[发明专利]双基前视SAR动目标成像方法与动目标速度估计方法

权利要求书

1.一种基于失配压缩的BFL-SAR动目标成像方法，具体包括如下步骤：

步骤一：建立BFL-SAR成像几何模型，完成参数初始化；

设P为成像区域中的动目标，假设其距离向和方位向的运动速度分别为v_r和v_a；BFL-SAR发射站与动目标P的斜视距离为R_T，发射站速度为V_T，发射站飞行方向与波束中心夹角为θ；接收站与动目标P的斜视距离为R_R，发射站速度为V_R，接收站飞行方向与波束中心夹角为零度；

步骤二：获取BFL-SAR动目标的多普勒质心和多普勒调频率；

BFL-SAR模式下，动目标P的多普勒质心f_dc为：

fdc=VR-vrλ+VTcosθ-vrcosθ-vasinθλ]]>

其中，λ为发射信号载波波长，

动目标P的多普勒调频率f_dr为：

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

假设动目标方位向速度估计误差和距离向速度估计误差分别为Δv_a和Δv_r，则存在速度估计误差情况下的多普勒质心f′_dc和多普勒调频率f′_dr分别为：

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

其中，多普勒中心估计误差Δf_dc为：Δfdc=-Δvrλ-Δvrcosθ+Δvasinθλ;]]>

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

其中，多普勒调频率估计误差Δf_dr为：

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

步骤三：构造出动目标方位信号和存在速度估计误差的参考函数；

由步骤二，可得BFL-SAR动目标方位信号S(t)为：

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

其中，rect[·]为方位时间窗，T为方位时宽，t为方位向时间。

存在速度估计误差的参考函数S_ref(t)为：

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

其中，T_p为参考函数时宽。

步骤四：利用参考函数与动目标方位信号进行失配压缩处理，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为时间变量，(^*)表示共轭，b=-f_drt+Δf_dc-Δf_drt，c=12fdrt2-fdct-Δfdct+12Δfdrt2,]]>且L(t)的表达式为：

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

利用驻定相位原理，完成L(t)的积分；

首先获取L(t)驻定相位点ζ_k为：

再将该驻定相位点表达式带入上式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]表示预先选取的积分区间，

令η=2a(ζ-ζk),]]>上式可简化为：

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

对上式取模操作，可得失配压缩后动目标的散焦图像结果为：

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

其中，|·|表示取模操作。

步骤五：利用散焦图像的位置及散焦展宽宽度，与多普勒质心误差、多普勒调频率误差的关系，完成对多普勒质心误差、多普勒调频率误差的估计；

由步骤四可得失配压缩后动目标的散焦图像的位置t_mid与散焦展宽宽度T_dcmp，又因为：

t_mid=Δf_dc/′_dr

Tdcmp=Δfdrfdr′T]]>

则可得多普勒质心误差、多普勒调频率误差的估计为：

Δfdc=fdr′·tmidΔfdr=fdr′·Tdcmp/T]]>

步骤六：利用多普勒质心误差、多普勒调频率误差的估计得到动目标的准确多普勒质心、多普勒调频率，构造动目标方位准确参考信号，完成对动目标的成像处理；

由步骤二及步骤五，可得动目标的准确多普勒质心f_dc、多普勒调频率为f_dr：

fdc=fdr′-Δfdcfdr=fdr′-Δfdr]]>

最后利用得到的动目标的准确多普勒质心f_dc和多普勒调频率f_dr，构造动目标方位准确参考信号S(t)，完成对动目标的成像处理，成像处理结果S_imge(t)为：

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

其中，sinc(·)为辛格函数，t₀为动目标的成像结果位置点。

2.一种BFL-SAR动目标速度估计方法，包括如下步骤：

步骤一：建立BFL-SAR成像几何模型，完成参数初始化；

设P为成像区域中的动目标，假设其距离向和方位向的运动速度分别为v_r和v_a；BFL-SAR发射站与动目标P的斜视距离为R_T，发射站速度为V_T，发射站飞行方向与波束中心夹角为θ；接收站与动目标P的斜视距离为R_R，发射站速度为V_R，接收站飞行方向与波束中心夹角为零度；

步骤二：获取BFL-SAR动目标的多普勒质心和多普勒调频率；

BFL-SAR模式下，动目标P的多普勒质心f_dc为：

fdc=VR-vrλ+VTcosθ-vrcosθ-vasinθλ]]>

其中，λ为发射信号载波波长，

动目标P的多普勒调频率f_dr为：

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

假设动目标方位向速度估计误差和距离向速度估计误差分别为Δv_a和Δv_r，则存在速度估计误差情况下的多普勒质心f′_dc和多普勒调频率f′_dr分别为：

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

其中，多普勒中心估计误差Δf_dc为：Δfdc=-Δvrλ-Δvrcosθ+Δvasinθλ;]]>

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

其中，多普勒调频率估计误差Δf_dr为：

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

步骤三：构造出动目标方位信号和存在速度估计误差的参考函数

由步骤二得到BFL-SAR动目标方位信号S(t)为：

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

其中，rect[·]为方位时间窗，T为方位时宽，t为方位向时间。

存在速度估计误差的参考函数S_ref(t)为：

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

其中，T_p为参考函数时宽；

步骤四：利用参考函数与动目标方位信号进行失配压缩处理，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为时间变量，(^*)表示共轭，b=-f_drt+Δf_dc-Δf_drt，c=12fdrt2-fdct-Δfdct+12Δfdrt2,]]>且L(t)的表达式为：

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

利用驻定相位原理，可完成L(t)的积分，

首先获取L(t)驻定相位点ζ_k为：

再将该驻定相位点表达式带入上式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]表示预先选取的积分区间，

令η=2a(ζ-ζk),]]>上式可简化为：

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

对上式取模操作，可得失配压缩后动目标的散焦图像结果为：

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

其中，|·|表示取模操作。

步骤五：利用散焦图像的位置及散焦展宽宽度，与多普勒质心误差、多普勒调频率误差的关系，完成对多普勒质心误差、多普勒调频率误差的估计，

由步骤四可得失配压缩后动目标的散焦图像的位置t_mid与散焦展宽宽度T_dcmp，又因为：

t_mid=Δf_dc/f′_dr

Tdcmp=Δfdrfdr′T]]>

则可得多普勒质心误差、多普勒调频率误差的估计为：

Δfdc=fdr′·tmidΔfdr=fdr′·Tdcmp/T]]>

步骤六：利用多普勒质心误差、多普勒调频率误差的估计得到动目标的准确多普勒质心、多普勒调频率，构造动目标方位准确参考信号，完成对动目标的成像处理

由步骤二及步骤五，可得动目标的准确多普勒质心f_dc、多普勒调频率为f_dr：

fdc=fdr′-Δfdcfdr=fdr′-Δfdr]]>

最后利用得到的动目标的准确多普勒质心和多普勒调频率，构造动目标方位准确参考信号S(t)，完成对动目标的成像处理，成像处理结果S_imge(t)为：

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

其中，sinc(·)为辛格函数，t₀为动目标的成像结果位置点。

步骤七：利用估计出的动目标的准确多普勒质心、多普勒调频率，与动目标速度的二元关系，解出动目标速度。

由步骤二可得：

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.]]>

则利用估计出的动目标准确多普勒质心f_dc、多普勒调频率为f_dr，通过如下二元方程组，便可解出动目标速度：

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

从而完成动目标速度的估计。