CN107290747B - 一种大前斜视合成孔径雷达成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大前斜视合成孔径雷达(SAR)成像方法，该方法首先对SAR原始回波数据做距离向快速傅里叶变换(FFT)后进行距离压缩；其次进行走动校正；再进行方位向FFT后进行弯曲校正；然后进行距离向快速傅里叶逆变换(IFFT)后进行高次相位补偿；最后再进行方位向IFFT后，进行方位向相位的五阶泰勒展开式中高次项补偿，对方位补偿后的数据进行方位向FFT，得到最终的SAR图像。相比传统的斜视SAR成像方法，本方法可实现较大斜视角的SAR成像，能实现较大方位聚焦深度下的高精度SAR成像。

Description

一种大前斜视合成孔径雷达成像方法

技术领域

本发明涉及一种大前斜视合成孔径雷达(SAR)成像方法，属于信号处理技术领域。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种具备高分辨能力的微波成像雷达，SAR具有全天时、全天候工作以及作用距离远的独特优点。在高速高机动载体平台下，将SAR应用在载体末制导中，因其能在黑夜、烟雾、强光干扰等恶劣环境下发现目标，故SAR更适合在复杂飞行环境下的末制导和复杂的寻地要求。但是，由于末制导阶段导引头通常工作在大前斜视角条件下，常规的SAR成像方法难以适用，甚至无法成像，进而严重影响制导精度，因此限制了该项技术的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有常规方法的不足，提供一种大前斜视合成孔径雷达成像方法，该方法在常规方法基础上，针对大前斜视回波信号方位平移特性，通过高效精确的补偿处理，实现大斜视角的高精度成像。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种大前斜视合成孔径雷达成像方法，雷达以速度v沿YOZ平面直线AB飞行，雷达的波束中心照射地面点目标T，A点位于Z轴上，经过时间t后雷达位于B点，θ₀为雷达波束中心照射的斜视角；雷达与地面的高度为H₀，标记雷达位于A点时，雷达与点目标T的距离为R₀；标记雷达位于B点时，雷达与点目标T的距离该方法具体包括以下几个步骤：

步骤一：对SAR原始回波数据s₀(τ,t)做距离向快速傅里叶变换FFT，将回波数据变换至距离频域-方位时域内进行距离压缩，将变换后的数据与距离压缩因子H₁(f_τ,t)相乘，得到距离压缩后的数据S₂(f_τ,t)，其中，τ代表距离时间，t代表方位时间，f_τ表示距离频率；

步骤二：将距离压缩后的数据S₂(f_τ,t)与走动校正因子H₂(f_τ,t)相乘，得到走动校正后的数据S₃(f_τ,t)；

步骤三：对走动校正后的数据S₃(f_τ,t)进行方位向FFT，将数据变换至距离频域-方位频域内进行弯曲校正，将变换后的数据与弯曲校正因子H₃(f_τ,f_a)相乘，得到弯曲校正后的数据S₅(f_τ,f_a)，其中，f_a表示方位频率；

步骤四：对弯曲校正后的数据S₅(f_τ,f_a)进行距离向快速傅里叶逆变换IFFT，将数据变换至距离时域-方位频域内进行高次相位补偿，将变换后的数据与高次相位补偿因子H₄(τ,f_a)相乘，得到高次相位补偿后的数据S₇(τ,f_a)；

步骤五：对高次相位补偿后的数据S₇(τ,f_a)进行方位向IFFT，将数据变换至距离时域-方位时域内进行方位补偿，将变换后的数据与方位补偿因子H₅(τ,t)相乘，完成方位补偿；最后，对方位补偿后的数据进行方位向FFT，得到最终的SAR图像。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过精确校正大斜视角下的距离走动以及有效解决由此带来的多普勒调频率随方位时间变化的问题，可实现较大斜视角的SAR成像；

(2)、本发明提出的成像方法中关键步骤——方位补偿处理，能有效增大方位向的聚焦深度；

(3)、本发明提出的成像方法可实现，飞行平台下末端制导阶段导引头的高精度大前斜视成像。

附图说明

图1为本发明的成像方法所应用场景的空间几何关系示意图；

图2为本发明的成像方法的整体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明是一种大前斜视合成孔径雷达成像方法，处理的对象是雷达的全孔径回波数据，得到的结果是一幅高分辨率的SAR图像。本发明方法中采用的空间几何关系图如图1所示，雷达以速度v沿YOZ平面直线AB飞行，雷达的波束中心照射地面点目标T，A点位于Z轴上，经过时间t后雷达位于B点，θ₀为雷达波束中心照射的斜视角；雷达与地面的高度为H₀，标记雷达位于A点时，雷达与点目标T的距离为R₀；标记雷达位于B点时，雷达与点目标T的距离为R(t)。

由图1的空间几何关系图可知，雷达与点目标的距离为

本发明方法的流程图如图2所示，包括以下几个步骤：

步骤一：距离压缩；

对SAR原始回波数据s₀(τ,t)做距离向快速傅里叶变换(FFT)，将回波数据变换至距离频域-方位时域进行距离压缩，将FFT变换后的数据与距离压缩因子H₁(f_τ,t)相乘，完成距离压缩。

