专利名称：基于高阶多项式距离方程的同步轨道sar成像方法
技术领域：
本发明属于星载雷达技术领域，更进一步涉及一种基于高阶多项式距离方程的同步轨道SAR成像方法，可用于同步轨道SAR对地面场景实现高分辨成像。
背景技术：
由于同步轨道SAR的轨道高度为35768km，抗打击和摧毁能力强，有较强的战场生存能力。同时，超长的合成孔径使其具备了对动目标进行连续跟踪与高分辨率成像的潜力， 能够满足大范围战略监视、预警与战场侦察。此外，同步轨道SAR还具有重返周期短，覆盖范围广，时间分辨率高等优点，在地震和火山预报、海洋应用研究等方面具有潜在的优势。 这些优势的体现取决于成像技术，现有的同步轨道SAR成像技术有以下两种。第一种，高分辨同步轨道SAR成像算法。例如，李军，邢孟道，李亚超，王万林，谭小敏在论文“同步轨道SAR系统参数分析及成像算法研究”《系统工程与电子技术》2010， 32(5) =931-936中提出利用BP算法对其进行成像的方法，虽然BP算法在理论上没有任何近似，能够对任意轨迹情况下的信号进行成像，且不受场景的限制，是时域最优成像算法， 但是其运算量比较大，不适合工程实现。第二种，低分辨率同步轨道SAR成像算法。例如，李财品，张洪太，谭小敏在“一种适用于同步轨道SAR的改进CS算法”《宇航学报》2011，32(1) :179-186中提出了一种对曲线轨迹补偿为直线后采用RD算法进行成像的方法，但是由于其是按场景中心点进行补偿， 其对场景边缘点的聚焦效果较差，并且只适用低分辨率的情况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，根据同步轨道SAR平台的运动特点，对真实斜距历程进行高阶逼近，从而建立同步轨道SAR的高阶多项式距离方程，利用卡尔丹方程，推导出了同步轨道SAR回波信号二维频谱的精确解析表达式。在此基础上，提出了一种适用于同步轨道SAR的成像方法，实现全孔径高分辨成像。本发明的具体实施步骤如下(1)建立斜距表达式利用同步卫星轨道方程建立星地斜距的两点距离公式，对该距离公式进行高阶泰勒展开得到同步轨道SAR高阶多项式距离方程R(Im)=R0 + k,tm + k2tl + k/w + k/m其中，Rtl为参考距离，tm为慢时间，Ktm为距离走动项，k2tm为距离弯曲项，k3tm，k4tm 为高阶相位项；(2)推导二维频谱表达式2a)对同步轨道SAR回波数据进行距离傅立叶变换；2b)基于步骤(1)中高阶多项式距离方程求解卡尔丹方程得到方位傅立叶变换的驻相点的解析解，代入方位傅立叶变换的相位项中，从而得到同步轨道SAR回波数据二维频谱的解析表达式；
(3)场景中心点匹配3a)对二维频谱的解析表达式取共轭得到二维频域补偿函数；3b)对同步轨道SAR回波信号进行二维FFT处理，将其变换到二维频域，得到二维频域的回波数据；3c)将二维频域补偿函数与变换到二维频域的回波数据相乘实现场景中心点匹配；(4)距离IFFT处理对完成中心点匹配的结果进行距离IFFT处理，将其从二维频域变换到距离-多普勒域；(5)补偿距离空变相位5a)求解相位差对步骤O)中的方位傅立叶变换的相位项和卡尔丹方程的系数进行近似处理后，求解近似处理后的卡尔丹方程得到方位傅立叶变换的驻相点的解析解， 将其代入近似处理后的方位傅立叶变换的相位项中，从而得到沿距离空变的相位误差；5b)将沿距离空变的相位误差取共轭后与变换到距离-多普勒域的信号相乘，实现空变相位误差的补偿；(6)方位向IFFT处理对完成距离空变相位补偿的信号进行方位向IFFT处理，实现同步轨道SAR的聚焦成像。本发明与现有技术相比具有以下优点第一，由于本发明对同步轨道SAR的真实斜距历程进行了高阶逼近，能够得到精确的目标斜距表达式，从而减小了斜距近似误差造成的相位误差，提高了成像精度。第二，由于本发明的斜距公式为高阶多项式距离方程，并且通过求解卡尔丹方程来得到二维频谱的精确解析表达式，因此相比现有技术，本发明二维频谱中同步轨道SAR 运动信息更加完整，有利于同步轨道SAR的高分辨成像。第三，由于本发明中所有操作都由快速傅里叶变换和相位点乘完成，大大缩短了处理时间，具有较高的效率，适合工程实现。
