[發明專利]雙基前視SAR動目標成像方法與動目標速度估計方法

有效

• 申請號: 201410136027.3
• 申請日: 2014-04-08
• 公開（公告）號: CN103885062A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 李中余;武俊杰;孫稚超;楊海光;黃鈺林;楊建宇
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90;G01S13/58
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 周永宏

1.一種基于失配壓縮的BFL-SAR動目標成像方法，具體包括如下步驟：

步驟一：建立BFL-SAR成像幾何模型，完成參數初始化；

設P為成像區域中的動目標，假設其距離向和方位向的運動速度分別為v_r和v_a；BFL-SAR發射站與動目標P的斜視距離為R_T，發射站速度為V_T，發射站飛行方向與波束中心夾角為θ；接收站與動目標P的斜視距離為R_R，發射站速度為V_R，接收站飛行方向與波束中心夾角為零度；

步驟二：獲取BFL-SAR動目標的多普勒質心和多普勒調頻率；

BFL-SAR模式下，動目標P的多普勒質心f_dc為：

fdc=VR-vrλ+VTcosθ-vrcosθ-vasinθλ]]>

其中，λ為發射信號載波波長，

動目標P的多普勒調頻率f_dr為：

fdr=va2λRR+(VTsinθ+vrsinθ-vacosθ)2λRT]]>

假設動目標方位向速度估計誤差和距離向速度估計誤差分別為Δv_a和Δv_r，則存在速度估計誤差情況下的多普勒質心f′_dc和多普勒調頻率f′_dr分別為：

fdc′=VR-(vr+Δvr)λ+VTcosθ-(vr+Δvr)cosθ-(va+Δva)sinθλ=fdc+Δfdc]]>

其中，多普勒中心估計誤差Δf_dc為：Δfdc=-Δvrλ-Δvrcosθ+Δvasinθλ;]]>

fdr′=(va+Δva)2λRR+(VTsinθ-(vr+Δvr)sinθ-(va+Δva)cosθ)2λRT=fdr+Δfdr]]>

其中，多普勒調頻率估計誤差Δf_dr為：

Δfdr=2vaΔva+Δva2λRR+2(VTsinθ+vrsinθ-vacosθ)(Δvrsinθ-Δvacosθ)+(Δvrsinθ-Δvacosθ)2λRT]]>

步驟三：構造出動目標方位信號和存在速度估計誤差的參考函數；

由步驟二，可得BFL-SAR動目標方位信號S(t)為：

S(t)=rect[tT]exp{j2π(fdct+12fdrt2)}]]>

其中，rect[·]為方位時間窗，T為方位時寬，t為方位向時間。

存在速度估計誤差的參考函數S_ref(t)為：

Sref(t)=rect[tTp]exp{j2π(fdc′t+12fdr′t2)}=rect[tTp]exp{j2π(fdct+12fdrt2)}exp{j2π(Δfdct+12Δfdrt2)}]]>

其中，T_p為參考函數時寬。

步驟四：利用參考函數與動目標方位信號進行失配壓縮處理，可得：

Scmp(t)=∫-∞∞S(ζ)·Sref*(ζ-t)dζ=∫-∞∞rect[ζT]·rect[ζ-tTp]exp{-j2π[12Δfdrζ2+(-fdrt+Δfdc-Δfdrt)ζ+12fdrt2-fdct-Δfdct+12Δfdrt2]}dζ=exp{-j2π(c-b24a)}∫-∞∞rect[ζT]·rect[ζ-tTp]exp{-2πa(ζ+b2a)2}dζ=exp{-2π(c-b24a)}·L(t)]]>

其中，ζ為時間變量，(^*)表示共軛，b=-f_drt+Δf_dc-Δf_drt，c=12fdrt2-fdct-Δfdct+12Δfdrt2,]]>且L(t)的表達式為：