仅考虑包络和相位信息的SAR原始回波数据s₀(τ,t)表示为：

式(2)中，τ代表距离时间，t代表方位时间，ω_r(.)为距离包络，c为光速，ω_a(t)为方位包络，指数exp表示数据的相位，第一个指数项为方位相位，第二个指数项是距离相位。λ表示雷达波长，R(t)为时刻t雷达与点目标的距离，K_r是发射信号的调频率。

利用驻定相位原理(POSP)，对原始回波数据s₀(τ,t)做距离向FFT，得到变换后的数据S₁(f_τ,t)：

其中，f_τ表示距离频率，表示发射信号的载频。

距离压缩因子H₁(f_τ,t)为：

将式(3)与式(4)相乘，得到距离压缩后的数据S₂(f_τ,t)：

步骤二：走动校正；

将距离压缩后的数据S₂(f_τ,t)与走动校正因子H₂(f_τ,t)相乘，完成走动校正。

走动校正因子H₂(f_τ,t)为：

将式(5)与式(6)相乘，得到走动校正后的数据S₃(f_τ,t)：

步骤三：弯曲校正；

对走动校正后的数据S₃(f_τ,t)进行方位向FFT，将数据变换至距离频域-方位频域内进行弯曲校正，将FFT变换后的数据与弯曲校正因子H₃(f_τ,f_a)相乘，完成弯曲校正。

利用POSP，对式(7)进行方位向FFT，得到变换后的数据为S₄(f_τ,f_a)，以下忽略幅度的影响，仅给出相位信息，有

S₄(f_τ,f_a)＝exp{jΦ₄(f_τ,f_a)} (8)

其中，f_a表示方位频率，Φ₄(f_τ,f_a)为数据S₄(f_τ,f_a)的相位，有

将式(9)中的根式对距离频率f_τ进行一阶泰勒展开，有

其中，

弯曲校正因子H₃(f_τ,f_a)为：

将式(10)代入式(8)中，然后与式(11)相乘，并忽略方位频率无关项和方位频率线性项，得到弯曲校正后的数据S₅(f_τ,f_a)为：

S₅(f_τ,f_a)＝exp{jΦ₅(f_τ,f_a)} (12)

其相位Φ₅(f_τ,f_a)为：

Φ₅(f_τ,f_a)＝-4πR₀Qcosθ₀ (13)

将式(13)中的根式Q对方位频率f_a进行五阶泰勒展开，有

步骤四：高次相位补偿；

对弯曲校正后的数据S₅(f_τ,f_a)进行距离向快速傅里叶逆变换(IFFT)，将数据变换至距离时域-方位频域内进行高次相位补偿，将IFFT变换后的数据与高次相位补偿因子H₄(τ,f_a)相乘，完成高次相位补偿。

高次相位补偿因子H₄(τ,f_a)为：

将式(14)代入式(12)中，再利用POSP，对式(12)进行距离向IFFT，得到变换后的数据S₆(τ,f_a)，再与高次相位补偿因子相乘，得到高次相位补偿后的数据S₇(τ,f_a)：

步骤五：方位补偿；

对高次相位补偿后的数据S₇(τ,f_a)进行方位向IFFT，将数据变换至距离时域-方位时域内进行方位补偿，将IFFT变换后的数据与方位补偿因子H₅(τ,t)相乘，完成方位补偿。最后，对方位补偿后的数据进行方位向FFT，得到最终的SAR图像。

因方位平移空变性只与方位频率高次项有关，忽略式(16)中方位频率无关项和方位频率线性项，再利用POSP对其进行方位向IFFT，得到变换后的数据S₈(τ,t)，有

S₈(τ,t)＝exp{jΦ₈(τ,t)} (17)

其相位为：

Φ₈(τ,t)＝-jπK_a(t_c)t² (18)

其中，t_c表示点目标的方位向波束中心穿越时刻。

式(18)中的K_a(t_c)表示多普勒调频率随方位时间发生变化，说明信号不再保留方位平移不变特性，这是走动校正带来的影响，必须予以补偿。

将K_a(t_c)对波束中心穿越时刻t_c进行二阶泰勒展开，有

方位补偿因子为H₅(τ,t)：

将式(19)代入式(18)，再代入式(17)，并将代入后的式(17)与式(20)相乘，得到方位补偿后的数据S₉(τ,t)，显然，方位补偿后，数据的相位中不含二次及以上高次相位。最后，对方位补偿后的数据进行方位向FFT，从而完成整个成像处理，得到精确聚焦的SAR图像。

