本发明属于SAR雷达信号处理
技术领域：
，特别涉及一种高分辨率大场景下的星载斜视SAR雷达成像方法，适用于斜视情况下的星载平台高分辨率SAR雷达成像。
背景技术：
：SAR雷达集中了现代电子科学技术各种成就的高科技系统，同时作为全天候和全天时工作的探测系统，已经广泛应用于地形测绘与地质研究、农业与林业海洋研究与监测减灾与防灾等各个方面，并能够获得聚焦良好的宽测绘带高分辨率的图像，这也一直是SAR雷达的发展动力。斜视SAR雷达成像不仅能够提供SAR雷达前方区域的地图信息，实现对地攻击引导，而且在实用中具有很高的机动灵活性；斜视SAR雷达通过天线改变波束指向，能够对斜视SAR雷达前方的目标预先成像、对斜视SAR雷达后方的目标进行再次成像。因此，斜视SAR雷达具有很高的军事价值，同时斜视SAR雷达的成像算法也必将越来越受到重视。星载斜视情况下的SAR雷达成像几何模型非常复杂，其中卫星轨道和地球表面都是弯曲的，地球相对于卫星轨道独立旋转，卫星的等效速度不仅沿星载斜视情况下的SAR雷达距离向变化，还沿星载斜视情况下的SAR雷达方位向缓慢变化。在对分辨率要求不高或者成像场景较小的情况下，只需考虑卫星等效速度沿星载斜视情况下的SAR雷达距离向变化，但在高分辨率大场景的情况下，卫星沿星载斜视情况下的SAR雷达方位向的速度也在缓慢变化；所以在高分辨率情况下的精确星地几何模型是必要的，但该精确星地几何模型和相应公式推导都很复杂，不利于信号处理。现有的星载SAR雷达的斜距历程基本都进行了近似操作，为简化精确星地几何模型，一般将星载弯曲轨道近似为直线模型，同时也不考虑SAR雷达方位向速度的非匀速特性。传统的等效斜视斜距模型虽然具有便于推导成像算法的优点，但却没有考虑卫星等效速度沿SAR雷达方位向的变化，在对分辨率要求高的情况下，传统的等效斜视斜距模型近似误差大。现有的星载斜视SAR雷达成像方法采用等效斜视斜距模型，处理低分辨率星载斜视SAR雷达成像效果好，但是处理高分辨率星载斜视SAR雷达成像效果较差。技术实现要素：针对以上现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种高分辨率大场景下的星载斜视SAR雷达成像方法，该种高分辨率大场景下的星载斜视SAR雷达成像方法首先建立星载斜视SAR雷达的斜距历程模型，其中包含精确斜距历程表达式；星载斜视SAR雷达接收检测范围内的目标回波信号，再对所述目标回波信号在方位向进行重采样，并对重采样后的所述目标信号依次进行距离向快速傅里叶变换和距离向脉冲压缩处理，得到距离向脉冲压缩处理后的目标回波信号后，再进行方位上FFT，得到方位向上的二维频域目标回波信号，进而计算得到星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位后，设定相位补偿函数，并使用设定的相位补偿函数对星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位进行补偿，最后对剩余相位进行的方位向二维频域目标回波信号插值处理，得到最终的星载斜视SAR图像。一种高分辨率大场景下的星载斜视SAR雷达成像方法，包括以下步骤：步骤1，建立星载斜视SAR雷达斜距历程模型，且所述斜距历程模型中包含精确斜距历程表达式R(ta)；星载斜视SAR雷达接收检测范围内的目标回波信号，再对所述目标回波信号在方位向进行重采样，并对重采样后的所述目标信号依次进行距离向快速傅里叶变换和距离向脉冲压缩处理，得到距离向脉冲压缩处理后的目标回波信号；步骤2，将距离向脉冲压缩处理后的目标回波信号在方位向进行快速傅里叶变换，得到方位向上的二维频域目标回波信号S(fr,fa)，进而计算得到和所述表示所述精确斜距历程表达式的一次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的二次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的三次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的四次项对应相位；然后将和分别进行泰勒级数展开，并忽略掉二次及二次以上的高次项后，得到星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位信号将所述星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位信号中的0次项相位作为中心点相位，再设定中心点相位补偿函数H2，并使用所述相位补偿函数H2对星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位进行补偿，得到中心点相位补偿后的方位向二维频域目标回波信号其中，fa表示多普勒频率，fr表示距离频率；步骤3，将所述方位向上的二维频域目标回波信号S(fr,fa)和所述中心点相位补偿后的方位向二维频域目标回波信号的差，作为剩余相位的方位向上的二维频域目标回波信号，然后对所述剩余相位的方位向上的二维频域目标回波信号进行插值处理，得到插值处理后的方位向二维频域目标回波信号S(f′r,fa)，最后再对插值处理后的方位向二维频域目标回波信号S(f′r,fa)进行二维逆傅里叶变换，得到最终的星载斜视SAR图像。