一种基于高阶斜距模型的geo sar高分辨成像方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于高阶斜距模型的GEO SAR高分辨成像方法，该方法包括有回波信号的二维傅里叶变换处理步骤；结合高阶斜距模型得到距离补偿函数实现对二维频域信号的距离向处理步骤；距离向的傅里叶逆变换步骤；结合高阶斜距模型得到方位补偿函数实现对距离多谱勒信号的方位向处理步骤；方位向傅里叶逆变换步骤。该方法通过对斜距的高阶参数的估计，得到了回波信号的距离向补偿函数和方位向补偿函数，利用傅里叶变换和傅里叶逆变换，在频域完成信号的相位补偿，从而实现了地球同步轨道合成孔径雷达的成像处理，得到了高精度的成像质量。
【专利说明】-种基于高阶斜距模型的GEO SAR高分辨成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及星载雷达【技术领域】，是一种采用高阶模型对斜距进行逼近，从而实现 地球同步轨道合成孔径雷达成像的方法。
【背景技术】
[0002] 合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR)系统是一种有源的遥感设备，它 主动向目标发射电磁波，利用目标散射特性作用下接收到回波信号进行成像。
[0003] 1999年10月哈尔滨工业大学出版社出版、刘永坦编著的《雷达成像技术》指出，合 成孔径雷达（SAR, Synthetic Aperture Radar)安装在运动平台上，按照一定的重复频率发 射、接收脉冲，形成回波信号。SAR系统的结构框图如图1所示，SAR系统包括有星上雷达系 统、卫星平台及数据下传系统和地面系统三部分，对合成孔径雷达成像处理是在地面系统 中完成的。地面系统通过地面接收站接收卫星平台及数据下传系统下发的回波信号，该回 波信号经SAR信号处理器进行成像处理，获得SAR图像；所述SAR图像存储于备档操作系统 中。
[0004] 地球同步轨道的合成孔径雷达（GEO SAR)轨道高度为35768km，由于轨道高度很 高，因此观测带很大，可以完成对大场景的观测。同时，GEO SAR具有很长的合成孔径时间， 因此可以完成对固定目标的超时间观测以及高分辨成像。另外，GEO SAR的重访周期很短， 可以在一天之内对目标进行重复观测。这些优点使得研究GEO SAR成像有着重要的意义。
[0005] 目前，GEO SAR的成像技术分为两类：
[0006] 第一类是时域成像方法。如李洲等人在2008IGASS会议集上发表的论文《BACK PROJECTION ALGORITHM FOR HIGH RESOLUTION GEO-SAR IMAGE FORMATION》中提出 了一种 后项投影BP算法，该算法通过对星地几何模型的研究，得到了基于星地几何模型的BP成像 算法，取得了很好的成像结果，且分辨率可以到达2m。虽然该算法能取得很好的分辨率，但 处理时间很长，在500kmX 500km场景，分辨率为3m的要求下，完成一次成像处理需要1个 小时。
[0007] 第二类是频域成像方法。如胡程等人2010在《工兵学报》第31卷中发表的论文 《一种精确的地球同步轨道SAR成像聚焦方法》，通过对二次距离压缩进行补偿修正，得到了 适合GEO SAR的RD算法，并得到了良好的仿真结果。但该算法的分辨率精度偏低（分辨率 为 10m)。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于解决GEO SAR运动特性带来的高分辨成像难题。首先，根据 GEO SAR的运动特性，采用高阶模型逼近的方法建立适合GEOSAR的运动轨迹模型；然后，利 用级数反演方法得到GEO SAR回波信号的二维频域信号；最后，获得基于高阶斜距模型的 GEO SAR频域成像处理方法。
[0009] 本发明提出的基于高阶斜距模型的GEO SAR高分辨成像方法，其包括有下列成像 处理步骤：
[0010] 第一步：构建GEO SAR的高阶斜距模型；
[0011] 第二步：先进行距离向傅里叶变换，再进行方位向傅里叶变换；
[0012] 第三步：依据GEO SAR高阶斜距模型R⑴并结合Hsw补偿（f；，fa)对Ea进行距离向 处理，距离向补偿矩阵Ee;
[0013] 第四步：对距离向补偿结果矩阵Ee进行距离向傅里叶逆变换处理，得到距离多谱 勒信号E f ;
[0014] 第五步：依据方位向补偿函数Hmiws ( τ，fa)对Ef进行方位向补偿处理，得到方 位向补偿结果矩阵Ee;
[0015] 第六步：对Ee进行方位向傅里叶逆变换处理，得到成像结果信号Eh。
[0016] 本发明与现有技术相比，其优点在于：
