一种机载CSSAR地面加速目标成像方法技术

本发明专利技术公开了一种机载CSSAR地面加速目标成像方法，首先建立基于切比雪夫多项式的距离方程模型；然后推导目标在二维频域的表达式；再将成像过程建模为一个优化问题，并利用差分进化算法实现对距离方程模型各个系数的最优估计；最后根据差分进化算法得到的最优解，通过二维频域的相位相乘对目标进行聚焦。本发明专利技术可以丰富基于航空平台的SAR地面运动目标指示(Ground Moving Target Indication，GMTI)理论与方法体系，有助于突破地面加速目标高效、高质量成像这个SAR

【技术实现步骤摘要】
一种机载CSSAR地面加速目标成像方法


[0001]本专利技术属于雷达信号处理
，具体涉及一种机载CSSAR地面加速目标成像方法。

技术介绍

[0002]机载圆轨迹条带合成孔径雷达(Circular Stripmap Synthetic Aperture Radar，CSSAR)是一种沿水平圆运动、天线指向水平圆外侧的新模式SAR，它具有重访时间短、覆盖范围大的优点，是空对地广域侦察和时敏目标监视的理想工具。
[0003]SAR时敏目标监视通常涉及地面运动目标成像，是近年来的研究热点。SAR成像中的一个关键参数是目标的距离方程(即雷达与目标之间的瞬时距离)，它决定了目标的方位相位调制和距离单元徙动(RCM)。二阶Taylor近似距离方程模型是SAR地面动目标成像中常用的距离方程模型，它能够推导出目标的精确解析二维谱，从而简化成像方法的设计。但当方位分辨率较高或目标有加速度时，其精度就会不足。虽然高阶Taylor近似距离方程具有较高的精度，但精确二维谱的推导具有挑战性，从而使成像方法的设计复杂化。
[0004]除此之外，由于目标运动未知，SAR地面运动目标成像通常涉及到目标运动参数或其他等效参数(如多普勒参数)、目标距离方程系数、目标相位历程系数的搜索。由于通常使用的是低效的遍历搜索方法，因此这些搜索会导致巨大的计算量。研究机载CSSAR下地面运动目标高效、高质量的成像方法非常迫切。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种机载CSSAR地面加速目标成像方法，首先建立基于切比雪夫多项式的距离方程模型；然后推导目标在二维频域的表达式；再将成像过程建模为一个优化问题，并利用差分进化算法实现对距离方程模型各个系数的最优估计；最后根据差分进化算法得到的最优解，通过二维频域的相位相乘对目标进行聚焦。本专利技术可以丰富基于航空平台的SAR地面运动目标指示(Ground Moving Target Indication，GMTI)理论与方法体系，有助于突破地面加速目标高效、高质量成像这个SAR
‑
GMTI领域的难点问题。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
[0007]步骤1：建立基于切比雪夫多项式的距离方程模型；
[0008]步骤2：推导目标在二维频域的表达式；
[0009]步骤3：将成像过程建模为一个优化问题，并利用差分进化算法实现对距离方程模型各个系数的最优估计；
[0010]步骤4：根据差分进化算法得到的最优解，通过二维频域的相位相乘对目标进行聚焦。
[0011]进一步地，所述步骤1具体为：
[0012]步骤1
‑
1：目标到雷达的瞬时斜距表示为：
[0013][0014]其中，r
a
为雷达平台的运动半径，ω为雷达平台的角速度，h为飞行高度；v
x
和v
y
分别为目标沿x轴和y轴运动的初速度，a
x
和a
y
分别为目标沿x轴和y轴运动的加速度，t
a
为方位慢时间，r0为t
a
＝0时刻目标到坐标原点的距离，θ0为t
a
＝0时刻目标的方位角；
[0015]步骤1
‑
2：第一类n阶切比雪夫多项式序列T
n
(x)定义为：
[0016]T
n
(x)＝cos(n
·
arccosx),|x|≤1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]n阶切比雪夫多项式T
n
(x)在[
‑
1,1]上有n个零点：
[0018][0019]对于区间[a,b]上的函数插值，将其归一化得到新的插值节点：
[0020][0021]式中，a表示插值区间的起点，b表示插值区间的终点；
[0022]步骤1
‑
3：定义雷达波束中心穿越目标时刻为t
ac
，合成孔径时间为T
a
，在[t
ac
‑
T
a
/2,t
ac
+T
a
/2]范围内进行三阶拉格朗日插值，插值节点为：
[0023][0024][0025][0026][0027]根据拉格朗日插值原理，求得三阶拉格朗日插值多项式的表达式为：
[0028][0029]将x替换为t
a
，y0替换为R(x0)，y1替换为R(x1)，y2替换为R(x2)，y3替换为R(x3)，上式进一步写为：
[0030][0031]式中，
