
Figure SMS_146
的导数
Figure SMS_148
关于时间
Figure SMS_151
的变化，高阶NCS相位旨在均衡空变，使得在时间
Figure SMS_152
，
Figure SMS_129
，
Figure SMS_136
时刻的导数
Figure SMS_137
的斜率
Figure SMS_139
，
Figure SMS_127
，
Figure SMS_131
均与
Figure SMS_133
相同。图3中的右图为对信号和高阶NCS进行傅里叶变换，得到信号相位的频域特性
Figure SMS_135
、
Figure SMS_128
、
Figure SMS_132
和高阶NCS相位的频域特性
Figure SMS_134
，两者呈现相反的形式。因此，通过设计的高阶NCS滤波器可以将信号的原具有空变的调频相位进行一致补偿，消除空变特性。
具体的，第一滤波信号
Figure SMS_153
的表达式为公式（17）：
Figure SMS_154
（17）；
其中，
Figure SMS_156
是将
Figure SMS_160
的相位在距离聚焦位置
Figure SMS_164
处进行泰勒级数展开得到的，
Figure SMS_155
的表达式为公式（18）：
Figure SMS_161
（18），其中，
Figure SMS_167
，
Figure SMS_168
，
Figure SMS_158
，
Figure SMS_162
，
Figure SMS_165
为地面成像场景区域的任一目标点
Figure SMS_166
相对于地面成像场景区域的中心点
Figure SMS_157
处的距离时延差，
Figure SMS_159
为地面成像场景区域的任一目标点
Figure SMS_163
在距离向时间的聚焦位置。
这里，
Figure SMS_186
的计算公式
Figure SMS_171
可以根据图4所示的接收平台R和发射平台T所在的系统在合成孔径中心时刻在
Figure SMS_187
平面中的空间几何构型得到。如图4所示，
Figure SMS_182
和
Figure SMS_184
为几何关系求解过程中的辅助点，
Figure SMS_183
点是地面成像场景区域的任一目标点
Figure SMS_185
向
Figure SMS_180
轴的投影，
Figure SMS_181
为地面成像场景区域的中心点；在关系式
Figure SMS_169
中，
Figure SMS_177
所代表的斜距长度为合成孔径中心时刻发射平台T到
Figure SMS_172
点的斜距历程，表示为
Figure SMS_173
，
Figure SMS_176
同理；
Figure SMS_179
所代表的斜距长度为合成孔径中心时刻发射平台T到
Figure SMS_170
点的斜距历程，表示为
Figure SMS_174
，
Figure SMS_175
同理。
Figure SMS_178
表示为：
Figure SMS_188
，
即：
Figure SMS_189
，
Figure SMS_190
表示为：
Figure SMS_191
。由几何关系推导可知，关系式
Figure SMS_192
成立。
这里，上述的
Figure SMS_193
和
Figure SMS_194
的表达式（即公式（2）和（3））是将
Figure SMS_195
代入
Figure SMS_196
中，同时令其中与
Figure SMS_197
相关的空变相位的系数为零所得到的。
本发明在对距离向NCS操作的推导过程中，利用空间几何构型对
Figure SMS_198
与距离时延差
Figure SMS_199
的关系式进行求解，利用该关系式替代传统的求导方法，对距离向NCS操作滤波器进行推导，具有更高的精度。
这里，通过距离向NCS滤波器对雷达回波信号的距离多普勒域的距离向NCS操作，使得距离徙动和等效距离调频率的空变性得到了有效均衡，在回波信号的二维频域中可实现一致性距离向相位滤波。
S3、根据第一滤波信号分别确定距离向距离徙动矫正滤波器、距离向脉压滤波器和距离向二次脉压滤波器。
具体的，步骤S3包括：
S31、对第一滤波信号进行距离向傅里叶变换，得到变换后的雷达回波信号。
通过对公式（17）所表示的第一滤波信号进行行距离向傅里叶变换，可以得到信号的二维频谱，得到的信号的二维频谱
Figure SMS_200
的表达式为：
Figure SMS_201
（19），二维频谱的相位
Figure SMS_202
的表达式为公式（20）：
Figure SMS_203
（20），其中，
Figure SMS_204
，
Figure SMS_205
，
Figure SMS_206
。
这里，
Figure SMS_207
即是得到的变换后的雷达回波信号。
