基于变重频技术的机载大斜视条带sar成像方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法，包括步骤一：读入原始回波数据及相关成像参数；步骤二：读入变重频相关参数；步骤三：距离向位置补偿以及距离走动补偿处理；步骤四：方位向数据频谱搬移处理；步骤五：方位向拉格朗日插值处理；步骤六：方位向数据频带恢复处理；步骤七：二维傅里叶变换处理；步骤八：一致压缩处理；步骤九：斯托尔特插值处理；步骤十：方位向傅里叶逆变换处理；步骤十一：几何校正处理；步骤十二：距离向傅里叶逆变换处理；本发明由于本发明提出的成像算法利用拉格朗日插值法实现方位向非均匀采样重构，相比于非均匀傅里叶变换，能够更加简单容易地完成方位向非均匀信号的有效重构。
【专利说明】基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信号处理领域，特别涉及一种基于变重频技术的机载大斜视条带合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像方法。
【背景技术】
[0002]SAR作为一种重要的微波成像技术，能够克服云雾雨雪和暗夜条件的限制进行对地遥感观测，在军事侦察测绘以及诸多民用领域可发挥重要作用，为越来越多的国家所重视。机载斜视SAR由于其具有较高的灵活性和机动性，能够灵活地选择观测区域与快速重访敏感区域，使得斜视SAR系统观测性能优于传统正侧视SAR系统。因此，近些年来机载斜视SAR已经成为一个重要的发展方向。
[0003]但是，机载大斜视SAR系统也面临新困难与挑战。由于距离徙动量随斜视角的增大以及分辨率的提高而成倍增长，进而使得回波接收窗长逐渐增大。此外，同等分辨率条件下斜视SAR系统方位有效带宽大于正侧视SAR系统的方位有效带宽，且随斜视角度的增大，方位向有效带宽逐渐增大，这意味着为避免方位向频谱混叠，斜视SAR系统脉冲重复频率需随之增大，即脉冲重复周期变小。因此，随着斜视角度的增大，回波接收窗长增大而脉冲重复周期变小，当斜视角度增加到一定程度时，脉冲重复周期小于回波接收窗长将导致大斜视SAR系统无法正常工作。除此之外，大斜视SAR系统的大距离徙动量使得原始回波数据量的显著增加，加大了数据存储与实时成像的困难。针对上述大斜视SAR系统面临的问题，目前主要采用变脉冲重复频率技术，即变重频技术。变重频技术通过改变脉冲重复频率，调整回波在接收窗中的位置，进而缩短回波接收窗所需长度以及回波数据量，从而使得大斜视SAR系统正常工作。由于距离走动在距离徙动中的起主导作用且距离走动与斜距无关，因此常用的变重频技术准则为通过变脉冲重复频率消除距离走动。
[0004]变重频技术的出现解决了大斜视SAR系统回波录取以及回波海量数据的问题，但是基于变重频技术的机载大斜视条带SAR系统数据处理存在以下挑战:方位向与距离向严重耦合、方位向非均匀采样重构以及距离徙动精确校正，上述问题使得传统成像方法不再适用。因此，发明一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法显得至关重要。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决上述问题，基于变重频技术的特点，结合传统波数域成像方法，提出了一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法。
[0006]一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法，包括以下几个步骤:
[0007]步骤一:读入原始回波数据及相关成像参数；
[0008]读入基于变重频技术的机载大斜视条带SAR 二维原始回波仿真复数组Sstart以及相应的成像参数，具体包括:方位向采样点数Na，距离向采样点数队，信号采样率fs，信号带宽Bw，脉冲宽度τ，调频斜率b，仿真中心时刻脉冲重复频率PRF。，参考斜距RMf，多普勒中心频率Wtl,多普勒调频率frt，卫星速度Pv，等效斜视角，信号波长λ，信号载频&，信号传播速度C ;
[0009]步骤二:读入变重频相关参数；
[0010]读入变重频相关参数，具体包括:一维方位向各采样时刻脉冲重复频率序列PRFeha,—维方位向各米样时刻时间序列Teha以及一维方位向各米样时刻瞬时斜距序列Reha。
[0011]步骤三:距离向位置补偿以及距离走动补偿处理；
