[发明专利]一种适用于弹载大前斜视时变参数SAR的重叠子孔径算法

摘要

本发明公开了一种适用于弹载大前斜视时变参数合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)的重叠子孔径算法，该算法主要包括七个步骤：步骤一、二维解线调频处理，步骤二、残余视频相位校正处理，步骤三、波数域数据格式校正处理，步骤四、方位向子孔径数据分割，步骤五、方位向数据粗聚焦处理，步骤六、方位向数据精聚焦处理，步骤七、子孔径数据拼接。本发明提出的重叠子孔径算法利用子孔径数据分割限制子孔径内数据波前平面假设误差相位，利用子孔径数据粗聚焦结果补偿空变的二次误差相位，是一种高效、准确的成像处理方法。

主权项

1.一种适用于弹载大前斜视时变参数合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)的重叠子孔径成像处理方法包括以下六个步骤中，步骤三、步骤四、步骤五、步骤六、步骤七为本专利的权利要求部分，具体为：步骤三、波数域数据格式校正处理。具体为：将R(m)以场景中心为参考点进行一阶泰勒展开，有R(m)≈Rref(m)‑sinβ(m)sinα(m)xs‑sinβ(m)cosα(m)ys  (1)其中式(1)所示的信号近似表达式是基于电磁波传输的平面波前假设，即对于目标场景内任一散射点，雷达波束的照射方向均是相同的，距离场景中心O越远的位置，斜距误差越大。通常来讲，Δr超过π/2被认为是不能容忍的，因此平面波前假设可正确应用的前提是目标场景范围较小，斜距误差在允许范围内，这也是极坐标格式算法适用于聚束模式SAR成像的原因，同时也是采用极坐标格式算法进行成像处理时目标散焦与位置误差的重要来源。在波前平面假设下，完成残余视频相位校正的数据可以表示为令则回波信号可表示为ss(i,m)＝exp{j(Kx(i,m)xs+Ky(i,m)ys)}  (6)其中Kx与Ky表示信号传播过程中沿方位向与距离向的波数密度。观察距离波束与方位波束，可以发现信号在波数域的表达式既与雷达平台参数有关，也与传感器的空间采样位置有关。若采用传统的距离向插值运算对回波信号进行校正，不同方位采样时刻的距离波数须有公共的目标插值区域。然而对于弹载俯冲前斜视SAR的几何构型，该公共区域被信号的剧烈的二维耦合严重压缩，这样将使插值校正后的距离向带宽大幅降低，从而导致聚焦后图像的距离向分辨率剧烈恶化。极限状况下这样的公共区域甚至是不存在的，这将直接导致成像处理失败。若要完全补偿由方位采样位置的变化引入的信号距离波数的空变性，距离波数在数据获取时间内需为常数。若以合成孔径中心时刻的距离波数作为参考，则各方位采样位置的发射信号的波数需满足Ky(i,m)≡Ky(i,0)  (7)可以得到若使式(7)恒成立，则雷达平台参数的调整方法应与距离波束的采样序列号i无关。若假设在数据获取过程中雷达发射脉冲的采样率Fs不变，只需使发射信号载频和调频率根据雷达方位采样位置进行同比例调整即可满足距离波数恒定这一条件。为使参数调整前后采样点的数量不发生改变，发射信号的脉冲宽度Tp也应保持不变。此时雷达平台的参数调整规律为采用式(9)所示的时变的雷达参数后，目标场景中S点的回波信号可表示为ss1(i,m)＝exp{‑j(Kx(i,m)xs+Ky(i,0)ys)}  (10)回波信号在波数域呈楔形分布，无需距离向插值校正，可直接进行方位向插值处理。此时，第m个方位向采样位置具有的方位向波数为Kx(i,m)＝Ky(i,0)tanα(m)  (11)对于距离向采样序号i，Kx与tanα呈线性正比例关系。但是由于tanα沿方位向的分布并不均匀，导致Kx的分布也不均匀，无法直接进行IFFT。另外不同i1对应的Kxr的取值范围均不相同。