[发明专利]一种地球同步轨道合成孔径雷达速度空变性的补偿方法

摘要

本发明公开了一种地球同步轨道合成孔径雷达速度空变性的补偿方法，通过自适应相位补偿处理，实现了对速度空变性的补偿，解决了GEO SAR大场景成像的核心问题——速度空变性补偿问题，实现了任意位置处GEO SAR大场景成像聚焦处理，具有良好的效果。

主权项

1.一种地球同步轨道合成孔径雷达速度空变性的补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、对地球同步轨道合成孔径雷达的回波信号做距离向傅里叶变换，得到距离频域的回波信号后，将得到的距离频域的回波信号的二维频谱展开到距离向三次相位，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是信号距离向频率，f₀为信号载频，f_a为方位向多普勒频率，A_r(·)和A_a(·)分别表示距离向和方位向包络函数，λ为信号波长，c为光速，u为点目标沿雷达航迹方向的位置，k_r为雷达回波信号的调频率，R₀为卫星的最短斜距，v为卫星在直线轨迹模型下的速度，为徙动因子；步骤二、将卫星速度v表示为：v＝v₀+Δv，其中，v₀代表成像参考点位置处卫星的速度，Δ_v为速度空变量，对步骤一得到的距离频域的回波信号S(f_r，f_a)的方位调制项距离徙动项和距离方位耦合项分别进行泰勒展开，具体为：A、对于距离徙动项，得到距离徙动量为：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为孔径中心位置到点目标的中心斜距；对距离徙动量在Δv＝0处泰勒展开，得到如下表达式：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为点目标的斜视角，f_dc表示多普勒中心频率，B、对于距离方位耦合项，其具体表达式如下：HSRC(Δv)=π·c·R0·Ba2·fr22·f03·(v0+Δv)2·[1-λ2Ba2/4(v0+Δv)2]32---(10)]]>对这一项在Δv＝0处泰勒展开得到如下形式表达式：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为方位向带宽；C、对于方位调制项，其具体表达式为：Ha(Δv)=4πR0f0c1-λ2Ba24(v0+Δv)2---(14)]]>对方位调制函数在Δv＝0处泰勒展开，得到如下表达式：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)]]>步骤三、自适应相位补偿处理，具体方法为：针对步骤二中的距离徙动项、距离方位耦合项和方位调制项中泰勒展开式的第一项采用传统二次距离压缩算法进行补偿；针对步骤二中的距离徙动项，距离方位耦合项和方位调制项的泰勒展开式的第二项采用如下方法进行补偿，具体步骤如下：S301、令位置为处点目标的真实斜距历程与二维斜距平面上的瞬时斜距历程相等，则有：v=RP→(O)·a+vs2---(21);]]>为孔径中心位置到点目标P的位置矢量，v_s是卫星在真实弯曲轨迹下的运行速度，a为卫星加速度；S302、速度空变性最大方向上点的位置记为：其中，为参考点的位置，为速度空变性最大方向上的单位向量，的方向即为加速度a在地平面上的投影方向，k为方向上的尺度，将表示GEO SAR孔径中心到点目标的矢量的和代入(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，代表场景坐标系下卫星从孔径中心位置到场景坐标原点的位置矢量，θ_am是加速度a与空变性矢量之间的夹角；S303、确定尺度k：令参考点处的速度为v₀，(9)、(13)和(17)式的残余量分别表示为：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为距离徙动校正时由速度空变性引起的徙动量的残余量，Δφ_SRC为二次距离压缩时由速度空变性引起的相位残余量，Δφ_SRC为方位向脉冲压缩时由速度空变性引起的相位残余量；令徙动量的残余量Δ_RCM不大于二次距离压缩的相位残余量Δφ_SRC和方位向脉冲压缩的相位残余量均不大于π/4，则分别得到上述三项中Δv的范围：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)]]>将(33)、(34)和(35)式分别代入(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)]]>在实际成像处理时，将获得的卫星实际的相关参数分别代入(36)、(37)和(38)式，求出尺度k的三个相应的范围，并选取最小范围中的最大值作为尺度k的值；S304、在成像区域内，以参考点为中心，沿方向，以步骤S303确定的尺度k为宽度，等距离划分出补偿区域；将步骤S303求得的k代入式(26)中，计算得到参考点处的速度v，根据该速度分别计算各补偿区域的速度，最后利用补偿区域的速度分别基于SRC算法对图像的速度空变性进行补偿。