S32、根据变换后的雷达回波信号的相位，在二维频域分别构建距离向距离徙动矫正滤波器、距离向脉压滤波器和距离向二次脉压滤波器。
这里，根据
Figure SMS_208
构建的距离向距离徙动矫正滤波器
Figure SMS_209
的表达式为：
Figure SMS_210
（21），根据
Figure SMS_211
构建的距离向脉压滤波器
Figure SMS_212
的表达式为：
Figure SMS_213
（22），根据
Figure SMS_214
构建的距离向二次脉压滤波器
Figure SMS_215
的表达式为：
Figure SMS_216
（23）。
S4、根据距离向距离徙动矫正滤波器、距离向脉压滤波器和距离向二次脉压滤波器，对第一滤波信号进行距离向脉压聚焦处理，得到第一聚焦信号。
第一聚焦信号
Figure SMS_217
的表达式为：
Figure SMS_218
（24），其中，
Figure SMS_219
、
Figure SMS_220
、
Figure SMS_221
分别为距离向距离徙动矫正滤波器、距离向二次脉压滤波器和距离向脉压滤波器。
S5、确定方位向NCS滤波器，并采用方位向NCS滤波器对第一聚焦信号进行滤波处理，得到第二滤波信号。
具体的，步骤S5包括：
S51、获取地面成像场景区域的中心点的x坐标
Figure SMS_222
和雷达信号的载波波长
Figure SMS_223
。
S52、根据
Figure SMS_225
、
Figure SMS_227
、
Figure SMS_233
、
Figure SMS_226
和
Figure SMS_228
，计算调频因子
Figure SMS_230
和
Figure SMS_232
，基于调频因子
Figure SMS_224
和
Figure SMS_229
得到方位向NCS滤波器
Figure SMS_231
。
具体的，
Figure SMS_234
的表达式为：
Figure SMS_235
（25）；
Figure SMS_236
的表达式为：
Figure SMS_237
（26）；方位向NCS滤波器
Figure SMS_238
的表达式为：
Figure SMS_239
（27）。
这里，公式（25）和（26）通过以下推导过程得到：
SAR回波信号的方位向相位为调频相位，其多普勒调频率
Figure SMS_253
定义为：
Figure SMS_257
（28）。单基平台的多普勒调频率可表示为：
Figure SMS_262
（29），其中，
Figure SMS_242
为单站平台的运动速度，
Figure SMS_245
为单站平台斜距方向和速度方向的夹角，
Figure SMS_250
为单站平台到地面成像场景区域中的任意一个目标点的斜距历程。在双基前视SAR构型中，本发明所提方法借鉴单基平台下的多普勒调频率
Figure SMS_251
，将接收平台R和发射平台T的多普勒调频率进行分解，单独考虑发射平台T和接收平台R的空间几何示意，例如图5所示。图5中，
Figure SMS_267
为地面成像场景区域的中心点，
Figure SMS_270
为地面成像场景区域中的任意一个目标点，
Figure SMS_272
为
Figure SMS_276
点的
Figure SMS_269
轴坐标，
Figure SMS_271
为
Figure SMS_274
点的
Figure SMS_275
轴坐标，
Figure SMS_261
和
Figure SMS_263
分别为发射平台T和接收平台R的速度矢量，满足条件和图1中一致。
Figure SMS_264
和
Figure SMS_265
分别为发射平台T和接收平台R的高度，
Figure SMS_240
点在
Figure SMS_246
轴上的投影点为
Figure SMS_249
，
Figure SMS_260
连线与
Figure SMS_243
轴平行且
Figure SMS_244
的
Figure SMS_248
轴坐标为
Figure SMS_252
。单独考虑发射平台T，其速度矢量和发射平台T向地面成像场景区域中
Figure SMS_256
的雷达视线方向的夹角为
Figure SMS_258
，
Figure SMS_266
为发射平台T向
Figure SMS_273
点的雷达视线方向与
Figure SMS_241
轴的夹角，
Figure SMS_247
为发射平台T向
Figure SMS_254
点的雷达视线方向与
Figure SMS_255
轴的夹角。单独考虑接收平台R，
Figure SMS_259
为接收平台R的速度矢量和接收平台R向
Figure SMS_268
点的雷达视线方向的夹角。
由于发射平台T视角近似为正侧视，即
Figure SMS_277
