双站调频连续波合成孔径雷达成像方法

摘要

本发明公开了一种双站调频连续波合成孔径雷达成像方法，具体为：对回波信号进行去调频处理并移除残余视频相位；进行距离向时间—频率替换和方位向傅里叶变换；粗匹配聚焦移除相位的空不变项；进行波数域变换重新映射距离向频率。本发明的方法不但考虑了脉冲持续时间内收发站连续运动引起的瞬时斜距变化，并且利用回波中多普勒参数、距离徙动和高阶耦合的线性空变特性，实现了点目标回波二维频谱的空域线性化，解决了点目标回波二维频谱的空变问题。

主权项

一种双站调频连续波合成孔径雷达成像方法，包括如下步骤：S0.回波信号建模，具体过程如下：成像系统参数初始化：零时刻记为波速中心位于场景坐标系原点处的时刻，发射站的零时刻位置坐标记为(x_T,y_T,h_T)，其中,x_T、y_T和h_T分别为发射站的x轴、y轴和z轴坐标；接收站零时刻位置坐标记为(x_R,y_R,h_R)，其中，x_R、y_R和h_R分别为接收站的x轴、y轴和z轴坐标，平台速度记为v，场景中任一点目标的位置坐标记为P(x,y)；计算双站调频连续波SAR的双程距离延时：双程距离延时记为η_d，发射信号在任意方位向时间η通过发射站发射，然后在时间η+η_d通过接收站接收，R_T(η；x,y)代表从发射站到点目标的瞬时斜距，R_R(η+η_d；x,y)代表从点目标到接收站的瞬时斜距；双站调频连续波SAR的双程距离延时表示为其中，c为电磁波传播速度，r_T，r_R分别为发射站和接收站与点目标P(x,y)的最近斜距，且θ_ST，θ_SR分别为零时刻发射站与接收站的斜视角，且θ_ST＝arctan(|y_T‑y|/r_T)，θ_SR＝arctan(|y_R‑y|/r_R)；将η_d表达式中的R_T(η；x,y)/c移到等号左边并对等号两边进行开方，求解并化简得到双程距离延时的表达式为：其中，忽略脉冲包络对时间尺度的影响，回波信号表示为：g(τ,η；x,y)＝σ(x,y)s(τ‑η_d)exp[j2πf₀(τ‑η_d)]其中，σ(x,y)为点目标P(x,y)的后向散射系数，s(τ)＝exp(jπK_rτ²)代表发射的调频 信号，K_r为发射信号的调频斜率，f₀为发射信号的载频，τ为距离向时间；S1.对回波信号进行去调频并移除残余视频相位S11.对回波信号进行去调频；对回波信号进行去调频处理后，信号可以表示为：g_IF(τ,η；x,y)＝g(τ,η；x,y)×g_ref(τ,η；η_c)＝σ(x,y)exp[j2πf₀(η_d‑η_c)]×exp[‑j2πK_r(τ‑η_c)(η_d‑η_c)]×exp[jπK_r(η_d‑η_c)²]其中，参考信号g_ref(τ,η；η_c)＝s^*(τ‑η_c)exp[‑j2πf₀(τ‑η_c)]，s^*(τ)为发射信号s(τ)的共轭，η_c＝α(r_Tref+r_Rref)/c，r_Tref和r_Rref分别为发射站与接收站的参考斜距；S12.移除残余视频相位；上式g_IF(τ,η；x,y)中最后一个指数项exp[jπK_r(η_d‑η_c)²]即为残余视频相位，通过对去调频后的信号进行距离向傅里叶变换，与调频相位相乘和距离向逆傅里叶变换移除，其中，f_τ为距离向频率；S2.距离向时间—频率替换；令S11中g_IF(τ,η；x,y)表达式第二个指数项K_r(τ‑η_c)为f来实现距离向时间—频率替换，g_IF(τ,η；x,y)表示为：g_IF(τ,η,f；x,y)＝σ(x,y)exp[j2πf₀(η_d‑η_c)]×exp[‑j2πf(η_d‑η_c)]代入η_d即为：S3.