本发明的有益效果为：针对传统星载斜视SAR成像方法在高分辨率的情况下成像效果较差的问题，本发明提出一种高分辨率大场景下的星载斜视SAR雷达成像方法，该方法能够对星载斜距进行精确建模，并能较好处理卫星的等效速度沿方位向空变对聚焦的影响，有效提升了高分辨率大场景星载斜视SAR雷达的成像质量。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。图1是本发明的一种高分辨率大场景下的星载斜视SAR雷达成像方法流程示意图；图2是仿真实验的布点示意图；其中，横坐标为方位向长度，单位为千米(Km)；纵坐标为距离向长度，单位为千米(Km)；图3a是图2中点目标1使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3b是图2中点目标2使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3c是图2中点目标3使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3d是图2中点目标4使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3e是图2中点目标5使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3f是图2中点目标6使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3g是图2中点目标7使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3h是图2中点目标8使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3i是图2中点目标9使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图。图4a是图2中点目标1使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4b是图2中点目标2使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4c是图2中点目标3使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4d是图2中点目标4使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4e是图2中点目标5使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4f是图2中点目标6使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4g是图2中点目标7使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4h是图2中点目标8使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4i是图2中点目标9使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图。具体实施方式参照图1，为本发明的一种高分辨率大场景下的星载斜视SAR雷达成像方法流程示意图，该种高分辨率大场景下的星载斜视SAR雷达成像方法，包括以下步骤：步骤1，建立星载斜视SAR雷达斜距历程模型，且所述斜距历程模型中包含精确斜距历程表达式R(ta)；星载斜视SAR雷达接收检测范围内的目标回波信号，再对所述目标回波信号在方位向进行重采样，并对重采样后的所述目标信号依次进行距离向快速傅里叶变换和距离向脉冲压缩处理，得到距离向脉冲压缩处理后的目标回波信号。具体地，星载斜视SAR雷达装载在卫星上，并向检测范围内的目标发射电磁波。由于斜视模式下的星载斜视SAR雷达分辨率很高，使得星载弯曲轨道不能近似为直线模型，所以传统的等效斜视模型不再适用，并需要对星载弯曲轨道的斜距历程进行重新建模，因此星载斜视SAR雷达接收检测范围内目标的回波信号后采用优化的斜距历程模型，即对所述目标的回波信号进行距离向脉冲压缩，得到距离向脉冲压缩处理后的目标回波信号。