[0017] a)本发明中的斜距模型参数是基于GEO SAR的运动特性估计出的，具有很高的精 确度，从而减小了斜距误差引入相位误差，有利于提高成像质量。
[0018] b)本发明中的二维频谱是基于高阶模型进行推导的，频谱在方位向上展开到了 8 阶，与现有技术相比，具有很高的精确度，有利于精确成像处理。
[0019] c)本发明的成像方法是一种频域成像方法，具有很高的运算处理效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是SAR系统的结构框图。
[0021] 图2是本发明基于高阶斜距模型的GEO SAR高分辨成像方法的流程图。
[0022] 图3A是本发明的高阶斜距模型在6，7不同阶数下的斜距误差引入的相位误差图。
[0023] 图3B是本发明的高阶斜距模型在8阶数下的斜距误差引入的相位误差图。
[0024] 图4是常规RD成像处理结果图。
[0025] 图5是采用本发明的成像处理结果图。
【具体实施方式】
[0026] 由于地球同步轨道的合成孔径雷达（GEO SAR)轨道高度为35768km，由于轨道高 度很高，因此观测带很大，可以完成对大场景的观测。但是运动轨迹不在是直线，造成传统 的成像方法不在适合于GEO SAR系统，因此本发明根据GEO SAR系统的运动特性来研究成 像方法，并使得该方法能够实现高精度的成像处理。
[0027] 参见图2所示，本发明提出的一种基于高阶斜距模型的GEO SAR高分辨成像方法， 包括有下列成像处理步骤：
[0028] 第一步：构建GEO SAR的高阶斜距模型；
[0029] 在本发明中，GEO SAR高阶斜距模型R (t)表达式为：
[0030] R(t) = aoto+aj1+…+aj1+…+a8t8,且 a〇 = I I R01 I ;
[0031] t为方位向时间，为第i阶时的方位向时间；
[0032] i为方位向时间t的阶数，i的取值为0-8 ;
[0033] Btl为初始相位项系数，Rtl为中心时刻目标与天线的相对位置；
[0034] B1为第一阶相位项系数,a8为第八阶相位项系数,Bi为第i阶相位项系数,为了方 便说明，A称为任意一阶相位项系数。
[0035] 在本发明中，相位项系数是与中心时刻目标位置
【权利要求】
1. 一种基于高阶斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法，其特征在于包括有成像处理步 骤： 第一步：构建GEOSAR的高阶斜距模型； 第二步：先进行距离向傅里叶变换，再进行方位向傅里叶变换； 第三步：依据GEOSAR高阶斜距模型R(t)并结合Hs6离补偿（f；，fa)对Ea进行距离向处 理，距离向补偿矩阵Ee; 第四步：对距离向补偿结果矩阵Ee进行距离向傅里叶逆变换处理，得到距离多谱勒信 号Ef; 第五步：依据方位向补偿函数Hmiws (τ，fa)对Ef进行方位向补偿处理，得到方位向 补偿结果矩阵Ee; 第六步：对Ee进行方位向傅里叶逆变换处理，得到成像结果信号Eh。
2. 根据权利要求1所述的基于高阶斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法，其特征在于： 成像精度为3米。
3. 根据权利要求1所述的基于高阶斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法，其特征在于： GEOSAR高阶斜距模型R(t) =aQi^+aJ1+…+aii^+H.+agt8,且aQ =IIRciI|。
4. 根据权利要求1所述的基于高阶斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法，其特征在于： 距离补偿函数为H距离补偿（fr,fa) =exp(_j(Θ丨（fa，Rs)fr+Θ2 (fa)fr2+Θ3 (fa)fr3))。
5. 根据权利要求I所述的基于高阶斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法，其特征在于： 方位向补偿函数为H方位补偿（τ，fa) =exp(_jΘq(fa，Rs))。
6. 根据权利要求4或5任一项所述的基于高阶斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法， 其特征在于：级数反演系数Mi与GEOSAR高阶斜距模型系数的具体表征为：
【文档编号】G06F19/00GK104459694SQ201410736982
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】于泽, 邹东海, 王志乾 申请人:北京航空航天大学