专利名称：一种双基地前视合成孔径雷达成像方法
技术领域：
本发明属于雷达信号处理技术领域，尤其涉及双基地前视合成孔径雷达(SAR， Synthetic Aperture Radar)的成像方法。
背景技术：
与光学传感器相比，合成孔径雷达具有穿透性强，能全天时、全天候工作的独特优 点，目前已得到广泛的应用。双基地SAR是一种新的雷达体制，系统发射站和接收站分置于 不同平台上，收发分置的特点使其具备了许多突出的优点和特点，如获取目标信息丰富、作 用距离远、安全性好、抗干扰能力强等。双基地前视SAR是指收发波束共同指向运动接收站前方地面的双基地SAR系统。 由于收发分置，发射站可为接收站提供方位向合成孔径，形成方位向高分辨，通过发射大带 宽信号形成距离向高分辨，因此双基地前视SAR可以实现接收站前视高分辨成像。双基地 前视SAR可以克服传统SAR技术不能实现飞行器正前方高分辨雷达成像的缺陷，使编队 飞行的飞机具备前视成像的能力，从而可以应用于飞行器前视对地观测、自主导航、自主着 陆、物资空投等领域。成像处理是SAR信号处理中的关键步骤之一，目的是实现由回波到可视图像的转 化。与单基地SAR相比，双基地前视SAR成像面临更多的问题，比如由于收发分置，将使基 于双曲线的单基SAR成像算法不再适用、解析的回波频域模型计算困难，并且接收波束前 视使回波存在大距离单元徙动、距离方位强耦合的特点。目前针对单基地SAR，应用比较广泛的成像方法是距离多普勒(RD，RangeD0ppler) 成像方法，其本质是利用SAR信号在距离多普勒域可以保留系统方位空不变、距离空变的 特性，利用在距离多普勒域的一维插值实现距离单元徙动校正。但是由于信号特性的不同， 传统的RD成像方法不能直接应用在双基地前视SAR中。在文献“Qiu Xiaolan,Hu Donghui, Ding Chibiao,SomeReflections on Bistatic SAR of Forward-looking Configuration, IEEE Geoscienceand Remote Sensing Letters, Vol 5，No 4，735-739，2008” 中，提出采 用RD方法来实现双基地前视SAR成像，但是该方法只可以实现固定发射站的双基地前视 SAR成像，无法对收发站均运动的双基地前视SAR回波进行处理；在文献“Neo Y. L.，Wong F. H. , Cumming I. G. , Processing of Azimuth-InvariantBistatic SAR Data Using the Range Doppler Algorithm, IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing, Vol 16，No 1，14-20，2008”中，提出采用RD算法来进行双基地SAR成像，但是该方法由于采用 了基于泰勒展开的双基地SAR点目标响应二维频谱来进行成像，只能对正侧视及斜视情况 下的双基地SAR进行成像，对双基地前视SAR处理精度较差。此夕卜，在文献"Hu Cheng, Zeng Tao, Long Teng, Yang Chun, Forward-Iookingbistatic SAR range migration alogrithm, Proceedings of 2006 CIE InternationalConference on Radar, 127-130，2006”中，提出采用距离徙动算法来实现双 基地成像，但是该方法将双基地前视SAR等效为单基地SAR进行处理，不能精确地体现双基地前视SAR收发分置工作的特点。