，所以由发射平台T引起的多普勒调频率可近似表示为：
Figure SMS_281
（30），其中，
Figure SMS_283
。对于接收平台R，令
Figure SMS_279
，其中，
Figure SMS_280
，
Figure SMS_282
。因此，接收平台R的多普勒调频率可表示为：
Figure SMS_284
（31）。因此，可得在图1的构型中的多普勒调频率
Figure SMS_278
可表示为：
Figure SMS_297
（32）。此时，雷达回波信号的方位二次调频相位
Figure SMS_288
可表示为：
Figure SMS_294
（33）。其中，发射平台T对多普勒调频率的贡献
Figure SMS_290
与距离时延差
Figure SMS_291
有关，又因为经过距离向处理之后，雷达回波信号中距离向和方位向的二维耦合空变得到了解耦，因此本发明所提方法使用与距离时延差
Figure SMS_295
有关的
Figure SMS_299
构造二维滤波器实现方位向统一聚焦处理。将具有沿方位向空变的
Figure SMS_296
在
Figure SMS_301
处进行泰勒级数展开，得到：
Figure SMS_286
（34）。将公式（34）代入公式（32）中，多普勒调频率
Figure SMS_292
可表示为：
Figure SMS_303
（35）。将
Figure SMS_305
和
Figure SMS_302
未知的
Figure SMS_304
与回波信号的方位二次调频相位
Figure SMS_287
相乘，得到：
Figure SMS_293
（36）。在
Figure SMS_298
处将
Figure SMS_300
进行泰勒级数展开，得到相位
Figure SMS_285
，
Figure SMS_289
可表示为：
Figure SMS_306
（37），为去除相位
Figure SMS_307
的
Figure SMS_308
项相位中的由于
Figure SMS_309
项导致的空变，令
Figure SMS_310
，且
Figure SMS_311
，由此，得到上述公式（25）和（26）。
S53、对第一聚焦信号进行方位向傅里叶逆变换，得到逆变换后的回波信号。
将公式（24）所示的第一聚焦信号进行方位向傅里叶逆变换，得到此时信号在距离频域方位时域的表示：
Figure SMS_312
（38），其中，
Figure SMS_313
为信号
Figure SMS_314
的相位表示。
这里，公式（38）所示的信号为上述的逆变换后的回波信号。
S54、采用方位向NCS滤波器对逆变换后的回波信号进行方位向NCS操作，得到第二滤波信号。
第二滤波信号
Figure SMS_315
的表达式为：
Figure SMS_316
（39）。
S6、确定匹配滤波器，并采用匹配滤波器对第二滤波信号在方位向进行聚焦，得到第二聚焦信号。
步骤S6包括：
S61、基于
Figure SMS_317
、
Figure SMS_318
、
Figure SMS_319
、
Figure SMS_320
和
Figure SMS_321
，确定发射平台的多普勒调频率
Figure SMS_322
。
这里，
Figure SMS_323
。
S62、基于发射平台的多普勒调频率
Figure SMS_324
和方位向频率
Figure SMS_325
，得到匹配滤波器
Figure SMS_326
。
这里，匹配滤波器
Figure SMS_327
的表达式为：
Figure SMS_328
（40）。
S63、对第二滤波信号进行方位向傅里叶变换，得到变换后的回波信号的二维频域。
对公式（39）表示的第二滤波信号进行方位向傅里叶变换，得到此时信号的二维频域
Figure SMS_329
，
Figure SMS_330
可表示为：
Figure SMS_331
（41）。
这里，公式（41）表示的
Figure SMS_332
为上述的变换后的回波信号的二维频域，其中，
Figure SMS_333
为
Figure SMS_334
的相位表示。
S64、采用匹配滤波器对变换后的回波信号的二维频域在方位向进行统一聚焦，得到第二聚焦信号。
这里，第二聚焦信号
Figure SMS_335
的表达式为：
Figure SMS_336
（42）。
S7、对第二聚焦信号进行处理，得到SAR图像。
这里，可以对第二聚焦信号进行方位向和距离向的傅里叶逆变换，得到SAR图像。
本发明具有以下有益技术效果：
1、在低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR构型下，针对回波信号的距离多普勒域频谱表达式进行精确推导。基于该表达式，提出距离向NCS操作对回波信号的距离向空变参数进行均衡，使得距离向空变参数在二维频域中能够进行一致消除；对比现有方法，本发明可以更好的完成回波信号的距离向聚焦。
