機載并行雙站大斜視SAR兩步式成像算法

冉金和 張劍云 武擁軍

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機載并行雙站大斜視SAR兩步式成像算法

冉金和*張劍云 武擁軍

(合肥電子工程學院 合肥 230037)

該文提出了機載并行雙站大斜視SAR的兩步式成像算法。針對雙站大斜視回波信號的距離-方位強耦合，在距離頻域-方位時域校正收、發載機大斜視引起的大距離走動，然后推導改進點目標頻譜公式，并用Chirp Scaling方法校正殘余距離徙動得到成像結果。針對成像結果中出現的點目標位置偏移的問題，推導了成像場景到地面場景的目標位置校正方法。最后，通過仿真驗證了所提的兩步式成像算法和目標位置校正方法的有效性。

雙站SAR；大斜視；距離走動校正；目標位置校正

1 引言

機載并行雙站SAR保留了雙站SAR的優點，又能利用回波的方位空(移)不變性構建成像算法，成為雙站SAR優先發展 的構型之一[1]。其大斜視工作時，雷達波束可重訪熱點區域，提高了系統的機動性，又可以遠離成像區域成像，具有較高的安全性，所以更能滿足未來戰爭的需求[2,3]。

為此，本文針對機載并行雙站條帶大斜視SAR的成像問題，提出一種兩步式成像算法。算法分線性距離徙動校正(LRWC)與殘余距離徙動校正兩步校正距離徙動，在距離頻域-方位時域實施LRWC以削弱回波距離-方位2維耦合并減小距離徙動空變性，推導了LRWC后的改進點目標頻譜公式(MELBF)，運用CS方法校正殘余距離徙動提高成像效率。推導了觀測場景的任一點目標的位置偏移校正方法以解決成像結果位置偏移的問題。仿真表明，算法能很好地實現機載并行雙站大斜視SAR成像，同時本文目標位置偏移校正方法能有效解決整個觀測場景成像結果的位置偏移問題。

2 機載并行雙站大斜視SAR信號模型

圖1 機載并行雙站大斜視SAR幾何模型

3 LRWC及改進BPTRS推導

其中

3.1 距離走動校正

對式(2)做距離向FFT同時分離出距離走動對應的相位項：

式(6)的相位函數能有效減小回波信號的距離-方位2維耦合，同時將多普勒質心校正為零值，式(5)乘以式(6)可得LRWC后的回波信號。

3.2 改進BPTRS推導

對LRWC后的回波信號做方位向FFT，并運用駐定相位原理[12]求解積分，得到回波頻譜表達式：

4 成像算法構建

4.1 算法推導

圖2 回波頻譜比較

結合式(11)的距離壓縮相位項及式(13)的SRC項，得到新的距離調頻率：

將式(12)代入式(13)中的方位調制項與殘余距離徙動項，并進行整理得到：

對式(18)與式(21)各相位項物理意義及處理方法做如下說明：

綜上，本文LRWC方法很好地削弱了雙站大斜視帶來的回波頻譜2維強耦合，且回波距離空變性大大減小，故可采用傳統的單站SAR成像方法消除回波距離空變性得到成像結果。CS方法運用相位函數相乘校正距離徙動，避免了插值運算，是一種高效簡捷的距離徙動校正方法[7,13]，本文采用CS方法構建成像算法。

4.2目標位置偏移校正

LRWC在校正距離走動的同時，使得原本位于不同斜距處的目標位于同一斜距，導致目標產生距離向位置偏移。為獲得正確的成像結果，需校正因LRWC帶來的位置偏移，其可視為LRWC的逆過程，在距離頻域-方位時域乘以一相位函數完成，相位函數表達式為

校正距離向位置偏移后，由于雙站斜視工作，目標存在方位向的線性傾斜，其傾斜相位函數為。實際上，并行雙站SAR回波的距離空變性決定其多普勒質心也具有距離空變性，從而使同一方位向不同距離向的點目標存在方位向位置偏移。以中心點目標為參考，數據塊內與在同一方位向不同距離向的點目標為　,為相對于在地面坐標系下的距離偏移。運用數值計算方法可將與的多普勒質心差值表示為的函數：

具體校正目標位置偏移時，第1步是根據式(25)校正因LRWC帶來的距離向位置偏移，第2步是根據式(29)將目標位置從成像場景坐標轉換到地面場景坐標，第3步是根據式(28)校正目標方位向位置偏移，至此，成像結果將正確聚焦在地面場景坐標系下。

4.3 算法流程

本文構建的機載并行雙站大斜視SAR兩步式成像算法流程圖如圖4。決定回波距離分塊的主要因子為殘余距離徙動與二階相位誤差，可借鑒文獻[15]的數據分塊準則進行分塊。

圖4 本文算法流程圖

5 仿真分析

圖5給出了本文算法的成像結果。從圖5(a)可知，成像良好，但由于LRWC與多普勒質心的距離空變性，導致點目標在距離向和方位向均存在位置偏移。經目標位置校正后，點目標在距離向和方位向均較好地聚焦在正確的位置，如圖5(b)所示，其中點目標的位置坐標為(-598.90 m, 0.59 m)，點目標的位置坐標為(600.80 m, -0.72 m)，其相對于真實位置偏移均小于一個分辨單元，驗證了本文推導的目標位置校正方法的有效性。

圖6給出了圖5(b)中同一方位向不同距離向的3個點目標成像結果的等高線圖(均未加窗函數)，由圖6可知，算法對相距1.2 km的3個點目標在距離向和方位向均能很好地聚焦。