L(t)=∫-∞∞rect[ζT]exp{-j2πa(ζ+b2a)2}dζ]]>

利用駐定相位原理，完成L(t)的積分；

首先獲取L(t)駐定相位點ζ_k為：

再將該駐定相位點表達式帶入上式L(t)中，可得：

L(t)=rect[t-Δfdc/fdr′Δfdr/fdr′·T]∫ζk-Δζk+Δexp{-j2πa(ζ-ζk)2}dζ]]>

其中，[ζ_k-Δ,ζ_k+Δ]表示預先選取的積分區間，

令η=2a(ζ-ζk),]]>上式可簡化為：

L(t)=rect[t-Δfdc/fdr′Δfdr/fdr′·T]12a∫-2aΔ2aΔexp{-jπ2η2}dη]]>

對上式取模操作，可得失配壓縮后動目標的散焦圖像結果為：

|L(t)|=rect[fdr′t-ΔfdcΔfdrT]12a=rect[t-Δfdc/fdr′Δfdrfdr′T]12a]]>

其中，|·|表示取模操作。

步驟五：利用散焦圖像的位置及散焦展寬寬度，與多普勒質心誤差、多普勒調頻率誤差的關系，完成對多普勒質心誤差、多普勒調頻率誤差的估計；

由步驟四可得失配壓縮后動目標的散焦圖像的位置t_mid與散焦展寬寬度T_dcmp，又因為：

t_mid=Δf_dc/′_dr

Tdcmp=Δfdrfdr′T]]>

則可得多普勒質心誤差、多普勒調頻率誤差的估計為：

Δfdc=fdr′·tmidΔfdr=fdr′·Tdcmp/T]]>

步驟六：利用多普勒質心誤差、多普勒調頻率誤差的估計得到動目標的準確多普勒質心、多普勒調頻率，構造動目標方位準確參考信號，完成對動目標的成像處理；

由步驟二及步驟五，可得動目標的準確多普勒質心f_dc、多普勒調頻率為f_dr：

fdc=fdr′-Δfdcfdr=fdr′-Δfdr]]>

最后利用得到的動目標的準確多普勒質心f_dc和多普勒調頻率f_dr，構造動目標方位準確參考信號S(t)，完成對動目標的成像處理，成像處理結果S_imge(t)為：

Simge(t)=∫-∞∞S(ζ)·S*(ζ-t)dζ=sinc(t-t0),]]>

其中，sinc(·)為辛格函數，t₀為動目標的成像結果位置點。

2.一種BFL-SAR動目標速度估計方法，包括如下步驟：

步驟一：建立BFL-SAR成像幾何模型，完成參數初始化；

設P為成像區域中的動目標，假設其距離向和方位向的運動速度分別為v_r和v_a；BFL-SAR發射站與動目標P的斜視距離為R_T，發射站速度為V_T，發射站飛行方向與波束中心夾角為θ；接收站與動目標P的斜視距離為R_R，發射站速度為V_R，接收站飛行方向與波束中心夾角為零度；

步驟二：獲取BFL-SAR動目標的多普勒質心和多普勒調頻率；

BFL-SAR模式下，動目標P的多普勒質心f_dc為：

fdc=VR-vrλ+VTcosθ-vrcosθ-vasinθλ]]>

其中，λ為發射信號載波波長，

動目標P的多普勒調頻率f_dr為：

fdr=va2λRR+(VTsinθ+vrsinθ-vacosθ)2λRT]]>

假設動目標方位向速度估計誤差和距離向速度估計誤差分別為Δv_a和Δv_r，則存在速度估計誤差情況下的多普勒質心f′_dc和多普勒調頻率f′_dr分別為：

fdc′=VR-(vr+Δvr)λ+VTcosθ-(vr+Δvr)cosθ-(va+Δva)sinθλ=fdc+Δfdc]]>

其中，多普勒中心估計誤差Δf_dc為：Δfdc=-Δvrλ-Δvrcosθ+Δvasinθλ;]]>

fdr′=(va+Δva)2λRR+(VTsinθ-(vr+Δvr)sinθ-(va+Δva)cosθ)2λRT=fdr+Δfdr]]>

其中，多普勒調頻率估計誤差Δf_dr為：

Δfdr=2vaΔva+Δva2λRR+2(VTsinθ+vrsinθ-vacosθ)(Δvrsinθ-Δvacosθ)+(Δvrsinθ-Δvacosθ)2λRT]]>

步驟三：構造出動目標方位信號和存在速度估計誤差的參考函數

由步驟二得到BFL-SAR動目標方位信號S(t)為：

S(t)=rect[tT]exp{j2π(fdct+12fdrt2)}]]>

其中，rect[·]為方位時間窗，T為方位時寬，t為方位向時間。

存在速度估計誤差的參考函數S_ref(t)為：

Sref(t)=rect[tTp]exp{j2π(fdc′t+12fdr′t2)}=rect[tTp]exp{j2π(fdct+12fdrt2)}exp{j2π(Δfdct+12Δfdrt2)}]]>

