[發(fā)明專利]一種適用于彈載大前斜視時(shí)變參數(shù)SAR的重疊子孔徑算法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711251059.8
• 申請(qǐng)日: 2017-12-01
• 公開（公告）號(hào): CN108226925A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王巖;楊健;李景文;殷君君
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S13/90
• 分類號(hào): G01S13/90
• 代理公司: 北京三聚陽光知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

1.一種適用于彈載大前斜視時(shí)變參數(shù)合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，簡稱SAR)的重疊子孔徑成像處理方法包括以下六個(gè)步驟中，步驟三、步驟四、步驟五、步驟六、步驟七為本專利的權(quán)利要求部分，具體為：

步驟三、波數(shù)域數(shù)據(jù)格式校正處理。具體為：

將R(m)以場(chǎng)景中心為參考點(diǎn)進(jìn)行一階泰勒展開，有

R(m)≈R_ref(m)-sinβ(m)sinα(m)x_s-sinβ(m)cosα(m)y_s (1)

其中

式(1)所示的信號(hào)近似表達(dá)式是基于電磁波傳輸?shù)钠矫娌ㄇ凹僭O(shè)，即對(duì)于目標(biāo)場(chǎng)景內(nèi)任一散射點(diǎn)，雷達(dá)波束的照射方向均是相同的，距離場(chǎng)景中心O越遠(yuǎn)的位置，斜距誤差越大。通常來講，Δr超過π/2被認(rèn)為是不能容忍的，因此平面波前假設(shè)可正確應(yīng)用的前提是目標(biāo)場(chǎng)景范圍較小，斜距誤差在允許范圍內(nèi)，這也是極坐標(biāo)格式算法適用于聚束模式SAR成像的原因，同時(shí)也是采用極坐標(biāo)格式算法進(jìn)行成像處理時(shí)目標(biāo)散焦與位置誤差的重要來源。

在波前平面假設(shè)下，完成殘余視頻相位校正的數(shù)據(jù)可以表示為

令

則回波信號(hào)可表示為

s_s(i,m)＝exp{j(K_x(i,m)x_s+K_y(i,m)y_s)} (6)

其中K_x與K_y表示信號(hào)傳播過程中沿方位向與距離向的波數(shù)密度。觀察距離波束與方位波束，可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)在波數(shù)域的表達(dá)式既與雷達(dá)平臺(tái)參數(shù)有關(guān)，也與傳感器的空間采樣位置有關(guān)。若采用傳統(tǒng)的距離向插值運(yùn)算對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行校正，不同方位采樣時(shí)刻的距離波數(shù)須有公共的目標(biāo)插值區(qū)域。然而對(duì)于彈載俯沖前斜視SAR的幾何構(gòu)型，該公共區(qū)域被信號(hào)的劇烈的二維耦合嚴(yán)重壓縮，這樣將使插值校正后的距離向帶寬大幅降低，從而導(dǎo)致聚焦后圖像的距離向分辨率劇烈惡化。極限狀況下這樣的公共區(qū)域甚至是不存在的，這將直接導(dǎo)致成像處理失敗。

若要完全補(bǔ)償由方位采樣位置的變化引入的信號(hào)距離波數(shù)的空變性，距離波數(shù)在數(shù)據(jù)獲取時(shí)間內(nèi)需為常數(shù)。若以合成孔徑中心時(shí)刻的距離波數(shù)作為參考，則各方位采樣位置的發(fā)射信號(hào)的波數(shù)需滿足

K_y(i,m)≡K_y(i,0) (7)

可以得到

若使式(7)恒成立，則雷達(dá)平臺(tái)參數(shù)的調(diào)整方法應(yīng)與距離波束的采樣序列號(hào)i無關(guān)。若假設(shè)在數(shù)據(jù)獲取過程中雷達(dá)發(fā)射脈沖的采樣率F_s不變，只需使發(fā)射信號(hào)載頻和調(diào)頻率根據(jù)雷達(dá)方位采樣位置進(jìn)行同比例調(diào)整即可滿足距離波數(shù)恒定這一條件。為使參數(shù)調(diào)整前后采樣點(diǎn)的數(shù)量不發(fā)生改變，發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度T_p也應(yīng)保持不變。此時(shí)雷達(dá)平臺(tái)的參數(shù)調(diào)整規(guī)律為

采用式(9)所示的時(shí)變的雷達(dá)參數(shù)后，目標(biāo)場(chǎng)景中S點(diǎn)的回波信號(hào)可表示為

s_s1(i,m)＝exp{-j(K_x(i,m)x_s+K_y(i,0)y_s)} (10)

回波信號(hào)在波數(shù)域呈楔形分布，無需距離向插值校正，可直接進(jìn)行方位向插值處理。此時(shí)，第m個(gè)方位向采樣位置具有的方位向波數(shù)為

K_x(i,m)＝K_y(i,0)tanα(m) (11)

對(duì)于距離向采樣序號(hào)i，K_x與tanα呈線性正比例關(guān)系。但是由于tanα沿方位向的分布并不均勻，導(dǎo)致K_x的分布也不均勻，無法直接進(jìn)行IFFT。另外不同i₁對(duì)應(yīng)的K_xr的取值范圍均不相同。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)全孔徑處理，方位向處理的應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：第一，統(tǒng)一不同距離向采樣位置的K_x，使每一距離向采樣位置的方位向波數(shù)具有相同的分布；第二，對(duì)統(tǒng)一分布的，K_x進(jìn)行均勻的插值，便于后續(xù)利用FFT進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際處理過程中可用方位向的均勻插值實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)i＝-N_r/2+1時(shí)，K_xr的取值范圍是所有距離向采樣點(diǎn)中最小的。設(shè)當(dāng)i＝-N_r/2+1時(shí)，K_x的最大值為K_xupper，最小值為K_xlower，令插值參考序列為K_xref，則

