一种基于扩展波数谱重构的高机动平台TOPSSAR成像方法与流程

文档序号:24497605发布日期:2021-03-30 21:25阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于扩展波数谱重构的高机动平台topssar成像方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤1,利用搭载于高机动平台的topssar系统发射线性调频脉冲信号,利用搭载于高机动平台的topssar系统接收目标区域散射形成的回波信号;雷达接收机对回波信号进行解调处理,生成解调后的基带回波信号ss(r,x;rs);其中,r为距离向位置变量、x为方位向位置变量、rs为场景中心斜距;

步骤2,对所述解调后的基带回波信号ss(r,x;rs)执行距离向匹配滤波处理,得到距离向匹配滤波信号sspc(kr,x;rs);其中,为距离向波数域变量,π表示圆周率,表示距离向频域变量,fs表示采样率,fc表示雷达系统的载波频率,c表示光速;

步骤3,结合高机动平台的三维加速度信息及运动误差,在距离波数-方位时间域内构造统一加速度补偿函数facc(kr,ta);其中,ta为方位向慢时间变量;将所述距离向匹配滤波信号sspc(kr,x;rs)与所述统一加速度补偿函数facc(kr,ta)相乘,得到统一加速度补偿信号ssacc(kr,x;rs);

步骤4,结合topssar系统的中心斜视角θc信息,在距离波数-方位位置域构造正视逼近函数fsq(kr,ta);将所述统一加速度补偿信号ssacc(kr,x;rs)与所述正视逼近函数fsq(kr,ta)相乘,得到正视逼近处理后的回波信号sssq(kr,x;rs);

步骤5,构造一组变量代换关系:r′s=rs+xnsinθc和kx,r=kx+krsinθc,其中,xn表示方位向空变量,表示初始的方位向波数域变量,fa表示方位向频域变量,ve表示和速度;对sssq(kr,x;rs)执行上述变量代换操作,得到能够反应地面场景点目标真实位置的回波信号ssp(kr,x;r′s);

步骤6,结合topssar系统的波束扫描情况,构造用于解混叠处理的二次相位函数fbs(x);根据所述二次相位函数fbs(x),在方位位置域构造一组滤波器:一致滤波器fbulk(x)和补余滤波器fresidual(x);依次利用所述一致滤波器fbulk(x)和所述补余滤波器fresidual(x)对ssp(kr,x;r′s)进行方位向滤波处理,并执行方位向傅里叶变换操作,得到正则化二维波数谱ss(kr,kx,r);

步骤7,对所述正则化二维波数谱中的空变分量执行波数谱重采样处理,从而使之变为线性、非耦合的方位波数域变量ka,以消除多普勒调频率的空变;

步骤8,结合波数域重采样结果,在二维波数域构造方位向一致压缩函数fbulk(kr,ka);将所述正则化二维波数谱ss(kr,kx,r)与所述方位向一致压缩函数fbulk(kr,ka)相乘,得到方位向一致压缩结果ssbulk(kr,kx,r);

步骤9,提取出所述方位向一致压缩结果ssbulk(kr,kx,r)中的耦合波数,对其执行降维stolt插值处理,得到去耦的二维波数;

步骤10,根据所述去耦的二维波数在方位位置域构造去斜函数fderamp(x);对所述方位向一致压缩结果ssbulk(kr,kx,r)执行二维逆傅里叶变换处理,随后与所述去斜函数fderamp(x)相乘,最后通过方位向傅里叶变换得到二维精确聚焦图像ss(r,ka)。

2.根据权利要求1所述的基于扩展波数谱重构的高机动平台topssar成像方法,其特征在于,步骤1具体包含以下子步骤:

子步骤1.1,根据和速度ve和topssar系统的中心斜视角θc构造俯冲飞行下的斜距模型re:

子步骤1.2,将三维加速度对于瞬时斜距的影响视为引入运动误差,则精确的斜距历程为其中,||·||2表示向量的2-范数运算符,表示针对下标i=0,1,2,3,4依次进行求和运算,i表示求和运算的求和变量,r0表示精确的斜距历程rreal在ta=0处的零阶麦克劳林展开式系数,r1表示精确的斜距历程rreal在ta=0处的一阶麦克劳林展开式系数,r2表示精确的斜距历程rreal在ta=0处的二阶麦克劳林展开式系数,r3表示精确的斜距历程rreal在ta=0处的三阶麦克劳林展开式系数,r4表示精确的斜距历程rreal在ta=0处的四阶麦克劳林展开式系数;