[0032][0033][0034][0035][0036]进一步地，所述步骤2具体为：
[0037]步骤2
‑
1：设雷达发射的信号为线性调频脉冲信号，则经距离压缩和载频解调后的目标回波信号表示为：
[0038][0039]其中，t
r
为距离快时间，p
r
(
·
)为距离压缩冲激响应函数，c为光速，ω(
·
)为方位包络，λ为波长；
[0040]步骤2
‑
2：对式(15)进行二维傅里叶变换得到：
[0041][0042]其中，f
r
为距离频率，f
a
为基带方位频率即多普勒频率，f
c
为载频，W
r
(
·
)为距离频率包络，K
r
为距离向脉冲的调频率；
[0043]步骤2
‑
3：应用驻定相位原理得到驻定相位表达式：
[0044][0045]其中，M为多普勒模糊数，PRF为脉冲重复频率。
[0046]步骤2
‑
4：利用级数反演的方法，得到驻定相位点的表达式：
[0047][0048]式中，
[0049][0050][0051]将式(18)代入式(16)中，即得到了目标信号在二维频域的表达式：
[0052]S(f
r
,f
a
)＝W
r
(f
r
)W
a
(f
a
)exp{jΘ(f
r
,f
a
)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0053]式中，
[0054][0055]其中，W
a
(
·
)为方位频率包络；
[0056]进一步地，所述步骤3具体为：
[0057]步骤3
‑
1：构造匹配滤波器：
[0058][0059]将式(23)与式(21)相乘，将相乘的结果做二维逆傅里叶变换即得到目标成像结果；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机载CSSAR地面加速目标成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立基于切比雪夫多项式的距离方程模型；步骤2：推导目标在二维频域的表达式；步骤3：将成像过程建模为一个优化问题，并利用差分进化算法实现对距离方程模型各个系数的最优估计；步骤4：根据差分进化算法得到的最优解，通过二维频域的相位相乘对目标进行聚焦。2.根据权利要求1所述的一种机载CSSAR地面加速目标成像方法，其特征在于，所述步骤1具体为：步骤1
‑
1：目标到雷达的瞬时斜距表示为：其中，r
a
为雷达平台的运动半径，ω为雷达平台的角速度，h为飞行高度；v
x
和v
y
分别为目标沿x轴和y轴运动的初速度，a
x
和a
y
分别为目标沿x轴和y轴运动的加速度，t
a
为方位慢时间，r0为t
a
＝0时刻目标到坐标原点的距离，θ0为t
a
＝0时刻目标的方位角；步骤1
‑
2：第一类n阶切比雪夫多项式序列T
n
(x)定义为：T
n
(x)＝cos(n
·
arccosx),|x|≤1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)n阶切比雪夫多项式T
n
(x)在[
‑
1,1]上有n个零点：对于区间[a,b]上的函数插值，将其归一化得到新的插值节点：式中，a表示插值区间的起点，b表示插值区间的终点；步骤1
‑
3：定义雷达波束中心穿越目标时刻为t
ac
，合成孔径时间为T
a
，在[t
ac
‑
T
a
/2,t
ac
+T
a
/2]范围内进行三阶拉格朗日插值，插值节点为：/2]范围内进行三阶拉格朗日插值，插值节点为：/2]范围内进行三阶拉格朗日插值，插值节点为：
根据拉格朗日插值原理，求得三阶拉格朗日插值多项式的表达式为：将x替换为t
a
，y0替换为R(x0)，y1替换为R(x1)，y2替换为R(x2)，y3替换为R(x3)，上式进一步写为：式中，
3.根据权利要求1所述的一种机载CSSAR地面加速目标成像方法，其特征在于，所述步骤2具体为：步骤2
‑
1：设雷达发射的信号为线性调频脉冲信号，则经距离压缩和载频解调后的目标回波信号表示为：
其中，t
r
为距离快时间，p
r
(
·
)为距离压缩冲激响应函数，c为光速，ω(
·
)为方位包络，λ为波长；步骤2
‑
2：对式(15)进行二维傅里叶变换得到：其中，f
r
为距离频率，f
a
为基带方位频率即多普勒频率，f
c
为载频，W
r
(
·
)为距离频率包络，K
r
为距离向脉冲的调频率；步骤2
‑
3：应用驻定相位原理得到驻定相位表达式：其中，M为多普勒模糊数，PRF为脉冲重复频率；步骤2
‑
4：利用级数反演的方法，得到驻定相位点的表达式：式中，式中，将式(18)代入式(16)中，即得到了目标信号在二维频域的表达式：S(f
r
,f
a
)＝W
r
(f
r
)W
a
(f
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永康，杨晨茜，梁军利，王布宏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：