2、在方位向上，本发明将收、发平台的多普勒贡献进行分解，利用方位向NCS消除方位向参数的高阶空变。最后，通过构造滤波器对回波信号聚焦。本发明能够在大幅宽场景中改善场景中边缘点的聚焦质量，提高距离向和方位向的分辨率，从而获得全局聚焦良好的SAR图像。同时，为低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR构型提供了一种高效且实用的频域成像方法。
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 (10)

1.一种低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，其特征在于，包括：
S1、计算接收平台的接收波门的起始位置，并根据所述起始位置接收来自地面成像场景区域的雷达回波信号；所述雷达回波信号是所述地面成像场景区域对发射平台发射的雷达信号进行反射后的信号；
S2、确定距离向NCS滤波器，并采用所述距离向NCS滤波器对接收到的雷达回波信号进行滤波，得到第一滤波信号；
S3、根据所述第一滤波信号分别确定距离向距离徙动矫正滤波器、距离向脉压滤波器和距离向二次脉压滤波器；
S4、根据所述距离向距离徙动矫正滤波器、所述距离向脉压滤波器和所述距离向二次脉压滤波器，对所述第一滤波信号进行距离向脉压聚焦处理，得到第一聚焦信号；
S5、确定方位向NCS滤波器，并采用所述方位向NCS滤波器对所述第一聚焦信号进行滤波处理，得到第二滤波信号；
S6、确定匹配滤波器，并采用所述匹配滤波器对所述第二滤波信号在方位向进行聚焦，得到第二聚焦信号；
S7、对所述第二聚焦信号进行处理，得到SAR图像。
2.根据权利要求1所述的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11、获取所述接收平台的速度、方位向慢时间
Figure QLYQS_1
时刻所述接收平台至所述地面成像场景区域的中心点的第一斜距历程，以及方位向慢时间
Figure QLYQS_2
时刻所述发射平台至所述中心点的第二斜距历程；
S12、基于所述接收平台的速度、所述第一斜距历程和所述第二斜距历程，计算所述起始位置
Figure QLYQS_3
，根据所述起始位置接收来自地面成像场景区域的所述雷达回波信号；
其中，
Figure QLYQS_4
的公式为：
Figure QLYQS_5
，
Figure QLYQS_6
为方位向慢时间，
Figure QLYQS_7
为所述第一斜距历程与所述第二斜距历程之和，
Figure QLYQS_8
为预设斜距幅宽，
Figure QLYQS_9
为光速，
Figure QLYQS_10
为所述接收平台的速度。
3.根据权利要求1所述的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21、获取所述接收平台的速度、所述发射平台的速度、所述雷达回波信号的载波频率、所述雷达信号的线性调频率、方位向慢时间
Figure QLYQS_11
时刻所述接收平台至所述地面成像场景区域的中心点的第一斜距历程、方位向慢时间
Figure QLYQS_12
时刻所述发射平台至所述中心点的第二斜距历程、方位向频率、合成孔径中心时刻所述接收平台与所述中心点的连线与坐标系y轴之间的第一夹角，以及所述合成孔径中心时刻所述发射平台与所述中心点的连线与坐标系y轴之间的第二夹角；所述坐标系是以所述接收平台为原点
Figure QLYQS_13
，以地面为
Figure QLYQS_14
平面建立的笛卡尔坐标系；
S22、基于所述速度、所述雷达回波信号的载波频率、所述雷达信号的线性调频率、所述第二斜距历程、所述方位向频率、所述第一夹角和所述第二夹角，计算非线性调频相位的系数，并根据所述非线性调频相位的系数得到所述距离向NCS滤波器；
S23、采用所述距离向NCS滤波器对接收到的雷达回波信号进行滤波，得到所述第一滤波信号。
4.根据权利要求3所述的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，其特征在于，所述S23包括：
S231、对接收到的雷达回波信号进行距离向傅里叶变换，得到雷达回波信号的距离频谱；
S232、对所述回波信号的距离频谱进行方位向傅里叶变换，得到所述雷达回波信号的二维频谱；
S233、对所述雷达回波信号的二维频谱进行形式变换，得到形式变换后的二维频谱；
S234、对所述形式变换后的二维频谱进行距离向傅里叶逆变换，得到所述雷达回波信号的距离多普勒谱；
S235、采用所述距离向NCS滤波器对所述雷达回波信号的距离多普勒谱进行距离向NCS操作，得到所述第一滤波信号。