为实现信号全孔径处理，方位向处理的应实现两个目标：第一，统一不同距离向采样位置的Kx，使每一距离向采样位置的方位向波数具有相同的分布；第二，对统一分布的，Kx进行均匀的插值，便于后续利用FFT进行计算。实际处理过程中可用方位向的均匀插值实现。当i＝‑Nr/2+1时，Kxr的取值范围是所有距离向采样点中最小的。设当i＝‑Nr/2+1时，Kx的最大值为Kxupper，最小值为Kxlower，令插值参考序列为Kxref，则方位插值可表示为Kx(i,m)→Kxref(m1)  (13)插值完成后，楔形的数据格式转变为矩形格式的数据。插值完成后，数据可表示为其中其中u_x，u_y表示单位波数。误差相位可表示为其中由上式可以得到，沿距离只存在线性的误差相位，不存在二次误差相位，平面波前假设引入的误差相位只导致目标聚焦位置发生偏移，不会降低聚焦质量。但是可以发现，误差相位中既存在线性误差相位，又存在二次误差相位。因此平面波前假设引入的误差相位既会导致目标的重建位置偏离其正确的位置，又会导致沿方位向聚焦质量的下降。为进一步分析误差相位，将上式第一、第二项相位对1/Kx进行泰勒展开，将上式第三、第四项相位对Kx进行泰勒展开，式(17)可重写为其中参数η,ν,μ,和ξ均表示展开系数。将上述展开相位代入误差相位得到因此，经过方位向处理后的信号可重写为其中步骤四、方位向子孔径数据分割。具体为：算法的思想是将回波信号沿方位向进行分子孔径处理，在每个子孔径内分别进行信号空变特性的补偿，再根据子孔径数据的粗聚焦结果补偿子孔径间数据的相位误差，子孔径数据拼接后可得全数据域良好的聚焦图像。孔径划分按下面的规则进行其中M1表示子孔径块的长度，M2表示子孔径的数量，Ω表示数据抽取比例。子孔径划分后，信号可表示为注意到m1的二次相位依赖于S点的位置，因此在进行孔径划分之前，首先应进行距离向压缩。距离向压缩可以通过距离向傅里叶变换完成，压缩后的信号可表示为其中ΔKY表示方位插值后的距离数带宽。此时可以得到目标的距离向估计值为步骤五、方位向数据粗聚焦处理。具体为：此步骤用于对目标的方位坐标进行粗估计，而后用估计值生成二次相位补偿的滤波器。对目标方位坐标的粗估计可通过对m1进行方位向傅里叶变换得到，为确保沿m1维度信号可被理想聚焦，m1方向的二次相位误差应被限制在π/2以内，这就对子孔径长度M1提出了如下限制条件满足上述条件时，沿m1维度的二次相位误差可被忽略。傅里叶变换之后的信号可表示为其中ΔKX表示方位插值后的方位波数带宽。由于子孔径长度远小于全孔径长度，因此沿m1方向的分辨率要低于最终成像的分辨率。对目标方位向的粗估计结果可表示为步骤六、方位向数据精聚焦处理。具体为：借助目标的方位向聚焦位置的粗估计结果，可以生成二次相位误差补偿滤波器为滤波器的第一项是补偿孔径间的二次相位误差，第二项可以认为是一个下混频滤波器，保证信号在经过Ω倍的抽取后仍然不发生混叠。二次相位误差滤波之后，信号可表示为其中从表达式中可以看出，信号沿m2维度仍存在二次相位误差，该误差应在处理过程中予以忽略。由上式得，m2维度的二次相位误差与子孔径数量成正相关，若要使该误差可被忽略，则需使误差相位小于π/2，由此得到的对子孔径数量的限制条件为此时可认为信号中不再存在二次相位误差。对上述信号进行沿m2方向的傅里叶变换，可以实现方位向精聚焦。聚焦后的信号可表示为方位向精聚焦对信号位置的估计值为结合方位粗聚焦的目标重建位置估计结果，目标最终将被重建在如下位置处步骤七、子孔径数据拼接。具体为：经过上述子孔径处理后，信号沿m2方向每格间距表示的距离为信号沿m1方向每格表示为距离为其中σc表示粗分辨率，σf表示精分辨率。为将子孔径划分后的数据连接成完整的图像，需要对数据进行拼接。数据拼接可按照如下式所示的方式进行