毫米波小斜視SAR垂直航向運動分析與補償

邢 濤1，李 軍1，胡慶榮1，邢孟道2

（1.北京無線電測量研究所，北京 100854；2.西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室，陜西西安 710071）

毫米波小斜視SAR垂直航向運動分析與補償

邢 濤1，李 軍1，胡慶榮1，邢孟道2

（1.北京無線電測量研究所，北京 100854；2.西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室，陜西西安 710071）

在毫米波高分辨合成孔徑雷達成像中，當前斜視合成孔徑雷達垂直航向運動補償方法在處理過程中引入的相位誤差大于π/4，這會降低補償的效果.可對含有運動誤差的斜距表達式進行變形，把斜視斜距等效為正側視模式時的斜距，把垂直航向運動誤差進行等效與分解，再采用正側視垂直航向運動補償方法進行垂直航向運動補償.斜視角在10°以內，該方法對毫米波實測數據成像補償效果較好，同等斜視角下補償結果優于已有方法補償效果.

合成孔徑雷達；高分辨；斜視；毫米波；運動補償

隨著目標識別應用及察打一體化的發展，對高分辨合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR），特別是毫米波高分辨合成孔徑雷達提出了明確的要求［1-4］.機載毫米波合成孔徑雷達在飛行過程中容易受氣流和機械不穩定的影響，造成波束的斜視［5-8］.由于毫米波高分辨合成孔徑雷達波長短，合成孔徑時間短，波束角度較小，故成像中的二維解耦合處理可以簡化，但是對運動誤差非常敏感，對比傳統的運動補償其相位補償精度要求更高.因此，研究斜視下的毫米波高分辨合成孔徑雷達高精度運動補償技術是很有現實意義的.

合成孔徑雷達運動補償所需的運動參數可以通過機載慣性設備讀取，也可以通過對回波數據進行估計得到［9-11］.當前的毫米波合成孔徑雷達隨載機配備了高精度測量儀器，能夠獲得精度很高的運動參數，因此筆者主要研究利用機載設備讀取的運動參數來進行高精度的運動補償.合成孔徑雷達的運動補償分為沿航向運動補償［10-12］和垂直航向運動補償［9，13］.沿航向運動補償可參考文獻［10-12］，筆者主要研究垂直航向運動補償方法，尤其是小斜視時的垂直航向運動補償方法.

垂直航向運動誤差來源于垂直航向的速度分量.文獻［9］給出了基于正側視成像模型的垂直航向運動補償方法，得到了廣泛的應用.對于斜視合成孔徑雷達，文獻［13］給出了基于斜視成像模型的斜視合成孔徑雷達垂直航向運動補償方法，在X波段，該方法補償效果很明顯.在毫米波高分辨合成孔徑雷達中，文獻［13］中的方法在斜視角大于5°的近似處理時，引入的相位誤差不可忽略，補償效果不明顯.筆者從斜視成像模型出發，提出了基于正側視模型的斜視合成孔徑雷達垂直航向運動補償方法，在10°斜視角內引入的相位誤差可以忽略，且補償效果很明顯.

1 運動補償斜距展開誤差分析

設Rs為場景中心斜距；在t時刻，載機沿3個坐標軸方向的速度分別為Vx（t），Vy（t），Vz（t）.在tm時刻，天線相位中心與點目標的斜距為

令

把式（3）和式（4）代入式（2）中，得

設Rr為空變的參考距離，則式（5）近似為

由式（6）右邊取1～5項來近似式（5）進行運動補償，對應5種不同的相位誤差，記為dFai1～d Fai5.對于小斜視角數據，可以采用把斜視運動參數往與波束指向垂直的“航向”投影，進而用正側視補償及成像；也可以根據速度方向定“航向”，然后按照斜視補償及成像.在兩種補償及成像處理方式下，不同斜視角數據相位誤差如圖1及圖2所示.

圖1 正側視補償方式引入的相位誤差

圖1和圖2表明，在同等斜視角下，按照斜視模式補償誤差較小.式（6）取3～5項展開，在斜視角10°以內垂直航向補償時可忽略R1≈Rr的誤差，即認為點目標位于波束中心處.垂直航向補償后，式（6）為

式（7）中只含有沿航向的運動誤差.

