一种适用于弹载大前斜视时变参数SAR的重叠子孔径算法制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于弹载大前斜视时变参数合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)的重叠子孔径算法，该算法主要包括七个步骤：步骤一、二维解线调频处理，步骤二、残余视频相位校正处理，步骤三、波数域数据格式校正处理，步骤四、方位向子孔径数据分割，步骤五、方位向数据粗聚焦处理，步骤六、方位向数据精聚焦处理，步骤七、子孔径数据拼接。本发明专利技术提出的重叠子孔径算法利用子孔径数据分割限制子孔径内数据波前平面假设误差相位，利用子孔径数据粗聚焦结果补偿空变的二次误差相位，是一种高效、准确的成像处理方法。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于弹载大前斜视时变参数SAR的重叠子孔径算法
本专利技术涉及合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，简称SAR)
，具体是说，是指一种适用于弹载大前斜视时变参数SAR的重叠子孔径成像处理方法。
技术介绍
弹载SAR是一种全天候、全天时的微波成像工具，适用于复杂气象条件下的对地观测。极坐标格式算法是一种适用于聚束模式的成像处理算法，其利用解线调频后信号的时频等效性在频域用二维插值的方法校正距离徙动。虽然传统的极坐标格式算法理论上具备对前斜视构型弹载SAR回波信号的聚焦能力，但由于信号在波数域具有较强的空变特性，可用于进行距离向插值校正的距离波数的公共区域被极大压缩，导致距离向分辨率剧烈恶化，极限情况下若该距离波数的公共区域不存在，从而不能进行成像处理。为了适应弹载大前斜视时变参数SAR回波信号的强空变特性，可采用沿方位向实时调整雷达参数的方法来抵消由下视角、斜距地面偏角的变化引入的距离波数的变化。该成像处理方案依赖于电磁波传播的远场假设，其近似认为电磁波传播具有球面波前，这样会导致目标位置相关的二次误差相位，当目标与场景中心的距离大于一定的临界值时，目标散焦。为有效增加有效成像场景半径，本研究提出了一种适用于弹载大前斜视时变参数SAR的重叠子孔径成像处理方法。该方法首先将数据沿方位向进行子孔径分割，将每个子孔径数据的波前平面假设相位误差限制在可忽略的范围内，进而利用子孔径数据的粗成像结果，校正不同子孔径数据间的波前平面假设相位误差，误差校正完毕后，进行子孔径数据拼接。最后，分析并校正由波前平面假设引入的几何畸变，得到良好聚焦的微波图像产品，该算法的具有较高的处理效率。
技术实现思路
本专利技术针对弹载大前斜视时变参数SAR回波信号耦合严重、空变性强的特点，提出了一种适用于宽测绘带、高分辨率成像处理的重叠子孔径算法。该方法主要由七个步骤构成：步骤一、二维解线调频处理。步骤二、残余视频相位校正处理。步骤三、波数域数据格式校正处理。步骤四、方位向子孔径数据分割。步骤五、方位向数据粗聚焦处理。步骤六、方位向数据精聚焦处理。步骤七、子孔径数据拼接。本专利技术的优点在于：利用子孔径处理的思想，校正了波前平面假设引入的二次误差相位，相对于极坐标格式算法，扩大了有效成像范围。附图说明图1是本专利技术中重叠自孔子孔径算法成像处理步骤图示。图2是本专利技术中弹载大前斜视时变参数SAR数据获取图示。图3是本专利技术中重叠自孔子孔径算法采用的平面波前假设图示。图4是本专利技术中弹载大前斜视时变参数SAR采用恒定参数时的距离插值图示。图5是本专利技术中重叠自孔子孔径算法方位插值效果图示。图6是本专利技术中重叠自孔子孔径算法子孔径数据拼接方法图示。图7是本专利技术实施例仿真实验中场景目标分布图示。图8是本专利技术实施例仿真实验中多点目标成像结果图示。图9是本专利技术实施例仿真实验中场景边缘目标聚焦质量评估结果图示。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种适用于宽场景高精度对地观测的波数域成像处理方法。该方法由七个处理步骤组成，如图1所示。步骤一、二维解线调频处理。