专利名称：：一种扇扫sar的广域观测方法
技术领域：
：本发明涉及雷达
技术领域：
，具体涉及一种扇扫SAR的广域观测方法。
背景技术：
：对于合成孔径雷达传感器而言，快速有效地发现感兴趣目标能够大大提升其应用价值。具备广域观测和监视能力是平台和SAR载荷设计的一项重要内容。由于方位分辨率等于平台速度与多普勒带宽之比，对于慢速平台来说，平台运动速度较低，相同的多普勒带宽可以使分辨率数值较小，从而得到较高的分辨率；通常脉冲重复频率略大于多普勒带宽，因而慢速平台SAR采用较低的脉冲重复频率仍可获得高分辨率图像。而脉冲重复频率越小，发射脉冲周期越长，信号回波窗可以更宽，能够获得更宽测绘带的回波数据，从而实现更宽测绘带的高分辨率成像;而且扫描模式SAR通常搭载的相控阵天线具有波束指向和波束形成快速变化的能力。所以对于慢速平台，可以采用较低的脉冲重复频率实现宽测绘带成像。理论上，慢速平台SAR载荷只要有足够宽的距离向波束和足够高的信号功率,就可以实现高分辨率宽测绘带成像。在慢速平台上采用经典条带模式SAR,如图1所示，在平台运动过程中，天线波束始终与飞行方向垂直，天线扫过目标形成带状的成像区域，SAR图像的输出速度和平台飞行速度相同，即方位向的图像输出效率和距离向的宽测绘带失配严重。如果为了增加局部区域方位分辨率而进一步增加积累时间而采用Spotlight扫描t莫式，如图2所示，平台运动过程中，天线不断调整波束指向，使其瞄准单个目标，从而形成局部区域的更高分辨率的成像，但这种模式进一步降低了方位观测效率。如果在慢速平台上采用经典ScanSAR的扫描模式，如图3所示，平台运动过程中，天线方位向波束始终与飞行方向垂直，距离向波束在某一子带停留一小段时间(约为合成孔径时间的1/5)后，迅速切换到另一个子带发射并接收回波，驻留时间仍然为部分子孔径时间，此后波束距离指向又跳变到其他子带，由于各子带的信号积累时间减少，所以这种模式是用以牺牲方位分辨率为代价获得宽测绘带。慢速平台搭载这三种常规扫描模式SAR都无法实现快速广域观测，需要一种扫描模式实现慢速平台SAR的高效广域观测。
发明内容本发明一种扇扫SAR的广域观测方法，相控阵天线按照扇扫角度和扇扫角速度参数逐脉冲调整方位向波束指向，发射线性调频脉冲并接收回波信号，通过二维聚焦处理和校正拼接处理得到完整图像；充分地利用相控阵天线能在方位向形成扫描波束，在正侧视角度附近保持视角不变，从而形成近似扇环成像区域，实现方位向高效广域观测；利用方位向波束在信号录取过程中沿方位向扇形扫描，在保证宽距离向测绘带的同时，提高经典条带模式在慢速平台SAR载荷中方位向的观测效率；本方法能够在较短时间内对大面积的区域进行二维观测，提高方位向的时间分辨率和观测效率，从而实现高效的二维广域观测。本发明一种扇扫SAR的广it观测方法，包括以下步骤步骤1:根据相控阵天线的二维扫描能力，由天线理论得到计算方位向和距离向的主瓣波束的指向变化范围，确定方位向波束偏扫角度变化范围-，步骤2:根据等效方位分辨率与扇扫参数的关系，确定相控阵天线方位扇扫角度变化范围和扇扫角速度参数；步骤3:雷达开机前，将相控阵天线方位扇扫角度变化范围和扇扫角速度参数注入雷达控制系统，雷达幵机后，通过伺服平台和天线TR组件的配相设置，使得天线距离向中心指向与设定视角相等，方位向波束调整到方位向波束指向的最小值；步骤4:发射机按照脉冲重复周期间隔发射线性调频信号脉冲，毎个线性调频信号脉冲经过延迟后开启回波窗对回波信号进行采集，将回波信号经过视频转换及采样存成二维矩阵;步骤5:对回波数据进行距离向分块，分块依据为距离向点数最大时沿距离向多普勒中心频率变化不能超过脉冲重复频率的25%,最小是脉冲宽度对应的采样点数；步骤6:对回波数据进行方位向分块，分块依据为方位向的脉冲数目最大取波束扫过目标所需时间对应的脉冲数目，最小取满足分辨率要求的积累时间所对应的脉冲数目；步骤7:同时对经过步骤5、6得到的块数据分别釆用二维聚焦成像处理算法进行高精度成像处理，并按照SAR定位方程组经过投影变换完成几何校正，然后对各校正图像进行融合处理，完成图像拼接。