在文献“Li Zeng liang, Yao Di，Long Teng，SPECAN Algorithm for Forward-Looking Bistatic SAR, Proceedingsof 2008ICSP,2517—2520, 2008”中，提出采用SPECAN算法进行双基地前视SAR成像处理，但是该算法采用了二阶近 似，没有充分考虑双基地前视SAR成像对二维频谱的高精度要求，使成像结果精度较低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的方法在双基地前视合成孔径雷达成像处理时的 缺陷，提出了一种双基地前视合成孔径雷达成像方法。为了方便描述本发明的内容，首先对以下术语进行解释术语1 双基地 SAR (bi stati c SAR)双基地SAR是指系统发射站和接收站分置于不同平台上的SAR系统，其中至少有 一个平台为运动平台，在概念上属于双基地雷达。术语2 双基地前视 SAR(Forward-looking bistatic SAR)双基地前视SAR是指收发波束共同指向运动接收站前方地面的双基地SAR系统。 由于收发分置，双基地前视SAR可以克服传统SAR技术不能实现飞行器正前方高分辨雷达 成像的缺陷，使编队飞行的飞机具备前视成像的能力，从而可以应用于飞行器前视对地观 测、自主导航、自主着陆、物资空投等领域。3 -.!ΨΜΒΜ (Series reversion)序列反转是通过变量代换来求一个没有常数项幂级数函数的反函数的一种计算 方法，具体可参见文献"Neo Y. L. , Wong F. , Cumming I. G. , Atwo-dimensional spectrum for bistatic SAR processing using series reversion, IEEEGeoscience and Remote Sensing Letters, Vol 4, No 1，93-96，2007”。其主要思想为已知一个没有常数项的函数 y(x) = alX+a2X2+a3X3+L，它的反函数被表示成级数 x(y) = Aiy+A2y2+A3y3+L，将 χ (y)式代入 y(x)，可以得到:_y(x) = ^A1 y + (a2Af + αλΑ2 )y2 + (α3Α^ + 2α24Λ + α\Α )少3 +L于是，通过多项式对等可以得到4 = α 1，Α = " Γ3 2，4 = a'5(Ia22 -αΛ)， A4 = {5αχα2α3 -afa4 -Sa\) ,A5 = a[9(6afa2a3 +3 +14a) -afa5 -lla^la^)第η 阶系数为W = J- V (-1)—L(^-l + s + t + u+L)i^YΓ
na"s\t\u^L^al) ^al)其中 s+2t+3u+L = n-1。术语4 最小二乘多项式拟合已知两个序列Ix1...xm}和{yi...ym}，求一个简单易算的多项式近似函数
m
户(X)S / (X)使得 ΣI Pixl)-只 I2 最小。
i=l本发明提供了一种双基地前视合成孔径雷达成像方法，具体包括如下步骤步骤一成像系统参数初始化，包括如下参数平台速度，记为V，发射平台零时 刻位置，记为(XOT，y0T, ZOT)，接收站零时刻位置，记为(0，y0E, Zcik)，发射站天线斜视角，记为 θ sT ；接收站天线下视角，记为θ dE ；发射站中心斜距，记为Γ(ιτ ；接收站中心斜距，记为Ak，中 心频率，记为fQ;
将方位时间向量记为Ta= {-PRI · Na/2，-PRI · (Na/2_1)，L，PRI · (Na/2_1)} T，PRI为脉冲重复间隔，Na为目标回波方位点数，双基地距离和向量为Rb(Ta) =Rt(Ta)+Re(Ta)，其中K(Ta)、Re(T3)为发射站和接收站的距离历史，分别为
