一种一动一静双基地合成孔径雷达成像方法

摘要

本发明公开了一种一动一静双基地合成孔径雷达成像方法，属于雷达信号处理技术领域。首先对侦测目标反射回来的雷达信号进行处理，得到雷达回波数据。对雷达回波数据进行二维傅立叶变换，得到二维频域数据，并进行距离频域匹配滤波处理。对滤波处理后得到的二维频域数据的相位进行泰勒展开，之后对其进行相位补偿，最后，对补偿后的相位的空变性进行分析。根据空变性分析结果，对经过相位补偿后的二维频域数据进行波束域的映射和非线性插值；对二维频域数据进行二维逆傅立叶变换，最终得到二维图像。本发明方法精度较高，且可克服大的场景空变特性，适应场景大，运算量小，有利于实时成像。

主权项

1.一种一动一静双基地合成孔径雷达成像方法，实现过程如下：动态SAR发射机向侦测目标发出雷达信号，静止接收机接收侦测目标反射回来的雷达信号，其特征在于，在静止接收机中，(1)对侦测目标反射回来的雷达信号进行处理，得到雷达回波数据，得到的雷达回波数据S(t，t_n)表示为：$s(t,t_n)={\int \int }_{\Omega }\delta (X,Y)p(t-\tau (t_n;X,Y))\exp (-j\frac{2\mathrm{\pi R}(t_n;X,Y)}{\lambda })\mathrm{dXdY}---\left(1\right)$式(1)中，t为距离快时间变量；t_n为方位慢时间变量；λ为发射信号波长；(X，Y)为目标位置坐标；Ω为目标场景区域；δ(X，Y)为目标的后向散射系数；p(t)为发射的基带信号，τ(t_n；X，Y)为发射机到目标再到接收机的传播时间，p(t-τ(t_n；X，Y))即为存在时间延迟的基带信号；R(t_n；X，Y)为第n个脉冲发射时刻点目标的斜距，即从发射机到点目标再到接收机的距离长度之和；j为虚数单位；其中，R(t_n；X，Y)表达式为：$R(t_n;X,Y)=\sqrt{{(v_t{t}_n-X)}^2+{(y_{t0}-Y)}^2+z_{t0}^2}+\sqrt{{(x_r-X)}^2+{(y_r-Y)}^2+z_r^2}---\left(2\right)$式(2)中，v_t为发射机运动速度，发射机在合成孔径中心的坐标为(0，y_t0，z_t0)，为运动的发射机相对于目标的斜距，接收机的位置始终不动，其坐标为(x_r，y_r，z_r)；为接收机相对于目标的斜距；(2)对步骤(1)生成的雷达回波数据S(t，t_n)进行二维频域转换，得到目标的距离和方位二维频域数据，对所得二维频域数据进行距离频域匹配滤波处理，得到抵消距离向频域相位后的目标回波二维频域数据的相位Φ(k_r，k_x)，表达式为：$\Phi (k_r,k_x)=-\sqrt{k_r^2-k_x^2}·\sqrt{{(y_{t0}-Y)}^2+z_{t0}^2}-k_{x}X-k_r\sqrt{{(x_r-X)}^2+{(y_r-Y)}^2+z_r^2}---\left(3\right)$式(3)中，k_r为距离向波数，写为2π(f+f₀)/c，f为距离向频率，f₀为发射载波频率，c为光速；k_x为方位向波数，写为2πf_d/v_t，f_d为方位多普勒频率；因此，二维频域数据S(k_r，k_x)表示为：S(k_r，k_x)＝∫∫_Ωδ(X，Y)exp(jΦ(k_r，k_x))dXdY             (4)式(4)中，k_r为距离向波数；k_x为方位向波数；j为虚数单位；Ω为目标场景区域；δ(X，Y)为目标的后向散射系数；(X，Y)为目标位置坐标；(3)对经步骤(2)滤波处理后得到的目标回波频域相位Φ(k_r，k_x)进行泰勒展开，得到目标回波频域相位Φ(k_r，k_x)与目标位置坐标(X，Y)间的线性关系，之后，对目标回波频域相位Φ(k_r，k_x)进行相位补偿；对补偿后的相位的空变性进行分析，确定出对目标场景成像的范围，即：为保证目标的聚焦程度以π/4作为相位误差的界限，得到对目标空变特性能够容忍的场景尺寸如下：$\left\{\begin{array}{c}\left|X\right|<{\rho }_X\sqrt{\frac{|\mu +v|R_X}{2\lambda \left|\mu \right|}}\\ \left|Y\right|<{\rho }_X\sqrt{\frac{|\mu +v|R_Y}{2\lambda \left|\mu \right|}}\end{array}\right.