所述步骤1中相控阵天线的承载平台为慢速平台，运动速度低于50m/s。所述步骤2中的相控阵天线扇扫角度的变化范围为天线零偏扫时方位向安装角分别加上方位向波束偏扫角度变化范围的最小值和最大值；扇扫角速度取在扇扫角度变化范围内、方位分辨率小于系统允许的分辨率上限时对应的角速度最大值其中，&_为系统允许的分辨率上限，A。为方位处理展宽系数，v为水平飞行速度，；i为波长，《为天线方位向波束宽度，《为参考斜距对应的视角，i为参考斜距，^为扇扫角速度，《为方位扇扫角度，《为零偏扫时天线方位向安装角，《皿为天线不同配相时方位向波束在满足副瓣低于参考值时主瓣指向的最大角度和最小角度之差。所述步骤4中在回波信号釆集的过程中，从第一个脉冲的回波信号接收完毕，逐脉冲调整TR组件的配相参数，在回波信号采集的过程中，保持距离向入射角不变，方位向以设定扇扫角速度参数周期匀速扫描，当达到方位向波束偏扫角度变化范围的最大值时，方位向波束指向跳变到方位向波束偏扫角度变化范围的最小值2K<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，^分别为第!'个脉冲对应的天线波束中心方位向指向角度，i为整数，mod()表示求余运算，^为零偏扫时天线方位向安装角，《，为天线不同配相时方位向波束在满足副瓣低于参考值时主瓣指向的最大角度和最小角度之差，化为扇扫角速度，；为脉冲重复周期间隔。跳变后，重复下一次波束扇扫过程，直到回波数据采集完毕。本发明提供的高效广域观测扇扫模式SAR的实现方法具备以下优点(1)本发明提供的方法充分利用相控阵天线可以快速灵活地调整方位向波束指向的特点，能够在较短时间内对大面积的区域进行二维观测，提高方位向的时间分辨率和观测效率；(2)本发明提供的方法在相控阵天线的扫描能力范围内，只在方位向局部角度进行扇形扫描，减小了观测区域的时间观测间隔，并减小了成像区域内图像方位分辨率的差异；(3)本发明提供的方法可以通过调整天线的扇形扫描角速度，实现不同方位分辨率的高效观测。图l为经典条带SAR模式示意图；图2为经典SpotlightSAR扫描模式示意图；图3为经典ScanSAR扫描模式示意图4为本发明一种扇扫SAR的广域观测方法的慢速平台SAR扇扫模式示意图5为本发明一种扇扫SAR的广域观测方法的步骤流程图6为一种扇扫SAR的广域观测方法的扇扫模式几何关系图7为一种扇扫SAR的广域观测方法的扇扫模式成像处理示意图8为一种扇扫SAR的广域观测方法的二维聚焦成像处理箅法流程图9a为一种扇扫SAR的广域观测方法的方位向偏扫角度为25度时天线方向图9b为一种扇扫SAR的广域观测方法的方位向偏扫角度为16.85度时的天线方向图。具体实施例方式下面结合附图对本发明广域观测扇扫模式SAR的实现方法进行详细说明。本发明提出的一种扇扫SAR的广域观测方法，如图4所示，在SAR工作过程中，平台飞行过程中，天线距离向波束指向即入射角《保持不变，方位向波束按顺时针(或逆时针)在一定范围内(不超过60度)以角速度化匀速旋转，从而形成近似扇环的成像区域。本发明提供的高效广域观测扇扫模式SAR的实现方法是通过以下步骤来实现的(如图5所示)步骤一确定方位向波束偏扫角度变化范围。根据相控阵天线的二维扫描能力，即由多个TR组件的二维分布以及不同配相情况可由天线理论得到计算方位向和距离向的主瓣波束0汐指向变化范围，确定方位向波束偏扫角度《o变化范围T,2其中《，为天线不同配相时方位向波束在满足副瓣低于参考值(如-25dB)时主瓣指向的最大角度和最小角度之差。步骤二确定相控阵天线方位扇扫角度《范围和扇扫角速度化。相控阵天线扇扫角度的变化范围为天线零偏扫时天线方位向安装角《分别加上方位向波束偏扫角《变化范围的最小值和最大值。《=《+《o/9/92"2("其中，《为零偏扫时天线方位向安装角，由于SAR主要是正侧视工作，相控阵天线方位向指向垂直于飞行方向，即《通常取90度(或-90度)。在图6所示的扇扫模式SAR几何关系中，确定等效方位分辨率&和相控阵天线扇扫参数(方位扇扫角度《以及扇扫角速度^等)的关系。