本發(fā)明涉及合成孔徑雷達(syntheticapertureradar，簡稱sar)技術(shù)領(lǐng)域，具體是說，是指一種適用于星載地理參考條帶sar的寬幅非線性調(diào)頻變標(biāo)(widenonlinearchirpscaling，簡稱wnlcs)成像處理方法。

背景技術(shù)：

星載sar是一種全天候、全天時的微波成像工具，適用于復(fù)雜氣象條件下的地表監(jiān)測。傳統(tǒng)的星載sar通常工作于近極地軌道，以便使衛(wèi)星具有對高緯度地區(qū)的觀測能力。由于傳統(tǒng)的星載sar不具備連續(xù)的距離向波束掃描能力，它們的地表波束覆蓋區(qū)域均近似沿“南-北”方向擴展。然而對于特定的地表觀測應(yīng)用，如地震斷層帶監(jiān)測，目標(biāo)觀測區(qū)域的走向與“南-北”方向間可能存在較大的夾角。此時仍采用近似沿“南-北”走向的波束覆蓋區(qū)域?qū)?dǎo)致觀測效率的降低。這是由于為確保數(shù)據(jù)獲取的完整性，實際的地表波束覆蓋區(qū)域需至少外接于目標(biāo)觀測區(qū)域，這必然會導(dǎo)致必需的波束覆蓋區(qū)域?qū)挾鹊脑黾樱瑪?shù)據(jù)冗余量的升高和數(shù)據(jù)處理效率的下降。在極端條件下，星載條帶sar波束覆蓋區(qū)域的寬度可能小于必需的波束覆蓋區(qū)域的寬度，此時僅利用單軌觀測是無法完成數(shù)據(jù)采集的。多軌重復(fù)觀測是一個解決途徑，但這會導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取周期的大幅延長；時分的掃描模式是另一個解決途徑，但這會導(dǎo)致方位向積累角度的縮小和方位觀測分辨率的下降。因此，上述兩種解決途徑均不理想。

星載地理參考條帶sar可以很好地解決上述數(shù)據(jù)獲取問題。它通過調(diào)整波束進行連續(xù)的距離向掃描對目標(biāo)區(qū)域進行主動追蹤，從而生成與目標(biāo)觀測區(qū)域走向一致的波束覆蓋條帶。該模式至少貢獻了三方面的益處：更少的總數(shù)據(jù)量、更短的數(shù)據(jù)獲取周期和更高的方位向分辨率。但與此同時，該模式將給回波成像處理帶來兩方面的困難。首先，星載地理參考條帶sar的大斜視數(shù)據(jù)獲取構(gòu)型會使回波信號具有嚴(yán)重的二維耦合特性；其次，星載地理參考條帶sar的距離向連續(xù)波束掃描會使回波信號具有強烈的空變特性。目前，仍沒有任何一種成像處理方法可對星載地理參考條帶sar的回波數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的成像處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對星載地理參考條帶sar回波信號耦合嚴(yán)重、空變性強的特點，提出了一種適用于該模式的高效、準(zhǔn)確的wnlcs成像處理方法。wnlcs算法由以下六個主要步驟構(gòu)成：

步驟一、距離向二次相位補償。

步驟二、非線性一致距離徙動矯正與距離向信號壓縮。

步驟三、基于時域插值的殘余距離徙動矯正。

步驟四、方位向頻率擾動處理。

步驟五、方位向二次相位補償與方位向信號壓縮。

步驟六、聚焦圖像幾何矯正。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)提出了一種非線性的一致距離徙動矯正的新方法，該方法可批量矯正沿地表波束軌跡分布的目標(biāo)的距離徙動；

(2)提出了一種基于時域插值的殘余距離徙動矯正的新方法，該方法可批量矯正場景內(nèi)所有目標(biāo)的殘余距離徙動；

(3)提出了一種修正的方位向頻率擾動的新方法，該方法可消除多普勒調(diào)頻率的方位依賴性，便于進行后續(xù)的方位向信號聚焦處理。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中wnlcs方法成像處理步驟的示意圖；