[0012]将二维回波仿真复数组Sstart做距离向位置补偿处理:首先计算按仿真中心时刻脉冲重复频率PRF。进行均匀采样时的一维方位向各采样时刻序列Tmi ;其次计算按均匀采样时刻Tmi时的一维瞬时斜距序列Runi ;再次对二维回波仿真复数组Sstart做距离向傅里叶变换，即沿方位向(按行)进行快速傅里叶变换(FFT)，得到二维复数组S1。。—i ;再次将二维复数组S1()。」同距离向位置补偿因子H1以及距离走动补偿因子H2相乘，得到二维复数组S1()。2 ；最后将二维复数组S1。。—2做距离向傅里叶逆变换，即沿方位向(按行)进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到调整距离向位置后的二维复数组S1()。；
[0013]步骤四:方位向数据频谱搬移处理；
[0014]将步骤三得到的二维复数组S1()。同频谱搬移因子H3相乘，得到方位向频谱搬移后二维复数组Sbase ；
[0015]步骤五:方位向拉格朗日插值处理；
[0016]对步骤四得到的二维复数组Sbase，利用拉格朗日插值法进行方位向插值处理，得到按PRF。均匀采样的二维复数组Suni ；
[0017]步骤六:方位向数据频带恢复处理；
[0018]对步骤五得到的二维复数组Smi同频带恢复因子H4相乘，得到方位向频带恢复后二维复数组Snrat ；
[0019]步骤七:二维傅里叶变换处理；
[0020]对步骤六得到的二维复数组Snew做二维(方位向与距离向)傅里叶变换:首先沿方位向(按行)进行快速傅里叶变换(FFT)，得到方位时域距离频域复数组Sspl ;其次沿距离向(按列)进行快速傅里叶变换(FFT)，得到二维频谱复数组Ssp ；
[0021]步骤八:一致压缩处理；
[0022]将步骤七得到的二维频谱复数组Ssp同一致压缩因子H5相乘，得到粗聚焦复数组Sbulk ;
[0023]步骤九:斯托尔特插值处理；
[0024]将步骤八得到的粗聚焦复数组Sbulk，利用辛格插值法进行斯托尔特插值处理，得到精确聚焦的二维复数组Swave ；
[0025]步骤十:方位向傅里叶逆变换处理；
[0026]将步骤九得到的复数组Swave沿距离向(按列)进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到方位时域距离频域复数组Sa_t ；
[0027]步骤^^一:几何校正处理；
[0028]将步骤十得到的方位时域距离频域复数组Sa_t同几何校正因子H6相乘，得到经几何校正后的复数组Sge。；
[0029]步骤十二:距离向傅里叶逆变换处理；
[0030]将步骤十一得到的复数组Sgraj沿方位向(按行)进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到最终的成像结果Smd ；
[0031]本发明优点在于:
[0032](I)本发明提出了一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法，解决了目前基于变重频技术的机载大斜视条带SAR原始回波数据没有成像算法的现状。
[0033](2)本发明提出了一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法，具有简单易实现的特点。由于本发明提出的成像算法利用拉格朗日插值法实现方位向非均匀采样重构，相比于非均匀傅里叶变换，能够更加简单容易地完成方位向非均匀信号的有效重构。
[0034](3)本发明提出了一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法，具有运行效率高的特点。由于本发明提出的成像算法在成像开始补偿变重频技术带来的回波录取位置变化的同时做距离走动补偿，减小了成像时所需距离向长度，减小了成像数据量，进而提闻了成像效率。
[0035](4)本发明提出了一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法，具有高精度聚焦的特点。由于本发明提出的成像方法是一种基于波数域聚焦原理的成像方法，而波数域成像方法只要满足平台速度恒定这一条件(机载SAR恰好满足这一条件)，就能够实现高精度聚焦。
[0036](5)本发明提出了一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法，具有适用性强的特点。由于本发明提出的成像方法是一种基于波数域聚焦原理的成像方法，而波数域成像方法不受斜视角度的限制，因此，在斜视角度很大的条件下，本发明同样能实现场景的精确聚焦。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是本发明提出的一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法流程图；
