CN110221295A - 一种补偿调频连续波圆周sar脉内运动的成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于合成孔径雷达成像技术领域，公开了一种补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法，本发明通过在成像过程中增加一个仅和调频连续波圆周SAR成像***参数有关的判决过程来快速判定此***在时域方法成像过程中是否可以忽略脉内运动，并指导选取合适的成像方法，若可以忽略脉内运动，采用脉冲体制圆周SAR时域方法来成像，反之，对于不能忽略脉内运动的情况，采用本发明的通过在距离域补偿脉内运动引起的距离偏移误差的时域方法来成像。本发明解决了调频连续波圆周SAR成像***在时域方法成像过程中停‑走‑停近似不再有效以及是否可以忽略脉内运动的问题，实现了调频连续波圆周SAR时域方法高效高分辨成像。

Description

一种补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像技术领域，涉及SAR时域成像方法中的一种补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法。

背景技术

圆周SAR，顾名思义，即SAR平台以被观测场景中心为圆心，在场景上方的某一固定高度围绕观测场景做圆周运动，在这个过程中雷达波束以特定俯视角始终指向观测场景并获取观测场景数据。圆周SAR作为一种新的成像模式，通过360°的孔径积累，目标方位频谱得到展宽，理想情况下，其图像分辨率可达到亚波长量级；同时，圆周SAR平台做圆周运动形成二维合成孔径，使其具有三维成像能力。调频连续波技术和圆周SAR相结合的成像体制，不仅具有亚波长高分辨率和三维成像能力，还具有体积小、重量轻、成本低等脉冲条带SAR不可比拟的优势。调频连续波圆周SAR能为战场态势分析、侦察评估、资源勘探、地形勘探和灾害预测与评估等应用提供高分辨率图像，在军事和民事领域具有广阔的应用前景。

调频连续波圆周SAR虽然在高分辨成像方面具有巨大潜力，但要发挥出这些潜力仍面临巨大挑战。针对圆周SAR运动轨迹的特殊性，对比文件“陈乐平.机载圆周合成孔径雷达成像技术研究[D].长沙：国防科技大学博士学位论文，2018.”提出了一种适用于圆周SAR成像的时域后向投影(Back Projection,BP)方法。该方法由于成像精度高、成像处理过程简单、不受SAR运动轨迹的限制，非常适合圆周SAR成像。但该时域BP方法基于脉冲体制，即脉冲持续时间非常短，忽略了脉内平台的走动而采用了停-走-停近似，若仍采用此BP方法对可以忽略脉内运动的调频连续波圆周SAR成像，将可以得到质量较好的成像结果，然而，若同样采用此BP方法对不能忽略脉内运动的调频连续波圆周SAR成像，脉内运动引入的距离偏移误差由于没有被补偿，将得不到高分辨率的图像，且此类时域方法在成像过程中由于没有判决过程能简单直接的快速判定是否可以忽略脉内运动对成像结果的影响，使得调频连续波圆周SAR时域方法成像不能快速实施。

发明内容

本发明的目的是，针对调频连续波圆周SAR时域方法成像过程中停-走-停近似不再有效以及是否可以忽略脉内平台运动的问题，提供一种补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法，即改进的时域BP方法，该成像方法通过在成像过程中增加一个仅和调频连续波圆周SAR成像***参数有关的判决过程来快速判定是否可以忽略脉内运动，并指导选取合适的成像方法，同时，对于不能忽略脉内运动的情况，通过在距离域补偿调频连续波圆周SAR脉内平台的运动，实现了调频连续波圆周SAR时域方法高效高分辨成像。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法，具体包括下列步骤：