表1給出了圖5(b)中標識的5個點目標的成像結果性能參數，包括點目標沿距離向和方位向的峰值旁瓣比(PSLR)和積分旁瓣比(ISLR)的測量值(均未加窗函數)。由表1可知，算法在雙站大斜視情況下的點目標成像指標均接近理論值，成像結果理想，表明算法能很好地解決機載并行雙站大斜視SAR成像問題。

圖5 算法成像結果

圖6 部分點目標成像結果

圖7 算法成像性能比較

表1 部分點目標成像性能指標

6 結束語

本文提出的兩步式成像算法立足于機載并行雙站SAR大斜視工作模式。算法流程基于精確的解析表達式，只包含FFT和相位函數相乘，保留了原始CS方法保相、精確高效的優點，成像結果理想。推導的目標位置偏移校正方法能很好地解決觀測場景內任一點目標的位置偏移問題，得到了地面場景坐標系下觀測場景點目標的精確成像結果。此外，算法在調整雙站系統參數的基礎上，可進一步拓展到其它雙站模式，如星載并行雙站大斜視SAR成像。

[1] Walterscheid I, Ender J, Brenner A,.. Bistatic SAR processing and experiments[J]., 2006, 44(10): 2710-2717.

[2] Zhang S, Xing M, Xia X,.. Focus improvement of high-squint SAR based on azimuth dependence of quadratic range cell migration correciton[J]., 2013, 10(1): 150-154.

[3] An D, Huang X, Jin T,.. Extended nonlinear chirp scaling algorithm for high-resolution highly squint SAR data focusing[J]., 2012, 50(9): 3595-3609.

[4] Ding Y and Munson D. A fast back-projection algorithm for bistatic SAR imaging[C].Proceedings of International Conference on Image Processing, Orlando, USA, 2002, 2: 449-452.

[5] Zhang Z, Xing M, Ding J,.. Focusing parallel bistatic SAR data using the analytic transfer function in the wavenumber domain[J]., 2007, 45(11): 3633-3645.

[6] Zare A, Masnadi S, and Samadi S. Range-Doppler algorithm for processing bistatic SAR data based on the LBF in the constant-offset constellation[C]. 2012 IEEE Radar Conference (RADAR), Atlanta, GA, 2012:17-21.

[7] Wang R, Loffeld O, Nies H,.. Chirp-scaling algorithm for bistatic SAR data in the constant-offset configuration[J]., 2009, 47(3): 952-964.

[8] 武擁軍, 吳先良. 基于CZT的機載并行雙站斜視SAR成像算法[J]. 航空學報, 2010, 31(4): 825-830.

Wu Yong-jun and Wu Xian-liang. Airborne bistatic SAR imaging algorithm for parallel squint mode based on CZT[J]., 2010, 31(4): 825-830.

[9] Neo Y L, Wong F H, and Cumming I G. Processing of azimuth-invariant bistatic SAR data using the range Doppler algorithm[J]., 2008, 46(1): 14-21.

[10] Liu B, Wang T, Wu Q,.. Bistatic SAR data focusing using an omega-K algorithm based on method of series reversion[J]., 2009, 47(8): 2899-2912.

[11] 易予生, 張林讓, 劉昕, 等. 雙站SAR圖像幾何失真校正方法研究[J]. 西安電子科技大學學報, 2010, 37(2): 231-234.

Yi Yu-sheng, Zhang Lin-rang, Liu Xin,.. Method for geometric distortion correction of the bistatic SAR[J]., 2010, 37(2): 231-234.

[12] Wang R, Loffeld O, Ul-Ann Q,.. A bistatic point target reference spectrum for general bistaic SAR processing[J]., 2008, 5(3): 517-521.

[13] Zaugg E and Long D. Generalized frequency-domain processing[J]., 2009, 47(11): 3761-3773.

[14] 王亮, 黃曉濤, 周智敏. 非線性Chirp Scaling在機載SAR成像中的應用[J]. 系統工程與電子技術, 2007, 29(5): 723-727.

Wang Liang, Huang Xiao-tao, and Zhou Zhi-min. Application of nonlinear chirp scaling in airborne SAR imaging[J]., 2007, 29(5): 723-727.

[15] Wong F H, Cumming I G, and Neo Y L. Focusing bistatic SAR data using the nonlinear chirp scaling algorithm[J]., 2008,46(9):2493-2505.

冉金和： 男，1986年生，博士生，研究方向為合成孔徑雷達成像算法.

張劍云： 男，1963年生，教授，博士生導師，主要研究方向為雷達及目標環境模擬、雷達信號處理、高速信號處理.

武擁軍： 男，1970年生，碩士生導師，研究方向為天線技術與微波成像.

Two-step Imaging Algorithm for Airborne Parallel High Squint SAR

Ran Jin-he Zhang Jian-yun Wu Yong-jun

(,230037,)

A two-step imaging algorithm for focusing airborne parallel high squint Synthetic Aperture Radar (SAR) data is proposed in this paper. For the serious cross coupling of echo signal in bistatic high squint SAR, Linear Range Walk Correction (LRWC) is performed in range frequency-azimuth time domain to correct the large LRW induced by the high squint model of receiver and transmitter. A Modified Bistatic Point Target Reference Spectrum (MBPTRS) is derived, and residual Range Cell Migration (RCM) is corrected by Chirp Scaling (CS) method to get the focusing result. To solve the target position displacements in the focusing result, a method of target position correction that converts the focusing image to the ground plane is derived. Finally, the experimental results with simulated data validate the effectiveness of the proposed two-step imaging algorithm and the method of target position correction.

Bistatic SAR; High squint; Range Walk Correction (RWC); Target position correction

TN958

A

1009-5896(2014)05-1036-08

10.3724/SP.J.1146.2013.00945

冉金和 jinhe_ran@163.com

2013-07-01收到，2013-11-01改回