具体为：设弹载大前斜视时变参数SAR的数据获取示意图如图2所示。以目标场景中心作为中心参考点，以中心参考点为原点O建立直角坐标系XYZ。XOY表示地平面，OZ的指向背离地心且垂直于地表，OY的指向则沿着合成孔径中心时刻斜距在地平面的投影方向。H表示雷达平台飞行高度，Rref表示自天线相位中心到场景中心的参考斜距，R表示自天线相位中心到场景内任一散射点的斜距。α表示斜距在地平面的投影与OY所形成的夹角。β表示天线相位中心到场景中心的俯视角。Rref、R、α与β均随方位向采样位置变化而变化。A、B表示SAR在合成孔径中心时刻tc和任一方位向采样时刻tm的位置，A′与B′表示A、B在地表平面XOY上的投影。假设线性调频信号为发射信号，则发射信号可表示为其中fc为信号发射信号载频，γ为LFM信号的调频率，t和τ分别表示快时间和慢时间。Tp表示脉冲宽度，rect(·)表示窗函数。将信号解调到基带，任意目标点S的回波信号可表示为其中R表示SAR传感器到S的瞬间斜距。接下来对信号进行二维解线调频操作。二维解线调频操作可以通过将信号E1与一个参考滤波器F1相乘，F1可表示为其中Rref表示SAR距离场景中心的瞬时斜距。滤波后的信号可表示为其中ΔR(t)＝R(t)-Rref(t)(5)步骤二、残余视频相位校正处理。具体为：式(4)中的二次相位被称为残余视频相位，应予以去除。对信号E2进行距离向傅里叶变换，得到由于在sinc函数的峰值点出，有将上式代入E2的距离频谱，得到残余视频相位滤波器F2的作用即是消除第二个相位，因此滤波器F2可表示为将滤波后的信号经过距离向逆傅里叶变换变到距离时域，信号可表示上述的推导过程是在模拟域进行的。为了便于数字处理，我们可以应用以下映射将模拟域的信号映射到数字域上因此经过二维解线调频处理和残余视频相位校正处理后，信号可离散化表示为Fs为信号的采样频率，Nr与Na分别为信号距离向与方位向的采样点数。设雷达平台位置表示为(xp，yp，zp)，场景中心参考斜距可表示为雷达平台至散射点S的斜距为步骤三、波数域数据格式校正处理。具体为：将R(m)以场景中心为参考点进行一阶泰勒展开，有R(m)≈Rref(m)-sinβ(m)sinα(m)xs-sinβ(m)cosα(m)ys(15)其中式(15)所示的信号近似表达式是基于电磁波传输的平面波前假设，即对于目标场景内任一散射点，雷达波束的照射方向均是相同的，如图3所示。Δr表示由平面波前假设引入的斜距误差。由图中可以看出在距离场景中心O越远的位置，斜距误差越大。通常来讲，Δr超过π/2被认为是不能容忍的，因此平面波前假设可正确应用的前提是目标场景范围较小，斜距误差在允许范围内，这也是极坐标格式算法适用于聚束模式SAR成像的原因，同时也是采用极坐标格式算法进行成像处理时目标散焦与位置误差的重要来源。在波前平面假设下，式(12)可以表示为令则回波信号可表示为ss(i，m)＝exp{j(Kx(i,m)xs+Ky(i,m)ys)}(20)其中Kx与Ky表示信号传播过程中沿图2所示的X轴方向与Y轴方向的波数密度。观察距离波束与方位波束，可以发现信号在波数域的表达式既与雷达平台参数有关，也与传感器的空间采样位置有关。若采用传统的距离向插值运算对回波信号进行校正，不同方位采样时刻的距离波数须有公共的目标插值区域。然而对于弹载大前斜视时变参数SAR的几何构型，该公共区域被信号的剧烈的二维耦合严重压缩，这样将使插值校正后的距离向带宽大幅降低，从而导致聚焦后图像的距离向分辨率剧烈恶化，如图4所示。极限状况下这样的公共区域甚至是不存在的，这将直接导致成像处理失败。若要完全补偿由方位采样位置的变化引入的信号距离波数的空变性，距离波数在数据获取时间内需为常数。若以合成孔径中心时刻的距离波数作为参考，则各方位采样位置的发射信号的波数需满足Ky(i,m)≡Ky(i,0)(21)可以得到若使式(21)恒成立，则雷达平台参数的调整方法应与距离波束的采样序列号i无关。若假设在数据获取过程中雷达发射脉冲的采样率Fs不变，只需使发射信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于弹载大前斜视时变参数合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)的重叠子孔径成像处理方法包括以下六个步骤中，步骤三、步骤四、步骤五、步骤六、步骤七为本专利的权利要求部分，具体为：步骤三、波数域数据格式校正处理。具体为：将R(m)以场景中心为参考点进行一阶泰勒展开，有R(m)≈Rref(m)‑sinβ(m)sinα(m)xs‑sinβ(m)cosα(m)ys  (1)其中