将rreal与re相减,并在方位零时刻执行麦克劳林展开,得到各阶运动误差rerr:

其中,

表示斜距误差rerr在ta=0处的零阶麦克劳林展开式系数,表示对前面函数中的ta变量置零;

表示斜距误差rerr在ta=0处的一阶麦克劳林展开式系数,表示函数对ta变量求一阶导数;

表示斜距误差rerr在ta=0处的二阶麦克劳林展开式系数,表示函数对ta变量求二阶导数;

表示斜距误差rerr在ta=0处的三阶麦克劳林展开式系数,表示函数对ta变量求三阶导数;

表示斜距误差rerr在ta=0处的四阶麦克劳林展开式系数,表示函数对ta变量求四阶导数;

子步骤1.3,解调后的基带回波信号ss(r,x;rs)为:

其中,wr(r)表示距离向位置域窗函数,wa(x)表示方位向位置域窗函数,exp{·}表示复指数函数,j表示虚数单位,γ表示距离向调频率,λ表示波长。

3.根据权利要求2所述的基于扩展波数谱重构的高机动平台topssar成像方法,其特征在于,步骤2具体包含以下子步骤:

子步骤2.1,采用驻定相位原理和级数反演法,对所述解调后的基带回波信号ss(r,x;rs)执行距离向傅里叶变换,得到距离向傅里叶变换回波信号ss(kr,x;rs);具体为如下:

将解调后的基带回波信号ss(r,x;rs)与傅里叶变换的旋转因子exp{-jkrr}相乘,并提取出结果中的相位:

根据驻定相位原理的思想,对相位φ(r,kr)关于变量r求偏导,并将求导结果置零,得到等式

对上述等式执行级数反演法,将反解出来的距离位置域变量表达式代入相位φ(r,kr)中,得到距离向傅里叶变换回波信号ss(kr,x;rs):

子步骤2.2,在距离波数-方位位置域构造距离向匹配滤波函数采用距离向匹配滤波函数fpc(kr)对所述距离向傅里叶变换回波信号ss(kr,x;rs)执行距离向匹配滤波处理,得到距离向匹配滤波信号sspc(kr,x;rs):

sspc(kr,x;rs)=wr(kr)wa(x)exp{-jkrrreal}

其中,krc表示距离向波数域变量kr的中心值,wr(kr)表示距离波数域窗函数。

4.根据权利要求3所述的基于扩展波数谱重构的高机动平台topssar成像方法,其特征在于,步骤3中,所述统一加速度补偿函数facc(kr,ta)为:

所述统一加速度补偿信号ssacc(kr,x;rs)为:

ssacc(kr,x;rs)=wr(kr)wa(x)exp{-jkrre}。

5.根据权利要求3所述的基于扩展波数谱重构的高机动平台topssar成像方法,其特征在于,步骤4中,所述正视逼近函数fsq(kr,ta)为:

fsq(kr,ta)=exp{-jkrxsinθc}

所述正视逼近处理后的回波信号sssq(kr,x;rs)为:

sssq(kr,x;rs)=wr(kr)wa(x)exp{-jkr(re+xsinθc)}。

6.根据权利要求3所述的基于扩展波数谱重构的高机动平台topssar成像方法,其特征在于,步骤6具体包含以下子步骤:

子步骤6.1,所述二次相位函数fbs(x)为:

fbs(x)=exp{jπkbsx2}

kbs=-2/(λrrot)

其中,kbs表示由topssar成像模,下特有的波束主动扫描引入的方位位置域二次相位调制斜率,rrot表示天线等效波束旋转中心到飞行平台航迹之间的距离;

子步骤6.2,根据二次相位函数fbs(x),在方位位置域构造一致滤波器fbulk(x)和补余滤波器fresidual(x):

其中,表示卷积运算,上标*表示复共轭运算;