步骤1获取调频连续波圆周SAR回波信号，包括调频连续波圆周SAR成像***参数初始化及调频连续波圆周SAR回波信号建模，基于以下步骤：

(1.1)调频连续波圆周SAR成像***参数初始化：雷达平台圆形运动轨迹半径为R，高度为H，方位向观测角为θ，雷达天线相位中心位置A为(x_r,y_r,H)，其中x_r、y_r和H分别为位置A的x轴、y轴和z轴坐标，A的坐标也可以表示为(Rcosθ,Rsinθ,H)；地平面的圆形观测场景半径为R_a，场景中任意一个点目标P的坐标为(x,y,0)，也可表示为其中r和分别为目标P的径向半径和方位角；雷达运动角速度为ω，载机速度V＝Rω，t时刻对应的方位观测角为θ＝ωt，全时间其中t_m表示慢时间，为快时间；

(1.2)调频连续波圆周SAR回波信号建模：雷达位置A与目标P之间的瞬时斜距R_r为：

计算R_r在快时间处的一阶泰勒展开为：

其中，

R_cen为停-走-停近似下的瞬时斜距，即脉冲体制圆周SAR的瞬时斜距，为调频连续波圆周SAR脉内运动引入的距离徙动误差，也是脉冲圆周SAR忽略的误差；

雷达发射信号为线性调频信号时，目标P的回波信号为：

其中，rect(·)为矩形窗函数，c为光速，T_p为脉冲持续时间,且f_c为载频，K_r调频率，且K_r＝B/T_p，B为雷达发射信号带宽；

步骤2解线频调处理以及残余视频相位消除和基频回波信号获取，基于以下步骤：

(2.1)解线频调处理：回波信号与参考信号的共轭相乘得到差频信号为：

其中，参考信号为：

R_ref为参考距离，取为场景中心处目标与雷达之间的瞬时斜距，R_Δ＝R_r-R_ref；差频信号中的最后一个指数项为残余视频相位项；

(2.2)残余视频相位消除和基频回波信号获取：对差频信号进行距离向傅里叶变换并与指数项exp(-jπf_i ²/K_r)相乘消除残余视频相位，其中f_i＝-2K_rR_Δ/c为差频频率，再对差频频率做逆傅里叶变换得到基频回波信号为：

其中，λ＝f_c/c为载波波长，R_Δm＝R_cen-R_ref；

步骤3距离压缩并分析脉内平台运动引起的距离偏移误差，基于以下步骤：

(3.1)距离压缩：基频回波信号最后一个指数项中的系数为其最大值为4πB/2c，在毫米波段f_c＞＞B/2，则4π/λ＝4πf_c/c＞＞4πB/2c，即基频回波信号中指数项对应的相位远小于对应的相位，此时，忽略基频信号中的最后一个指数项对成像的影响，然后沿距离向进行傅里叶变换得到距离压缩信号为：

(3.2)分析脉内运动引起的距离偏移误差：调频连续波圆周SAR脉内平台运动在距离域引起的频率偏移误差为Δf_i＝-2k₁/λ，将其转换为距离偏移误差为：

其中，θ_m为慢时间t_m对应的方位观测角，即θ_m＝ωt_m；

计算距离偏移误差ΔR₁的最大值，即调频连续波圆周SAR脉内运动对场景中某一目标引起的最大距离偏移误差为：

上式中令r＝R_a，即得到调频连续波圆周SAR脉内运动对整个观测场景引起的最大距离偏移误差，并将其与调频连续波圆周SAR场景中心处的理论平面分辨率Δρ′₀相除得到脉内运动引起的最大距离偏移误差相对于分辨率的比值为ΔC，其中Δρ′₀＝2.4λ/(4πcosθ_d0)，为调频连续波圆周SAR对场景中心目标的俯仰角，ΔC为：

步骤4判定调频连续波圆周SAR时域方法成像过程中是否可以忽略脉内运动并指导选取合适的成像方法：将调频连续波圆周SAR成像***参数带入ΔC的表达式中并计算ΔC的值，当调频连续波圆周SAR脉内运动引起的距离偏移误差小于一个距离分辨单元，即ΔC＜1时，采用调频连续波圆周SAR时域方法成像过程中脉内运动引起的距离偏移误差可忽略不计，此时可以忽略脉内运动，并采用脉冲体制圆周SAR时域方法来成像，即采用停-走-停近似的时域成像方法来得到最终的调频连续波圆周SAR图像；反之，当调频连续波圆周SAR脉内运动引起的距离偏移误差大于或等于一个距离分辨单元，即ΔC≥1时，采用调频连续波圆周SAR时域方法成像过程中不能忽略脉内运动，此时需要对脉内运动进行额外的补偿，并采用本发明的补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法来成像，继续下面的步骤；

