一種基于回波模擬的雙基前視高機動平臺sar成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于回波模擬的雙基前視高機動平 臺SAR成像方法，即一種基于回波模擬的雙基前視高機動平臺合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR)成像方法，適用于高機動平臺SAR、傳統(tǒng)機載平臺雙基斜視SAR及傳 統(tǒng)機載平臺雙基前視SAR的回波模擬，進而得到聚焦較好的SAR成像。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙基前視SAR成像模式是一種特殊的雙基SAR成像模式，該雙基前視SAR成像模 式的發(fā)射機斜視、接收機前視，并且其距離分辨率方向和多普勒分辨率方向存在夾角，可為 接收機前視SAR成像提供足夠的多普勒帶寬，從而能夠?qū)崿F(xiàn)前視二維較高分辨率SAR成像， 彌補單基SAR無法對接收機正前方的點目標(biāo)進行二維成像的缺陷，拓寬了雙基前視SAR雷 達成像的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003] 雙基前視高機動平臺SAR是雙基前視SAR成像模式在高機動平臺中的典型應(yīng)用， 能夠?qū)崿F(xiàn)高機動平臺下對接收機正前方目標(biāo)的二維成像，但是，雙基前視高機動平臺SAR 由于自身復(fù)雜性及空時頻同步技術(shù)難題，使得在實際場景中獲取回波數(shù)據(jù)十分困難；而采 用回波模擬方法可以有效獲取雙基前視高機動平臺SAR雷達回波數(shù)據(jù)。回波模擬方法在系 統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、滿足用戶需求、檢驗SAR成像算法以及SAR成像應(yīng)用等諸多方面具有積極而重 要的作用，是SAR成像過程中極為重要的步驟。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，回波模擬方法主要包括：距離時域疊加法、基于一維快速傅里葉 變換（FFT)法、波數(shù)域成像逆處理方法。距離時域疊加法在方法精度上是最優(yōu)的，但該 方距離時域疊加法的運算量很大，尤其是在點目標(biāo)很多的大場景下產(chǎn)生的運算量是雙基 前視高機動平臺SAR無法負(fù)荷的；基于一維快速傅里葉變換（FFT)的方法比距離時域 疊加法的運算效率有所提高，但也只是在快時間維進行了快速傅里葉變換（FFT)運算， 該基于一維快速傅里葉變換（FFT)的方法效率提升仍然不足。文獻"A Bistatic SAR Raw Data Simulator Based on Inverse omegak Algorithm. Xiaolan Qiu，Donghui Hu,Liangjiang Zhou, Chibiao Ding. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing2010,48(3) :1540-1547"提出的波數(shù)域成像逆處理方法通過逆成像處理，將SAR成 像數(shù)據(jù)變換到信號空間，得到模擬的SAR雷達回波信號，雖然該波數(shù)域成像逆處理方法的 運算效率很高，但其只適用于雙基SAR中的非移變模式。
[0005] 然而雙基前視高機動平臺SAR屬于雙基SAR中的移變模式，并且該雙基前視高機 動平臺SAR存在二維空變特性，使得現(xiàn)有的回波模擬方法不能高效率、高精度的得到雙基 前視高機動平臺SAR雷達回波信號。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出了一種基于回波模擬的雙基前視高機動平 臺SAR成像方法，該方法的目的在于對雙基前視高機動平臺SAR存在的二維空變特性進行 空變性校正，得到聚焦較好的SAR成像。