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，《皿为系统允许的分辨率上限，A。为方位处理展宽系数，Ve为垂直与波束距离向的等效速度，v为水平飞行速度，5。为等效多普勒带宽，义为波长，及为参考斜距，《为天线方位向波束宽度，《为参考斜距对应的视角。由(2)~(4)可得，扇扫角速度化必须满足下式。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>根据等效方位分辨率与扇扫参数的关系，确定相控阵天线扇扫角度的变化范围和扇扫角速度，通常要求观测区域尽可能大，重复观测周期尽可能小。本方法取观测角度范围为天线扫描的最大角度范围,扇扫角速度化取满足式(5)的最大值c2u2步骤三确定天线的距离向和方位向的指向。雷达开机前，将相控阵天线方位扇扫角度范围/9P和扇扫角速度化参数注入雷达控制系统,雷达开机后的扫描初始化时，通过伺服平台和天线TR组件配相设置，使得天线距离向中心指向与设定视角相等，方位向波束指向方位角为《。步骤四发射机发射线性调频信号，并对回波信号进行采集。发射机按照脉冲重复周期间隔；，发射脉冲宽度为^的线性调频信号，毎个线性调频信号脉冲经过延迟时间^后开启回波窗接收回波信号，回波信号经过视频转换及采样存成二维矩阵。在回波信号采集的过程中，从第一个脉冲的回波信号接收完毕，逐脉冲调整TR组件的配相参数，使得相控阵天线的指向满足下列关系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(6)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中《和e。,分别为第z'个脉冲对应的天线波束中心距离向指向和方位向指向角度，mod(a，"表示数a对数b求余运算。步骤五对回波数据进行距离向分块，分块依据为距离向点数最大时沿距离向多普勒中心频率变化不能超过脉冲重复频率的25%，最小是脉冲宽度对应的采样点数，即每小块数据距离向点数乂满足下式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，、为脉冲宽度，义为釆样率，^为第/个距离门对应的斜距，A^为第y+w个距离门对应的斜距，A为平台高度。通常考虑到各块数据规模处理规^莫相当以及硬件设备的并行处理，在满足上述约束条件的范围内，根据分块数目近似均分整个测绘带对应的距离门(块数据间要考虑i个脉宽的数据重叠)。步骤六对回波数据进行方位向分块，分块依据为方位向的脉冲数目最大取波束扫过目标所需时间对应的脉冲数目，最小取满足分辨率要求的积累时间所对应的脉冲数目，即方位向批处理数据点数W。为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>步骤七同时对将分割好的块数据分别进行高精度成像处理，并进行几何校正后再将校正后的图像进行拼接处理，得到完整图像。对块数据采用二维聚焦成像处理算法进行高精度成像处理，这种方法是在方位向时域、距离向频域完成距离徙动校正。然后按照SAR定位方程组建立斜距图像和地距图像的对应关系，将斜距图像投影到地距图像，得到各块图像的几何校正结果，对各校正图像进行融合处理，完成图像拼接。如图7所示，为回波信号处理全过程，首先按步骤五、步骤六的方式将回波数据矩阵进行分块处理，分块之后的数据可采用并行结构进行数据处理利用二维聚焦成像处理算法，流程图如图8所示，输入方位向、距离向均已划分好的回波数据块块数据，并在距离向进行傅立叶正变换，得到方位向时域、距离向频域的信号；之后分别与距离向参考函数因子和距离徙动校正因子相乘后并做距离向傅立叶逆变换，完成距离压缩和距离徙动校正，得到距离压缩后信号；接着与方位差频因子相乘，并作方位向傅立叶变换即可得到斜距块图像。然后按照SAR定位方程组(即斜距方程、多普勒方程和地球模型方程)经过投影变换完成几何校正，最后对各校正图像进行融合处理，完成图像拼接。实施例1:在高度H为15km,飞行速度v为30m/s的平台上实现方位分辨率5。，为5m,中心视角&为60°的扇扫模式成像。其它参数如表1所示。