基于频域展开的星机联合双基地合成孔径雷达成像方法

摘要

本发明公开了一种基于频域展开的星机联合双基地合成孔径雷达成像方法，首先建立任意模式下星机联合双基地合成孔径雷达斜距史模型；接着推导得到二维频域模型；然后将该频谱的相位项在快时间频率、慢时间频率进行泰勒展开，经补偿相位项后，得到良好的聚焦效果；最后通过畸变校正得到目标的正确位置。本发明方法具有流程简单、运算量小，且能够在星机两平台大角度斜飞、飞机斜视模式下模式下，得到目标良好的聚焦效果等优点，本发明可用于大场景的星机联合双基地合成孔径雷达的成像，适用于合成孔径雷达成像，地球遥感等领域。

主权项

1.一种基于频域展开的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1、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，定义与卫星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，记做初始化成像系统参数包括：发射平台速度，即卫星相对地面速度，记做V_s，接收平台速度，即飞机速度记做V_p，发射平台初始位置记做(x₁，y₁，H)，接收平台初始位置记做(0，0，h)，两平台飞行方向的夹角记为θ，飞机斜视角为飞机天线波束指向与平台飞行航线夹角的余角，记作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；待观测点目标坐标P(x₀，y₀，0)；利用星机联合双基地合成孔径雷达系统所提供的参数，可以得到点目标的斜距史R(t)：$R_{s0}=\sqrt{H^2+{(y_1-y_0)}^2};$$T_{s0}=\frac{x_0-x_1}{V_s}$其中：$R_{p0s}=\sqrt{h^2+{x_0}^2+{y_0}^2-{(\cos \theta ·x_0+\sin \theta ·y_0)}^2}$$T_{p0s}=\frac{\cos \theta ·x_0+\sin \theta ·y_0}{V_p}$其中T_s0、T_p0是卫星、飞机两平台关于点目标的等效多普勒零时刻；R_s0、R_p0则分别是两平台在T_s0、T_p0时刻指向点目标的最短斜距，且有R_s0⊥V_s、R_p0⊥V_p；R_p0s、T_p0s则是飞机正侧式时关于点目标的等效斜距、等效多普勒零时刻；将上述已知的的参数，代入公式(1)：$H(f_{\tau },f_d)=\exp \{-\mathrm{j\phi }\left(t_b\right)\}·\exp \left\{j\frac{1}{2}\frac{{\left(\phi \left(t_b\right)\right)}^2}{\phi \left(t_b\right)}\right\}---\left(1\right)$得到待观测点的二维频谱H(f_τ，f_d)，其中φ(t_b)＝kR(t_b)+2πf_dt_b，t_b为驻定相位点，可由公式得到；f_τ为对应于快(斜距)时间的频率，f_d为对应于慢(方位)时间的多普勒频率，C为光速，f₀为载波频率；我们将H(f_τ，f_d)中的第一个指数相位项定义为准单站项，其相位项记为φ_QM(f_τ，f_d)，第二个指数相位项定义称为双站畸变项，记为H_BD(f_τ，f_d)；将准单站项φ_QM(f_τ，f_d)按照快时间频率、慢时间频率二阶泰勒展开，得到：${\phi }_{\mathrm{QM}}(f_{\tau },f_d)=2\pi ·[{\phi }_C(f_{\tau },f_d)+k_{d1}{f}_d+\frac{1}{2}{k}_{d2}{f_d}^2+k_{\tau 1}{f}_{\tau }+\frac{1}{2}{k}_{\tau 2}{f_{\tau }}^2+k_{\mathrm{\tau d}}{f}_{\tau }{f}_d]$其中φ_C(f_τ，f_d)＝φ_QM(f_τ，f_d)|f_τ＝0，f_d＝0，为常数项；是关于快时间频率的一阶项系数；是关于慢时间频率的一阶项系数；是关于快时间、慢时间频率的二阶项系数；为耦合项；根据星机联合双基地合成孔径雷达系统方案和星机联合双基地合成孔径雷达观测方案，星机联合双基地合成孔径雷达成像方法需要的初始化成像系统参数均为已知；步骤2、星机联合双基地合成孔径雷达原始数据进行标准距离压缩；将接收机接收到的星机联合双基地合成孔径雷达回波数据记做s₀(τ，t)，τ为快时间；t为慢时间；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回波数据进行距离向压缩，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(f_τ，t)，其中f_τ为对应于快(斜距)时间的频率；步骤3、二维傅里叶变换将步骤2得到的星机联合双基地合成孔径雷达距离压缩后的二维回波数据s₁(f_τ，t)，分别沿着距离向和方位向做傅里叶变换，得到星机联合双基地合成孔径雷达回波信号的二维频域数据，记为H(f_τ，f_d)，其中f_τ为对应于快时间的频率，f_d为对应于慢时间的多普勒频率；步骤4、相位补偿利用公式(2)H(f_τ，f_d)·H_1ref(f_τ，f_d)·H_2ref(f_τ，f_d)                      (2)得到补偿后的星机联合双基地合成孔径雷达回波信号的二维频域数据，记为H_R(f_τ，f_d)，其中，H_1ref(f_τ，f_d)是参考点的双站畸变项：H_2ref(f_τ，f_d)是准单站项中的常数项exp{-j·2π·φ_C(fτ，fd)}及二次项：其中f_τ为对应于快时间的频率，f_d为对应于慢时间的多普勒频率，其余相应参数在步骤1中定义；步骤5、星机联合双基地合成孔径雷达二维逆傅里叶变换将步骤4中得到的补偿后的星机联合双基地合成孔径雷达回波信号的二维频域数据H_R(f_τ，f_d)沿着距离向、方位向做逆傅里叶变换即IFFT，得到星机联合双基地合成孔径雷达回波信号压缩后的数据，记为s_r(τ，t)，其中τ为快时间；t为慢时间；步骤6、反演投影将步骤5得到的星机联合双基地合成孔径雷达回波信号压缩后的数据s_r(τ，t)，采用传统的反演投影法校正成像过程中产生的畸变，得到目标正确的位置，目标正确的位置记为s_r(x₀，y₀)，其中x₀，y₀为目标点的距离和方位坐标；经过以上步骤后，实现基于频域展开的星机联合双基地合成孔径雷达成像。