合成孔径雷达大斜视模式下成像方法
【专利摘要】本发明提出了一种合成孔径雷达大斜视模式下成像方法，该方法包括：在方位多普勒域-距离时间域对回波信号进行扰动函数相乘，消除回波信号二次方位向-距离向耦合因子对目标斜距变化的依赖性；在二维频域进行参考函数相乘，该参考函数是参考斜距处点目标回波频谱的共轭函数，通过所述二维频谱与参考函数相乘，完成二维频谱全部距离不变相位的补偿；利用Chirp-Z变换在二维频域校正回波信号的差分距离徙动因子，通过一次卷积和两次相位相乘，完成距离徙动校正；通过方位向相位相乘补偿方位向残余相位，进行方位压缩，得到聚焦的合成孔径雷达图像。本发明的方法，能对大斜视合成孔径雷达数据进行精确高效的成像。
【专利说明】合成孔径雷达大斜视模式下成像方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波对地遥感观测【技术领域】，涉及应用于机载及星载合成孔径雷达大斜视角对地观测领域的一种基于Chirp-Z变换的大斜视模式下的精确聚焦方法。
【背景技术】
[0002]合成孔径雷达技术是目前对地遥感、成像及监测的重要技术手段，它可以实现全天时、全天候大覆盖区域高分辨率成像，在灾害监测、战术侦查、地形匹配导航、目标识别等方面有着广泛的应用。合成孔径雷达图像是场景回波数据经信号处理后电磁散射特性的表征。传统Chirp-Z变换成像方法通过变标傅立叶变换在二维频域校正一阶距离-方位耦合对目标斜距的依赖性。传统的Chirp-Z变换可以在避免插值运算的前提下实现SAR回波信号聚焦，但是由于忽略信号的二次及以上方位向-距离向耦合项随斜距的变化特性，故只能应用于正侧视或小斜视模式下。
【发明内容】
[0003](一 )要解决的技术问题
[0004]为了解决现有技术的问题，本发明的目的是利用Chirp-Z变换的优势，并以不增加运算复杂度的前提，将Chirp-Z变换拓展到大斜视模式下、精确的SAR成像方法。
[0005]( 二 )技术方案
[0006]为达成所述目的，本发明提供一种合成孔径雷达大斜视模式下成像方法，所述方法解决技术问题技术方案的成像步骤包括:
[0007]步骤S1:对大斜视合成孔径雷达回波原始数据做方位向傅立叶变换，得到处于方位多普勒域-距离时间域的回波信号；
[0008]步骤S2:利用大斜视合成孔径雷达回波信号时域模型、频谱模型及时频域映射关系，将处于方位多普勒域-距离时间域的回波信号乘以扰动函数，消除回波信号二次方位向-距离向耦合因子对目标斜距变化的依赖性，获取与目标斜距存在一次距离-方位耦合关系的回波信号，该回波信号的距离单元徙动表现为一个全新的距离徙动因子；
[0009]步骤S3:对获取与目标斜距存在一次距离-方位耦合关系的回波信号进行距离向傅立叶变换，得到二维频谱，所述二维频谱是与目标斜距存在一次距离-方位耦合关系的回波信号；
[0010]步骤S4:将二维频谱与参考函数相乘,该参考函数是参考斜距处点目标回波频谱的共轭函数，因此通过所述二维频谱与参考函数相乘，用于完成二维频谱全部距离不变相位的补偿，得到信号差分距离徙动频谱；
[0011]步骤S5:根据信号差分距离徙动频谱特征，构建距离徙动扩展因子，利用Chirp-Z变换在二维频域校正回波信号的差分距离徙动因子，通过一次卷积和两次相位相乘，完成距离徙动校正，得到距离向压缩的信号；
[0012]步骤S6:将距离向压缩的信号通过方位向相位相乘，用于补偿方位向残余相位，对距离向压缩的信号进行方位压缩，并得到方位压缩的信号；
[0013]步骤S7:将方位压缩的信号进行方位向傅立叶逆变换，得到聚焦的合成孔径雷达图像。