Rr(Ta) = ψ02τ +V2T2a-Ir07VTa Sin^r ,Rr(To) = ψ0\ +V2T2a -2r0RVTa cos^，构造距离频率向量f= {-fs/2，-fs/2+fs/Nr，-fs/2+2fs/Nr，L，fs/2_fs/Nr}，fs 为距离 向采样频率，Nr为距离向点数；方位频率向量fa = {-PRF/2，-PRF/2+PRF/Na, -PRF/2+2PRF/ Na, L，PRF/2-PRF/Na}T, PRF 为脉冲重复频率；步骤二计算双基地前视SAR点目标响应二维频谱，将Rb(Ta)对方位时 间Ta做M阶最小二乘多项式拟合，得到拟合系数为Kk = {kE0, kE1, kE2……W，则
Rb=kR0 + kR]Ta+kR2T: +......+^AM^jkr，采用序列反转方法，得到双基地前视SAR点目标响应二维频谱相位。SK(f，fs)，同 时，采用数值计算方法，得到精确的二维频谱数值解① ^，fs)；步骤三将步骤二中的点目标响应的二维频谱相位0SK(f，fs)沿距离频率向量f 做多项式展开，将1/ (f+f0)，1/(f+f0)2, 1/(f+f0)3沿距离频率向量f做N阶最小二乘多项式拟合，
得到拟合系数向量分别为 Kfl = {kfl0, kfll, kfl2......kflN}，Kf2 = {kf20, kf21, kf22......kf2N}，Kf3
—{kf30, kf31, kf32......kf3N},将上述系数带入步骤二求得的双基地前视SAR点目标响应二维频谱相位ΦΜ( ·， fs)，得到按照距离频率展开的二维频谱相位凑％(/,/；)，距离频率一阶项相位因子对应距离 单元徙动，记为ΦΜ;二阶项相位因子对应二次距离压缩相位，记为；常数项对应方位 压缩，记为Oaz;步骤四对接收到的二维回波数据进行二维傅立叶变换，将接收到的双基前视 SAR回波信号数据矩阵记为S，沿距离向和方位向分别做二维傅立叶变换，将其变换到二维 频域，得到复矩阵；步骤五高阶相位补偿，在二维频域内，通过共轭相乘补偿由计算点目标二维频谱 相位<(/，/；)产生的相位误差，补偿相位因子为々_(/，/><(/，/>得到补偿后的二
维频域回波数据§2加sSykxp^—^f^i^U))]；步骤六距离向脉冲压缩，对经过步骤五补偿后的二维频域回波数据。，利用常 规匹配滤波方法实现距离向脉冲压缩，得到距离压缩后的双基地前视SAR数据，记为&& ；步骤七二次距离压缩，对经步骤六压缩后的数据，利用参考点处的二次距离压缩 相位Osrc构造二次距离压缩因子exp {j Φsrc}，进行二次距离压缩，补偿距离频率的二阶项， 得到去除双基地前视SAR的距离方位耦合后的回波数据，记为；步骤八距离单元徙动校正，对经过步骤七得到的数据，采用距离向逆傅立叶 变换将其变换到距离多普勒域，采用插值实现距离向空变的距离单元徙动校正；步骤九方位压缩，对经过步骤八的数据，利用产生的不同距离门的方位压缩参考 函数exp U OaJ，最终得到目标成像结果。本发明的有益效果本发明采用基于最小二乘多项式拟合的双基地前视SAR点目 标响应二维频谱，该频谱是理论精确二维频谱的最小二乘逼近。利用该频谱，根据双基地前
6视SAR方位空不变、距离空变、距离单元徙动在RD域非线性、多普勒质心距离空变的特点， 完成了双基地前视SAR距离徙动校正、二次距离压缩和高阶相位补偿，从而实现了双基地 前视SAR的精确聚焦。本发明的方法与现有传统SAR成像方法和双基地前视SAR成像方法 相比，成像精度较高，可以应用于合成孔径雷达成像、地球遥感、自主导航等领域。
图1是本发明双基地前视SAR成像方法的流程示意图。图2是本发明具体实施例采用的双基地前视SAR系统结构图。图3是本发明具体实施例采用的双基地前视SAR系统参数表。图4是本发明具体实施例中采用的目标场景布置图。图5是本发明具体实施例中对图4中15个点目标进行成像的结果示意图。图6是图4中A、0、B点的成像结果示意图。