[0007] 為達到上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0008] -種基于回波模擬的雙基前視高機動平臺SAR成像方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1，建立雙基前視高機動平臺SAR的運動幾何構(gòu)型，得到接收機與點目標(biāo)P之 間的瞬時雙基斜距表達式R bf (〇，進而得到點目標(biāo)P的SAR時域回波信號沖V,,,);其中，P為 接收機前視目標(biāo)區(qū)域內(nèi)任意一個點目標(biāo)，陳示快時間，t m表示慢時間。
[0010] 步驟2,首先在距離頻域-方位時域上對點目標(biāo)P的SAR時域回波信號沖V",)進行 距離向快速傅里葉變換（FFT)，得到距離頻域-方位時域的回波信號s (f；，tj，再對該距離 頻域-方位時域的回波信號s (f；，〇進行距離頻域-方位時域上的線性走動量校正，依次 得到校正后的回波信號slp(f；，t m)和線性走動量校正后的斜距歷程Rbfl(tJ，然后將線性走 動量校正后的斜距歷程R bfl (〇等效為單基SAR斜距形式，并寫成三階泰勒級數(shù)的形式，得 到線性走動量校正后的斜距歷程Rbfl(tJ的三次精確近似表達式，再對校正后的回波信號 s lp(f；，tm)進行方位向傅立葉變換，并依次得到時域回波信號的二維頻譜S(f；，fa)及該時域 回波信號的二維頻譜S(f；，f a)的相位項（i>(f；，fa);其中，f；表示距離向頻率，tm表示慢時 間，fa表示多普勒頻率。
[0011] 步驟3,將時域回波信號的二維頻譜S(f,，fa)中的相位項（Hf,，f a)在距離向頻率 0處進行泰勒級數(shù)展開并保留到三次項，分別得到方位壓縮項巾距離徙動 項Mfa;Rbf〇)、二次距離脈沖壓縮（SRC)項（i> 2(fa;RbfQ)和三次距離/方位耦合項 RbfQ)，并將該四項分別近似寫為以收發(fā)機和點目標(biāo)P在合成孔徑中心時刻的雙基距離和RbfQ 為變量的表達式，采用高階多項式擬合來消除時域回波信號的二維頻譜S(f；，fa)的相位項 ? (f；，fa)的相位空變性；其中，f；表示距離向頻率，f a表示多普勒頻率，Rbf(l表示收發(fā)機和 點目標(biāo)P在合成孔徑中心時刻的雙基距離和。
[0012] 步驟4,在步驟3消除時域回波信號的二維頻譜的相位項的相位空變性后，得到 空變性校正后的高精度二維頻譜的相位項，進而得到時域回波信號的二維頻譜的高精度 二維頻譜，并在二維頻率域分別設(shè)計隨距離空變的第一匹配濾波器札。(f；)和第二匹配濾 波器札"(4 4)，將時域回波信號的二維頻譜的高精度二維頻譜依次經(jīng)過第一匹配濾波器 Hrc (fr)和第二匹配濾波器HM(fr，fa)，得到聚焦良好的相位補償信號，再對該聚焦良好的 相位補償信號進行距離逆快速傅里葉變換（IFFT)，在距離-多普勒域設(shè)計第三匹配濾波 器，并將經(jīng)過距離逆快速傅里葉變換（IFFT)的聚焦良好的相位補償信號經(jīng)過第三濾波器 H a(fa)，即可得到聚焦后的SAR成像。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0014] 第一，本發(fā)明從雙基前視高機動平臺SAR的運動幾何構(gòu)型出發(fā)，結(jié)合高機動平臺 運動特點，建立雙基斜距歷程模型及回波信號模型，并基于雙曲線的線性修正思想，提出一 種適用于雙基前視高機動平臺SAR的有效回波模擬方法，該方法相對于傳統(tǒng)時域回波模擬 方法，能夠在保持高精度的基礎(chǔ)上，運算效率更高，尤其適用于場景點目標(biāo)較多情形下，能 夠在較短時間內(nèi)有效獲得基前視高機動平臺SAR的高精度回波數(shù)據(jù)。
[0015] 第二，本發(fā)明利用雙曲線線性修正方程，將雙基前視高機動平臺SAR等效為單基 運動平臺SAR，然后利用駐定相位原理得到雙基前視高機動平臺SAR的高精度二維頻譜，并 在此基礎(chǔ)上對該高精度二維頻譜的各相位項進行分析，對空變性劇烈的方位壓縮項和距離 徙動項進行空變性校正。