扇扫模式SAR的实现方法具体通过以下步骤表1主要分析参数<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>扇扫模式SAR的实现方法具体通过以下步骤步骤一根据实际天线TR组件的布局以及相控阵天线理论，可得到方位向不同指向时天线方位向方向图，如图9a所示，当偏扫角度为25度时，在-80度指向角位置出现了-17dB的较强栅瓣，较强栅瓣会使得模糊度指标变差；主瓣偏移量减小至-16.85度时，如图9b所示栅瓣强度减弱至-25dB,当限定栅瓣强度不超过-25dB时，可得到方位向波束偏扫角度变化范围为《。e[—16.85°,16.85。度，即《鹏=33.7°。步骤二本实施中选择《=90°，则由(1)式得方位向波束扫描范围为《=《+《。e[73.15°，106.85°]。相对于作360度角度范围扫描的环形扫描，扇扫SAR的时间分辨率提高了约10倍。相控阵天线方位向指向零偏扫时波束宽度最小，测得约为1.9度，即3dB宽度，本实施例中取为方位处理展宽系数^=1.2，并取天线方位向波束宽度《=1.9°，由式(5)可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>即最大扇扫角速度化为0.583產/秒，进而可以得到方位波束扇扫周期r-L，约为58秒c步骤三雷达开机前，将相控阵天线方位扇扫角度范围<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>和扇扫角速度^参数注入雷达控制系统，雷达开机后，调整伺服平台，使得天线方位向零偏扫时指向90度，距离向中心视角《为60度，进一步通过调整TR组件配相，进行配相设置，使方位向波束指向最小方位角《一^=73.15°。步骤四发射机按照脉冲重复周期间隔7;为0.002秒，发射脉冲宽度fp为IO微秒的线性调频信号，毎个发射脉冲经过延迟时间^150微秒后开启回波窗(持续时间为150微秒，距离向总点数为采样持续时间与釆样率乘积，本实施距离向总点数等于12000)接收回波信号，将回波信号经过视频转换及釆样存成二维矩阵。在回波信号采集的过程中，从第一个脉冲的回波信号接收完毕，逐脉冲调整TR组件的配相参数，使得相控阵天线的距离向指向保持恒定的视角》为60。，由式(7)得，同时方位指向逼近73.15+mod(0.00583々,33.7)度的方位角。步骤五对回波数据进行距离向分块，首先根据斜距计算公式A^^;+^r/(c为ZZ'人光速，^为回波延迟时间)，可得到&=22500+1.875'，再根据式(8)可以确定800《乂"6918,如果采用4个并行处理器，每块的距离向处理点数可取3800(总采样点数12000/4+—个脉冲宽度对应釆样点数800),考虑到成像处理是做基2(即2的整数次幂)的傅立叶运算，因而距离向分块处理规模为4096。步骤六将根据式(9)可以确定1881《乂21882，则方位向分批处理的脉冲数目为1882;考虑到实际成像处理过程中一般是做基2的傅立叶运算，并且往往需要做补0处理至最小的2的整数次幂，因而方位向的数据处理规模为2048。步骤七对块数据采用二维聚焦成像处理算法进行高精度成像处理，这种方法是使划分好的块数据经过距离向傅立叶正变换，得到方位向时域、距离向频域的信号，之后分别与距离向参考函数因子和距离徙动校正因子相乘，然后做距离向傅立叶逆变换，在方位向时域、距离向频域完成距离徙动校正。接着与方位差频因子相乘并作方位向傅立叶变换即可得到斜距块图像。然后按照SAR定位方程组(即斜距方程、多普勒方程和地球模型方程)建立斜距图像和地距图像的对应关系，将斜距图像投影到地距图像，得到各块图像的几何校正结果，采用对应点叠加的方法对各校正图像进行融合处理，完成图像拼接，得到一张完整的SAR图像。本发明主要针对慢速平台(通常水平速度v小于50米/秒)，利用相控阵雷达天线在信号录取过程中沿方位向扇形扫描，在得到了较宽的距离向测绘带的同时，解决了经典条带模式在慢速平台SAR载荷中方位向观测效率低的问题，提高了方位向的观测效率，从而实现高效的二维广域观测。