1.1在高分辨率斜视模式下，传统的等效斜视斜距模型对于所述脉冲压缩后的目标回波信号的斜距表达式不再适用，再加上卫星沿星载斜视SAR雷达方位向的速度发生缓慢变化，建模成匀加速直线模型更为合理，所以本实施例中首先建立斜距历程模型，且所述斜距历程模型中包含精确斜距历程表达式R(ta)，其表达式为：R(ta)=r2+(vr,0ta+12arta2-(vr,0t0+12art02))-2r(vr,0ta+12arta2-(vr,0t0+12art02))cosθ+β2(ta-t0)2+β3(ta-t0)3+β4(ta-t0)4]]>其中，R(ta)表示所述优化的斜距历程模型中的精确斜距历程表达式，β2(ta-t0)2+β3(ta-t0)3+β4(ta-t0)4为优化模型增加的斜距历程误差，r表示星载斜视SAR雷达到目标的最短距离，vr,0表示卫星参考速度，θ表示星载斜视SAR雷达波束的斜视角度，ta表示方位慢时间，t0表示目标波束中心时刻；β2表示所述优化模型增加的斜距历程误差的二次项系数，β3表示所述模型增加的斜距历程误差的三次项系数，β4表示所述优化模型增加的斜距历程误差的四次项系数。1.2星载斜视SAR雷达接收检测范围内的目标回波信号，再对所述目标回波信号在方位向进行重采样，并对重采样后的所述目标信号进行距离向快速傅里叶变换(FFT)，然后用进行距离向脉冲压缩，得到距离向脉冲压缩处理后的目标回波信号；其中，fr表示距离频率，γ表示为距离调频率。具体地，由于卫星方位向等效速度的变化被建模成匀加速直线模型，不便于星载斜视SAR雷达成像处理，因此要对所述目标回波信号的方位时域进行重采样，消除卫星方位向等效速度在方位向的空变，其中所述重采样过程满足如下要求：假设方位向时间刻度ta′，且该方位向时间刻度ta′在该时间刻度下的等效速度是不变的，该方位向时间刻度ta′与方位慢时间ta满足以下表达式：其中，arS表示为星载斜视SAR雷达所在场景中心的方位向加速度，vrS,0表示星载斜视SAR雷达所在场景中心的方位向等效速度。通过上式对距离向脉冲压缩处理后的目标回波信号在方位时域进行重采样，能够消除方位向时间刻度ta′下的等效速度在方位向上的空变。步骤2，将距离向脉冲压缩处理后的目标回波信号在方位向进行快速傅里叶变换，得到方位向上的二维频域目标回波信号S(fr,fa)，进而计算得到和所述表示所述精确斜距历程表达式的一次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的二次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的三次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的四次项对应相位；然后将和分别进行泰勒级数展开，并忽略掉二次及二次以上的高次项后，得到星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位信号将所述星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位信号中的0次项相位作为中心点相位，再设定中心点相位补偿函数H2，并使用所述相位补偿函数H2对星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位进行补偿，得到中心点相位补偿后的方位向二维频域目标回波信号步骤2的具体子步骤为：2.1将距离向脉冲压缩处理后的目标回波信号在方位向进行快速傅里叶变换，得到方位向上的二维频域目标回波信号S(fr,fa)，进而计算得到和所述表示所述精确斜距历程表达式的一次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的二次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的三次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的四次项对应相位。具体地，方位向上的二维频域目标回波信号S(fr,fa)的表达式为：其中，fr表示距离频率，fa表示多普勒频率，A0表示星载SAR雷达回波信号幅度，t0表示目标波束中心时刻，θ表示星载斜视SAR雷达波束的斜视角度，vr表示星载斜视SAR雷达到目标的最短距离为r处的等效速度，Wr(·)表示星载斜视SAR雷达的距离窗函数，Wa(·)表示星载斜视SAR雷达的方位窗函数，表示所述精确斜距历程表达式的一次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的二次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的三次项对应相位，表示所述精确斜距历程表达式的四次项对应相位；和分别是根据驻定相位法计算得到的，其中和的表达式分别为：其中，fc表示星载斜视SAR雷达发射信号载频，fa表示多普勒频率，c表示光速，r表示星载斜视SAR雷达到目标的最短距离，fr表示距离频率，vr表示星载斜视SAR雷达到目标的最短距离为r处的等效速度，θ表示星载斜视SAR雷达波束的斜视角度，vrS表示星载斜视SARSAR雷达所在场景中心处的等效速度，β2表示所述优化模型增加的斜距历程误差的二次项系数，β3表示所述模型增加的斜距历程误差的三次项系数，β4表示所述优化模型增加的斜距历程误差的四次项系数。