【技术特征摘要】
1.一种适用于弹载大前斜视时变参数合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，简称SAR)的重叠子孔径成像处理方法包括以下六个步骤中，步骤三、步骤四、步骤五、步骤六、步骤七为本专利的权利要求部分，具体为：步骤三、波数域数据格式校正处理。具体为：将R(m)以场景中心为参考点进行一阶泰勒展开，有R(m)≈Rref(m)-sinβ(m)sinα(m)xs-sinβ(m)cosα(m)ys(1)其中式(1)所示的信号近似表达式是基于电磁波传输的平面波前假设，即对于目标场景内任一散射点，雷达波束的照射方向均是相同的，距离场景中心O越远的位置，斜距误差越大。通常来讲，Δr超过π/2被认为是不能容忍的，因此平面波前假设可正确应用的前提是目标场景范围较小，斜距误差在允许范围内，这也是极坐标格式算法适用于聚束模式SAR成像的原因，同时也是采用极坐标格式算法进行成像处理时目标散焦与位置误差的重要来源。在波前平面假设下，完成残余视频相位校正的数据可以表示为令则回波信号可表示为ss(i,m)＝exp{j(Kx(i,m)xs+Ky(i,m)ys)}(6)其中Kx与Ky表示信号传播过程中沿方位向与距离向的波数密度。观察距离波束与方位波束，可以发现信号在波数域的表达式既与雷达平台参数有关，也与传感器的空间采样位置有关。若采用传统的距离向插值运算对回波信号进行校正，不同方位采样时刻的距离波数须有公共的目标插值区域。然而对于弹载俯冲前斜视SAR的几何构型，该公共区域被信号的剧烈的二维耦合严重压缩，这样将使插值校正后的距离向带宽大幅降低，从而导致聚焦后图像的距离向分辨率剧烈恶化。极限状况下这样的公共区域甚至是不存在的，这将直接导致成像处理失败。若要完全补偿由方位采样位置的变化引入的信号距离波数的空变性，距离波数在数据获取时间内需为常数。若以合成孔径中心时刻的距离波数作为参考，则各方位采样位置的发射信号的波数需满足Ky(i,m)≡Ky(i,0)(7)可以得到若使式(7)恒成立，则雷达平台参数的调整方法应与距离波束的采样序列号i无关。若假设在数据获取过程中雷达发射脉冲的采样率Fs不变，只需使发射信号载频和调频率根据雷达方位采样位置进行同比例调整即可满足距离波数恒定这一条件。为使参数调整前后采样点的数量不发生改变，发射信号的脉冲宽度Tp也应保持不变。此时雷达平台的参数调整规律为采用式(9)所示的时变的雷达参数后，目标场景中S点的回波信号可表示为ss1(i,m)＝exp{-j(Kx(i,m)xs+Ky(i,0)ys)}(10)回波信号在波数域呈楔形分布，无需距离向插值校正，可直接进行方位向插值处理。此时，第m个方位向采样位置具有的方位向波数为Kx(i,m)＝Ky(i,0)tanα(m)(11)对于距离向采样序号i，Kx与tanα呈线性正比例关系。但是由于tanα沿方位向的分布并不均匀，导致Kx的分布也不均匀，无法直接进行IFFT。另外不同i1对应的Kxr的取值范围均不相同。为实现信号全孔径处理，方位向处理的应实现两个目标：第一，统一不同距离向采样位置的Kx，使每一距离向采样位置的方位向波数具有相同的分布；第二，对统一分布的，Kx进行均匀的插值，便于后续利用FFT进行计算。实际处理过程中可用方位向的均匀插值实现。当i＝-Nr/2+1时，Kxr的取值范围是所有距离向采样点中最小的。设当i＝-Nr/2+1时，Kx的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岩，杨健，李景文，殷君君，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11