基于Q-LRWC和改进ENLCS的双站前视SAR成像方法及系统

本发明属于雷达信号处理应用，主要涉及双站前视合成孔径雷达成像技术的研究，具体涉及一种基于q-lrwc和改进enlcs的双站前视sar成像方法及系统。

背景技术：

1、合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar)是一种全天时、全天候的高分辨率遥感雷达。双站sar系统则是有别于单站sar的一种全新工作模式，因其收发平台分置，系统的配置更加灵活多样，可以有效获取雷达前方目标的高分辨率图像，尤其在军事国防领域(如前方海面敌方舰船目标的检测)发挥着巨大的作用，是未来sar成像技术研究的一个重要发展方向。

2、单站前视sar多普勒调频率较低，无法得到理想的成像效果。通过合理的构型设计，使得发射机侧视，接收机前视，是实现双站前视sar成像的良好方案。但是现有的双站sar成像算法只适用于飞行速度和角度相近的收发平台，成像分辨率、成像场景以及应用场景受到极大限制。并且双站构型在大斜视角、高分辨率成像场景下面临诸多难题，如双站收发波束无法同步、斜视角过大所导致的严重线性距离徙动等问题。因此，迫切需要研究一种在大斜视角环境下的双站sar新构型和高质量成像方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明建立了一种基于接收机斜视角空变的椭圆前视模型，在此模型基础上提出了一种残余线性距离徙动(linear range cellmigration,lrcm)的校正方法。在距离向处理中，本发明构建了二阶扰动函数，提出了二次距离去走动(quadratic-linear range walk correction,q-lrwc)方法矫正距离徙动的残余线性部分，进一步提高了距离徙动矫正的精确性。然后经过一致距离徙动校正(bulkrange cell migration correction,bulk-rcmc)以及二次距离压缩(second rangecompression,src)，完成对距离向的处理。在方位向处理中，本发明采用接收机斜视角空变的椭圆前视模型来描述接收机斜视角的空变关系，并在距离向处理基础上得到了新的收发斜距的解析关系，用以描述多普勒相位的方位空变特性，使用改进拓展非线性调频变标(extended nonlinear chirp scaling,enlcs)算法进行统一压缩，完成对场景目标的高分辨率聚焦。

2、本发明所采用的技术方案具体如下：

3、基于q-lrwc和改进enlcs的双站前视sar成像方法，其按如下步骤：

4、s1.构建新型双基前视sar几何构型，得到回波信号，对信号进行距离向傅里叶变换；

5、s2.对回波信号距离向进行处理，包括q-lrwc、bulk-rcmc、src；

6、s3.根据距离向处理结果，构建接收机斜视角空变的椭圆前视模型，制定收发波束的同步准则。根据等距解析公式描述收发斜距的空变解析式，以及多普勒相位的空变关系。

7、s4.根据步骤s3所述的解析关系，采用改进enlcs算法实现方位均衡，并进行统一的方位压缩，获取最终的聚焦结果。

8、优选的，步骤s1具体实现如下：

9、s1-1：首先构建基于接收机斜视角空变的双站sar模型。其中，发射机斜视角保持不变，接收机斜视角跟随发射机进行实时空变，以解决收发波束不同步的问题。假设发射机沿着斜飞前视的方向在目标左上方飞行，接收机沿着直线在y轴的正上方飞行，注意，接收机与发射机沿着并不平行的两条航线飞行，其夹角小于90度，且两个雷达平台以不同的速度矢量vt和vr匀速飞行，接收机的飞行方向即为方位向。

10、在方位零时刻，接收机的位置为(xr,yr,zr)，发射机处于(xt,yt,zt)位置处，场景中心点p0(x0,y0,0)此时处于收发波束在地面的重叠区域。代表成像场景区域内的任意点目标由p(x,y,0)统一表示。在波束中心穿越时刻t＝tc，发射机和接收机波束斜视角分别为θt和θr，相对于参考点p0的波束中心斜距为rtc和rrc,那么任意点目标p的发射与接收瞬时斜距为：

11、

12、公式(1)中，接收和发射瞬时斜距都随着方位时间t的变化而变化，且对于不同的点目标，接收机斜视角θr也是随着方位时间而变化的。任意点目标的瞬时双站斜距之和可以表示为：

13、

14、其中，泰勒展开系数ki(i＝1,2,3)和任意点目标的rtc、rrc以及斜视角θr相关，具体表示为：

15、

16、s1-2：假设使用线性调频信号作为发射源，任意点目标p经解调后的回波信号可表示为：

17、

18、其中，τ表示距离维度上的快时间，t代表方位维度上的慢时间，距离维度和方位维度的包络分别由wr(.)和wa(.)表示。fc是雷达载频，c是光速，kr是调频率。