[0014](三)有益效果
[0015]本发明的方法通过引入一个扰动函数去除了二次方位向-距离向耦合项随目标斜距的变化，从而将Chirp-Z变换拓展到大斜视的情况下的数据处理。本发明的突破传统Chirp-Z变换算法的局限，实现机载及星载大斜视合成孔径雷达回波信号的高效、精确聚焦。所述距离单元徙动由一个徙动因子表现，并由Chirp-Z变换校正，操作只需要一次卷积和两次相位相乘，避免任何插值运算，结果精确且运算效率较高。操作完成后，信号进入距离-多普勒域，为下一步方位向残余相位补偿提供条件。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是大斜视模式下雷达平台和地面目标之间的几何关系图。
[0017]图2a是基于Chirp-Z变换的大斜视SAR成像方法的流程图。
[0018]图2b是Chirp-Z变换的示意图。
[0019]图3是仿真点阵目标场景图。
[0020]图4是传统的Chirp-Z变换的成像方法的成像结果(PTl等高线)。
[0021]图5是本发明提供的基于Chirp-Z变换的大斜视SAR成像方法的成像结果(PTl等闻线)。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0023]本发明的合成孔径雷达大斜视模式下成像方法可以硬件方式实现，也可以软件方式实现。例如在个人计算机、工控机及服务器上以软件的形式安装并执行，也可本发明的方法做成嵌入式芯片以硬件的形式来体现。下面参照附图对本发明的【具体实施方式】进行说明。
[0024]根据SAR回波信号时域模型、频谱模型及时频域映射关系，通过在方位多普勒域-距离时间域或多普勒-时间域引入一个扰动函数，去除二次方位向-距离向耦合因子对目标斜距变化的依赖性，之后形成一个全新的距离徙动因子，并利用Chirp-Z变化在二维频域校正回波信号的差分距离徙动因子，最后通过参考函数相乘及方位向残余相位补偿，即可实现大斜视合成孔径雷达信号的精确聚焦。
[0025]具体操作包括:对原始信号进行方位向傅立叶变换，将信号变换到距离时间-方位多普勒域或时间-多普勒域，在方位多普勒域或时间-多普勒域将原始信号与扰动函数相乘，用于消除方位向-距离向二次耦合项随目标斜距的变化，输出仅与目标斜距存在一次距离-方位耦合关系的回波信号；接着对原始信号进行距离向傅立叶变换，将原始信号变换到二维频域，在二维频域中将与目标斜距存在一次距离-方位耦合关系的回波信号信号与参考函数相乘，补偿全部的距离不变项，完成一致压缩；之后就可以对一致压缩的信号进行Chirp-Z变换校正距离徙动因子，并将完成距离徙动校正后的信号变化到距离-多普勒域；在距离-多普勒域中完成方位向的残余相位补偿，消除方位向残余相位；最后进行方位向傅立叶逆变换，即可得到良好聚焦的高分辨率合成孔径雷达对地遥感图像。
[0026]大斜视模式下雷达平台和地面目标之间的几何关系图如图1所示，其中Y轴方向为雷达航行方向，即方位向。X轴在地面垂直于雷达航向，即距离向。Z轴为雷达高度向。V为雷达平台沿Y轴方向的速度。
[0027]本发明中涉及的数学符号定义如下:
[0028]t距离向时间变量
[0029]τ方位向时间变量
[0030]f距离向频率参数
[0031]方位向频率参数
[0032]f0发射信号载波频率
[0033]σ ( τ 0, r0)地面目标P ( τ。，rQ)的后向散射系数
[0034]τ。地面目标P ( τ。，r0)的零多普勒时间
[0035]&地面目标P(Tt^rtl)到雷达平台航线的最短斜距
