一种针对星上去走动与二维空变校正的地球同步轨道SAR斜视成像处理装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了针对星上去走动与二维空变校正的地球同步轨道SAR斜视成像处理装置，本装置顺次采用星上卫星调整接收窗去除信号走动、去走动回波链路下传、星地几何关系构建空变模型、距离向残余走动校正、距离徙动校正与压缩、方位向部分去斜降低时间跨度、方位向残余走动去除、方位向非线性变换与压缩、最后经几何校正与成像结果输出。与传统算法比较，本发明专利技术利用GEO SAR下重频极低的特点，通过星上去走动降低距离和方位向耦合的同时提高了星上数据存储的有效性；对于接收到的回波通过部分对方位和距离向进行精细修正，提高了算法的聚焦精度。

A Strabismus Imaging Processing Device for Geostationary Orbit SAR for Star Walk and Two-Dimensional Spatial Variability Correction

The invention discloses a strabismus imaging processing device for geosynchronous orbit SAR aiming at satellite walk and two-dimensional space variance correction. The device successively adopts satellite adjustment receiving window on satellite to remove signal walk, to move echo link downlink, to construct space variance model based on satellite-ground geometric relationship, to correct range residual walk, to correct and compress range migration, to reduce time span by azimuth part deflection. Azimuth residual walk removal, azimuth non-linear transformation and compression, and finally geometric correction and output of imaging results. Compared with the traditional algorithm, the invention utilizes the characteristics of low repetition rate of GEO SAR, reduces the coupling of range and azimuth direction by moving on the satellite, and improves the efficiency of data storage on the satellite; and improves the focusing accuracy of the algorithm by partially fine correction of azimuth and range direction of the received echo.

