一种星载非沿迹SAR多模式一体化频域成像方法

一种星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法
技术领域
1.本发明属于合成孔径雷达技术领域，尤其涉及一种星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法。


背景技术：

2.合成孔径雷达(synthetic aperture radar,sar)是一种主动式微波遥感设备，具有全天时、全天候、二维高分辨、强穿透性等特点，是地球遥感的一种有效手段，对灾害预警、环境监测和军事侦察等应用领域具有重大意义。
3.非沿迹成像模式是星载sar的一种特有的工作模式。相对于传统星载sar，星载非沿迹sar通过连续调整俯仰维、方位维波束指向，直接生成沿目标地形的测绘带，而不是传统的沿卫星轨道生成测绘带，这使得其在对某些“非沿卫星航迹场景”如地震带、海岸线成像时从根本上减少了回波数据冗余度，显著提高星载sar对狭长场景的观测效率，具有独特的优势。传统sar的条带、滑聚、循序扫描地形观测(terrain observation by progressive scans，tops)模式均可应用于星载非延迹sar，因此，星载非沿迹sar具有多模式的特点，且由于其空间构型相比于传统成像模式更为复杂，成像多普勒参数的耦合与空变也更为严重，传统频域成像算法精度无法满足成像需求。然而时域成像算法虽然精度高，适用于星载非沿迹sar成像，但需要针对每个目标点构造滤波器，运算量十分巨大，算法过于低效。
4.因此，需要一种星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供一种星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法，能够实现星载非沿迹sar在条带模式、tops模式以及滑聚模式下的高精度成像。
6.一种星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法，包括以下步骤：
7.s1：获取星载非沿迹sar的多模式回波距离频域信号s1(fr,ta)；
8.s2：基于待测目标的斜距历程r(ta)构建距离徙动方位空变模型，再根据距离徙动方位空变模型校正所述多模式回波距离频域信号s1(fr,ta)中存在的距离徙动方位空变，得到多模式回波距离频域信号s2(fr,ta)；
9.s3：对s2(fr,ta)进行方位向傅里叶变换，得到s2(fr,ta)的二维频谱s3(fr,fa)；
10.s4：基于所述二维频谱s3(fr,fa)构建距离-方位两维空变模型，再根据距离-方位两维空变模型获取距离向非线性调频变标因子和方位向非线性调频变标因子；
11.s5：采用距离向非线性调频变标因子对经过相位补偿后的二维频谱s3(fr,fa)进行距离向的非线性调频变标，得到第一变标结果，然后对第一变标结果进行距离徙动校正以及距离压缩，得到距离-多普勒域下的信号s4(fr,fa)；
12.s6：采用方位向非线性调频变标因子对经过相位补偿后的s4(fr,fa)进行方位向的非线性调频变标，得到第二变标结果，再对第二变标结果进行方位压缩，得到二维图像。
13.进一步地，所述多模式回波距离频域信号s1(fr,ta)的获取方法为：
14.构建相位h1：
[0015][0016]
其中，fc为载频，fr为距离频率，q1和q2分别为一阶补偿系数和二阶补偿系数，c为光速，ta为成像时刻，j为虚部；
[0017]
对回波进行距离向傅里叶变换后再与相位h1相乘，得到多模式回波距离频域信号s1(fr,ta)。
[0018]
进一步地，所述距离徙动方位空变模型的构建方法为：
[0019]
利用梯度下降法求解所对应的方位时刻t
p,new
，并将r(ta)在ta＝t
p,new
处泰勒展开，得到：
[0020]
r(ta)＝r
0,new
+k
2,new
(t
a-t
p,new
)2+k
3,new
(t
a-t
p,new
)3+k
4,new
(t
a-t
p,new
)4[0021]
其中，ta为成像时刻，r
0,new
、k
2,new
、k
3,new
和k
4,new
分别为泰勒展开的零阶、二阶、三阶和四阶系数，且二阶系数k
2,new
存在距离徙动方位空变如下：
[0022]k2,new
＝k
20
+k
21
t
p,new
[0023]
其中，k
20
和k
21
分别为方位向零阶空变系数和一阶空变系数。