圖2是本發(fā)明中信號獲取所采用的星載地理參考條帶sar模式示意圖；

圖3是本發(fā)明中wnlcs方法進行距離徙動矯正的效果示意圖；

圖4是本發(fā)明中wnlcs方法進行方位向頻率擾動的效果示意圖；

圖5是本發(fā)明中wnlcs方法信號處理的流程圖；

圖6是本發(fā)明實施例中仿真目標(biāo)的分布圖；

圖7是本發(fā)明實施例中殘余距離徙動矯正效果圖；

圖8是本發(fā)明實施例中聚焦圖像幾何矯正效果圖；

圖9是本發(fā)明實施例中場景邊緣目標(biāo)及場景中心目標(biāo)的剖面圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

本發(fā)明是一種適用于星載地理參考條帶sar的wnlcs成像處理方法。該方法由六個處理步驟組成，如圖1所示。

步驟一、距離向二次相位補償。具體為：

設(shè)星載地理參考條帶sar的數(shù)據(jù)獲取構(gòu)型如圖2所示。圖中的笛卡爾坐標(biāo)系按如下方法建立：原點o與觀測場景中心重合，x軸沿波束中心的地表投影方向，y軸沿波束覆蓋帶走向，z軸背離地心方向且垂直于地表。在后續(xù)的論述中，我們將x軸方向稱為距離向，y軸方向稱為方位向。v為衛(wèi)星速度，h為衛(wèi)星高度，θ定義為地理斜角，表示波束覆蓋帶走向與衛(wèi)星速度矢量的夾角，rc與rref分別表示t＝0時刻的中心斜距和其地表投影，s為波束覆蓋帶內(nèi)任意一個坐標(biāo)為(xs，ys，0)目標(biāo)，ts為波束中心掃過目標(biāo)的時刻，rs為目標(biāo)s的瞬時斜距，βs和φs分別表示目標(biāo)s的中心下視角和中心斜視角。

本發(fā)明介紹的wnlcs方法基于以下事實：星載地理參考條帶sar的波束指向始終垂直于波束覆蓋帶，如圖2所示。此時目標(biāo)s的瞬時斜距rs具有如下表示：

其中rg和ts與目標(biāo)的坐標(biāo)之間具有一一對應(yīng)的關(guān)系

若使用傳統(tǒng)的線性調(diào)頻信號作為發(fā)射信號，將來自目標(biāo)s的回波信號解調(diào)至基頻，解調(diào)后該回波信號可表示為

其中c是光速，t和τ分別表示方位慢時間和距離快時間，fc為信號載頻，γ為信號調(diào)頻率。由于信號的幅度不影響成像，式(3)省略了信號的幅度項。不同于傳統(tǒng)星載sar，星載地理參考條帶sar的斜距變化可以高達幾十公里，對應(yīng)數(shù)萬個距離分辨單元，此時不可避免地會遇到發(fā)射遮擋的問題。因此，星載地理參考條帶sar采用了一種多發(fā)射脈沖間隔的采樣技術(shù)，使來自目標(biāo)s的回波信號具有如下表示：

其中τdelay為由多發(fā)射脈沖間隔采樣技術(shù)引入的方位依賴的快時間延遲。對式(4)進行距離向傅里葉變換，得到

其中fτ表示距離頻率。式(5)中，第一項為距離無關(guān)的多普勒相位，第二項表示應(yīng)予以去除的距離向二次相位，第三項表示距離徙動相關(guān)相位。因此，可基于式(5)的第二個相位項，生成距離向二次相位補償濾波器frc

將式(6)與式(5)相乘，得到的信號距離頻譜為

步驟二、非線性一致距離徙動矯正與距離向信號壓縮。具體為：

在式(7)中，第二個相位項表示由距離徙動導(dǎo)致的相位項，應(yīng)在方位向處理之前予以去除。本發(fā)明中wnlcs算法假設(shè)場景內(nèi)目標(biāo)的距離徙動只存在線性分量。本發(fā)明中wnlcs成像處理方法首先通過引入一個非線性的濾波器fbrmc，進行一致的距離徙動矯正。該濾波器可表示為:

將式(8)與式(7)相乘，得到信號距離頻譜為

其中

由(10)可得，對于圖2中y軸上的任意點(即橫坐標(biāo)為零的點)，他們的rs1的線性部分在目標(biāo)的合成孔徑中心時刻(t＝ts)總為零，即

因此，對于所有沿y軸分布的目標(biāo)，他們的距離徙動都被完全去除。對式(9)進行距離向逆傅里葉變換，可在時域得到距離壓縮后的信號為

其中br表示信號帶寬，函數(shù)sinc(·)具有如下定義

圖3進一步演示了wnlcs方法進行距離徙動矯正的原理。圖3(a)中給出了編號從a到i的九個位于場景內(nèi)不同位置的目標(biāo)，圖3(b)給出了在進行非線性一致距離徙動矯正之前，9個目標(biāo)的距離徙動曲線。圖3(c)給出了完成了非線性一致距離徙動矯正之后，9個目標(biāo)的距離徙動曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，雖然此時沿y軸分布的目標(biāo)的距離徙動被完全去除，偏離y軸分布的目標(biāo)仍然具有距離徙動，需要被進一步去除。注意圖3(b)所示的距離徙動曲線是對式(7)進行距離向逆傅里葉變換后得到的，并不是wnlcs方法的中間結(jié)果。

步驟三、基于時域插值的殘余距離徙動矯正。具體為：

對于偏離y軸分布的目標(biāo)，式(11)所示關(guān)系不再成立。本發(fā)明中wnlcs方法采用了一種新的時域插值處理矯正式(10)中的殘余距離徙動項。該時域插值方法的關(guān)鍵思想是將所有具有相同x坐標(biāo)的目標(biāo)重定位到相同的距離單元內(nèi)。使用t＝0時的距離單元序列為作插值的參考。設(shè)rc1和rc2分別表示插值前后目標(biāo)s的中心斜距，它們可表示為

其中τs和τ′s分別表示插值前后目標(biāo)s對應(yīng)的快時間

基于式(14)，可以計算得到插值前后目標(biāo)s的x坐標(biāo)x1和x2

該時域插值處理的目的是實現(xiàn)如下映射

x1(s)→x2(s)(17)

需要注意的是，盡管上述推導(dǎo)是針對目標(biāo)s進行的，實際處理過程中的時域插值矯正卻是具有全局普適性的。因此在做時域插值映射的表示時，ts，τs和τ′s應(yīng)當(dāng)分別被t，τ和τ′代替，其中τ′為新的距離向快時間。將式(14)，式(16)代入式(17)中，可得到時域插值映射的表達式

將式(18)代入式(12)，可以得到插值處理之后時域信號es2的表達式為

式(19)中第一項的函數(shù)δ(·)具有如下定義

完成式(18)所示的時域插值處理后，目標(biāo)s的距離徙動曲線可由以下方程求得

δ(τ′,t；s)＝0(21)

通過求解式(21)，可得

其中rnew表示時域插值后目標(biāo)s的新的距離徙動

此時，式(19)可被重寫為如下形式

易驗證，在式(23)所示的斜距中，以下表達式恒成立

如式(24)所示，此時場景內(nèi)所有目標(biāo)的距離徙動均被完全去除。對于圖3(a)中的9個目標(biāo)，完成殘余距離徙動矯正之后，9個目標(biāo)的距離徙動曲線如圖3(d)所示。

步驟四、方位向頻率擾動處理。具體為：

式(24)的第二項表示多普勒相位。利用式(10)中rs1的定義，可以將目標(biāo)s的多普勒中心頻率fd和多普勒調(diào)頻率fr進行如下表示

如式(26)所示，fr依賴于目標(biāo)在場景中的位置(rg和ts)。因此位于同一距離單元但具有不同方位位置的目標(biāo)不能沿方位向被一致壓縮。圖4(a)示意了完成距離徙動矯正之后，圖3(a)中各目標(biāo)沿方位向的信號時頻關(guān)系圖。