步骤5成像场景网格划分，将雷达观测场景划分为大小一致的若干个单位网格，单位网格的大小要求小于场景中心处的理论平面分辨率Δρ′₀，即Δx′＜Δρ′₀，Δy′＜Δρ′₀，其中，Δx′和Δy′分别为场景网格的距离向间隔和方位向间隔；

步骤6计算网格点在某一方位慢时刻包含了脉内平台运动引入的距离偏移误差的新的瞬时斜距R′，具体步骤为：

计算网格点在该方位时刻停-走-停近似下的瞬时斜距R_cen为：

计算脉内平台运动在距离域引入的距离偏移误差ΔR₁为：

其中，Δf_i＝-2k₁/λ为调频连续波圆周SAR脉内平台运动在距离域引起的频率偏移误差，θ_m为慢时间t_m对应的方位观测角，即θ_m＝ωt_m；

计算新的瞬时斜距R′＝R_cen+ΔR₁；

步骤7根据新的瞬时斜距计算出该方位时刻的距离压缩信号在成像网格中相对应的位置，即将该方位时刻的距离压缩信号按照新的瞬时斜距投影到成像网格中，并记为S′_if(f_i,t_m)；

步骤8方位向相位补偿，得到某一方位时刻的子图像为：

其中，x′和y′为场景中的网格坐标，exp(j4πR_Δm/λ)为方位向相位补偿函数；

步骤9得到最终的调频连续波圆周SAR图像，判断是否得到了所有方位时刻的子图像，即是否得到了方位向所有采样点处的子图像，若没有，进入下一方位时刻并重复上述步骤6～8，若得到了所有方位时刻的子图像，进行子图像相干叠加得到最终的调频连续波圆周SAR图像为：

其中，M为整个360°孔径内方位向的采样点数。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一，本发明提供的时域成像方法中的判决过程仅和调频连续波圆周SAR成像***参数有关，可用于快速判定一个实际的调频连续波圆周SAR成像***在采用时域方法成像过程中是否可以忽略脉内平台运动，进而指导选取合适的成像方法；

第二，本发明提供的时域成像方法补偿了调频连续波圆周SAR脉内平台运动引起的距离偏移误差，解决了调频连续波圆周SAR成像过程中停-走-停近似不再有效的问题，实现了高分辨成像处理，并获得了高质量的调频连续波圆周SAR图像。

附图说明

图1为本发明一种补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法的总体框图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的实施方式作进一步地描述。

图1为本发明一种补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法的总体框图，具体包括下列步骤：

步骤1获取调频连续波圆周SAR回波信号，涉及调频连续波圆周SAR成像***参数初始化及调频连续波圆周SAR回波信号建模，基于以下步骤：

(1.1)调频连续波圆周SAR成像***参数初始化：雷达平台圆形运动轨迹半径为R，高度为H，方位向观测角为θ，雷达天线相位中心位置A为(x_r,y_r,H)，其中x_r、y_r和H分别为A的x轴、y轴和z轴坐标，A的坐标也可以表示为(Rcosθ,Rsinθ,H)；地平面的圆形观测场景半径为R_a，场景中任意一个点目标P的坐标为(x,y,0)，也可表示为其中r和分别为目标P的径向半径和方位角；雷达运动角速度为ω，载机速度V＝Rω，t时刻对应的方位观测角为θ＝ωt，全时间其中t_m表示慢时间，为快时间；