[0024]
进一步地，所述多模式回波距离频域信号s1(fr,ta)中存在的距离徙动方位空变的校正方法为：
[0025]
构建多项式h2：
[0026][0027]
其中，fc为载频，fr为距离频率，c为光速，ta为成像时刻，j为虚部，q3为三阶补偿系数；
[0028]
将多模式回波距离频域信号s1(fr,ta)与多项式h2相乘，得到多模式回波距离频域信号s2(fr,ta)。
[0029]
进一步地，所述距离-方位两维空变模型的构建方法为：
[0030]
将二维频谱s3(fr,fa)在距离频率fr处进行泰勒展开，得到：
[0031][0032]
式中，分别为泰勒展开的零阶～四阶系数，j为虚部；
[0033]
其中，零阶系数存在距离-方位两维空变如下：
[0034][0035]
式中，fa为方位频率，λ为波长，t
p
为目标的合成孔径中心时刻，p
20
(r
p
)、p
21
(r
p
)和p
22
(r
p
)分别为斜距为r
p
的距离门内的方位向二次调制相位的零阶、一阶和二阶空变系数，p
30
(r
p
)、p
31
(r
p
)分别为斜距为r
p
的距离门内的方位向三次调制相位的零阶、一阶空变系数，
p
40
(r
p
)为斜距为r
p
的距离门处的方位向四次调制相位系数；系数a1～a3分别表示为：
[0036][0037]
系数k1～k4分别表示为：
[0038][0039]
其中，q1～q3分别为设定的一阶～三阶补偿系数，k1～k4分别为对待测目标的斜距历程r(ta)进行泰勒级数展开时得到的一阶～四阶系数，且有：
[0040]
r(ta)＝r0+k1(t
a-t
p
)+k2(t
a-t
p
)2+k3(t
a-t
p
)3+k4(t
a-t
p
)4[0041]
其中，ta为成像时刻，r0为t
p
时刻雷达与待测目标间的距离；
[0042]
一阶系数存在距离空变如下：
[0043][0044]
式中，和分别为的距离向零阶、一阶和二阶空变系数，r
ref
为参考斜距；
[0045]
二阶系数存在距离空变如下：
[0046][0047]
式中，分别为的距离向零阶、一阶空变系数。
[0048]
进一步地，均为关于方位频率fa的函数，则将其分别记为
[0049]
所述距离向非线性调频变标因子和方位向非线性调频变标因子的获取方法为：
[0050]
计算距离向非线性调频变标因子系数c2(fa)、c3(fa)、y3(fa)：
[0051][0052]
式中，f0为多普勒中心频率，为在f0处的距离向一阶空变系数、为在f0处的距离向二阶空变系数；
[0053]
则距离向非线性调频变标因子h4如下：
[0054][0055]
式中，tr为距离时间；
[0056]
计算方位向非线性调频变标因子系数c2(r
p
)、c3(r
p
)、c4(r
p
)、y3(r
p
)、y4(r
p
)：
[0057][0058]
式中，β为大于1的常数；
[0059]
则方位向非线性调频变标因子h7如下：
[0060][0061]
进一步地，系数为关于方位频率fa与斜距r
p
的函数，参考斜距r
ref
处的系数标记为
[0062]
步骤s5中的第一变标结果的获取方法为：
[0063]
构建相位h3：
[0064][0065]
将二维频谱s3(fr,fa)与相位h3相乘后再进行距离向逆傅里叶变换，然后将距离向逆傅里叶变换的结果与所述距离向非线性调频变标因子h4相乘，得到所述第一变标结果。
[0066]
进一步地，所述距离-多普勒域下的信号s4(fr,fa)的获取方法为：
[0067]
构建相位h5：
[0068][0069]
式中，d2和d3表示为：
[0070][0071]
将所述第一变标结果进行距离向傅里叶变换后再与相位h5相乘，然后将乘积进行距离向逆傅里叶变换，得到距离-多普勒域下的信号s4(fr,fa)。
[0072]
进一步地，步骤s6中的第二变标结果的获取方法为：
[0073]
构建相位h6：
[0074]
h6＝exp[jy3(r
p
)f
r3
+jy4(r
p
)f
r3
]
[0075]
将信号s4(fr,fa)与相位h6相乘后进行方位向逆傅里叶变换，再将方位向逆傅里叶变换结果与方位向非线性调频变标因子h7相乘，得到所述第二变标结果。
[0076]
进一步地，所述二维图像的获取方法为：
[0077]
构建相位h8：
[0078][0079]
式中，d2、d3和d4表示为：
[0080][0081]
将所述第二变标结果进行方位向傅里叶变换后再与相位h8相乘，然后将乘积进行方位向逆傅里叶变换，得到二维图像。