[0036]Kr发射信号调频率
[0037]c信号传播速度
[0038]实施例合成孔径雷达发射信号为线性调频信号，所述线性调频信号s (t)的数学表达式为:
[0039]s (t) = exp (j π Krt2)(I)
[0040]其中j为虚数单位。
[0041]根据雷达天线与地面目标之间斜距关系，如图1所示，在(τ，t)时刻，地面目标Ρ( τ 0, r0)的回波信号延时g( τ，t，τ。，r0)可以表达为:
[0042]
【权利要求】
1.一种合成孔径雷达大斜视模式下成像方法，其特征在于:成像的步骤包括: 步骤S1:对大斜视合成孔径雷达回波原始数据做方位向傅立叶变换，得到处于方位多普勒域-距离时间域的回波信号； 步骤S2:利用大斜视合成孔径雷达回波信号时域模型、频谱模型及时频域映射关系，将处于方位多普勒域-距离时间域的回波信号乘以扰动函数，消除回波信号二次方位向-距离向耦合因子对目标斜距变化的依赖性，获取与目标斜距存在一次距离-方位耦合关系的回波信号，该回波信号的距离单元徙动表现为一个全新的距离徙动因子； 步骤S3:对获取与目标斜距存在一次距离-方位耦合关系的回波信号进行距离向傅立叶变换，得到二维频谱，所述二维频谱是与目标斜距存在一次距离-方位耦合关系的回波信号; 步骤S4:将二维频谱与参考函数相乘，该参考函数是参考斜距处点目标回波频谱的共轭函数，因此通过所述二维频谱与参考函数相乘，用于完成二维频谱全部距离不变相位的补偿，得到信号差分距离徙动频谱； 步骤S5:根据信号差分距离徙动频谱特征，构建距离徙动扩展因子，利用Chirp-Z变换在二维频域校正回波信号的差分距离徙动因子，通过一次卷积和两次相位相乘，完成距离徙动校正，得到距离向压缩的信号； 步骤S6:将距离向压缩的信号通过方位向相位相乘，用于补偿方位向残余相位，对距离向压缩的信号进行方位压缩，并得到方位压缩的信号； 步骤S7:将方位压缩的信号进行方位向傅立叶逆变换，得到聚焦的合成孔径雷达图像。
2.根据权利要求1所述的合成孔径雷达大斜视模式下成像方法，所述消除回波信号二次方位向-距离向耦合因子对目标斜距变化的依赖性是通过扰动函数相乘的方式完成，该扰动函数表达为两项的加和，所述两项的加和分别为关于距离时间变量的二次函数和三次函数，所述消除操作是消除距离向-方位向的二次耦合项对目标斜距的依赖性，使得信号在二维频域距离向-方位向的二次耦合项不随距离变化。
3.根据权利要求1所述的合成孔径雷达大斜视模式下成像方法，其特征在于:步骤S4中所述二维频谱与参考函数相乘是一次性完成全部距离不变相位的补偿，用于消除恒定的距离向-方位向一次耦合项、二次耦合项及三次耦合项；鉴于距离向-方位向的二次耦合项的距离依赖性已经消除，而忽略不计三次耦合项的距离依赖性，故将扰动函数相乘后的信号变换到二维频域之后，利用参考函数相乘，一次性补偿全部距离不变量，即消除的距离向-方位向一次耦合项、二次耦合项及三次耦合项。
4.根据权利要求1所述的合成孔径雷达大斜视模式下成像方法，其特征在于:所述距离单元徙动由一个徙动因子表现，并由Chirp-Z变换校正操作只需要一次卷积和两次相位相乘，所述校正操作完成后，信号进入距离-多普勒域，为下一步方位向残余相位补偿提供条件。
【文档编号】G01S13/90GK103576147SQ201210273326
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月2日 优先权日:2012年8月2日
【发明者】邓云凯, 刘悦, 王宇 申请人:中国科学院电子学研究所