19、利用驻定相位原理将信号转换为距离频域-方位时域，因常数项对成像质量的影响可以忽略不计，故忽略常数项并将公式(2)带入公式(4)可得：

20、

21、其中，fr表示距离维频率，kr表示回波的距离维调频率，第一个指数项表示距离压缩项；第二项是距离徙动的线性部分，第三项是距离徙动的弯曲及高阶部分。

22、优选的，步骤s2具体实现如下：

23、s2-1：在成像区域的中心点处利用参考点的斜视角和波束中心斜距建立lrwc补偿函数，以去除lrcm的非空变部分和弱化距离-方位耦合：

24、

25、其中，k10＝-vtsin(θt)-vrsin(θr0)   (7)

26、表示参考点即场景中心的扩展系数，公式(5)与公式(6)相乘之后得到：

27、

28、s2-2：信号经由lrwc处理后的rcm轨迹可以表示为：

29、

30、在公式(9)中，(k1-k10)t是lrwc处理后残余的lrcm分量，该分量在固定斜视角的非平行双基sar系统以及斜视角度过小时可忽略不计。但对于当前新的成像系统，该分量与剩余lrcm和方位空变的多普勒中心频率的矫正密切相关。对此提出新的q-lrwc方法，首先构建一个q-lrwc扰动函数：

31、hq-lrwc(fr,fc,t)＝exp{-j2πq2t2(fr+fc)/c}    (10)

32、将式(8)与(10)相乘并在t＝tc处作泰勒展开，其中q2为待定系数，由后续推导出具体表达式：

33、

34、其中，k11是扩展系数k1的空变系数，即k1＝k10+k11tc，其数值将由后续椭圆模型进行推导得出。公式(11)中，t-tc的线性项在rcm中占主导地位，尤其是本发明构建的前视成像场景下，故令其系数为0，可以求解待定系数q2的值，

35、k11tc+2q2tc＝0         (12)

36、

37、将公式(13)代入公式(11)，信号将变为：

38、

39、观察公式(14)可以得到，经由q-lrwc处理后的信号rcm轨迹可表示为，

40、

41、s2-3：观察(15)可以看出，经由q-lrwc处理的信号的线形项已被完全去除，因此利用级数反演法(method of series reverse,msr)将信号转换为双频域，因结果较为复杂，将其在fr＝0处进行泰勒展开结果可表示为：

42、

43、其中，fa表示方位维频率，各展开系数如下，

44、

45、观察公式(16)，ψ(·)包含了所有的方位调制信息和距离偏移的结果，φ1(·)代表残余rcm，注意，其中fa与fr的一次项已完全消除，即线性lrcm被完全消除。φ2(·)是二次距离压缩项，φ3(·)是高次距离-方位耦合项。

46、由式(17)可知，φ1(·)中的高阶距离徙动包含了空变与非空变部分，但在前视成像场景中，k2、k3的空变部分可忽略不计。故先采用参考点bulk-rcmc进行一致距离徙动矫正非空变分量，同样在参考点处构造匹配函数，

47、

48、其中，拓展系数ki0与参考点的波束中心斜距和斜视角相关，其数值如下：

49、

50、s2-4：进行二次距离压缩，在成像场景中心构建距离压缩滤波器，

51、

52、将公式(16)与公式(18)、(20)相乘之后得到：

53、

54、观察式(21)，其中第一个指数项只包含方位向调制信息，第二个指数项包含距离位置以及残余高阶rcm。其中，

55、

56、

57、可见，fa与fr的一次项已完全消除，虽然高次距离徙动项仍然残余了一小部分的空变分量，但是对于双站前视成像构型，该误差量可忽略不计，通过仿真结果也验证了这一观点。

58、优选的，步骤3具体实现如下：

59、s3-1：距离向处理完毕并忽略误差，将信号转换到距离时域-方位频域，可以得到信号此时的表达式：

60、

61、其中，λ＝c/fc，各扩展系数如下，

62、

63、其中，第一项表示目标的距离位置信息，其余各项为拓展系数。观察第一项可知，任意点目标的双站斜距之和已经由rtotal修正为k0-k1tc-k11tc2/2，即所有处于同一方位时刻tc的点目标将落入同一距离单元。再者，任意点目标的多普勒调频率可表示为:

64、

65、从公式(24)和(26)可知，经由rcmc后处于同一距离单元的不同点目标可能具有不同的斜距以及多普勒调频率，为了精确平衡多普勒调频率，需要建立一个精确的模型来描述不同点目标之间的空变特性。