由和的表达式可知，和的表达式随星载斜视SAR雷达到目标的最短距离r变化，而不随星载斜视SAR雷达到目标的最短距离r空变，可直接被补偿掉。在此过程中，将设定的方位向时间刻度ta′处的等效速度沿距离向的变化近似为直线，则有：vr＝vrS+k△r其中，vr表示星载斜视SAR雷达到目标的最短距离为r处的等效速度，vrS表示星载斜视SAR雷达所在场景中心处的等效速度，k表示星载斜视SAR雷达到目标的最短距离为r处的等效速度vr随距离变化的线性系数，△r表示目标与星载斜视SAR雷达所在场景中心点的最短距离差，且△r＝r-rS，rS表示星载SAR雷达到星载斜视SAR雷达到所在场景中心点的最短距离。2.2将和分别针对△r进行泰勒级数展开，可写成的形式，忽略掉二次及二次以上的高次项，得到星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位信号其中，i∈{1,2,3}。具体地，所述星载SAR雷达检测范围内的目标相位其表达式为：2.3将所述星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位信号中的0次项相位作为中心点相位，再设定中心点相位补偿函数H2，并使用所述相位补偿函数H2对星载斜视SAR雷达检测范围内的目标相位进行补偿，得到中心点相位补偿后的方位向二维频域目标回波信号其表达式为：所述中心点相位为且和中心点相位补偿函数相对应。其中，fr表示距离频率，fa表示多普勒频率，A0表示星载斜视SAR雷达回波信号幅度，t0表示目标波束中心时刻，θ表示星载斜视SAR雷达波束的斜视角度，r表示星载斜视SAR雷达到目标的最短距离，vr表示星载斜视SAR雷达到目标的最短距离为r处的等效速度，Wr(·)表示星载斜视SAR雷达的距离窗函数，Wa(·)表示星载斜视SAR雷达的方位窗函数，表示剩余相位的方位向上的二维频域目标回波信号的一次项对应相位，表示剩余相位的方位向上的二维频域目标回波信号的二次项对应相位，表示剩余相位的方位向上的二维频域目标回波信号的三次项对应相位，△r表示目标与星载斜视SAR雷达所在场景中心点的最短距离差。步骤3，将所述方位向上的二维频域目标回波信号S(fr,fa)和所述中心点相位补偿后的方位向二维频域目标回波信号的差，作为剩余相位的方位向上的二维频域目标回波信号，然后对所述剩余相位的方位向上的二维频域目标回波信号进行STOLT插值处理，得到STOLT插值处理后的方位向二维频域目标回波信号S(f′r,fa)，最后再对STOLT插值处理后的方位向二维频域目标回波信号S(f′r,fa)进行二维逆傅里叶变换(IFFT)，得到最终的星载斜视SAR图像。步骤3的具体子步骤为：3.1将所述方位向上的二维频域目标回波信号S(fr,fa)和所述中心点相位补偿后的方位向二维频域目标回波信号的差，作为剩余相位的方位向上的二维频域目标回波信号，然后对所述剩余相位的方位向上的二维频域目标回波信号进行STOLT插值处理，即令得到STOLT插值处理后的方位向二维频域目标回波信号S(f′r,fa)，其表达式为：S(fr′,fa)=A0Wr(fr′)Wa(fa)exp(-j4πsinθfc+fr′cΔr)exp(-j2πfa(t0-rcosθcr))]]>其中，f′r表示STOLT插值处理后的距离频率，fa表示多普勒频率，△r＝r-rS，fa表示多普勒频率，A0表示星载斜视SAR雷达回波信号幅度，t0表示目标波束中心时刻，θ表示星载斜视SAR雷达波束的斜视角度，r表示星载斜视SAR雷达到目标的最短距离，vr表示星载斜视SAR雷达到目标的最短距离为r处的等效速度，Wr(·)表示星载斜视SAR雷达的距离窗函数，Wa(·)表示星载斜视SAR雷达的方位窗函数。3.2对STOLT插值处理后的方位向二维频域目标回波信号S(f′r,fa)进行二维逆傅里叶变换(IFFT)，得到最终的星载斜视SAR图像。至此，高分辨率大场景星载斜视SAR雷达成像算法处理基本完成。本发明的有效性可通过以下仿真实验作进一步说明。(一)点目标仿真数据在距离向测绘带宽度为5km，方位向测绘带宽度为10km的场景中，均匀的放置9个点目标，如图2所示，图2是仿真实验的布点示意图；其中，横坐标为方位向长度，单位为千米(Km)；纵坐标为距离向长度，单位为千米(Km)；仿真参数如表1所示，Target1、Target2、Target3、Target4、Target5、Target6、Target7、Target8、Target9分别对应点目标1、点目标2、点目标3、点目标4、点目标5、点目标6、点目标7、点目标8、点目标9。