权利要求1、一种扇扫SAR的广域观测方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一根据相控阵天线的二维扫描能力，由天线理论得到计算方位向和距离向的主瓣波束的指向变化范围，确定方位向波束偏扫角度变化范围；步骤二根据等效方位分辨率与扇扫参数的关系，确定相控阵天线方位扇扫角度变化范围和扇扫角速度参数；步骤三雷达开机前，将相控阵天线方位扇扫角度变化范围和扇扫角速度参数注入雷达控制系统，雷达开机后，通过伺服平台和天线TR组件的配相设置，使得天线距离向中心指向与设定视角相等，方位向波束调整到方位向波束指向的最小值；步骤四发射机按照脉冲重复周期间隔发射线性调频信号脉冲，每个线性调频信号脉冲经过延迟后开启回波窗对回波信号进行采集，将回波信号经过视频转换及采样存成二维矩阵；步骤五对回波数据进行距离向分块，分块依据为距离向点数最大时沿距离向多普勒中心频率变化不能超过脉冲重复频率的25％，最小是脉冲宽度对应的采样点数；步骤六对回波数据进行方位向分块，分块依据为方位向的脉冲数目最大取波束扫过目标所需时间对应的脉冲数目，最小取满足分辨率要求的积累时间所对应的脉冲数目；步骤七同时对经过步骤五、六得到的块数据分别采用二维聚焦成像处理算法进行高精度成像处理，并按照SAR定位方程组经过投影变换完成几何校正，然后对各校正图像进行融合处理，完成图像拼接。2、根据权利要求1所述的一种扇扫SAR的广域观测方法，其特征在于所述步骤一中相控阵天线的承载平台为慢速平台，运动速度低于50m/s。3、根据权利要求1所述的一种扇扫SAR的广域观测方法，其特征在于所述步骤二中的相控阵天线扇扫角度的变化范围为天线零偏扫时方位向安装角分别加上方位向波束偏扫角度变化范围的最小值和最大值；扇扫角速度取在扇扫角度变化范围内、方位分辨率小于系统允许的分辨率上限时对应的角速度最大值其中，&自为系统允许的分辨率上限，、为方位处理展宽系数，v为水平飞行速度，A为波长，《为天线方位向波束宽度，《为参考斜距对应的视角，及为参考斜距，仿,为扇扫角速度，《为方位扇扫角度，《为零偏扫时天线方位向安装角，《，为天线不同配相时方位向波束在满足副瓣低于参考值时主瓣指向的最大角度和最小角度之差。4、根据权利要求1所述的一种扇扫SAR的广域观测方法，其特征在于所述步骤四中在回波信号采集的过程中，从第一个脉冲的回波信号接收完毕，逐脉冲调整TR组件的配相参数，在回波信号采集的过程中，保持距离向入射角不变，方位向以设定扇扫角速度参数周期匀速<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage2</formula>扫描，当达到方位向波束偏扫角度变化范围的最大值时，方位向波束指向跳变到方位向波束偏扫角度变化范围的最小值其中，《,分别为第!'个脉冲对应的天线波束中心方位向指向角度，i为整数，mod()表示求余运算，《为零偏扫时天线方位向安装角，《自为天线不同配相时方位向波束在满足副瓣低于参考值时主瓣指向的最大角度和最小角度之差，^为扇扫角速度，7;为脉冲重复周期间隔；跳变后，重复下一次波束扇扫过程，直到回波数据采集完毕。全文摘要本发明提供了一种扇扫SAR的广域观测方法，将相控阵天线按照扇扫角度和角速度参数逐脉冲调整方位向波束指向，使方位向波束按发射脉冲顺序在扇扫角度范围内匀速旋转，形成扫描波束，从而形成近似扇环的成像区域，发射线性调频信号并接收回波信号，通过二维聚焦处理和校正拼接处理得到完整图像。在方位向的正侧视角度附近保持视角不变，形成了近似扇环成像区域，实现方位向高效广域观测；利用方位向波束在信号录取过程中沿方位向扇形扫描，在保证宽距离向测绘带的同时，提高经典条带模式在慢速平台SAR载荷中方位向的观测效率。本方法能够在较短时间内对大面积的区域进行二维观测，提高方位向的时间分辨率和观测效率，从而实现高效的二维广域观测。文档编号G01S13/00GK101344590SQ20081011846公开日2009年1月14日申请日期2008年8月25日优先权日2008年8月25日发明者周荫清,兵孙,李春升,杰陈申请人:北京航空航天大学