---\left(5\right)$其中$\left\{\begin{array}{cc}\mu =\frac{y_{t0}}{\sqrt{y_{t0}^2+z_{t0}^2}}& \frac{1}{R_X}=\frac{1}{\sqrt{{y_r}^2+z_r^2}}\\ v=\frac{y_r}{\sqrt{y_r^2+z_r^2}}& \frac{1}{R_Y}=|\frac{{\mathrm{vz}}_{t0}^2}{\mu {\left(\sqrt{y_{t0}^2+z_{t0}^2}\right)}^3}-\frac{z_r^2}{{\left(\sqrt{{y_r}^2+z_r^2}\right)}^3}|\end{array}\right.---\left(6\right)$式(5)、(6)中，ρ_X为地面方位向分辨率大小，(0，y_t0，z_t0)为孔径中心时刻发射机的位置坐标，(x_r，y_r，z_r)为接收机位置坐标；(4)对步骤(3)中经过相位补偿后的二维频域数据S(k_r，k_x)进行波束域映射和非线性插值，使得目标位置坐标(X，Y)的回波频域数据Δ(k_r，k_x)的相位与波束域参数(k_X，k_Y)之间构成线性关系，以便能够使用快速傅立叶变换算法进行成像；在对目标回波频域相位Φ(k_r，k_x)进行相位补偿之后，目标的二维频域表达式是距离波束参数k_r与方位波束参数k_x的关系式，其中k_r与k_x是相互耦合的；虽然目标回波频域相位Φ(k_r，k_x)与目标位置坐标(X，Y)间是线性关系，但是Φ(k_r，k_x)与k_r和k_x却不是线性关系；因此需要进行波数域的映射，找到与目标位置坐标(X，Y)一一映射的波数域集合(k_X，k_Y)，并且(k_X，k_Y)可以通过(k_r，k_x)集合经非线性插值得到；同理，当(k_X，k_Y)与(k_r，k_x)满足如下关系时：$\left\{\begin{array}{c}{k}_X=k_x-\frac{k_r{x}_r}{\sqrt{x_r^2+y_r^2+z_r^2}}\\ k_Y=-\frac{y_{t0}\sqrt{k_r^2-k_x^2}}{\sqrt{y_{t0}^2+z_{t0}^2}}-\frac{k_r{y}_r}{\sqrt{x_r^2+y_r^2+z_r^2}}\end{array}\right.---\left(19\right)$所得到的(k_X，k_Y)与(X，Y)构成傅立叶变换对的关系，并且k_X与k_Y相互正交，也就是说两者解耦合；同样，从式(19)可以知道由已有的样本波数域数据(k_r，k_x)得到解耦合的波数域数据(k_X，k_Y)，需要经过复杂的非线性插值；经过非线性插值后的回波频域数据Δ(k_r，k_x)表达式为：Δ(k_X，k_Y)＝∫∫_Ωδ(X，Y)exp(-jk_XX-jk_YY)dXdY                                                   (7)(5)对经步骤(4)处理后的二维频域数据Δ(k_r，k_x)进行距离向快速逆傅立叶变换，得到目标距离向的图像，然后进行方位向快速逆傅立叶变换，得到目标方位向的图像；距离向图像和目标方位向图像相结合，即为目标的二维图像；最后，结合步骤(3)得到的目标场景成像的范围，选取出最终的目标图像。