(1.2)调频连续波圆周SAR回波信号建模：雷达位置A与目标P之间的瞬时斜距R_r为：

计算R_r在快时间处的一阶泰勒展开为：

其中，

R_cen为停-走-停近似下的瞬时斜距，为调频连续波圆周SAR脉内运动引入的距离徙动误差；

雷达发射信号为线性调频信号时，目标P的回波信号为：

其中，rect(·)为矩形窗函数，c为光速，T_p为脉冲持续时间,且f_c为载频，K_r调频率，且K_r＝B/T_p，B为雷达发射信号带宽；

步骤2解线频调处理以及残余视频相位消除和基频回波信号获取，基于以下步骤：

(2.1)解线频调处理：回波信号与参考信号的共轭相乘得到差频信号为：

其中，参考信号为：

R_ref为参考距离，取为场景中心处目标与雷达之间的瞬时斜距，R_Δ＝R_r-R_ref；差频信号中的最后一个指数项为残余视频相位项；

(2.2)残余视频相位消除和基频回波信号获取：对差频信号进行距离向傅里叶变换并与指数项exp(-jπf_i ²/K_r)相乘消除残余视频相位，其中f_i＝-2K_rR_Δ/c为差频频率，再对差频频率做逆傅里叶变换得到基频回波信号为：

其中，λ＝f_c/c为载波波长，R_Δm＝R_cen-R_ref；

步骤3距离压缩并分析脉内平台运动引起的距离偏移误差，基于以下步骤：

(3.1)距离压缩：基频回波信号最后一个指数项中的系数为其最大值为4πB/2c，在毫米波段f_c＞＞B/2，则4π/λ＝4πf_c/c＞＞4πB/2c，即基频回波信号中指数项对应的相位远小于对应的相位，此时，忽略基频信号中的最后一个指数项对成像的影响，然后沿距离向进行傅里叶变换得到距离压缩信号为：

(3.2)分析脉内运动引起的距离偏移误差：调频连续波圆周SAR脉内平台运动在距离域引起的频率偏移误差为Δf_i＝-2k₁/λ，将其转换为距离偏移误差为：

其中，θ_m为慢时间t_m对应的方位观测角，即θ_m＝ωt_m；

计算距离偏移误差ΔR₁的最大值，即调频连续波圆周SAR脉内运动对场景中某一目标引起的最大距离偏移误差为：

上式中令r＝R_a，即得到调频连续波圆周SAR脉内运动对整个观测场景引起的最大距离偏移误差，并将其与调频连续波圆周SAR场景中心处的理论平面分辨率Δρ′₀相除得到脉内运动引起的最大距离偏移误差相对于分辨率的比值为ΔC，其中Δρ′₀＝2.4λ/(4πcosθ_d0)，为调频连续波圆周SAR对场景中心目标的俯仰角，ΔC为：

步骤4判定调频连续波圆周SAR时域方法成像过程中是否可以忽略脉内运动并指导选取合适的成像方法：将调频连续波圆周SAR成像***参数带入ΔC的表达式中并计算ΔC的值，当调频连续波圆周SAR脉内运动引起的距离偏移误差小于一个距离分辨单元，即ΔC＜1时，采用调频连续波圆周SAR时域方法成像过程中脉内运动引起的距离偏移误差可忽略不计，此时可以忽略脉内运动，并采用脉冲体制圆周SAR时域方法来成像，即采用停-走-停近似的时域成像方法来得到最终的调频连续波圆周SAR图像；反之，当调频连续波圆周SAR脉内运动引起的距离偏移误差大于或等于一个距离分辨单元，即ΔC≥1时，采用调频连续波圆周SAR时域方法成像过程中不能忽略脉内运动，此时需要对脉内运动进行额外的补偿，并采用本发明的补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法来成像，继续下面的步骤；

步骤5成像场景网格划分，将雷达观测场景划分为大小一致的若干个单位网格，单位网格的大小要求小于场景中心处的理论平面分辨率Δρ′₀，即Δx′＜Δρ′₀，Δy′＜Δρ′₀，其中，Δx′和Δy′分别为场景网格的距离向间隔和方位向间隔；