66、s3-2：假设点目标a与b在经过rcmc处理之后位于同一距离单元内，在方位零时刻，收发波束中心指向a点，当方位时间到达tc时，由于发射机斜视角固定不变，此时发射波束中心指向b点，接收机斜视角实时变化使得接受波束也能够指向b点，避免了收发波束分裂的问题。因此，在距离向处理的基础之上，建立接收机斜视角空变的椭圆前视模型，并描述收发斜距的空变解析式。

67、椭圆前视模型的解析式可表示为,

68、

69、其中，a＝(rtca+rrca)/2,表示椭圆的半轴长，c＝l/2表示两个焦点之间的距离。根据椭圆模型解析式，经过一系列复杂推导，可以得到描述接收机斜视角的空变解析式，给出最终的解析关系，并进行泰勒一次展开得到：

70、

71、其中，u1,v1为展开系数

72、

73、将公式(28)代入公式(3)并进行泰勒展开，可以得到k11的具体表达式：

74、k1＝k10+k11tc     (30)

75、其中，k10表示场景中心a的拓展系数，k11＝-u1vr，为泰勒一次展开系数。

76、由公式(22)可知，点目标a与b之间的距离关系可表示为：

77、rrca+rtca＝rrcb+rtcb-k10tc-k11tc2/2     (31)

78、根据椭圆前视模型的几何关系可以表示各变量之间的关系，其中，

79、

80、

81、将公式(29)、(32)、(33)代入公式(31)可得到接收斜距与发射斜距之间的空变解析式，

82、

83、其中，x1,υ1为泰勒展开系数：

84、

85、s3-3：把公式(34)代入公式(26)并将结果在tc＝0处进行二阶展开，可得到a、b之间多普勒调频率之间的关系，

86、

87、其中kaa表示a点的多普勒调频率，ks1和ks2表示空变系数，可表示为：

88、

89、对三次相位采用相同的方法进行分析，由于前视平台所贡献的分量远小于接收平台，因此将拓展系数的三次项进行简化并对结果进行泰勒一次展开，

90、

91、φ3b＝φ3a+φ31tc      (39)

92、其中，φ3a为a点的多普勒三次相位，φ31为展开系数

93、

94、优选的，步骤s4具体实现如下：

95、将所有空变解析式代入公式(24)并忽略距离指数项，只考虑方位向信息，信号的形式为：

96、

97、在利用enlcs算法进行处理之前，引入四阶预滤波函数，来校正高次相位的非空变部分，

98、

99、公式(41)与(42)相乘之后，将其转换为方位时域，并构建四阶enlcs因子，来消除方位向多普勒调频率以及高次相位的空变部分，enlcs因子可表示为，

100、henlcs(t)＝exp{jπ(p2t2+p3t3+p4t4)}     (43)

101、其中，各待定系数y3,y4,p2,p3,p4可由建模信息进行重新推导。经过enlcs处理之后，将各系数代入，可以得到最终的方位统一聚焦因子，至此，方位向也处理完成。

102、hac(fa)＝exp{-jπ(a(fa))}      (44)

103、其中，

104、

105、本发明还公开一种基于q-lrwc和改进enlcs的双站前视sar成像系统，基于上述方法，包括如下模块：

106、sar几何构型构建模块：构建双基前视sar几何构型，得到回波信号，对回波信号进行距离向傅里叶变换；

107、回波信号距离向处理模块：对回波信号距离向进行处理，包括q-lrwc、bulk-rcmc、src；

108、解析模块：根据距离向处理结果，构建接收机斜视角空变的椭圆前视模型，制定收发波束的同步准则；根据等距解析公式描述收发斜距的空变解析式，以及多普勒相位的空变关系；

109、方位均衡模块：根据解析关系，采用改进enlcs实现方位均衡，并进行统一的方位压缩，获取最终的聚焦结果。

110、针对双站前视sar成像模式中存在的严重线性距离徙动问题，本发明提出了一种基于接收机斜视角空变的椭圆前视模型的高分辨成像方法及系统。本发明通过椭圆前视模型的几何关系，对双站前视sar的方位空变性进行了推导，在距离向预处理后，分析了回波的距离位置信息并构建收发斜距之间的方位空变关系。基于椭圆前视模型，在距离向构建q-lrwc方法去除了方位空变的残余lrcm，在方位向采用enlcs算法实现方位向统一聚焦。相比现有的成像方法，本发明在处理前视、高分辨率双站非平飞构型的sar系统回波数据具有更好的聚焦效果。