[發明專利]一種地球同步軌道合成孔徑雷達速度空變性的補償方法

有效

• 申請號: 201310278648.0
• 申請日: 2013-07-04
• 公開（公告）號: CN103364782A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 胡程;龍騰;田野;劉飛鋒;曾濤;丁澤剛
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 付雷杰;仇蕾安

1.一種地球同步軌道合成孔徑雷達速度空變性的補償方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、對地球同步軌道合成孔徑雷達的回波信號做距離向傅里葉變換，得到距離頻域的回波信號后，將得到的距離頻域的回波信號的二維頻譜展開到距離向三次相位，即：

S(fr,fa)=Ar(fr)Aa(fa)·exp(-4πR0f0cD(fa,v))·exp(-4πR0cD(fa,v)fr)]]>??????(4)]]>

·exp(cπR0fa22v2f03D3(fa,v)fr2)·exp(-jπfr2kr)·exp(-2πufav)]]>

其中，f_r是信號距離向頻率，f₀為信號載頻，f_a為方位向多普勒頻率，A_r(·)和A_a(·)分別表示距離向和方位向包絡函數，λ為信號波長，c為光速，u為點目標沿雷達航跡方向的位置，k_r為雷達回波信號的調頻率，R₀為衛星的最短斜距，v為衛星在直線軌跡模型下的速度，為徙動因子；

步驟二、將衛星速度v表示為：v＝v₀+Δv，其中，v₀代表成像參考點位置處衛星的速度，Δ_v為速度空變量，對步驟一得到的距離頻域的回波信號S(f_r，f_a)的方位調制項距離徙動項和距離方位耦合項分別進行泰勒展開，具體為：

A、對于距離徙動項，得到距離徙動量為：

HRCM(Δv)=RP·cosθ1-λ2fa2/4(v0+Δv)2-RP=R0{11-λ2fa2/4(v0+Δv)2-11-λ2fdc2/4(v0+Δv)2}---(6)]]>

其中，R_P為孔徑中心位置到點目標的中心斜距；

對距離徙動量在Δv＝0處泰勒展開，得到如下表達式：

H_RCM(Δv)＝H_RCM|_Δv＝0+H′_RCM|_Δv＝0·Δv+……????(7)

其中，HRCM|Δv=0=R0{11-λ2fa2/4v02-11-λ2fdc2/4v02}---(8)]]>

H′RCM|Δv=0·Δv=R0[-λ2fa24v03(1-λ2fa2/4v02)32+λ2fdc24v03(1-λ2fdc2/4v02)32]·Δv]]>?????????(9)]]>

≈R0[-sin2θv0cos3θ+λ2fdc24v03(1-λ2fdc2/4v02)32]·Δv]]>

其中，θ為點目標的斜視角，f_dc表示多普勒中心頻率，

B、對于距離方位耦合項，其具體表達式如下：

HSRC(Δv)=π·c·R0·Ba2·fr22·f03·(v0+Δv)2·[1-λ2Ba2/4(v0+Δv)2]32---(10)]]>

對這一項在Δv＝0處泰勒展開得到如下形式表達式：

H_SRC(Δv)＝H_SRC|_Δv＝0+H′_SRC|_Δv＝0·Δv+……????(11)

其中

HSRC|Δv=0=π·c·R0·Ba2·fr22·f03·(v0)2·[1-λ2Ba2/4(v0)2]32---(12)]]>

H′SRC|Δv=0·Δv=-πcR0Ba2fr22f03{2v031(1-λ2Ba2/4v02)32+3λ2Ba24v05(1-λ2Ba24v02)52}·Δv---(13)]]>

其中，B_a為方位向帶寬；

C、對于方位調制項，其具體表達式為：

Ha(Δv)=4πR0f0c1-λ2Ba24(v0+Δv)2---(14)]]>

對方位調制函數在Δv＝0處泰勒展開，得到如下表達式：

H_a(Δv)＝H_a|_Δv＝0+H′_a|_Δv＝0·Δv+……????(15)