【技术实现步骤摘要】
一种针对星上去走动与二维空变校正的地球同步轨道SAR斜视成像处理装置
本专利技术涉及GEOSAR的斜视成像。具体来说是利用GEOSAR重频极低的特点进行星上去走动，并采用基于去走动后的二维空变模型进行二维空变性校正，从而实现GEOSAR斜视处理的方法，属于遥感成像处理领域。
技术介绍
合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)是一种全天时、全天候的主动式信息获取系统，合成孔径雷达的全链路系统可以分为三个部分，即雷达载体平台上的回波数据获取部分、空间段数据传输部分以及地面段数据处理部分。合成孔径雷达系统通过发射和接收脉冲信号，获取合成孔径雷达原始回波数据。地球同步轨道合成孔径雷达(GEOSAR，GeosynchronousorbitSyntheticApertureRadar)卫星运行在高度约35,786千米的倾斜或非圆的地球静止轨道上的SAR卫星。它的轨道周期与地球自转周期相同，使得卫星相对于地球的理论运动轨迹线是闭合的，这意味着每隔24小时卫星都会回归到同一位置上空。这种“经度锁定”特性确保了GEOSAR能够对感兴趣区域进行长时间观测。闭合轨迹的这种形式当辅以斜视模式时即可构成GEOSAR所特有的“凝视”工作模式：即通过对天线波束的间断性调整实现对区域进行全轨持续观测。这种特性在地质灾害，如洪涝，地震等区域进行持续监测方面具有重要的意义。由于卫星轨道极高，卫星的运行速度相较于低轨SAR下降到和地球自转速度相同的量级，这将产生两个主要的影响：一是累积与低轨相同分辨率的孔径时间变得极长，使得弯曲轨道特性不可忽略，传统的双曲模型不再适用；二是地球自转效应必须加以考虑，地面不可再认为是平面。综合这两方面，传统的平地直线模型不再成立，而高效率低轨成像处理所依赖的同距离单元多普勒历程相同的假设不再成立，因此回波信号出现明显的二维空变性。回波信号的二维空变性是影响GEOSAR高精度成像的根本原因，因此GEOSAR成像处理的研究方向都集中在空变性校正的方面。常规情况下GEOSAR的数据量已然很大，当卫星处于斜视观测时数据量就会急剧上升，然而观测区域场景大小并没改变，这对于星上存储是极大地浪费。同时，斜视观测会加重距离和方位向的耦合，对后续的处理增加了难度。时域成像算法虽然简便易行，但是信号处理的效率难以保证。因而GEOSAR成像的研究方向还主要集中在频域成像处理上。在GEOSAR信号频域处理方面，可以将现有研究成果大致分为基于RD算法的成像算法、基于Chirp变标的成像算法以及基于波数域算法的成像算法。在以RD算法为基础的算法方面，胡程在2014年发表了《AnImprovedFrequencyDomainFocusingMethodinGeosynchronousSAR》，文中称所提方法可以实现40公里×40公里、10米分辨率成像。除了此文所提算法之外，其余算法都是基于双曲模型进行算法研究，主要解决方案是分块处理，理论贡献较弱。在以波数域算法为基础的算法方面，2015年，胡斌利用多项式斜距模型和级数反演法得出的二维频谱表达式，提出一种基于多项式斜距模型的STOLT变标方法，在线性空变性的假设下修正了低轨波数域算法，具体请参见《GeneralizedOmega-KAlgorithmforGeosynchronousSARImageFormation》。由于基于Chirp变标的算法不需要类如RD和Omega-K一样的插值操作，因而计算效率高，这使得目前GEOSAR成像算法的研究大多集中在以Chirp变标为基础的方向上。GEOSAR回波信号的二维空变性使得高性能的成像算法必须要考虑二维空变的校正。最早引入二维空变性校正的是孙光才(《A2-DSpace-VariantChirpScalingAlgorithmBasedontheRCMEqualizationandSubbandSynthesistoProcessGeosynchronousSARData》)，但他提出的这种方法需要方位向子带合成，会产生寄生旁瓣。而后有代表性的则是《ModelingandProcessingofTwo-DimensionalSpatial-VariantGeosynchronousSARData》，这里融合了Omega-K算法与CS算法，具有比较好的成像性能。但是这些算法均是针对正侧视模式进行设计的。
技术实现思路
本专利技术针对GEOSAR斜视观测情况下距离走动量大和二维空变性严重等问题，利用同步轨道SAR重频极低的特点，提出回波信号星上去走动接收策略。针对接收的回波存在严重的二维空变的特点，建立相应的二维空变信号模型。对于距离向处理，先降低去除距离向残余走动，然后采用基于场景二维空变模型的非线性变标进行徙动和距离脉冲压缩；对于方位向，则采用部分去斜降低信号的时域跨度，然后进行方位向残余走动去除，再通过时频域联合的非线性变换进行方位向均衡处理，从而实现方位向脉冲压缩，最后进过几何校正形成最终图像。本专利技术采用星上去走动方式降低回波信号数据量，提高星上数据存储的同时简化后续成像处理压力。采用的部分去斜技术和时频联合非线性变标技术提高信号一次和二次空变性的校正能力，图像聚焦效果良好。本专利技术利用GEOSAR重频极低的特点，通过星上去走动使得回波信号的数据量变小，降低后续的处理压力。同时，引入去走动后的二维空变模型，利用时频混合变标和部分去斜技术去除方位向和距离向的一次和二次空变，从而实现斜视观测的二维精确聚焦。本专利技术的一种针对星上去走动与二维空变校正的GEOSAR斜视成像处理装置，该装置包括有雷达参数与空变性获取模块、回波去走动模块、方位时域变标模块、徙动校正与脉冲压缩模块和方位向处理模块；回波去走动模块，该模块在星上完成，通过对接收回波按照后续给出的接收窗调整策略去场景中心走动，然后频谱搬移将方位向信号从射频带搬移到基带，获得去走动后的回波信号；将该回波作为后续处理操作的输入；方位时域变标模块，该模块对上述回波进行方位时间变标，用来校正回波信号的方位向一次空变性；该模块接收雷达参数输出模块的全部输出参数，并将方位时间变标后的信号作为该模块的输出；徙动校正与脉冲压缩模块，该模块接收雷达参数输出模块以及方位时间变标模块的全部输出参数，进行距离单元徙动校正及距离脉冲压缩，并将距离单元徙动校正及距离压缩后的回波信号作为输出参数；方位向处理模块，该模块利用部分去斜处理技术将方位向的时域跨度缩短，然后方位向划分子孔径去除多普勒中心频率，之后利用时频混合变标去除信号的方位一次和二次空变性，以实现方位向信号聚焦；最后对信号进行几何校正，输出最终图像。本专利技术GEOSAR斜视成像处理装置的优点在于：①本专利技术GEOSAR斜视成像处理装置利用星上回波去走动，降低了信号的回波复杂度和数据量，降低后续成像过程的计算负担，可以用于对目标多角度持续观测。②本专利技术GEOSAR斜视成像处理装置的斜距模型及信号频谱模型都采用精度极高的高阶多项式模型，保证了后续成像处理精度。③本专利技术GEOSAR斜视成像处理装置利用时频混合变标的方式校正了回波信号的二维高阶空变性，提高了空变性校正的能力及精度。④本专利技术GEOSAR斜视成像处理装置在方位向分块去除多普勒中心频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对星上去走动与二维空变校正的地球同步轨道SAR斜视成像处理装置，其特征在于：该装置包括有雷达参数与空变性获取模块、回波去走动模块、方位时域变标模块、徙动校正与脉冲压缩模块和方位向处理模块；雷达参数与空变性获取模块，用于为整个成像处理系统输入参数，该模块的输出参数分为两类，一类是雷达工作参数f1＝{Na,Nr,PRF,Fs,Br,Tp,Kr,λ,td,tcenter,ta,fa,tr,fr}，，一类是回波各像素点对应地面目标点的斜距系数的空变参数，f2＝{Pn,Qn,0≤n≤5}；回波去走动模块，该模块在星上完成，通过对接收回波按照后续给出的接收窗调整策略去场景中心走动，然后频谱搬移将方位向信号从射频带搬移到基带，获得去走动后的回波信号；将该回波作为后续处理操作的输入；方位时域变标模块，该模块对上述回波进行方位时间变标，用来校正回波信号的方位向一次空变性；该模块接收雷达参数输出模块的全部输出参数，并将方位时间变标后的信号作为该模块的输出；徙动校正与脉冲压缩模块，该模块接收雷达参数输出模块以及方位时间变标模块的全部输出参数，进行距离单元徙动校正及距离脉冲压缩，并将距离单元徙动校正及距离压缩后的回波信号作为输出参数；方位向处理模块，该模块利用部分去斜处理技术将方位向的时域跨度缩短，然后方位向划分子孔径去除多普勒中心频率，之后利用时频混合变标去除信号的方位一次和二次空变性，以实现方位向信号聚焦；最后对信号进行几何校正，输出最终图像。...