通過對多普勒中心頻率與多普勒調(diào)頻率在目標(biāo)中心時刻ts進行泰勒展開，可對式(26)進行近似處理。本發(fā)明的wnlcs成像處理方法認(rèn)為對多普勒中心頻率fd的二階泰勒展開和對多普勒調(diào)頻率fr的一階泰勒展開已具有足夠的近似精度。因此，式(26)可被重寫為

其中式(27)中的各項系數(shù)具有如下的表示

注意式(28)中所有的系數(shù)均只依賴于目標(biāo)的x坐標(biāo)，它們在處理過程中可以方便地逐距離單元進行更新。本發(fā)明的wnlcs成像處理方法采用了一種修正的方位向頻率擾動操作，該操作可對位于同一距離單元但不同方位位置(y坐標(biāo))的目標(biāo)實現(xiàn)多普勒調(diào)頻率的統(tǒng)一，同時移除式(27)中參數(shù)l0表示的與目標(biāo)方位位置無關(guān)的多普勒中心頻率的分量。首先，設(shè)該修正的方位向頻率擾動濾波器fmafp具有如下形式

fmafp(t,τ′)＝exp{jπ(μ(τ′)t+α(τ′)t³)}(29)

其中μ和α為兩個與目標(biāo)x坐標(biāo)相關(guān)的待定系數(shù)。將式(29)與式(24)相乘，濾波后信號為

在式(30)中，第二個相位項為具有方位依賴性的多普勒中心頻率，其系數(shù)在τ′＝τ′s時應(yīng)為零；第三個相位項為具有方位依賴性的多普勒調(diào)頻率，其系數(shù)在τ′＝τ′s時也應(yīng)為零。因此可得

由于目標(biāo)s的任意性，式(31)中的τ′s應(yīng)以τ′代替。此時，式(31)可被重寫為

其中，l0與q1為將式(28)中表達式重寫后的結(jié)果，可表示為

將式(33)代入式(29)，本發(fā)明中wnlcs成像處理方法采用的修正的方位向頻率擾動濾波器可表示為

將式(32)代入式(30)，es3可被進一步化簡為

經(jīng)過修正的方位向頻率擾動操作后，圖3(a)中各目標(biāo)的方位時頻特性如圖4(b)所示。結(jié)合式(35)和圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，雖然位于同一距離單元但具有不同方位位置目標(biāo)的多普勒調(diào)頻率已被統(tǒng)一，它們的多普勒中心頻率仍具有空變特性，對應(yīng)于式(35)中的第三個相位項。該殘余相位將在聚焦后圖像中引入方位向幾何扭曲，該扭曲將在步驟六中被矯正。

步驟五、方位向二次相位補償與方位向信號壓縮。具體為：

對式(35)所示信號進行方位向傅里葉變換，忽略幅度項及常數(shù)相位，得到信號的距離多普勒頻譜為

其中ft表示多普勒頻率。式(36)中的第二個相位項為方位向二次相位補償濾波器應(yīng)補償?shù)南辔?。本發(fā)明中wnlcs成像處理方法采用的方位向二次相位補償濾波器可表示為

其中q0為將式(28)中表達式重寫后的結(jié)果，可表示為

將式(37)與式(36)相乘，得到濾波后的信號

對信號es3a1進行方位向逆傅里葉變換，得到方位向壓縮后的信號表達式為

其中ba為目標(biāo)s的多普勒帶寬。從式(40)中可以看出，目標(biāo)s的方位重建位置為

步驟六、聚焦圖像幾何矯正。具體為：

由式(41)可以看出，目標(biāo)s并未重建在由ts表示的正確的方位位置。換言之，聚焦后的圖像中存在方位向的幾何扭曲，需被矯正?？紤]式(41)所示的幾何扭曲是空變的，本發(fā)明中wnlcs成像處理方法采用時域插值的方法進行聚焦圖像的幾何矯正。該時域插值可表示為

