一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法技术

本发明专利技术公开了一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法。使用本发明专利技术能够有效实现多普勒调频斜率为零处的成像，且聚焦效果良好，同时，在多普勒调频斜率不为零处，还可以实现比传统频域算法更好的聚焦性能。本发明专利技术通过对地球同步轨道SAR频域成像方法对沿斜距方向的加速度分量引起的多普勒调频斜率进行补偿，将原始回波的非线性方位向时频关系转换为线性时频关系，从而使得后续操作可以采用SAR频域成像算法在距离多普勒进行距离徙动校正操作。同时，通过数值检索选择补偿最优的加速度值来大大减少方位向的空变性，在进行方位向聚焦可以实现更大场景的聚焦。该算法经验证能够适用于GEO SAR轨道不同位置成像。

【技术实现步骤摘要】
一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法
本专利技术涉及合成孔径雷达(SAR)成像
，具体涉及一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法。
技术介绍
地球同步轨道合成孔径雷达(GEOSAR)是一种运行在地球同步轨道的全天候、全天时的现代高分辨率微波侧视成像雷达，它综合利用合成孔径技术、脉冲压缩技术和数据处理技术，采用中等口径天线就能得到大的测绘带，是当今微波领域一种先进的对地遥测技术。与低轨星载SAR相同，GEOSAR在测绘、农作物估产、海洋及水文观测、环境及灾害监测、资源勘探，以及军事侦察等科学领域日益显示出强大的优势，在对地观测方面发挥着越来越重要的作用。与低轨星载SAR不同的是，GEOSAR具有更大的观测区域，一次照射能够实现几百到上千公里的观测，同时具有更短的区域重访能力，以及具有对一个固定区域进行小时级的持续观测能力。GEOSAR已经是星载SAR研究的热点。GEOSAR系统因为其不同于低轨星载SAR的特性，存在低轨星载SAR所不具有的多普勒调频斜率为零的轨道位置。在这些特殊的轨道位置处，当前的频域成像算法无法对其进行成像。传统的频域成像算法，必须要在距离多普勒域进行距离徙动操作，然后进行方位向聚焦，再得到聚焦后的图像。然而，在多普勒调频斜率为零的轨道位置处，由于此时的方位向频谱被严重压缩，方位向频谱出现折叠，频域算法并不能直接对GEOSAR的回波数据处理，因为此时的方位向频点与距离徙动量不是一一对应的，方位向的时频关系已经是非线性的了，因此，传统的频域成像算法不能适用，需要提出新的解决方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，能够有效实现多普勒调频斜率为零处的成像，且聚焦效果良好，同时，在多普勒调频斜率不为零处，还可以实现比传统频域算法更好的聚焦性能。本专利技术的改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，包括如下步骤：步骤1，在原始回波二维时域进行加速度补偿，补偿函数所用的补偿因子为其中，Hac是加速度补偿因子；ac为最优加速度补偿量，即为方位向频域的二次调制相位最小时所对应的加速度；ta为方位向时间；λ为载波波长；步骤2，在距离向频域进行对应的距离向包络的补偿，补偿函数所用的补偿因子为其中，Haf为距离向包络补偿因子；fτ为距离向频率；步骤3，更新成像算法的频域聚焦函数中的二次项系数：k2＝k20-ac其中，k20为补偿前的二次项系数，k2为补偿后的二次项系数；步骤4，用更新后的成像参数k2进行距离徙动校正和方位向聚焦操作，实现频域成像。进一步地，采用加速度遍历的方式寻找最优加速度补偿值ac，即将加速度在范围内遍历，寻找方位向频域的二次调制相位差最小的加速度值，获得的加速度值即为最优加速度补偿量ac；其中，为卫星的加速度大小，和分别为卫星在合成孔径中心时刻的位置矢量和场景中心的矢量。进一步地，所述方位向频域的二次调制相位差最小时所对应的加速度用方位向频域的二次调制相位差Δφaz2取最小时的加速度值表达，其中，和分别表示同一个斜距单元的方位向场景中心点和场景边缘点的二次频域相位。进一步地，所述方位向频域的二次调制相位φaz2为其中，k1(tp)～k4(tp)分别表示方位向时间为tp对应的方位向点目标斜距历程的各阶系数；λ为载波波长；fa为方位向频率。有益效果：(1)本专利技术通过对沿斜距方向的加速度分量引起的多普勒调频斜率进行补偿，将原始回波的非线性方位向时频关系转换为线性时频关系，从而实现了多普勒调频斜率为零处的成像，同时选用补偿最优的加速度值来大大减少方位向的空变性，在进行方位向聚焦可以实现更大场景的聚焦。此外，在多普勒调频斜率不为零处，本专利技术还可以实现比传统频域算法更好的聚焦性能。(2)采用遍历方法可以避免采用次优的加速度值补偿带来非最佳的成像结果。(3)求取二次项相位的差值最小时对应的加速度值可以使方位向的聚焦空变性最小，从而达到最优的方位向聚焦，实现最大的场景聚焦。。附图说明图1为本专利技术流程图。图2为本专利技术实施方式的加速度检索使方位向二次频域相位和三次频域相位空变最优图。