步骤6计算网格点在某一方位慢时刻包含了脉内平台运动引入的距离偏移误差的新的瞬时斜距R′，具体步骤为：

计算网格点在该方位时刻停-走-停近似下的瞬时斜距R_cen为：

计算脉内平台运动在距离域引入的距离偏移误差ΔR₁为：

其中，Δf_i＝-2k₁/λ为调频连续波圆周SAR脉内平台运动在距离域引起的频率偏移误差，θ_m为慢时间t_m对应的方位观测角，即θ_m＝ωt_m；

计算新的瞬时斜距R′＝R_cen+ΔR₁；

步骤7根据新的瞬时斜距计算出该方位时刻的距离压缩信号在成像网格中相对应的位置，即将该方位时刻的距离压缩信号按照新的瞬时斜距投影到成像网格中，并记为S′_if(f_i,t_m)；

步骤8方位向相位补偿，得到某一方位时刻的子图像为：

其中，x′和y′为场景中的网格坐标，exp(j4πR_Δm/λ)为方位向相位补偿函数；

步骤9得到最终的调频连续波圆周SAR图像，判断是否得到了所有方位时刻的子图像，即是否得到了方位向所有采样点处的子图像，若没有，进入下一方位时刻并重复上述步骤6～8，若得到了所有方位时刻的子图像，进行子图像相干叠加得到最终的调频连续波圆周SAR图像为：

其中，M为整个360°孔径内方位向的采样点数。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应当视为落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1获取调频连续波圆周SAR回波信号，包括调频连续波圆周SAR成像***参数初始化及调频连续波圆周SAR回波信号建模，基于以下步骤：

(1.1)调频连续波圆周SAR成像***参数初始化：雷达平台圆形运动轨迹半径为R，高度为H，方位向观测角为θ，雷达天线相位中心位置A为(x_r,y_r,H)，其中x_r、y_r和H分别为位置A的x轴、y轴和z轴坐标，A的坐标也可以表示为(Rcosθ,Rsinθ,H)；地平面的圆形观测场景半径为R_a，场景中任意一个点目标P的坐标为(x,y,0)，也可表示为其中r和分别为目标P的径向半径和方位角；雷达运动角速度为ω，载机速度V＝Rω，t时刻对应的方位观测角为θ＝ωt，全时间其中t_m表示慢时间，为快时间；

(1.2)调频连续波圆周SAR回波信号建模：雷达位置A与目标P之间的瞬时斜距R_r为：

计算R_r在快时间处的一阶泰勒展开为：

其中，

R_cen为停-走-停近似下的瞬时斜距，即脉冲体制圆周SAR的瞬时斜距，为调频连续波圆周SAR脉内运动引入的距离徙动误差，也是脉冲圆周SAR忽略的误差；

雷达发射信号为线性调频信号时，目标P的回波信号为：

其中，rect(·)为矩形窗函数，c为光速，T_p为脉冲持续时间,且f_c为载频，K_r调频率，且K_r＝B/T_p，B为雷达发射信号带宽；

步骤2解线频调处理以及残余视频相位消除和基频回波信号获取，基于以下步骤：

(2.1)解线频调处理：回波信号与参考信号的共轭相乘得到差频信号为：

其中，参考信号为：

R_ref为参考距离，取为场景中心处目标与雷达之间的瞬时斜距，R_Δ＝R_r-R_ref；差频信号中的最后一个指数项为残余视频相位项；

(2.2)残余视频相位消除和基频回波信号获取：对差频信号进行距离向傅里叶变换并与指数项exp(-jπf_i ²/K_r)相乘消除残余视频相位，其中f_i＝-2K_rR_Δ/c为差频频率，再对差频频率做逆傅里叶变换得到基频回波信号为：

其中，λ＝f_c/c为载波波长，R_Δm＝R_cen-R_ref；

步骤3距离压缩并分析脉内平台运动引起的距离偏移误差，基于以下步骤：

(3.1)距离压缩：基频回波信号最后一个指数项中的系数为其最大值为4πB/2c，在毫米波段f_c＞＞B/2，则4π/λ＝4πf_c/c＞＞4πB/2c，即基频回波信号中指数项对应的相位远小于对应的相位，此时，忽略基频信号中的最后一个指数项对成像的影响，然后沿距离向进行傅里叶变换得到距离压缩信号为：