[0016] 第三，作為SAR成像逆處理方法，本發(fā)明提出的回波模擬方法在保持傳統(tǒng)方法精 度的基礎(chǔ)上，運算效率更高效，不僅適用于高機動平臺SAR獲得高精度回波數(shù)據(jù)，也分別適 用于傳統(tǒng)雙基斜視機載平臺SAR及傳統(tǒng)雙基前視機載平臺SAR獲得高精度回波數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0017] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
[0018] 圖1為本發(fā)明的一種快速的雙基前視高機動平臺SAR回波模擬方法的流程示意 圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明雙基前視高機動平臺SAR運動幾何構(gòu)型示意圖，
[0020] 其中，0為直角坐標(biāo)系原點，為表述方便，發(fā)、收平臺的運動關(guān)系分別在坐標(biāo)系 xOyz和x' Oy' z中表示。發(fā)射機在與平面yOz成步夾角的平面內(nèi)沿曲線AtBt做下降運 動，發(fā)射機持續(xù)斜視照射成像區(qū)域（圖中陰影部分），發(fā)射機瞬時速度為v t，\在y'方向上 的速度分量為Vty,，vt在z方向上的速度分量為v tz;接收機在yOz平面內(nèi)沿曲線A丨』故下降 運動，接收機接收前視目標(biāo)區(qū)域回波，接收機瞬時速度為\在y方向上的速度分量為v q 和\在z方向上的速度分量為v"，P為接收機前視目標(biāo)區(qū)域內(nèi)任意一個點目標(biāo)，其位置坐標(biāo) 為（xp, yp, 0)。當(dāng)慢時間tm= 0時，接收機的高度為HK，發(fā)射機的高度為HT，接收機平臺在坐 標(biāo)系xOyz中的位置為&(0,0, HK)，發(fā)射機平臺在坐標(biāo)系x' Oy' z中的位置為!；((!，0，％)， 0'為！'(|((1，0，抑在水平面內(nèi)的投影。此時接收機的速度向量為（0^_^ (|)，加速度向量 為;發(fā)射機的速度向量為（0，vty，^v^)，加速度向量為（0，a ty，，atz)。Rt_表示 發(fā)射機與點目標(biāo)P的斜距，R_n表示接收機與點目標(biāo)P的斜距；
[0021] 圖3為使用本發(fā)明得到的方位壓縮項以Rbf(l為變量的空變相位項 A小^對R bf(l的變化曲線圖，其中，R bf(l表示收發(fā)機和點目標(biāo)P在合成孔徑中心時刻的雙基距 離和；
[0022] 圖4為使用本發(fā)明得到的距離徙動項以Rbf(l為變量的空變相位項 A小 :對Rbf〇的變化曲線圖，其中，Rbf〇表示收發(fā)機和點目標(biāo)p在合成孔徑中心時刻的雙基距 離和；
[0023] 圖5為使用本發(fā)明得到的二次距離脈沖壓縮項〇2(fa;R bfCI)以Rbf(l為變量的空變 相位項A 的變化曲線圖，其中，Rbf(l表示收發(fā)機和點目標(biāo)P在合成孔徑中心時刻 的雙基距離和；
[0024] 圖6為使用本發(fā)明得到的三次距離/方位耦合項〇3(fa;R bKI)以Rbf(l為變量的空 變相位項△ 的變化曲線圖；其中，Rbf(l表示收發(fā)機和點目標(biāo)P在合成孔徑中心時 刻的雙基距離和；
[0025] 圖7為時域回波信號的二維頻譜的相位項的相位空變性校正前的相位誤差示意 圖；
[0026] 圖8為時域回波信號的二維頻譜的相位項的相位空變性校正后的相位誤差示意 圖；
[0027] 圖9為時域方法得到的信號仿真結(jié)果示意圖；
[0028] 圖10為本發(fā)明方法得到的信號仿真結(jié)果示意圖；
[0029] 圖11為使用時域方法得到的點目標(biāo)成像結(jié)果示意圖；
[0030] 圖12為使用本發(fā)明方法得到的點目標(biāo)P成像結(jié)果示意圖；