一种大斜视合成孔径雷达成像处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种大斜视合成孔径雷达成像处理方法。
【背景技术】
[0002] 合成孔径雷达（SAR)是一种全天时、全天候的高分辨率成像系统，通过发射大时 宽带宽积的线性调频信号，接收时经匹配滤波得到脉冲压缩信号，以获得距离向高分辨率， 利用合成孔径技术实现方位向的高分辨率。成像质量不受天气条件（云层、光照）等影响， 具有对远距离目标进行检测和定位的特点。SAR典型的应用领域包括灾害监测、资源勘探、 地质测绘、军事侦察等。
[0003] 与正侧视相比，机载SAR斜视成像具有很好的灵活性和机动性，通过改变波束的 指向，能够提供载机斜前方的场景目标信息，利用雷达散射截面与斜视角的强相关性来识 别人造目标，并且可以多次重访热点区域。因此，斜视模式下的合成孔径雷达成像具有广泛 应用前景。
[0004] 斜视工作模式下雷达的天线中心方向并不与距离向垂直，而是呈斜交关系，因 此，回波信号存在距离向和方位向耦合，当斜视角较大时，二维强耦合会严重影响成像 质量。另外，在大斜视角模式下，回波信号具有大多普勒中心频率和大距离走动的特 点。因此，传统正侧视SAR成像算法无法直接应用于大斜视角SAR成像中。距离多普 勒算法无法处理大斜视角SAR回波数据的强二维耦合特性；线性调频变标算法（CS)忽 略了二次距离压缩随多普勒和距离向的空变特性；Omega-K算法需要大量耗时的插值 操作才可聚焦大斜视角的回波数据。并且，这些算法均未充分利用大斜视角回波信号 的大距离走动和小距离弯曲的特点。在文献〃Extended chirp scaling algorithm for air-and spaceborne SAR data processing in stripmap and ScanSAR imaging modes"（《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》，vol. 34,no. 5， pp. 1123 - 1136, 1996.)中，采用扩展CS算法去除传统CS算法中的频谱混叠，来进行斜视 模式SAR的回波成像。然而，该方法忽略了二次距离压缩项的方位向和距离向依赖性，因 此只能应用于斜视角较小的情况下。在文献"Focus Improvement of Highly Squinted Data Based on Azimuth Nonlinear Scaling'，（ ((IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》，vol.49，no.6,2011)中，采用斜视最小化去除线性距离单元徙 动。然而斜视最小化方法利用了参考点的距离走动，忽略了距离走动的空变性和残余 的高阶距离徙动，造成距离向分辨率损失和方位向聚焦效果变差。在文献"Extended nonlinear chirp scaling algorithm for high-resolution highly squint SAR data focusing，"（《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》，vol.50,no.9， pp. 3595 - 3609,2012.)中，采用线性距离徙动校正因子（LRWC)去除距离走动，随后采用方 位向扩展非线性CS对多普勒调频率和三次项进行均衡。该方法忽略了多普勒质心的方位 向空变性对方位向压缩的影响，造成了方位向聚焦效果变差；另外，该方法同样忽略了距离 走动的空变性和残余的高阶距离徙动。可见，上述方法都无法对大斜视模式下的SAR回波 信号进行精确的成像。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术距离徙动的距离向空变性和多普勒参数的方位 向空变性造成的精度低的不足，提供一种可以实现大斜视角情况下的单基地SAR回波的精 确聚焦，可广泛应用于地球遥感、资源勘探、地质测绘、军事侦察等领域的大斜视合成孔径 雷达成像处理方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种大斜视合成孔径雷达成像处理 方法，包括以下步骤：
[0007] Sl :建立大斜视合成孔径雷达的空间几何结构，并根据空间几何结构和成像区域 点目标位置，计算大斜视合成孔径雷达回波信号；
[0008] S2 :对回波信号进行距离向FFT变换和空变距离走动校正，去除场景目标点的距 离向空变的距离走动；
[0009] S3 :对步骤S2校正后的回波信号进行距离向脉冲压缩并进行高阶距离徙动校正， 去除场景目标点残余的距离徙动；
[0010] S4 :对步骤S3校正后的回波信号进行多普勒参数的方位向空变性拟合；
[0011] S5 :采用扩展的方位向非线性调频变标算法将同一距离单元的目标点的多普勒质 心和调频斜率均衡；
[0012] S6 :进行方位向聚焦，得到成像结果。
[0013] 进一步地，所述的步骤Sl包括以下子步骤：
[0014] Sll :大斜视合成孔径雷达几何结构与回波生成：
[0015] 雷达平台的初始位置记为Q，飞行高度记为h，合成孔径雷达平台沿方向y的飞行 速度记为V，平台斜视角记为Θ sT，P。是波束脚印的方位向中心点，P。坐标记为（X。，y。，〇) ,r。 为目标点P (x，y，〇)在方位向波束中心时刻的瞬时斜距，yp= Vt。是P。和P的方位向距离， t。是P点的波束中心穿越时刻；
[0016] 佑咸！亦t时玄Il阳窗H烷P的阳窗R (t. .Yi V)为.
