[发明专利]一种星机联合双基地合成孔径雷达时域成像方法

摘要

本发明公开了一种星机联合双基地合成孔径雷达成像方法，它是针对星机联合双基地合成孔径雷达系统的空变特点，在变尺度逆傅立叶变换技术的基础上，利用距离历史的空域截断误差消除了变尺度逆傅立叶变换后散射点的距离域数据出现的距离位置失真的非等间隔现象。克服并校正了变尺度逆傅立叶变换算法在运用到星机联合双基地合成孔径雷达成像时所带来的非等间隔现象，从而在不增加过多的运算量的基础上，实现了对大场景下星机联合双基地合成孔径雷达成像。本发明可以应用于合成孔径雷达成像，地球遥感等领域。

主权项

1.一种星机联合双基地合成孔径雷达成像方法，它包括以下步骤：步骤一、合成孔径雷达成像空间及成像系统参数的初始化；合成孔径雷达成像空间由合成孔径雷达成像空间中的两个相互正交的坐标基确定，定义与发射平台速度方向平行并在地平面内的单位向量作为合成孔径雷达成像空间的第一个坐标基，即ζ_v；定义在地平面内，并与合成孔径雷达成像空间的第一个坐标基ζ_v垂直的单位向量作为合成孔径雷达成像空间的第二个坐标基，记做ζ_u；初始化成像系统参数包括：发射平台速度矢量，即卫星相对地面速度矢量，记做V^T，接收平台速度矢量，即飞机速度矢量记做V^R，发射平台初始位置矢量，记做P_T(0)，接收平台初始位置矢量，记做P_R(0)，雷达发射电磁波的波数，记做K₀，雷达发射基带信号的信号带宽，记做B，雷达发射信号脉冲宽度，记做T_P，雷达接收波门持续宽度，记做T_o，雷达接收系统的采样频率，记做f_s，雷达系统的脉冲重复频率，记做PRF，发射雷达的波束指向矢量，记做LOS_T，接收雷达的波束指向矢量LOS_R，距离向采样点数N_r，方位向的采样点数N_s；步骤二、星机联合双基地合成孔径雷达原始数据进行距离压缩；将接收到的合成孔径雷达距离向回波信号记做s₀(t，n；P_ω)，采用合成孔径雷达标准距离压缩方法对接收到的星机联合双基地合成孔径雷达原始数据进行压缩，得到距离压缩后的星机联合双基地合成孔径雷达数据，记做s₁(r，n；P_ω)；步骤三、合成孔径雷达成像空间中线型区域散射点收/发平台距离计算；利用公式(3)：M_i＝{P_ω/P_ω＝u·ζ_u+v_i·ζ_v，u∈□}，其中，M_i的物理意义是表示成像空间中平行于ζ_u坐标轴的线型区域，u表示该点的距离，v_i表示该线型区域的方位坐标，对于线型区域M_i中待观测散射点P_ω＝u·ζ_u+v_i·ζ_v；利用步骤一中初始化得到的卫星相对地面速度矢量V^T，接收平台速度矢量，即飞机速度矢量V^R，发射平台初始位置矢量P_T(0)＝[x_T y_T z_T]，接收平台初始位置矢量P_R(0)＝[x_R y_R z_R]，采用公式P_T(n)＝P_T(0)+V^T·n/PRF得到发射平台n个PRF时刻的位置矢量P_T(n)，采用公式P_R(n)＝P_R(0)+V^R·n/PRF得到发射平台的n个PRF时刻的位置矢量P_R(n)；采用公式R(n，P_ω)＝||P_T(n)-P_ω||₂+||P_R(n)-P_ω||₂，得到合成孔径雷达场景中散射点到收/发平台n个PRF时刻的距离历史R(n，P_ω)，并以矩阵形式储存，其中||·||₂表示二范数，n＝1，...，N_s；步骤四、星机联合双基地合成孔径雷达场景参考点相位历史补偿；取成像空间中线型区域M_i中的参考点x₀＝v_i·ζ_v，利用公式s_ref(k，n；x₀)＝exp(-j·(K₀-k)·R(n，x₀))，得到n个PRF时刻星机联合双基地合成孔径雷达场景中心相位历史补偿参考函数s_ref(k，n；x₀)，其中，K₀为步骤一初始化的雷达发射电磁波的波数，k为自变量，其取值由公式k＝2π·m·f_s/(C·N_r)获得，其中，m为自然数，m＝1，...