[0082]
有益效果：
[0083]
本发明提供一种星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法，实现了星载非沿迹sar条带、滑聚、tops模式的高精度成像。本发明通过统一多模式信号时频关系、建立精确的多普勒参数距离-方位两维空变模型，解决了星载非沿迹sar多模式成像中信号时频不一致、成像多普勒参数耦合与空变严重的问题，弥补了现有技术的不足。
附图说明
[0084]
图1为本发明提供的一种星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法的流程图；
[0085]
图2(a)为星载非延迹sar工作在条带模式时的空间构型示意图；
[0086]
图2(b)为星载非延迹sar工作在滑聚模式时的空间构型示意图；
[0087]
图2(c)为星载非延迹sar工作在tops模式时的空间构型示意图；
[0088]
图3为预处理后统一的信号时频关系示意图；
[0089]
图4为星载非沿迹sar条带模式点目标成像结果；
[0090]
图5为星载非沿迹sar滑聚模式点目标成像结果；
[0091]
图6为星载非沿迹sar tops模式点目标成像结果。
具体实施方式
[0092]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0093]
如图1所示，一种星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法，包括以下步骤：
[0094]
s1：获取星载非沿迹sar的多模式回波距离频域信号s1(fr,ta)；
[0095]
需要说明的是，星载非延迹sar空间构型如图2(a)～图2(c)所示，卫星的测绘带与星下点轨迹不再平行，而是通过连续调整俯仰维、方位维波束指向，使测绘带沿目标地形方向，与星下点轨迹的夹角为θ。
[0096]
波束在俯仰维、方位维两维转动，假设在成像时刻ta，波束中心与卫星速度间的夹角为α(ta)。当工作在条带模式，波束中心与卫星速度间的夹角恒定不变，即：
[0097][0098]
当工作在滑聚模式，波束中心与卫星速度间的夹角逐渐增大，即：
[0099][0100]
当工作在tops模式，波束中心与卫星速度间的夹角逐渐减小，即：
[0101][0102]
同时，根据非延迹sar空间构型，目标的斜距历程r(ta)可以用泰勒级数展开斜距模型表示：
[0103]
r(ta)＝r0+k1(t
a-t
p
)+k2(t
a-t
p
)2+k3(t
a-t
p
)3+k4(t
a-t
p
)4[0104]
式中，t
p
为目标的合成孔径中心时刻，r0为t
p
时刻雷达与目标间的距离，k1～k4为泰勒级数展开斜距模型的各阶系数。
[0105]
由图2(a)～图2(c)所示的星载非延迹sar空间构型可知，在成像时刻ta，波束中心照射目标的多普勒中心频率f
dc
(ta)为：
[0106][0107]
式中，vs为卫星速度，λ为波长。
[0108]
将上式泰勒展开，可以得到多普勒中心频率的近似解
[0109][0110]
式中，f
dc0
和f
dc1
分别为泰勒展开式一阶和二阶系数：
[0111][0112]
式中，α2成像中心时刻波束中心与卫星速度间的夹角。
[0113]
为实现频谱正交化并统一多模式sar信号时频关系，首先可以通过去走动实现频谱正交化，再通过去斜处理统一星载非沿迹sar多模式信号时频关系，具体的，构建相位h1：
[0114][0115]
式中，fc为载频；fr为距离频率；q1和q2为一阶和二阶补偿系数：
[0116][0117]
对回波进行距离向傅里叶变换(fourier transform，ft)后再与相位h1相乘，实现相位h1的补偿，得到多模式回波距离频域信号s1(fr,ta)，此时，统一后的信号时频关系如图3所示，非沿迹sar多模式回波距离频域信号表达式s1(fr,ta)为：
[0118][0119]
式中，kr为调频斜率。
[0120]
s2：基于待测目标的斜距历程r(ta)构建距离徙动方位空变模型，再根据距离徙动方位空变模型校正所述多模式回波距离频域信号s1(fr,ta)中存在的距离徙动方位空变，得到多模式回波距离频域信号s2(fr,ta)；
[0121]
根据信号表达式s1(fr,ta)，预处理后目标的斜距历程r(ta)变为：
[0122][0123]
利用梯度下降法，求解所对应的方位时刻t
p,new