其中t′為新的方位時間，l1與l2為將式(28)中表達式重寫后的結(jié)果，可表示為

如果最終產(chǎn)品為斜距圖像，幾何矯正后的最終幅度圖像es51可表示為

如果最終產(chǎn)品為地距圖像，我們需要進行一次額外的距離向時域插值，將斜距圖像轉(zhuǎn)換為地距圖像。該距離向時域插值可表示為

其中τ″為插值后的新距離時間。此時，幾何矯正后的最終幅度圖像es52可表示為

本發(fā)明所介紹的wnlcs成像處理方法的信號處理流程圖如圖5所示。

實施例

在本發(fā)明的實施例中，設(shè)星載地理參考條帶sar觀測區(qū)域的尺寸為40km×50km(距離×方位)，25個待觀測目標(biāo)均勻分布這一區(qū)域之中，如圖6所示。該仿真實驗的主要性能參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)和空間參數(shù)如表1所示。

表1星載地理參考條帶sar仿真參數(shù)列表

步驟一、基于表1中參數(shù)、圖6中仿真目標(biāo)分布與式(4)所示的目標(biāo)回波表達式，進行星載地理參考條帶sar回波數(shù)據(jù)仿真，得到場景回波數(shù)據(jù)es。依據(jù)表1中參數(shù)與式(6)計算距離向二次相位補償濾波器frc，對回波數(shù)據(jù)es進行方位向進行傅里葉變換，得到信號的距離頻譜esr，將二次相位補償濾波器frc與esr相乘，得到濾波后信號的距離頻譜esr1。

步驟二、基于表1中參數(shù)與式(8)生成非線性的線性距離徙動矯正濾波器fbrmc，將fbrmc與信號的距離頻譜esr1相乘，得到濾波后信號的距離頻譜esr2。對esr2進行距離向逆傅里葉變換，得到距離向壓縮后的時域信號es1，如圖7(a)所示。

步驟三、基于表1中參數(shù)與式(18)，通過時域插值處理進行殘余距離徙動矯正，得到殘余距離徙動矯正后的信號es2，如圖7(b)所示。

步驟四、基于表1中參數(shù)、式(33)與式(34)，生成修正的方位向頻率擾動濾波器fmafp。將fmafp與信號es2在時域相乘，得到經(jīng)過修正的方位向頻率擾動處理后的時域信號es3。

步驟五、基于表1中參數(shù)、式(37)與式(38)，生成方位向二次相位補償濾波器fac。對信號es3進行方位向傅里葉變換，得到信號的距離多普勒譜es3a。將fac與es3a相乘，得到濾波后信號的距離多普勒譜es3a1。對信號es3a1進行方位向逆傅里葉變換，得到方位向壓縮后的圖像es4，如圖8(a)所示。

步驟六、基于表1中參數(shù)、式(42)與式(43)，通過方位向時域插值矯正聚焦圖像中沿方位向的幾何畸變?；诒?中參數(shù)與式(45)，通過距離向時域插值實現(xiàn)斜距圖像到地距圖像的轉(zhuǎn)換，得到最終聚的圖像產(chǎn)品es52，如圖8(b)所示。圖9給出了場景邊緣目標(biāo)t11、t13、t15、t31、t35、t51及場景中心目標(biāo)t33的剖面圖，可見圖中所有點均被良好聚焦。

本發(fā)明介紹了一種適用于星載地理參考條帶sar的wnlcs成像處理方法，該方法的處理流程沒有引入額外的冗余數(shù)據(jù)，同時具備對較寬場景回波數(shù)據(jù)進行全孔徑成像的能力，因此該wnlcs方法具有較高的成像處理效率，是一種適用于星載地理參考條帶sar寬幅對地觀測需求的高效、準(zhǔn)確的成像處理方法。