，N_r，f_s为步骤一初始化的雷达发射基带信号的采样频率，C为光速；对步骤二得到的星机联合双基地合成孔径雷达距离压缩后的时域数据矩阵s₁(r，n；P_ω)沿距离向做N_r点的快速傅立叶变换，得到距离压缩后的星机联合双基地合成孔径雷达数据的距离频域表示，记做s₁(k，n；P_ω)；其中，N_r为矩阵列数；将获得的s₁(k，n；P_ω)与场景参考点相位历史补偿参考函数s_ref(k，n；x₀)相乘，得到场景参考点相位历史补偿后的星机联合双基地合成孔径雷达数据的频域表示s₂(k，n；P_ω)；步骤五、变尺度逆傅立叶变换；利用公式α＝LOS_T+LOS_R，得到星机联合模式双基地合成孔径雷达等效雷达视线方向α；利用公式得到星机联合双基地合成孔径雷达等效平台运动角速度方向β；将获得的雷达等效雷达视线方向α和平台运动角速度方向β均与步骤一中定义的合成孔径雷达成像空间的第二个坐标基ζ_u作内积，得到用于计算变尺度逆傅立叶变换点数的中间变量α和β；采用公式N(n)＝round(N_r/(α+β·n/PRF))，得到第n个PRF时刻变尺度逆傅立叶变换点数N(n)，其中round表示四舍五入的数学表示；在每个PRF时刻，对补偿场景参考点相位后的星机联合双基地合成孔径雷达的频域数据s₂(k，n；P_ω)进行N(n)点逆傅立叶变换，即对s₂(k，n；P_ω)的第n行数据做N(n)点逆傅立叶变换，得到变尺度逆傅立叶变换后的星机联合双基地合成孔径雷达距离压缩后距离域数据s₃(r，n；P_ω)，其中n表示第n个PRF时刻；步骤六：非等间隔现象校正利用公式计算得到星机联合双基地合成孔径雷达距离历史的空域截断误差值；对于每一个uu(ii)，利用公式计算得到uu(ii)所对应的变尺度逆傅立叶变换后的星机联合双基地合成孔径雷达距离压缩后距离域数据s₃(r，n；P_ω)的位置信息；其中ii为整数型自变量，ii＝1，...，NN_r；uu(ii)＝(ii-1)·q_r；其中NN_r表示待观测场景投影到成像空间中后沿ζ_u的最大像素点数；q_r表示像素点之间的距离间隔；取一个N_s×NNr空矩阵s₄(N_s，NN_r)，且令s₄(N_s，ii)＝s₃(jj+1，n；P_ω)，即令s₄(N_s，NN_r)中第ii列数据值等于s₃(r，n；P_ω)第jj+1列的数据值；就得到非等间隔校正后的星机联合双基地合成孔径雷达的距离域数据矩阵s₄(N_s，NN_r)；步骤七：方位向相干积累；利用公式P_uv＝uu(ii)·ζ_u+v_i·ζ_v和R(n，P_uv)＝||P_T(n)-P_uv||₂+||P_R(n)-P_uv||₂，得到一个长度为N_s的行向量，即方位向参考函数s_a-ref(ii，n；P_uv)＝exp(-j·K₀·R(n，P_uv))；将得到的每一个ii所对应的星机联合双基地合成孔径雷达方位相位参考函数s_a-ref(ii，n；P_uv)和非等间隔校正后的星机联合双基地合成孔径雷达的距离域数据矩阵s₄(N_s，NN_r)中相应的第ii列数据相乘，得到方位向相干积累后的星机联合双基地合成孔径雷达关于线型区域M_i中NN_r个像素点的成像结果Im_i(NN_r)；步骤八：利用公式M_i+1＝{P_ω/P_ω＝u·ζ_u+v_i+1·ζ_v，u∈□}，选取成像空间中与第i+1个平行于ζ_u的线型区域，记做M_i+1，其中v_i+1＝v_i+q_a；i表示成像空间中线型区域的编号，其取值范围为i＝1，...，NN_s，NN_s表示待观测场景投影到成像空间中后沿ζ_v的最大像素点数，q_a表示像素点之间的距离间隔；重复步骤四到步骤八，直到i取到NN_s为止，即得到方位向相干积累后的星机联合双基地合成孔径雷达关于线型区域M_i中NN_r个像素点的成像结果Im_i(NN_r)，其中下标i表示星机联合双基地合成孔径雷达关于线型区域M_i的序数；步骤九：将得到的所有方位向相干积累后的星机联合双基地合成孔径雷达关于线型区域M_i中NN_r个像素点的成像结果Im_i(NN_r)，线型区域的序数i由小到大的顺序，依次排列，就得星机联合双基地合成孔径雷达最终图像Im(NN_s，NN_r)；