一種采用相位擾動處理的大斜視SAR成像方法

曲廣洲,梁 毅

(1.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430079;2.北京機電工程研究所,北京 100074;3.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)

一種采用相位擾動處理的大斜視SAR成像方法

曲廣洲1,2,梁 毅3

(1.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430079;2.北京機電工程研究所,北京 100074;3.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)

針對快視成像處理的需要,提出了一種采用相位擾動處理的子孔徑數據大斜視合成孔徑雷達成像方法.首先給出了目標瞬時斜距模型,分析了距離向處理和方位向處理.其中距離向處理采用時域校正距離走動、頻域校正距離彎曲的方式實現距離與方位的二維解耦;時域走動校正處理會帶來方位調頻率空變問題,影響一致聚焦,然后采用頻域引入擾動相位來消除子孔徑數據的調頻率方位空變性,并結合譜分析技術實現方位聚焦.點目標仿真數據和機載實測數據處理驗證了該方法的有效性和實用性.

合成孔徑雷達;子孔徑;大斜視;相位擾動

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像技術是以微波譜段的電磁波作為探測載體,獲取觀測場景散射特性的信息獲取技術.與傳統光學成像相比,SAR成像不受氣象條件的限制,能夠全天時、全天候提供高分辨率的對地觀測圖像.隨著SAR成像技術的發展與應用,實時性已成為許多成像系統的必備要求,當不需要獲取全孔徑分辨率時,采用子孔徑數據進行處理可以很好地實現成像分辨率和成像效率之間的一個折中.另一方面,SAR平臺為保證具有一定的轉彎機動時間或區域外探測,常在大斜視情況下工作,因此對于采用子孔徑數據的大前斜SAR成像研究具有重要意義[1].

針對子孔徑大斜視SAR成像,文獻[2]提出了一種改進的多普勒波束銳化(Doppler Beam Sharpening,DBS)算法,適用于分辨率較低的情況;文獻[3]從避免圖像像素間隔變化和實時處理的需要出發,提出了一種改進的譜分析(SPECtral ANalysis,SPECAN)成像算法,由于基于簡單模型,不能適用于復雜情況.大斜視SAR成像的難點主要是由于線性距離走動帶來的距離和方位強耦合性,因此,文獻[4]提出了一種二維可分離方法,有效解決了大斜視成像距離方位耦合問題;文獻[5-7]提出一種調頻變標(Extended Chirp Scaling,ECS)算法,由于未考慮調頻率空變問題,只能適用于方位幅寬較窄情況;文獻[8]提出了一種非線性調頻變標(Nonlinear Chirp Scaling,NCS)算法,在一定程度上解決了大斜視中調頻率空變問題;文獻[9-10]在此基礎上提出改進非線性變標(Extended Nonlinear Chirp Scaling,ENCS)算法修正了算法的精度;文獻[11]在文獻[9-10]的基礎上進一步修正了ENCS操作精度,擴展了大斜視方位幅寬.然而這些算法均是基于全孔徑數據處理,不能直接應用于子孔徑處理情況.

筆者研究了子孔徑大斜視SAR成像問題,給出了大斜視情況下的目標瞬時斜距模型,介紹了距離向處理,并詳細介紹了基于相位擾動處理的方位成像方法,給出了算法流程,最后進行了仿真和機載實測數據的處理與分析.

1　SAR大斜視斜距模型及回波信號模型

1.1斜距模型

大前斜SAR成像幾何模型如圖1所示,假設載體飛行速度為v,波束射線指向的斜視角為θ0.以載體位于A點的時刻為方位慢時間的起點,經過方位慢時間tm后,載體運動到C點,其橫坐標為vtm,設點目標P與B點之間的距離為xn,RB為該目標離載體飛行軌跡的最近距離,R0為雷達波束中心線掃過該目標時的斜距,則從ΔPCB′中可得瞬時斜距為

圖1　大前斜SAR成像幾何模型

其中,θ′為此時對目標的瞬時觀測角.將式(1)在tm=xnv處進行泰勒展開并保留到三階項,可以表示為

其中,關于tm的一次項和二次項分別表示距離走動和距離彎曲,關于tm的三次項對回波包絡的影響通常可以忽略,而只需要考慮其對相位的影響.

1.2斜距模型

假設雷達發射信號為線性調頻(Linear Frequency Modulated,LFM)信號,則基帶回波信號距離頻域表達式為

其中,fr為距離頻率,γ為發射信號的調頻率,c為光速,fc為雷達中心載頻,Wr(·)為距離窗函數的頻域形式,wa(·)表示方位窗函數.