(3.2)分析脉内运动引起的距离偏移误差：调频连续波圆周SAR脉内平台运动在距离域引起的频率偏移误差为Δf_i＝-2k₁/λ，将其转换为距离偏移误差为：

其中，θ_m为慢时间t_m对应的方位观测角，即θ_m＝ωt_m；

计算距离偏移误差ΔR₁的最大值，即调频连续波圆周SAR脉内运动对场景中某一目标引起的最大距离偏移误差为：

上式中令r＝R_a，即得到调频连续波圆周SAR脉内运动对整个观测场景引起的最大距离偏移误差，并将其与调频连续波圆周SAR场景中心处的理论平面分辨率Δρ′₀相除得到脉内运动引起的最大距离偏移误差相对于分辨率的比值为ΔC，其中Δρ′₀＝2.4λ/(4πcosθ_d0)，为调频连续波圆周SAR对场景中心目标的俯仰角，ΔC为：

步骤4判定调频连续波圆周SAR时域方法成像过程中是否可以忽略脉内运动并指导选取合适的成像方法：将调频连续波圆周SAR成像***参数带入ΔC的表达式中并计算ΔC的值，当调频连续波圆周SAR脉内运动引起的距离偏移误差小于一个距离分辨单元，即ΔC＜1时，采用调频连续波圆周SAR时域方法成像过程中脉内运动引起的距离偏移误差可忽略不计，此时可以忽略脉内运动，并采用脉冲体制圆周SAR时域方法来成像，即采用停-走-停近似的时域成像方法来得到最终的调频连续波圆周SAR图像；反之，当调频连续波圆周SAR脉内运动引起的距离偏移误差大于或等于一个距离分辨单元，即ΔC≥1时，采用调频连续波圆周SAR时域方法成像过程中不能忽略脉内运动，此时需要对脉内运动进行额外的补偿，并采用本发明的补偿调频连续波圆周SAR脉内运动的成像方法来成像，继续下面的步骤；

步骤5成像场景网格划分，将雷达观测场景划分为大小一致的若干个单位网格，单位网格的大小要求小于场景中心处的理论平面分辨率Δρ′₀，即Δx′＜Δρ′₀，Δy′＜Δρ′₀，其中，Δx′和Δy′分别为场景网格的距离向间隔和方位向间隔；

步骤6计算网格点在某一方位慢时刻包含了脉内平台运动引入的距离偏移误差的新的瞬时斜距R′，具体步骤为：

计算网格点在该方位时刻停-走-停近似下的瞬时斜距R_cen为：

计算脉内平台运动在距离域引入的距离偏移误差ΔR₁为：

其中，Δf_i＝-2k₁/λ为调频连续波圆周SAR脉内平台运动在距离域引起的频率偏移误差，θ_m为慢时间t_m对应的方位观测角，即θ_m＝ωt_m；

计算新的瞬时斜距R′＝R_cen+ΔR₁；

步骤7根据新的瞬时斜距计算出该方位时刻的距离压缩信号在成像网格中相对应的位置，即将该方位时刻的距离压缩信号按照新的瞬时斜距投影到成像网格中，并记为S′_if(f_i,t_m)；

步骤8方位向相位补偿，得到某一方位时刻的子图像为：

其中，x′和y′为场景中的网格坐标，exp(j4πR_Δm/λ)为方位向相位补偿函数；

步骤9得到最终的调频连续波圆周SAR图像，判断是否得到了所有方位时刻的子图像，即是否得到了方位向所有采样点处的子图像，若没有，进入下一方位时刻并重复上述步骤6～8，若得到了所有方位时刻的子图像，进行子图像相干叠加得到最终的调频连续波圆周SAR图像为：

其中，M为整个360°孔径内方位向的采样点数。