方位插值可表示為

K_x(i,m)→K_xref(m₁) (13)

插值完成后，楔形的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦胃袷降臄?shù)據(jù)。插值完成后，數(shù)據(jù)可表示為

其中

其中u_x，u_y表示單位波數(shù)。誤差相位可表示為

其中

由上式可以得到，沿距離只存在線性的誤差相位，不存在二次誤差相位，平面波前假設(shè)引入的誤差相位只導(dǎo)致目標(biāo)聚焦位置發(fā)生偏移，不會(huì)降低聚焦質(zhì)量。但是可以發(fā)現(xiàn)，誤差相位中既存在線性誤差相位，又存在二次誤差相位。因此平面波前假設(shè)引入的誤差相位既會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)的重建位置偏離其正確的位置，又會(huì)導(dǎo)致沿方位向聚焦質(zhì)量的下降。

為進(jìn)一步分析誤差相位，將上式第一、第二項(xiàng)相位對(duì)1/K_x進(jìn)行泰勒展開，將上式第三、第四項(xiàng)相位對(duì)K_x進(jìn)行泰勒展開，式(17)可重寫為

其中參數(shù)η,ν,μ,和ξ均表示展開系數(shù)。將上述展開相位代入誤差相位得到

因此，經(jīng)過方位向處理后的信號(hào)可重寫為

其中

步驟四、方位向子孔徑數(shù)據(jù)分割。具體為：

算法的思想是將回波信號(hào)沿方位向進(jìn)行分子孔徑處理，在每個(gè)子孔徑內(nèi)分別進(jìn)行信號(hào)空變特性的補(bǔ)償，再根據(jù)子孔徑數(shù)據(jù)的粗聚焦結(jié)果補(bǔ)償子孔徑間數(shù)據(jù)的相位誤差，子孔徑數(shù)據(jù)拼接后可得全數(shù)據(jù)域良好的聚焦圖像。

孔徑劃分按下面的規(guī)則進(jìn)行

其中M₁表示子孔徑塊的長度，M₂表示子孔徑的數(shù)量，Ω表示數(shù)據(jù)抽取比例。子孔徑劃分后，信號(hào)可表示為

注意到m₁的二次相位依賴于S點(diǎn)的位置，因此在進(jìn)行孔徑劃分之前，首先應(yīng)進(jìn)行距離向壓縮。距離向壓縮可以通過距離向傅里葉變換完成，壓縮后的信號(hào)可表示為

其中ΔK_Y表示方位插值后的距離數(shù)帶寬。此時(shí)可以得到目標(biāo)的距離向估計(jì)值為

步驟五、方位向數(shù)據(jù)粗聚焦處理。具體為：

此步驟用于對(duì)目標(biāo)的方位坐標(biāo)進(jìn)行粗估計(jì)，而后用估計(jì)值生成二次相位補(bǔ)償?shù)臑V波器。對(duì)目標(biāo)方位坐標(biāo)的粗估計(jì)可通過對(duì)m₁進(jìn)行方位向傅里葉變換得到，為確保沿m₁維度信號(hào)可被理想聚焦，m₁方向的二次相位誤差應(yīng)被限制在π/2以內(nèi)，這就對(duì)子孔徑長度M₁提出了如下限制條件

滿足上述條件時(shí)，沿m₁維度的二次相位誤差可被忽略。傅里葉變換之后的信號(hào)可表示為

其中ΔK_X表示方位插值后的方位波數(shù)帶寬。由于子孔徑長度遠(yuǎn)小于全孔徑長度，因此沿m₁方向的分辨率要低于最終成像的分辨率。對(duì)目標(biāo)方位向的粗估計(jì)結(jié)果可表示為

步驟六、方位向數(shù)據(jù)精聚焦處理。具體為：

借助目標(biāo)的方位向聚焦位置的粗估計(jì)結(jié)果，可以生成二次相位誤差補(bǔ)償濾波器為

濾波器的第一項(xiàng)是補(bǔ)償孔徑間的二次相位誤差，第二項(xiàng)可以認(rèn)為是一個(gè)下混頻濾波器，保證信號(hào)在經(jīng)過Ω倍的抽取后仍然不發(fā)生混疊。二次相位誤差濾波之后，信號(hào)可表示為

其中

從表達(dá)式中可以看出，信號(hào)沿m₂維度仍存在二次相位誤差，該誤差應(yīng)在處理過程中予以忽略。由上式得，m₂維度的二次相位誤差與子孔徑數(shù)量成正相關(guān)，若要使該誤差可被忽略，則需使誤差相位小于π/2，由此得到的對(duì)子孔徑數(shù)量的限制條件為

此時(shí)可認(rèn)為信號(hào)中不再存在二次相位誤差。對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行沿m₂方向的傅里葉變換，可以實(shí)現(xiàn)方位向精聚焦。聚焦后的信號(hào)可表示為

方位向精聚焦對(duì)信號(hào)位置的估計(jì)值為

結(jié)合方位粗聚焦的目標(biāo)重建位置估計(jì)結(jié)果，目標(biāo)最終將被重建在如下位置處

步驟七、子孔徑數(shù)據(jù)拼接。具體為：

經(jīng)過上述子孔徑處理后，信號(hào)沿m₂方向每格間距表示的距離為

信號(hào)沿m₁方向每格表示為距離為

其中σ_c表示粗分辨率，σ_f表示精分辨率。為將子孔徑劃分后的數(shù)據(jù)連接成完整的圖像，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。數(shù)據(jù)拼接可按照如下式所示的方式進(jìn)行