，并将上式在ta＝t
p,new
处泰勒展开：
[0124]
r(ta)＝r
0,new
+k
2,new
(t
a-t
p,new
)2+k
3,new
(t
a-t
p,new
)3+k
4,new
(t
a-t
p,new
)4[0125]
式中，r
0,new
、k
2,new
、k
3,new
和k
4,new
为泰勒展开的各阶系数，且k
2,new
在方位向存在空变：
[0126]k2,new
＝k
20
+k
21
t
p,new
[0127]
式中，k
20
和k
21
为方位向零阶和一阶空变系数。
[0128]
为此，引入多项式h2，校正距离徙动的方位空变：
[0129]
[0130]
式中，q3为三阶补偿系数：
[0131][0132]
最后，将多模式回波距离频域信号s1(fr,ta)与多项式h2相乘，得到多模式回波距离频域信号s2(fr,ta)。
[0133]
s3：对s2(fr,ta)进行方位向傅里叶变换，得到s2(fr,ta)的二维频谱s3(fr,fa)；
[0134]
需要说明的是，信号s1(fr,ta)补偿多项式h2后，得到的信号表达式s2(fr,ta)为：
[0135][0136]
令：
[0137][0138]
则信号表达式s2(fr,ta)可以重新写为：
[0139][0140]
式中，k1～k4均存在距离-方位两维空变。
[0141]
对s2(fr,ta)进行方位向傅里叶变换，得到信号二维频谱s3(fr,fa)：
[0142][0143]
式中，fa为方位频率，a1～a3表示为：
[0144][0145]
s4：基于所述二维频谱s3(fr,fa)构建距离-方位两维空变模型，再根据距离-方位两维空变模型获取距离向非线性调频变标因子和方位向非线性调频变标因子；
[0146]
进一步地，基于所述二维频谱s3(fr,fa)构建距离-方位两维空变模型具体为：
[0147]
将二维频谱s3(fr,fa)对fr泰勒展开，得到：
[0148][0149]
式中，为泰勒展开的各阶系数：
[0150][0151][0152][0153][0154]
其中，与方位调制项有关，建立距离-方位两维空变模型：
[0155][0156]
式中，fa为方位频率，λ为波长，t
p
为目标的合成孔径中心时刻，p
20
(r
p
)、p
21
(r
p
)和p
22
(r
p
)分别为斜距为r
p
的距离门内的方位向二次调制相位的零阶、一阶和二阶空变系数，p
30
(r
p
)、p
31
(r
p
)分别为斜距为r
p
的距离门内的方位向三次调制相位的零阶、一阶空变系数，p
40
(r
p
)为斜距为r
p
的距离门处的方位向四次调制相位系数；
[0157]
与距离徙动有关，由于步骤s2校正了徙动的方位空变性，其方位空变可以忽略不计，建立距离空变模型：
[0158]
[0159]
式中，和分别为的距离向零阶、一阶和二阶空变系数，r
ref
为参考斜距。
[0160]
与距离二次相位有关，其方位空变可以忽略不计，建立距离空变模型：
[0161][0162]
式中，分别为的距离向零阶、一阶空变系数。
[0163]
与距离三次相位有关，其距离、方位空变可以忽略不计。
[0164]
下面介绍距离向非线性调频变标因子h4和方位向非线性调频变标因子h7的计算方法，需要说明的是，均为关于方位频率fa的函数，因此可以将其分别记为
[0165]
首先，计算距离向非线性调频变标因子系数c2(fa)、c3(fa)、y3(fa)：
[0166][0167]
式中，f0为多普勒中心频率，一般为0。
[0168]
则距离向非线性调频变标因子h4如下：
[0169][0170]
式中，c为光速，tr为距离时间；
[0171]
然后，计算方位向非线性调频变标因子系数c2(r
p
)、c3(r
p
)、c4(r
p
)、y3(r
p
)、y4(r
p
)：
[0172][0173]
式中，β为大于1的常数；
[0174]
则方位向非线性调频变标因子h7如下：
[0175][0176]
式中，ta为方位时间。
[0177]
s5：采用距离向非线性调频变标因子对经过相位补偿后的二维频谱s3(fr,fa)进行距离向的非线性调频变标，得到第一变标结果，然后对第一变标结果进行距离徙动校正以及距离压缩，得到距离-多普勒域下的信号s4(fr,fa)；
[0178]
需要说明的是，步骤s5主要是进行距离向ncs(nonlinear chirp scaling，非线性调频变标)，完成距离徙动校正以及距离压缩。首先，在二维频谱补偿距离三次相位，并进行预滤波，补偿的相位h3为：