子步骤6.3,将所述一致滤波器fbulk(x)与能够反映地面场景点目标真实位置的回波信号ssp(kr,x;rs′)相乘,并对相乘的结果依次执行傅里叶变换处理、补零操作、逆傅里叶变换处理,得到一致滤波处理信号;

子步骤6.4,将所述一致滤波处理信号与所述补余滤波器fresidual(x)相乘,并对相乘结果执行傅里叶变换处理,得到正则化二维波数谱ss(kr,kx,r):

ss(kr,kx,r)=wr(kr)wa(kx,r)exp{-jkx,r(xn+(r′s-xnsinθc)sinθc)}

其中,wa(kx,r)表示方位波数域窗函数。

7.根据权利要求3所述的基于扩展波数谱重构的高机动平台topssar成像方法,其特征在于,步骤7具体包含以下子步骤:

子步骤7.1,分离出正则化二维波数谱ss(kr,kx,r)中的空变分量和非空变分量

其中,[·]表示将多个表达式或函数按照相对位置关系构成矩阵,[·][·]表示矩阵乘法;

子步骤7.2,针对其中的空变分量执行波数谱重采样处理,使之变为线性、去耦的方位波数域变量ka:

其中,→表示插值运算,插值符号左侧为处理前的非均匀采样的相位,插值符号右边为处理后的均匀采样的变量。

8.根据权利要求7所述的基于扩展波数谱重构的高机动平台topssar成像方法,其特征在于,步骤8中,所述方位向一致压缩函数fbulk(kr,ka)为:

所述方位向一致压缩结果ssbulk(kr,kx,r)为:

ssbulk(kr,kx,r)=wr(kr)wa(kx,r)exp{-jkx,rxn}

其中,wa(kx,r)表示方位波数域窗函数。

9.根据权利要求8所述的基于扩展波数谱重构的高机动平台topssar成像方法,其特征在于,步骤9具体为:

对所述方位向一致压缩结果ssbulk(kr,kx,r)的第二个指数相位中存在根式执行降维stolt插值处理,得到去耦的二维波数表达式:

其中,ky表示解耦后的去耦距离向波数域变量,插值运算符的左侧表示距离-方位耦合的二维波数域变量,插值运算符的右侧表示解耦后的去耦二维波数域变量。

10.根据权利要求9所述的基于扩展波数谱重构的高机动平台topssar成像方法,其特征在于,步骤10具体包含以下子步骤:

子步骤10.1,所述去斜函数fderamp(x)为:

子步骤10.2,采用驻定相位原理和级数反演法,对方位向一致压缩结果ssbulk(kr,kx,r)执行二维逆傅里叶变换处理;

子步骤10.3,将子步骤10.2中的二维逆傅里叶变换结果与去斜函数fderamp(x)相乘;并采用驻定相位原理和级数反演法,对相乘结果执行方位向傅里叶变换处理,从而得到二维精确聚焦图像ss(r,ka):

其中,br表示距离向带宽常数,ba表示方位向带宽常数,为辛克函数,用以表征距离-方位二维精确聚焦后点目标的峰值形状,φc表示常数相位。


技术总结
本发明公开了一种基于扩展波数谱重构的高机动平台TOPS SAR成像方法,对回波信号执行距离向匹配滤波、一致加速度补偿和正视逼近处理;通过两级滤波器消除由波束扫描引起的谱模糊问题;针对正则化的二维波数谱,将方位相位在波数域执行方位重采样处理;构造一致压缩函数进行方位向一致压缩操作,并对方位相位执行降维stolt插值处理和去斜操作,使之聚焦在方位波数域;该方法通过波数域的公式推导将高机动平台TOPS SAR回波录取过程等效成标准斜距模型,并通过一系列的相位补偿和方位滤波处理来获得无畸变无混叠的方位波数谱,使得波数谱支撑区的利用率达到最大化,实现高分辨成像,大幅提升了成像雷达载荷的探测成效。

技术研发人员:梁毅;张罡;邢孟道;梁宇杰;曾裕贵;怀园园
受保护的技术使用者:西安电子科技大学
技术研发日:2020.11.19
技术公布日:2021.03.30
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