圖2　斜視補償方式引入的相位誤差

2 當前斜視運動補償方法

設θ為斜視角.在tm時刻，雷達到點目標P的斜距為

當沿航向速度Vx時變且存在垂直航向的速度分量Vy、Vz時，式（8）為

令

把式（10）和式（11）代入式（9）中，得

3 當前補償方法近似誤差分析

在毫米波高分辨合成孔徑雷達系統參數下，方位波束寬度θa很小，為窄波束.由于偏航引入的斜視角一般小于10°，此時，θatanθ在10-3量級，不妨令

把式（15）代入式（12），得

p引入的相位誤差為畫出式（17），如圖3所示.

圖3 近似處理引入的相位誤差

圖3表明，在斜視角大于5°時，式（12）到式（13）近似引入的相位誤差大于π/4，會降低補償精度，導致補償效果下降.式（13）可采用斜視模式的式（6）進行展開、補償，在斜視角10°以內可忽略補償誤差.

4 基于正側視模型的補償方法

對式（9）進行變形，得

令

把式（20）代入式（19），得

把式（21）代入式（18），得

把式（23）和式（24）代入式（22），得

式（25）可仿照正側視式（5）進行運動補償處理.補償完后，得比較式（26）與式（8），垂直航向運動誤差已補償完畢，只剩下沿航向的等效運動補償.在斜視垂直航向運動補償中引入的等效沿航向速度具有空變性，在進行沿航向運動補償時需要加以考慮.

5 實測數據成像實驗

采用的數據處于Ka波段，由于偏航存在6.2°左右的斜視角，成像結果如圖4所示，各選取了兩個不同的場景進行比較.

圖4　3種補償方法成像結果

圖5 文中算法產生的沿航向附加速度

圖4表明，當前斜視垂直航向補償與正側視垂直航向補償相比，總體改善效果不明顯，而筆者提出的垂直航向補償方法補償效果要優于前兩種補償方法的補償效果，對兩種場景成像均有較明顯的改善.

筆者提出的方法實質上把垂直航向運動補償分割開來，一部分進行垂直航向補償，一部分“轉嫁”到沿航向進行補償.沿航向附加的速度具有距離空變性，如圖5所示.筆者提出的算法對沿航向補償精度要求很高，如果采用文獻［12］中的方法，理論上能精確補償沿航向的誤差，但是附加速度具有距離空變性，實現起來效率不高.折中方法是先把場景中心附加速度和原始沿航向速度一起補償，然后再補償附加速度的距離空變量，這有可能損失部分補償精度.

6 結束語

筆者利用毫米波高分辨合成孔徑雷達實測數據，分析了小斜視合成孔徑雷達中正側視補償和斜視補償的誤差及適用角度范圍，提出了基于正側視模型的斜視合成孔徑雷達垂直航向補償方法.在理論上，筆者提出的方法能較好地補償10°斜視角范圍內的垂直航向誤差.在工程實現中，需要進一步研究高效、高精度的沿航向運動誤差補償方法.對于大于10°斜視角的情況，不能認為點目標位于波束中心，需要研究點目標方位位置空變的補償方法.筆者提出的方法可為毫米波高分辨合成孔徑雷達實測數據處理提供一種新的參考和借鑒.

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（編輯:郭 華）

Cross-track motion analysis and compensation of millimeter wave small squint SAR

XING Tao1，LI Jun1，HU Qingrong1，XING Mengdao2
（1.Beijing Institute of Radio Measurement，Beijing 100854，China；2.National Key Lab.of Radar Signal Processing，Xidian Univ.，Xi’an 710071，China）

In millimeter wave high resolution SAR imaging，the existing squint SAR cross-track motion compensation algorithm brings into a phase error of more thanπ/4 during the imaging process.The phase error would worsen the compensation effect.This paper transforms the squint slant range with the motion error into the side-looking slant range.We adopt the side-looking cross-track motion compensation algorithm to cross-track motion compensation.The proposed algorithm works well on the millimeter wave real data in the 10°squint angle and the results are better than those obtained by existing algorithms in the same squint angle.

synthetic aperture radar（SAR）；high resolution；squint；millimeter wave；motion compensation

TN957

A

1001-2400（2016）01-0127-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.01.023

2014-08-12 網絡出版時間：2015-04-14

國家自然科學基金資助項目（61271417）

邢 濤（1986-），男，北京無線電測量研究所博士研究生，E-mail:1mingzongyue@163.com.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150414.2046.020.html