【技术特征摘要】
2017.12.27 CN 201711449699X1.一种针对星上去走动与二维空变校正的地球同步轨道SAR斜视成像处理装置，其特征在于：该装置包括有雷达参数与空变性获取模块、回波去走动模块、方位时域变标模块、徙动校正与脉冲压缩模块和方位向处理模块；雷达参数与空变性获取模块，用于为整个成像处理系统输入参数，该模块的输出参数分为两类，一类是雷达工作参数f1＝{Na,Nr,PRF,Fs,Br,Tp,Kr,λ,td,tcenter,ta,fa,tr,fr}，，一类是回波各像素点对应地面目标点的斜距系数的空变参数，f2＝{Pn,Qn,0≤n≤5}；回波去走动模块，该模块在星上完成，通过对接收回波按照后续给出的接收窗调整策略去场景中心走动，然后频谱搬移将方位向信号从射频带搬移到基带，获得去走动后的回波信号；将该回波作为后续处理操作的输入；方位时域变标模块，该模块对上述回波进行方位时间变标，用来校正回波信号的方位向一次空变性；该模块接收雷达参数输出模块的全部输出参数，并将方位时间变标后的信号作为该模块的输出；徙动校正与脉冲压缩模块，该模块接收雷达参数输出模块以及方位时间变标模块的全部输出参数，进行距离单元徙动校正及距离脉冲压缩，并将距离单元徙动校正及距离压缩后的回波信号作为输出参数；方位向处理模块，该模块利用部分去斜处理技术将方位向的时域跨度缩短，然后方位向划分子孔径去除多普勒中心频率，之后利用时频混合变标去除信号的方位一次和二次空变性，以实现方位向信号聚焦；最后对信号进行几何校正，输出最终图像。2.根据权利要求1所述的一种针对星上去走动与二维空变校正的地球同步轨道SAR斜视成像处理装置，其特征在于斜距系数的空变性建模方法如下：步骤1-1，从中提取出第Na/2+1行的行－列－向量利用MATLAB当中的Polyfit函数，将所述对距离时间tr-2Rref/c进行多项式拟合，得到关于tr-2Rref/c的各阶多项式系数Pn＝[pn,4pn,3pn,2pn,1pn,0]，即是第n阶斜距系数的距离空变系数；步骤1-2，依次提取出的每一列的列－行－向量利用MATLAB当中的Polyfit函数，将所述对方位时间ta进行多项式拟合，得到关于ta的各阶多项式系数[qn,4,kqn,3,kqn,2,kqn,1,kqn,0,k]，即是第n阶第k位置斜距系数的方位空变系数；步骤1-3，将[qn,4,kqn,3,kqn,2,kqn,1,kqn,0,k]存入尺寸为Nr×5的空变系数矩阵Qn的第k行当中；步骤1...

【专利技术属性】
技术研发人员：于泽，耿纪文，李春升，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11