具体实施例方式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Matlab2010上验 证正确。下面结合附图和具体实施例对本发明的方法做进一步的阐述。本发明的双基地前视SAR成像方法的流程示意图如图1所示，具体过程如下步骤一成像系统参数初始化。本实施例采用的成像几何模式图如图2所示，系统 坐标系以成像中心目标点0为坐标原点，平台沿y轴运动，χ轴为切航迹方向，ζ轴为垂直 地面方向。本实施例采用的目标场景如图4所示，图中的黑色圆点为布置于地面上的3X5 共15个点目标。这15个点沿χ方向(切航迹)间隔500米，沿y方向(沿航迹)间隔150 米，平台沿y轴运动。平台速度记为V，发射平台零时刻位置记为(Χ(1Τ，y0T, zOT)，接收站零时刻位置记为 (0，yc ，ζ )。发射站天线斜视角，记为θ sT ；接收站天线下视角，记为θ dK ；发射站中心斜距， 记为rOT ；接收站中心斜距，记为；中心频率，记为& ；发射信号带宽为B^ ；仿真所需的参 数如图3所示。将方位时间向量记为Ta= {-PRI · Na/2，-PRI · (Na/2_1)，L，PRI · (Na/2_1)} T，PRI为脉冲重复间隔，Na为目标回波方位点数。双基地距离和向量为Rb (Ta) =Rt(Ta)+Re(Ta)，其中Rt (Ta)、Re(T3)为发射站和接收站的距离历史，分别为
Rr(Ta) = ψ02τ +V2T2a-Ir07VTa Sin^r ,Rr(To) = ψ0\ +V2T2a -2r0RVTa cos^。构造距离频率向量f= {-fs/2，-fs/2+fs/Nr，-fs/2+2fs/Nr，L，fs/2_fs/Nr}，fs 为距离 向采样频率，Nr为距离向点数；方位频率向量fa = {-PRF/2，-PRF/2+PRF/Na, -PRF/2+2PRF/ Na, L，PRF/2-PRF/Na}T, PRF 为脉冲重复频率。步骤二 计算双基地前视SAR点目标响应二维频谱。将Rb对方位时间Ta做M阶最小二乘多项式拟合，得到拟合系数为Kk = {kE0, kE1, kE2……W，W\Rb=kR0 +kRlT+kR2ra +……+K ο采用序列反转方法，得到双基地前视SAR点目标响应二维频谱相位Osk(f，fs)，同 时，采用数值计算方法，得到精确的二维频谱数值解Φ^σ，fs)。在本实施例中，选取场景中心(0，0，0)为参考点。多项式拟合可以采用Matlab函数库中的polyfit函数，该函数可以得到最小二乘意义下的多项式拟合系数。选取M = 3， 利用该函数，求得双基地距离和的多项式拟合系数。利用这些系数，采用序列反转方法，即 可得到双基地前视SAR点目标响应二维频谱相位0SK(f，fs)。步骤三将步骤二中的点目标回波的二维频谱相位0SK(f，fs)沿距离频率向量f 做多项式展开。将1/ (f+f0)，1/(f+f0)2,1/(f+f0)3沿距离频率向量f做N阶最小二乘多项式拟合。
得到拟合系数向量分别为
权利要求
1. 一种双基地前视合成孔径雷达成像方法，具体包括如下步骤 步骤一成像系统参数初始化，包括如下参数平台速度，记为V，发射平台零时刻位 置，记为(XOT，yoT， T)，接收站零时刻位置，记为(0，yc ， κ)，发射站天线斜视角，记为esT; 接收站天线下视角，记为θ dE ；发射站中心斜距，记为rOT ；接收站中心斜距，记为r^，中心频 率，记为f0;将方位时间向量记为=Ta = {-PRI · Na/2，-PRI · (Na/2-l)，L，PRI · (Na/2_1)}T，PRI 为 脉冲重复间隔，Na为目标回波方位点数，双基地距离和向量为Rb(Ta) = &(Ta)+ (Ta)，其中 Rt(Ta) > Re(T3)为发射站和接收站的距离历史，分别为/^rj =批+V2T2a-Ir01VTa sin^r，Rn(Ta) = ψ0\ +VX-2r0RVTa cosedR，构造距离频率向量 f = {_fs/2，-fs/2+fs/Nr, -fs/2+2fs/Nr, L，fs/2-fs/Nr}，fs 为距离向 采样频率，凡为距离向点数；方位频率向量fa = {-PRF/2，-PRF/2+PRF/Na，-PRF/2+2PRF/Na， L，PRF/2-PRF/NjT, PRF为脉冲重复频率；步骤二计算双基地前视SAR点目标响应二维频谱，将Iib(Ta)对方位时 间Ta做M阶最小二乘多项式拟合，得到拟合系数为Kk = {kE0, kE1, kE2……W，则Rb=kR0 + kR]Ta+kR2T: +......+^AM^jkr，采用序列反转方法，得到双基地前视SAR点目标响应二维频谱相位。SK(f，fs)，同时， 采用数值计算方法，得到精确的二维频谱数值解Φ^σ，fs)；步骤三将步骤二中的点目标响应的二维频谱相位。SK(f，fs)沿距离频率向量f做多 项式展开，将l/(f+f0)，l/(f+f。)2，l/(f+fQ)3沿距离频率向量f做N阶最小二乘多项式拟合，得到拟合系数向量分别为 Kfl = {kfl0, kfll, kfl2......kflN}, Kf2 = {kf20, kf21, kf22......kf2N}, Kf3 ={kf30, kf31, kf32......kf3N},将上述系数带入步骤二求得的双基地前视SAR点目标响应二维频谱相位c5SK(f，fs)， 得到按照距离频率展开的二维频谱相位凑％(/,/；)，距离频率一阶项相位因子对应距离单 元徙动，记为ΦΜ;二阶项相位因子对应二次距离压缩相位，记为；常数项对应方位压 缩，记为Oaz;步骤四对接收到的二维回波数据进行二维傅立叶变换，将接收到的双基前视SAR回 波信号数据矩阵记为S，沿距离向和方位向分别做二维傅立叶变换，将其变换到二维频域， 得到复矩阵S2f ；步骤五高阶相位补偿，在二维频域内，通过共轭相乘补偿由计算点目标二维频谱相位 $%(/，/；)产生的相位误差，补偿相位因子为(/，/>$%(/，/；)，得到补偿后的二维频域回波数据S2加 sSykxp^—^^fji^U))]；步骤六距离向脉冲压缩，对经过步骤五补偿后的二维频域回波数据。，利用常规匹 配滤波方法实现距离向脉冲压缩，得到距离压缩后的双基地前视SAR数据，记为&& ；步骤七二次距离压缩，对经步骤六压缩后的数据，利用参考点处的二次距离压缩相位 Osrc构造二次距离压缩因子eXp{jc5src}，进行二次距离压缩，补偿距离频率的二阶项，得到 去除双基地前视SAR的距离方位耦合后的回波数据，记为；步骤八距离单元徙动校正，对经过步骤七得到的数据&fsM，采用距离向逆傅立叶变换 将其变换到距离多普勒域，采用插值实现距离向空变的距离单元徙动校正；步骤九方位压缩，对经过步骤八的数据，利用产生的不同距离门的方位压缩参考函数 exp {j^J，最终得到目标成像结果。
全文摘要
本发明公开了一种双基地前视合成孔径雷达成像方法。本发明针对现有的方法在双基地前视合成孔径雷达成像处理时的缺陷，采用基于最小二乘多项式拟合的双基地前视SAR点目标响应二维频谱，该频谱是理论精确二维频谱的最小二乘逼近。利用该频谱，根据双基地前视SAR方位空不变、距离空变、距离单元徙动在RD域非线性、多普勒质心距离空变的特点，完成了双基地前视SAR距离徙动校正、二次距离压缩和高阶相位补偿，从而实现了双基地前视SAR的精确聚焦。本发明的方法与现有传统SAR成像方法和双基地前视SAR成像方法相比，成像精度较高。
文档编号G01S7/41GK102147469SQ201010611220
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者孔令讲, 张晓玲, 李文超, 杨建宇, 杨晓波, 杨海光, 武俊杰, 黄钰林 申请人:电子科技大学