5.根据权利要求3所述的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，其特征在于，所述非线性调频相位的系数包括：
Figure QLYQS_15
和
Figure QLYQS_16
；
Figure QLYQS_17
的表达式为：
Figure QLYQS_18
；
Figure QLYQS_19
的表达式为：
Figure QLYQS_20
；
所述距离向NCS滤波器的表达式为：
Figure QLYQS_21
；
其中，
Figure QLYQS_36
为所述距离向NCS滤波器，
Figure QLYQS_22
为光速，
Figure QLYQS_32
为所述雷达信号的线性调频率，
Figure QLYQS_25
为所述接收平台的速度，
Figure QLYQS_27
为所述发射平台的速度，
Figure QLYQS_31
为所述雷达回波信号的载波频率，
Figure QLYQS_35
为所述方位向频率，
Figure QLYQS_30
为所述第一斜距历程，
Figure QLYQS_33
为所述第二斜距历程，
Figure QLYQS_23
，
Figure QLYQS_28
为所述第一夹角，
Figure QLYQS_37
为所述第二夹角，
Figure QLYQS_39
，
Figure QLYQS_38
为所述第一斜距历程与所述第二斜距历程之和，
Figure QLYQS_40
为距离向快时间，
Figure QLYQS_24
为虚数单位，
Figure QLYQS_26
为圆周率，
Figure QLYQS_29
，
Figure QLYQS_34
为以自然常数e为底的指数函数。
6.根据权利要求1所述的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31、对所述第一滤波信号进行距离向傅里叶变换，得到变换后的雷达回波信号；
S32、根据所述变换后的雷达回波信号的相位，在二维频域分别构建所述距离向距离徙动矫正滤波器、所述距离向脉压滤波器和所述距离向二次脉压滤波器。
7.根据权利要求3所述的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，其特征在于，步骤S5包括：
S51、获取所述地面成像场景区域的中心点的x坐标和所述雷达信号的载波波长；
S52、根据所述中心点的x坐标、所述发射平台的速度、所述接收平台的速度、所述载波波长和所述第一斜距历程，计算调频因子，基于所述调频因子得到所述方位向NCS滤波器；
S53、对所述第一聚焦信号进行方位向傅里叶逆变换，得到逆变换后的回波信号；
S54、采用所述方位向NCS滤波器对所述逆变换后的回波信号进行方位向NCS操作，得到所述第二滤波信号。
8.根据权利要求7所述的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，其特征在于，所述调频因子包括
Figure QLYQS_41
和
Figure QLYQS_42
；
Figure QLYQS_43
的表达式为：
Figure QLYQS_44
；
Figure QLYQS_45
的表达式为：
Figure QLYQS_46
；
所述方位向NCS滤波器的表达式为：
Figure QLYQS_47
；
其中，
Figure QLYQS_48
为所述方位向NCS滤波器，
Figure QLYQS_51
为所述接收平台的速度，
Figure QLYQS_54
为所述发射平台的速度，
Figure QLYQS_49
为所述第一斜距历程，
Figure QLYQS_53
为所述载波波长，
Figure QLYQS_55
为方位向慢时间，
Figure QLYQS_56
为虚数单位，
Figure QLYQS_50
为圆周率，
Figure QLYQS_52
为以自然常数e为底的指数函数。
9.根据权利要求3所述的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，其特征在于，步骤S6包括：
S61、基于所述第一斜距历程、所述第二斜距历程、所述发射平台的速度、所述第一夹角和所述第二夹角，确定所述发射平台的多普勒调频率；
S62、基于所述发射平台的多普勒调频率和所述方位向频率，得到所述匹配滤波器；
S63、对所述第二滤波信号进行方位向傅里叶变换，得到变换后的回波信号的二维频域；
S64、采用所述匹配滤波器对所述变换后的回波信号的二维频域在方位向进行统一聚焦，得到第二聚焦信号。
10.根据权利要求1所述的低轨卫星辐射源的被动双基前视SAR聚束成像方法，步骤S7具体包括：对所述第二聚焦信号进行方位向和距离向的傅里叶逆变换，得到所述SAR图像。
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