其中，Ha|Δv=0=4πR0f0c1-λ2Ba24v02---(16)]]>

H′a|Δv=0=4πR0f0c·λ2Ba24v031-λ2Ba24v02·Δv---(17)]]>

步驟三、自適應相位補償處理，具體方法為：

針對步驟二中的距離徙動項、距離方位耦合項和方位調制項中泰勒展開式的第一項采用傳統二次距離壓縮算法進行補償；

針對步驟二中的距離徙動項，距離方位耦合項和方位調制項的泰勒展開式的第二項采用如下方法進行補償，具體步驟如下：

S301、令位置為處點目標的真實斜距歷程與二維斜距平面上的瞬時斜距歷程相等，則有：

v=RP→(O)·a+vs2---(21);]]>

為孔徑中心位置到點目標P的位置矢量，v_s是衛星在真實彎曲軌跡下的運行速度，a為衛星加速度；

S302、速度空變性最大方向上點的位置記為：其中，為參考點的位置，為速度空變性最大方向上的單位向量，的方向即為加速度a在地平面上的投影方向，k為方向上的尺度，將表示GEO?SAR孔徑中心到點目標的矢量的和代入(21)式得：

v=R→(O)·a+vs2-(P0→+k·a→max)·a=R→(O)·a+vs2-P0→·a-k·|a→|cosθam---(26)]]>

其中，代表場景坐標系下衛星從孔徑中心位置到場景坐標原點的位置矢量，θ_am是加速度a與空變性矢量之間的夾角；

S303、確定尺度k：

令參考點處的速度為v₀，(9)、(13)和(17)式的殘余量分別表示為：

ΔRCM=R0[-sin2θv0cos3θ+λ2fdc24v03(1-λ2fdc2/4v02)32]·Δv---(27)]]>

ΔφSRC=-πcR0Ba2fr22f03{2v031(1-λ2Ba2/4v02)32+3λ2Ba24v05(1-λ2Ba24v02)52}·Δv---(28)]]>

Δφa=4πR0f0c·λ2Ba24v031-λ2Ba24v02·Δv---(29)]]>

上述ΔRCM為距離徙動校正時由速度空變性引起的徙動量的殘余量，Δφ_SRC為二次距離壓縮時由速度空變性引起的相位殘余量，Δφ_SRC為方位向脈沖壓縮時由速度空變性引起的相位殘余量；

令徙動量的殘余量Δ_RCM不大于二次距離壓縮的相位殘余量Δφ_SRC和方位向脈沖壓縮的相位殘余量均不大于π/4，則分別得到上述三項中Δv的范圍：

Δv≤c4BR0[-sin2θv0cos3θ+λ2fdc24v03(1-λ2fdc2/4v02)32]---(33)]]>

Δv≤f032cR0Ba2fr2{2v031(1-λ2Ba2/4v02)32+3λ2Ba24v05(1-λ2Ba24v02)52}---(34)]]>

Δv≤v031-λ2Ba24v024R0λBa2---(35)]]>

將(33)、(34)和(35)式分別代入(26)式，得：

k≤v0cBR0|a|cosθam[-sin2θv0cos3θ+λ2fdc24v03(1-λ2fdc2/4v02)32]---(36)]]>

k≤2v0f03cR0Ba2fr2|a|cosθam{2v031(1-λ2Ba2/4v02)32+3λ2Ba24v05(1-λ2Ba24v02)52}---(37)]]>

k≤v041-λ2Ba24v02R0λBa2|a|cosθam---(38)]]>

在實際成像處理時，將獲得的衛星實際的相關參數分別代入(36)、(37)和(38)式，求出尺度k的三個相應的范圍，并選取最小范圍中的最大值作為尺度k的值；

S304、在成像區域內，以參考點為中心，沿方向，以步驟S303確定的尺度k為寬度，等距離劃分出補償區域；將步驟S303求得的k代入式(26)中，計算得到參考點處的速度v，根據該速度分別計算各補償區域的速度，最后利用補償區域的速度分別基于SRC算法對圖像的速度空變性進行補償。