计算经步骤S2处理后回波信号的二维频谱并对其进行空域线性化；S31.计算经步骤S2处理后回波信号的二维频谱：令S2式子中的η＝η_n+τ，其中，η_n＝nT_p，n为整数变量，T_p为脉冲重复频率，将信号分割成二维离散域，得到：对上式变量η_n进行傅里叶变换可以得到二维频谱为：G_IF(τ,f_η,f；x,y)＝∫g_IF(τ,η_n,f；x,y)exp(‑2πf_ηη_n)dη_n＝σ(x,y)∫exp(‑jφ_b(η_n,f_η))dη_n其中，其中，f_η为多普勒频率；S32.对二维频谱进行空域线性化；将二维频谱中多普勒频率f_η分解成发射多普勒频率f_ηT(f_η)和接收多普勒频率f_ηR(f_η)，利用广义Loffeld双站公式，得到双站调频连续波SAR点目标参考频谱为：其中，f_ηc＝f_ηcT+f_ηcR，f_ηr＝f_ηrT+f_ηrR，f_η3＝f_η3T+f_η3R；利用双站调频连续波SAR回波中多普勒参数、距离徙动和高阶耦合沿距离向呈现的线性空变特性，对Φ_G(f,f_η)进行线性近似，实现双站调频连续波SAR点目标参考频谱的空域线性化；首先对以r_R表示的r_T按泰勒公式线性展开，即其中，r_T0＝r_T(r_R0)，Δr＝r_R‑r_R0，a_R1为r_T(r_R)关于r_R的关于Δr的一阶泰勒系数；然后对f_ηT(f_η)，f_ηR(f_η)，F_T(f,f_η)，F_R(f,f_η)按泰勒公式线性展开，即f_ηT(f_η)≈f_ηT(f_η；r_R0)+ζ_T1(f_η)Δrf_ηR(f_η)≈f_ηR(f_η；r_R0)+ζ_R1(f_η)ΔrF_T(f,f_η)≈F_T(f,f_η；r_R0)+p₁(f,f_η)ΔrF_R(f,f_η)≈F_R(f,f_η；r_R0)+q₁(f,f_η)Δr其中，f_ηT(f_η；r_R0)，f_ηR(f_η；r_R0)，F_T(f,f_η；r_R0)，F_R(f,f_η；r_R0)分别为f_ηT(f_η)，f_ηR(f_η)，F_T(f,f_η)，F_R(f,f_η)在参考点处的值，ζ_T1(f_η)，ζ_R1(f_η)，p₁(f,f_η)和q₁(f,f_η)分别为f_ηT(f_η)，f_ηR(f_η)，F_T(f,f_η)，F_R(f,f_η)关于Δr的一阶泰勒系数；经过上述的展开后，双站调频连续波SAR点目标参考频谱被空域线性化为：其中，y_T0＝r_Ttanθ_ST，y_R0＝r_Rtanθ_SR，S4.粗匹配聚焦，移除空不变的相位项通过S32的分析，可以得到为实现粗匹配聚焦的参考函数的表达式为S_RFM(f,f_η；r_R0)＝exp[jΦ_R(f,f_η；r_R0)]其中将S31中得到的二维频谱与S_RFM(f,f_η；r_R0)相乘，完成粗匹配聚焦；S5.对经过S4处理后的信号进行波数域变换忽略双站调频连续波SAR点目标参考频谱中Δr的二阶相位项对成像的影响，点目标P(x,y)的残余相位为为了让上式中Δr的系数等于一个新的距离向频率f′，于是得到波数域变换关系式为在频率变换后，最后的相位就与新的空域和频域坐标成线性关系，即S6.进行二维逆傅里叶变换；对经S5处理后的二维频谱进行二维逆傅里叶变换，得到最终的复图像：其中，p_r(τ)和p_a(η)分别为距离向和方位向上的脉冲压缩包络。