[0017]
[0018] 其中，t为方位向时间变量；
[0019] 设发射信号为线性调频信号，则解调后的回波信号表示为：
[0020]
[0021] 其中，A。是散射系数的幅度，ω J ·)为距离向包络，coa( ·)方位向包络，τ是快 时间变量，f。是载波频率，c是光速，K ^是距离向调频率，T a是合成孔径时间；
[0022] S12 :将传感器在t时刻距离目标P的距离R(t ;x，y)对方位向时间t在t = t。时 刻进行三阶泰勒展开：
[0063]
[0064] 其中，α为扩展方位向非线性调频变标参数；
[0065] 其中，L = 2b (q2+a) (q2+fdr。）_fd3 (a+q2) 2_q2 [b (2q2+a+fdr。）_fd3 (a+q2)]
[0066] M = - [d (q2+fdr。）2_b2 (q2+fdr。）] _3fd3b (a+q2) +3Y3q2bfdr。（3fdr〇q2_2aq 2+fdr〇a) _3q3b (q2_ 2fdr0+3a)
[0067]
[0068] S53 :将频谱搬移后的回波信号经过方位向FFT变换到距离时域方位频域；
[0069] S54 :将距离时域方位频率的回波信号乘以四次滤波函数Mfa);
[0070] S55 :将步骤S55得到的信号进行方位向IFFT变换回二维时域；
[0071] S56 :将二维时域的回波信号乘以非线性调频变标函数Φ ^(tj。
[0072] 进一步地，所述的步骤S6包括以下子步骤：
[0073] S61 :经过扩展方位向非线性调频变标后，回波信号的方位向相位表示为：
[0075] S62 :构i告如下方仿向颇域参考函数：
[0076]
(20)；
[0077] S63 :将步骤S56得到的回波信号通过方位向FFT变换变换到方位向频域；
[0078] S64 :将变换到方位向频域的回波信号与参考函数itAC(fa)相乘；
[0079] S65 :将步骤S64相乘得到的信号通过方位IFFT变换到二维时域，得到聚焦后的大 斜视合成孔径雷达图像。
[0080] 本发明的有益效果是：首先通过慢时间变换去除距离向空变的距离走动，然后提 出了残余高阶距离徙动校正方法，最后，使用扩展方位向非线性调频变标算法对将方位向 空变的多普勒参数；与现有大斜视角单基地SAR频域成像方法相比，解决了距离徙动的距 离向空变性和多普勒参数的方位向空变性，可以实现大斜视角情况下的单基地SAR回波的 精确聚焦，成像精度更高，可广泛应用于地球遥感、资源勘探、地质测绘、军事侦察等领域。
【附图说明】
[0081] 图1为本发明的几何结构图；
[0082] 图2为本发明成像方法计算流程图；
[0083] 图3为本发明的实施例中同一距离门不同方位向位置的5个目标点的二维时域回 波扫描图像；
[0084] 图4为图3中的1个目标点的二维时域回波扫描图像；
[0085] 图5为本发明的实施例中2个点的最终成像结果。
【具体实施方式】
[0086] 为了方便描述本发明的内容，首先对以下术语进行解释：
[0087] 大斜视SAR :如图1所示，大斜视SAR是指平台的波束指向为载机的斜前方或斜后 方，斜视角大于40度的情况下属于大斜视角模式。
[0088] 本发明主要采用仿真实验的方法进行验证，所有步骤、结论都在Matlab2012上验 证正确。下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0089] 如图2所示，一种大斜视合成孔径雷达成像处理方法，包括以下步骤：
[0090] Sl :建立大斜视合成孔径雷达的空间几何结构，并根据空间几何结构和成像区域 点目标位置，计算大斜视合成孔径雷达回波信号；具体包括以下子步骤：
[0091] Sll :大斜视合成孔径雷达几何结构与回波生成：
[0092] 雷达平台的初始位置记为Q，飞行高度记为h，合成孔径雷达平台沿方向y的飞行 速度记为V，平台斜视角记为Θ sT，P。是波束脚印的方位向中心点，p。坐标记为（X。，y。，〇)，r。 为目标点P (X，y，〇)在方位向波束中心时刻的瞬时斜距，yp= Vt。是P。和P的方位向距离， t。是P点的波束中心穿越时刻；
[0093] 传感器在t时刻距离目标P的距离R(t ;x，y)为：