图1为本发明的流程图；图2为本发明多项式距离方程不同阶数情况下的相位误差比较图，其中图2(a)为本发明目标斜距三次近似误差曲线图，图2(b)为本发明目标斜距四次近似误差曲线图；图3为常规RD方法点目标成像结果与本发明点目标成像结果的比较图，图3(a) 为常规RD方法点目标成像结果等高线图，图3 (b)为本发明点目标成像结果等高线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的描述。参照图1，本发明的具体实施步骤如下步骤1.建立斜距表达式。同步卫星轨道方程如下
权利要求
1.一种基于高阶多项式距离方程的同步轨道SAR成像方法，包括如下步骤(1)建立斜距表达式利用同步卫星轨道方程建立星地斜距的两点距离公式，对该距离公式进行高阶泰勒展开得到同步轨道SAR高阶多项式距离方程R(Jm) = Ra + kit, + kjl + k/m +其中，Rq为参考距离，tm为慢时间，Ktm为距离走动项，k2tffl为距离弯曲项，k3tm，k4tm为高阶相位项；(2)推导二维频谱表达式2a)对同步轨道SAR回波数据进行距离傅立叶变换；2b)基于步骤(1)中高阶多项式距离方程求解卡尔丹方程得到方位傅立叶变换的驻相点的解析解，代入方位傅立叶变换的相位项中，从而得到同步轨道SAR回波数据二维频谱的解析表达式；(3)场景中心点匹配3a)对二维频谱的解析表达式取共轭得到二维频域补偿函数；3b)对同步轨道SAR回波信号进行二维FFT处理，将其变换到二维频域，得到二维频域的回波数据；3c)将二维频域补偿函数与变换到二维频域的回波数据相乘实现场景中心点匹配；(4)距离IFFT处理对完成中心点匹配的结果进行距离IFFT处理，将其从二维频域变换到距离-多普勒域；(5)补偿距离空变相位5a)求解相位差对步骤O)中的方位傅立叶变换的相位项和卡尔丹方程的系数进行近似处理后，求解近似处理后的卡尔丹方程得到方位傅立叶变换的驻相点的解析解，将其代入近似处理后的方位傅立叶变换的相位项中，从而得到沿距离空变的相位误差；5b)将沿距离空变的相位误差取共轭后与变换到距离-多普勒域的信号相乘，实现空变相位误差的补偿；(6)方位向IFFT处理对完成距离空变相位补偿的信号进行方位向IFFT处理，实现同步轨道SAR的聚焦成像。
2.根据权利要求1所述的基于高阶多项式距离方程的同步轨道SAR成像方法，其特征在于对步骤(1)中星地斜距的两点距离公式泰勒展开后的序列保留至四次项。
3.根据权利要求1所述的基于高阶多项式距离方程的同步轨道SAR成像方法，其特征在于所述步骤2b)中推导的同步轨道SAR回波信号的二维频谱解析表达式为s{frJa) = ar{fr) U) exp [J9{fr ’ fa)}其中，f；为距离频率，fa为方位频率，ar(fr),aa(fa)分别为雷达线性调频信号的窗函数和方位窗函数；树人，/J为二维频谱相位。
4.根据权利要求1所述的基于高阶多项式距离方程的同步轨道SAR成像方法，其特征在于所述步骤如)中采用求解卡尔丹方程的方法得到沿距离空变的误差相位为其中，ζ为驻相点，凡)为距离Rtl的相位项，<(；尺)为场景中心距离Rs的相位项。
5.根据权利要求1所述的基于高阶多项式距离方程的同步轨道SAR成像方法，其特征在于所述步骤5a)中的近似处理是指将| + 1近似为其中，λ为雷达波长，c为光速。
全文摘要
一种基于高阶多项式距离方程的同步轨道SAR成像方法。其实现过程为1.建立同步轨道SAR高阶多项式距离方程式；2.求解卡尔丹方程，推导出同步轨道SAR回波信号二维频谱的精确解析表达式；3.构造二维频域补偿函数，在二维频域完成场景中心点匹配处理；4.距离IFFT处理，对完成中心点匹配的结果进行距离IFFT处理，将其从二维频域变换到距离-多普勒域；5.构造随距离空变的误差相位，在距离-多普勒域补偿距离空变相位；6.方位向IFFT处理得到聚焦后的同步轨道SAR图像。本发明中所有操作都由快速傅里叶变换和相位点乘完成，具有较高的效率，适合工程实现，并且二维频谱为精确解析解可以实现全孔径高分辨成像。
文档编号G01S13/90GK102226841SQ201110077629
公开日2011年10月26日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者包敏, 李亚超, 杨桓, 王万林, 邢孟道 申请人:西安电子科技大学