本发明提出一种大前斜视合成孔径雷达成像方法，该方法首先对SAR原始回波数据做距离向快速傅里叶变换(FFT)后进行距离压缩；其次进行走动校正；再进行方位向FFT后进行弯曲校正；然后进行距离向快速傅里叶逆变换(IFFT)后进行高次相位补偿；最后再进行方位向IFFT后，进行方位补偿，对方位补偿后的数据进行方位向FFT，得到最终的SAR图像。相比传统的斜视SAR成像方法，本方法可实现较大斜视角的SAR成像，能实现导引头末制导阶段较大方位聚焦深度下的高精度SAR成像。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种大前斜视合成孔径雷达成像方法，雷达以速度v沿YOZ平面直线AB飞行，雷达的波束中心照射地面点目标T，A点位于Z轴上，经过时间t后雷达位于B点，θ₀为雷达波束中心照射的斜视角；雷达与地面的高度为H₀，标记雷达位于A点时，雷达与点目标T的距离为R₀；标记雷达位于B点时，雷达与点目标T的距离其特征在于，该方法具体包括以下几个步骤：

步骤一、对SAR原始回波数据s₀(τ,t)做距离向快速傅里叶变换FFT，将回波数据变换至距离频域-方位时域内进行距离压缩，将变换后的数据与距离压缩因子H₁(f_τ,t)相乘，得到距离压缩后的数据S₂(f_τ,t)，其中，τ为距离时间，t为方位时间，f_τ表示距离频率；

其中，距离压缩因子H₁(f_τ,t)为：K_r表示发射信号的调频率；

仅考虑包络和信息的SAR原始回波数据s₀(τ,t)表示为：

其中，ω_r(.)为距离包络，c为光速，ω_a(t)为方位包络，指数exp表示数据的相位，第一个指数项为方位相位，第二个指数项是距离相位，λ表示雷达波长；

对原始回波数据s₀(τ,t)做距离向FFT，得到变换后的数据S₁(f_τ,t)：

其中，表示发射信号的载频；

距离压缩后的数据S₂(f_τ,t)表示为：

步骤二、将距离压缩后的数据S₂(f_τ,t)与走动较正因子H₂(f_τ,t)相乘，得到走动较正后的数据S₃(f_τ,t)；

其中，走动校正因子H₂(f_τ,t)为：f_τ表示距离频率；f₀表示发射信号的载频，θ₀为雷达波束中心照射的斜视角，c为光速；

走动校正后的数据S₃(f_τ,t)：

步骤三、对走动校正后的数据S₃(f_τ,t)进行方位向FFT，得到S₄(f_τ,f_a)，将数据变换至距离频域-方位频域内进行弯曲校正，将变换后的数据与弯曲校正因子H₃(f_τ,f_a)相乘，得到弯曲校正后的数据S₅(f_τ,f_a)，其中，f_a为方位频率；

其中，弯曲校正因子H₃(f_τ,f_a)为：

f_α表示方位频率；

数据S₄(f_τ,f_a)的相位为Φ₄(f_τ,f_a)：

将Φ₄(f_τ,f_a)中的根式对距离频率f_τ进行一阶泰勒展开，有：

其中，

将此一阶泰勒展开式带入S₄(f_τ,f_a)＝exp{jΦ₄(f_τ,f_a)}，然后与弯曲校正因子H₃(f_τ,f_a)相乘，忽略方位频率无关项和方位频率线性项，得到弯曲校正后的数据S₅(f_τ,f_a)；

步骤四、对弯曲校正后的数据S₅(f_τ,f_a)进行距离向快速傅里叶逆变换IFFT，将数据变换至距离时域-方位频域内进行高次相位补偿，将变换后的数据与高次相位补偿因子H₄(τ,f_a)相乘，得到高次相位补偿后的数据S₇(τ,f_a)；

其中，高次相位补偿因子H₄(τ,f_a)为：

弯曲校正后的数据S₅(f_τ,f_a)为：S₅(f_τ,f_a)＝exp{jΦ₅(f_τ,f_a)}，其相位Φ₅(f_τ,f_a)为：

Φ₅(f_τ,f_a)＝-4πR₀Qcosθ₀；

将相位Φ₅(f_τ,f_a)中的根式Q对方位频率f_a进行五阶泰勒展开，有：

对数据S₅(f_τ,f_a)进行距离向快速傅里叶逆变换IFFT，得到变换后的数据S₆(τ,f_a)，再与高次相位补偿因子相乘，得到高次相位补偿后的数据S₇(τ,f_a)：

步骤五、对高次相位补偿后的数据S₇(τ,f_a)进行方位向IFFT，将数据变换至距离时域-方位时域内进行方位补偿，将变换后的数据与方位补偿因子H₅(τ,t)相乘，完成方位补偿；

最后，对方位补偿后的数据进行方位向FFT，得到最终的SAR图像

其中，方位补偿因子为H₅(τ,t)：

忽略S₇(τ,f_a)中方位频率无关项和方位频率线性项，再进行方位向IFFT，得到变换后的数据S₈(τ,t)，为S₈(τ,t)＝exp{jΦ₈(τ,t)}，其相位为：

Φ₈(τ,t)＝-jπK_a(t_c)t²

其中，t_c表示点目标穿越方位向波束中心的时刻；

将数据S₈(τ,t)与方位补偿因子相乘，得到方位补偿后的数据S₉(τ,t)，最后对数据S₉(τ,t)进行方位向FFT，得到最终的SAR图像。