[0179][0180]
需要说明的是，系数为关于方位频率fa与斜距r
p
的函数，表示参考斜距r
ref
处的系数
[0181]
将二维频谱s3(fr,fa)与相位h3相乘后再进行距离向逆傅里叶变换，然后将距离向逆傅里叶变换的结果与所述距离向非线性调频变标因子h4相乘，得到所述第一变标结果。
[0182]
最后，将第一变标结果进行距离向傅里叶变换，补偿相位h5实现距离徙动校正与距离压缩，并进行距离向逆傅里叶变换，将信号变换到距离-多普勒域，即得到信号s4(fr,fa)。这里，相位h5为：
[0183][0184]
式中，d2和d3表示为：
[0185][0186]
s6：采用方位向非线性调频变标因子对经过相位补偿后的s4(fr,fa)进行方位向的非线性调频变标，得到第二变标结果，再对第二变标结果进行方位压缩，得到二维图像。
[0187]
需要说明的是，步骤s6主要是进行方位向ncs，完成方位压缩。首先，在距离多普勒域进行预滤波，补偿的相位h6为：
[0188]
h6＝exp[jy3(r
p
)f
r3
+jy4(r
p
)f
r3
]
[0189]
然后，将信号s4(fr,fa)与相位h6相乘后进行方位向逆傅里叶变换，再将方位向逆傅里叶变换结果与方位向非线性调频变标因子h7相乘，得到所述第二变标结果。
[0190]
最后，将所述第二变标结果进行方位向傅里叶变换后再与相位h8相乘，然后将乘积进行方位向逆傅里叶变换，得到二维图像。这里，相位h8为：
[0191][0192]
式中，d2、d3和d4表示为：
[0193][0194]
下面分别通过星载非沿迹sar条带、滑聚、tops三种模式点目标仿真试验对本发明的效果进一步说明。
[0195]
试验一：星载非沿迹sar条带模式点目标仿真试验
[0196]
星载非沿迹sar条带模式仿真参数如表1所示。
[0197]
表1星载非沿迹sar条带模式仿真参数
[0198][0199][0200]
采用本发明所提的星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法对条带模式进行成像，成像结果如图4所示。选取左上、中心、右下点目标进行分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比评估，评估结果如表2所示。
[0201]
表1星载非沿迹sar条带模式点目标评估结果
[0202][0203]
试验二：星载非沿迹sar滑聚模式点目标仿真试验
[0204]
星载非沿迹sar滑聚模式仿真参数如表3所示。
[0205]
表3星载非沿迹sar滑聚模式仿真参数
[0206][0207][0208]
采用本发明所提的星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法对滑聚模式进行成像，成像结果如图5所示。选取左上、中心、右下点目标进行分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比评估，评估结果如表4所示。
[0209]
表4星载非沿迹sar滑聚模式点目标评估结果
[0210][0211]
试验三：星载非沿迹sar tops模式点目标仿真试验
[0212]
星载非沿迹sar tops模式仿真参数如表5所示。
[0213]
表5星载非沿迹sar tops模式仿真参数
[0214][0215][0216]
采用本发明所提的星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法对tops模式进行成像，成像结果如图6所示。选取左上、中心、右下点目标进行分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比评估，评估结果如表6所示。
[0217]
表6星载非沿迹sar tops模式点目标评估结果
[0218][0219]
由此可见，本发明提供一种星载非沿迹sar多模式一体化频域成像方法，统一了多模式sar的信号时频关系，并建立了精确的多普勒参数距离-方位两维空变模型，实现了星载非沿迹sar条带、滑聚、tops模式的高精度成像。本发明解决了星载非沿迹sar多模式成像中信号时频不一致、成像多普勒参数耦合与空变严重的问题，弥补了现有技术的不足。
[0220]
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。