[0038]图2是本发明步骤三的方法流程图；
[0039]图3是实施例仿真场景不意图；
[0040]图4是实施例成像结果；
[0041]图5是实施例左上点目标剖面图；
[0042]图6是实施例中间点目标剖面图；
[0043]图7是实施例右下点目标剖面图；
【具体实施方式】
[0044]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0045]本发明提出了一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法，处理的对象是基于变重频技术的机载大斜视条带SAR原始回波数据，得到的结果是一幅大斜视SAR图像。
[0046]基于消除距离走动的变重频技术通过改变脉冲重复频率，调整了场景回波在接收窗的位置，从而达到消除距离走动，减少回波数据量的目的。但是，脉冲重复频率的改变导致场景回波在方位向存在非均匀采样的现象。此外，场景回波在接收窗位置的改变也导致目标多普勒历程的改变，加之大斜视SAR系统本身存在的方位向/距离向严重耦合，使得现有成像算法无法实现基于变重频技术的机载大斜视条带SAR系统回波精确成像。本发明通过方位向拉格朗日插值法解决了方位向非均匀采样现象，并通过改进传统的波数域成像算法，实现了场景目标的精确聚焦。
[0047]本发明是一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法，具体流程如图1所示，包括以下步骤:
[0048]步骤一:读入基于变重频技术的机载大斜视条带SAR 二维原始回波仿真复数组Sstart以及相应的成像参数。其中，Sstart是大小SNaXNr 二维复数组,而成像参数具体包括:方位向采样点数凡，距离向采样点数队，信号采样率fs，信号带宽Bw，脉冲宽度τ，调频斜率b，仿真中心时刻脉冲重复频率PRF。，参考斜距RMf，多普勒中心频率fdy多普勒调频率frt，卫星速度Pv，等效斜视角I信号波长λ，信号载频&，信号传播速度c ;
[0049]步骤二:读入变重频相关参数。具体包括:一维方位向各采样时刻脉冲重复频率序列PRFeha, —维方位向各米样时刻时间序列Teha以及一维方位向各米样时刻瞬时斜距序列Rcha0其中，一维数组PRFcha、Tcha和Rcha大小均为NaXl ；
[0050]步骤三:将二维原始回波仿真复数组Sstart做距离位置补偿以及距离走动补偿处理，操作流程如图2所示，具体步骤为:
[0051](a)构造一维序列M，N，其中M代表行，N代表列；
[0052]M= [1,2, , Nj
[0053]N= [I, 2,...,Nr](1)
[0054](b)计算按仿真中心时刻脉冲重复频率PRF。进行均匀采样时的一维方位向各采样时刻序列Tuni (M)，并计算均匀采样时刻下的一维瞬时斜距序列Rmi (M)；
[0055]
【权利要求】
1.一种基于变重频技术的机载大斜视条带SAR成像方法，包括以下步骤: 步骤一:读入基于变重频技术的机载大斜视条带SAR 二维原始回波仿真复数组SstmjP成像参数； Sstart为NaXNr 二维复数组,成像参数包括:方位向采样点数Na,距离向采样点数Nr,信号采样率fs，信号带宽Bw，脉冲宽度τ，调频斜率b，仿真中心时刻脉冲重复频率PRF。，参考斜距RMf，多普勒中心频率fdy多普勒调频率f^，卫星速度Pv，等效斜视角9，信号波长入，信号载频fo，信号传播速度c ; 步骤二:读入变重频相关参数； 变重频相关参数包括一维方位向各采样时刻脉冲重复频率序列PRFdia，一维方位向各米样时刻时间序列Tdia以及一维方位向各米样时刻瞬时斜距序列Rdia;其中，PRFd^Hha大小均为NaXl ； 步骤三:对二维原始回波仿真复数组Sstart做距离位置补偿以及距离走动补偿处理，具体步骤为: Ca)构造一维序列M，N，其中M代表行，N代表列；
M= [1,2,...,NJ N= [1，2，...,Nr](I) (b)计算按仿真中心时刻脉冲重复频率PRF。进行均匀采样时的一维方位向各采样时刻序列Tuni (M)，并计算均匀采样时刻下的一维瞬时斜距序列Rmi (M)；
【文档编号】G01S13/90GK103728619SQ201410020889
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】陈杰, 曾虹程, 杨威, 朱燕青, 王鹏波 申请人:北京航空航天大学