图3为补偿前后距离徙动与方位向频点对比图，图3(a)为补偿前，图3(b)为补偿后。图4为传统频域算法聚焦与改进算法聚焦对比图，图4(a)为传统频域算法，图4(b)为本专利技术频域算法。图5为近地点传统频域算法成像结果图。图6为近地点改进频域算法成像结果图。图7为近地点传统频域算法和改进频域算法成像结果对比图。其中，传统频域算法成像结果：(a)目标A,(b)目标F,(c)目标G,(d)目标H；改进的加速度补偿频域算法成像结果：(e)目标A,(f)目标F,(g)目标G,(h)目标H。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法。多普勒调频斜率是由斜距向的加速度分量和飞行方向的速度分量构成的。在一些特殊的轨道位置上，卫星平台沿斜距方向的加速度分量与速度分量引起的多普勒调频斜率互相抵消掉了，从而导致这些轨道位置处多普勒调频斜率为零。同时，考虑到只有卫星平台沿飞行方向的速度分量才对方位向分辨率有贡献，而沿斜距方向的加速度分量不对方位向分辨率有贡献，本专利技术的地球同步轨道SAR频域成像方法对沿斜距方向的加速度分量引起的多普勒调频斜率进行补偿，从而将原始回波的非线性方位向时频关系转换为线性时频关系，以便后续可以采用SAR频域成像算法在距离多普勒进行距离徙动校正操作，同时通过数值检索选择补偿最优的加速度值来大大减少方位向的空变性，在进行方位向聚焦可以实现更大场景的聚焦。该算法经验证能够适用于GEOSAR轨道不同位置成像，实现多普勒调频斜率为零处的成像，并聚焦效果良好，在多普勒调频斜率不为零处，还可以实现比传统频域算法更好的聚焦性能。本专利技术流程如图1所示，具体实现步骤如下：步骤一、最优加速度补偿量选择。GEOSAR不同于低轨SAR，其合成孔径时间长，轨迹弯曲，所以传统的斜视等效斜距模型无法精确表征GEOSAR的斜距历程，因此，本专利技术采用了四阶多项式斜距模型：其中，k1～k4分别是斜距历程的各阶多项式系数，ta为方位向时间，R0为孔径中心时刻的最短斜距。通过对成像场景中每点的斜距历程进行拟合，可以获知各点的各阶多项式系数。原始的回波信号s(τ,ta；x0,r0)表达式为其中，Tp为脉冲宽度，kr为距离向调频斜率，r0为点目标的斜距，x0为点目标的方位向坐标，τ为距离向时间轴，c为光速，rect[]为距离向的包络函数，R(ta；r0,x0)为点目标的斜距历程。经过驻定相位点可以求解出其二维频谱为其中，fτ为距离向频率，fa为方位向频率，fc为载频，kr为距离向调频斜率。对表达式(3)中的进行三阶泰勒展开，可以获得其方位向的频域调制相位为其中，λ为载波波长，然后我们可以取出方位向频域的二次调制相位和三次调制相位，其相位的表达式分别为其中φaz2表示方位向的二次频域相位，φaz3为方位向的三次频域相位，k1(tp)～k4(tp)分别表示方位向时间为tp对应的方位向点目标斜距历程的各阶系数。为了实现一次更大场景的聚焦，同时方位向聚焦参数的空变性和加速度补偿量之间存在联系，考虑到如何削弱方位向聚焦参数的空变性，可以通过寻找到方位向二次频域相位变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在原始回波二维时域进行加速度补偿，补偿函数所用的补偿因子为Hac=exp(j4πacta2λ)]]>其中，Hac是加速度补偿因子；ac为最优加速度补偿量，即为方位向频域的二次调制相位最小时所对应的加速度；ta为方位向时间；λ为载波波长；步骤2，在距离向频域进行对应的距离向包络的补偿，补偿函数所用的补偿因子为Haf=exp(j4πfτacta2)]]>其中，Haf为距离向包络补偿因子；fτ为距离向频率；步骤3，更新成像算法的频域聚焦函数中的二次项系数：k2＝k20‑ac其中，k20为补偿前的二次项系数，k2为补偿后的二次项系数；步骤4，用更新后的成像参数k2进行距离徙动校正和方位向聚焦操作，实现频域成像。

【技术特征摘要】
1.一种改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在原始回波二维时域进行加速度补偿，补偿函数所用的补偿因子为其中，Hac是加速度补偿因子；ac为最优加速度补偿量，即为方位向频域的二次调制相位差最小时所对应的加速度；ta为方位向时间；λ为载波波长；步骤2，在距离向频域进行对应的距离向包络的补偿，补偿函数所用的补偿因子为其中，Haf为距离向包络补偿因子；fτ为距离向频率；步骤3，更新成像算法的频域聚焦函数中的二次项系数：k2＝k20-ac其中，k20为补偿前的二次项系数，k2为补偿后的二次项系数；步骤4，用更新成像算法的频域聚焦函数中的二次项系数即补偿后的二次项系数k2进行距离徙动校正和方位向聚焦操作，实现频域成像。2.如权利要求1所述的改进的地球同步轨道SAR频域成像方法，其特征在于，采用加速度遍历的方式寻找最优加速度补偿量ac，即将加速度在范围内遍历，寻找方位向频域的二次调制相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁泽刚，曾涛，舒博正，龙腾，尹伟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11