其中，T_p為參考函數時寬；

步驟四：利用參考函數與動目標方位信號進行失配壓縮處理，可得：

Scmp(t)=∫-∞∞S(ζ)·Sref*(ζ-t)dζ=∫-∞∞rect[ζT]·rect[ζ-tTp]exp{-j2π[12Δfdrζ2+(-fdrt+Δfdc-Δfdrt)ζ+12fdrt2-fdct-Δfdct+12Δfdrt2]}dζ=exp{-j2π(c-b24a)}∫-∞∞rect[ζT]·rect[ζ-tTp]exp{-2πa(ζ+b2a)2}dζ=exp{-2π(c-b24a)}·L(t)]]>

其中，ζ為時間變量，(^*)表示共軛，b=-f_drt+Δf_dc-Δf_drt，c=12fdrt2-fdct-Δfdct+12Δfdrt2,]]>且L(t)的表達式為：

L(t)=∫-∞∞rect[ζT]exp{-j2πa(ζ+b2a)2}dζ]]>

利用駐定相位原理，可完成L(t)的積分，

首先獲取L(t)駐定相位點ζ_k為：

再將該駐定相位點表達式帶入上式L(t)中，可得：

L(t)=rect[t-Δfdc/fdr′Δfdr/fdr′·T]∫ζk-Δζk+Δexp{-j2πa(ζ-ζk)2}dζ]]>

其中，[ζ_k-Δ,ζ_k+Δ]表示預先選取的積分區間，

令η=2a(ζ-ζk),]]>上式可簡化為：

L(t)=rect[t-Δfdc/fdr′Δfdr/fdr′·T]12a∫-2aΔ2aΔexp{-jπ2η2}dη]]>

對上式取模操作，可得失配壓縮后動目標的散焦圖像結果為：

|L(t)|=rect[fdr′t-ΔfdcΔfdrT]12a=rect[t-Δfdc/fdr′Δfdrfdr′T]12a]]>

其中，|·|表示取模操作。

步驟五：利用散焦圖像的位置及散焦展寬寬度，與多普勒質心誤差、多普勒調頻率誤差的關系，完成對多普勒質心誤差、多普勒調頻率誤差的估計，

由步驟四可得失配壓縮后動目標的散焦圖像的位置t_mid與散焦展寬寬度T_dcmp，又因為：

t_mid=Δf_dc/f′_dr

Tdcmp=Δfdrfdr′T]]>

則可得多普勒質心誤差、多普勒調頻率誤差的估計為：

Δfdc=fdr′·tmidΔfdr=fdr′·Tdcmp/T]]>

步驟六：利用多普勒質心誤差、多普勒調頻率誤差的估計得到動目標的準確多普勒質心、多普勒調頻率，構造動目標方位準確參考信號，完成對動目標的成像處理

由步驟二及步驟五，可得動目標的準確多普勒質心f_dc、多普勒調頻率為f_dr：

fdc=fdr′-Δfdcfdr=fdr′-Δfdr]]>

最后利用得到的動目標的準確多普勒質心和多普勒調頻率，構造動目標方位準確參考信號S(t)，完成對動目標的成像處理，成像處理結果S_imge(t)為：

Simge(t)=∫-∞∞S(ζ)·S*(ζ-t)dζ=sinc(t-t0),]]>

其中，sinc(·)為辛格函數，t₀為動目標的成像結果位置點。

步驟七：利用估計出的動目標的準確多普勒質心、多普勒調頻率，與動目標速度的二元關系，解出動目標速度。

由步驟二可得：

fdc=VR-vrλVTcosθ-vrcosθ-vasinθλ=A1vr+B1va+C1]]>

其中，A1=-1λ-cosθλ,B1=-sinθλ,C1=VRλ+VTcosθλ.]]>

fdr=va2λRR+(VTsinθ+vrsinθ-vacosθ)2λRT=A2vr2+B2va2+C2vrva+D2vr+E2va+F2]]>

其中，A2=sinθ2λRT,B2=1λRR+cosθ2λRT,C2=-2sin·cosθλRT,D2=2VTsinθ2λRT,]]>E2=-2VTsinθ·cosθλRT,F2=(VTsinθ)2λRT.]]>

則利用估計出的動目標準確多普勒質心f_dc、多普勒調頻率為f_dr，通過如下二元方程組，便可解出動目標速度：

A1vr+B1va+C1=fdcA2vr2+B2va2+C2vrva+D2vr+E2va+F2=fdr]]>

從而完成動目標速度的估計。