表1(二)仿真内容和结果分析分别用传统的等效斜视斜距模型和本发明方法对图2包含的9个点目标分别进行仿真成像；其中，横坐标为方位向长度，单位为千米(Km)；纵坐标为距离向长度，单位为千米(Km)；图3a是图2中点目标1使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3b是图2中点目标2使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3c是图2中点目标3使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3d是图2中点目标4使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3e是图2中点目标5使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3f是图2中点目标6使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3g是图2中点目标7使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3h是图2中点目标8使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图；图3i是图2中点目标9使用传统等效斜距模型获得的点目标成像结果示意图。图4a是图2中点目标1使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4b是图2中点目标2使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4c是图2中点目标3使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4d是图2中点目标4使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4e是图2中点目标5使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4f是图2中点目标6使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4g是图2中点目标7使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4h是图2中点目标8使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图；图4i是图2中点目标9使用本发明方法获得的点目标成像结果示意图。从图3a-图3i中可以看出，运用传统的斜视斜距模型获得的点目标成像结果示意图不够精确，导致位于图2边缘的点目标1、点目标3、点目标4、点目标6、点目标7和点目标9出现严重的方位散焦，同时位于图2中间的点目标2和点目标8也分别出现了轻微的散焦。从图4a-图4i中可以看出，图2包含的9个点目标分别得到了很好的聚焦成像，说明本发明方法能够很好地解决高分辨率大场景星载斜视情况下传统等效斜视斜距模型不精确而导致的点目标散焦问题，说明了本发明方法的有效性。分别用传统等效斜视斜距模型和本发明对图2包含的9个点目标进行仿真成像的成像质量参数如表2所示；其中，ρa为方位向分辨率，PSLR为峰值旁瓣比，ISLR为积分旁瓣比，ρr为距离向分辨率，点1-点9分别对应点目标1-点目标9。表2图2包含的9个点目标各自对应的图像质量参数如表2所示，理想的距离分辨率为0.107m(不加窗)，9个点目标的方位分辨率均不一样，远距离点目标的分辨率要优于近距离点目标的分辨率，点目标1-点目标3的理想方位分辨率分别为0.146m，点目标4-点目标6的理想方位分辨率分别为0.144m，点目标7-点目标9的理想方位分辨率分别为0.143m(不加窗)，理想的距离和方位峰值旁瓣比(PeakSideLobeRatio，PSLR)为-13.3dB，理想的距离和方位积分旁瓣比(IntegratedSideLobeRatio，ISLR)为-9.68dB。从表2中可以看出，采用本发明提出的成像方法，距离分辨率的误差很小，距离峰值旁瓣比(PeakSideLobeRatio，PSLR)在-13.2dB以下，距离积分旁瓣比(IntegratedSideLobeRatio，ISLR)在-9.87dB以下，方位分辨率最大误差在2％以内，方位峰值旁瓣比(PeakSideLobeRatio，PSLR)在-13.1dB以下，方位积分旁瓣比(IntegratedSideLobeRatio，ISLR)在-10.5dB以下，成像质量得到显著提高，进一步证明了本发明方法的有效性。综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。当前第1页1 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