2　距離向處理

2.1距離走動校正

斜視SAR距離向與方位向之間的強耦合主要來自于線性距離走動項,時域距離走動校正可以極大地降低這種耦合性,由式(2)的瞬時斜距模型,斜視情況下的距離走動量為v sinθ0tm,因此可以構造線性距離走動校正及多普勒中心補償函數[10-11]為

2.2距離彎曲校正

“一樣”原指“同樣、沒有差別”，在這里兒化為“一樣兒”，成為名詞，指大觀園里男女仆人所各自擔負的任務。

經距離走動校正和多普勒中心補償后的信號變換到方位頻域,可以得到二維頻域表達式并在fr=0處展開,得

其中,第1個指數項為距離頻域調制項,第2個指數項中,fr與fa的耦合項反映距離彎曲,很容易通過共軛相乘實現距離彎曲校正.經過距離徙動校正補償函數和距離脈壓參考函數相乘后的信號變換到距離時域即可實現距離維成像.完成距離向處理后的信號可以表示為

3　采用相位擾動處理的方位成像

由式(6)距離向處理后的信號表達式,可知方位多普勒調頻率存在位置空變,從而影響方位一致聚焦成像.為了解決這一問題,提出一種相位擾動處理的方位成像方法,來校正多普勒調頻率隨方位位置的空變特性.引入變量代換,令

將式(7)代入式(6),可得

此時位于同一距離單元R′0的點,方位向關于頻率的二次項相位系數含有xn(頻域二次項對應時域調頻率項),不同xn,相位系數不同,即存在方位向的空變性,導致無法對方位進行統一的補償聚焦處理.傳統方法是采用非線性調頻變標算法(NCS算法)將不同方位位置的調頻率校正成一樣,然后采用匹配濾波方法在時域進行聚焦成像.而對于采用部分孔徑進行頻域成像的方式,NCS算法將失效.

基于相位擾動的處理方法首先補償方位非空變的3次相位,相位補償函數為

補償后的信號變換到方位時域,得

其中,ka為方位多普勒調頻率,且

其中,kac=2v2,kav=2v3

在頻域引入相位擾動因子

其中,p為待定量.將經過3次相位補償和頻域擾動相位相乘后的信號,利用駐定相位原理,將結果變換到方位時域,得

式(16)中,第1項為方位相位調制項,第2項為反映目標真實位置項,第3項為目標位置形變項,第4項為空變方位相位調制項,第5項為剩余常數相位.

為消除空變的方位調制項,令

將p代入A中,可得方位Deramp參考函數為

經過Deramp函數相乘后的信號作方位快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)即可得到聚焦后的兩維圖像.

整個算法的處理流程如圖2所示.

圖2　基于相位擾動處理的子孔徑SAR大前斜成像處理流程

4　數據處理結果與分析

為了驗證文中算法的有效性,下面通過對仿真數據和機載實測數據處理來進行說明.

4.1距離走動校正

SAR系統仿真參數如表1所示.地面場景中放置3個點目標,記為pn(n=1～3),如圖3所示,點目標兩兩間距500 m,場景中心線對應的作用距離為14 km.

表1　雷達參數

圖3　點目標布置示意圖

這里主要分析邊緣點p1、p3和中心點p2的成像結果.圖4給出了未考慮調頻率方位空變的子孔徑數據成像方位脈壓剖面圖,圖5給出了考慮調頻率方位空變的方位脈壓剖面圖.對比兩者可以看出,未考慮調頻率空變時,邊緣點目標明顯散焦;而補償完調頻率隨方位位置空變后,點目標聚焦效果明顯提升.圖6給出了考慮調頻率隨方位位置空變的子孔徑成像點目標的二維等高線圖,呈現明顯的十字架型,說明了所提方法的有效性.

為了進一步評估文中提出算法的性能,計算p1、p2、p3的分辨率、峰值旁瓣比、積分旁瓣比指標參數如表2所示,可以看出,文中算法所得性能指標參數與理論值基本吻合.

表2　算法性能指標

4.2實測數據處理結果與分析

為進一步驗證算法的有效性,采用文中算法對機載實測數據進行處理,雷達工作在Ku波段,空間斜視角為60°,分辨率為2 m×2 m.圖7為實測數據成像結果,地面場景聚焦效果良好,算法的正確性得到驗證.

圖4　未考慮調頻率方位空變時的子孔徑數據成像方位脈壓剖面圖

圖5　考慮調頻率方位空變時的子孔徑數據成像方位脈壓剖面圖

圖6　文中算法成像結果的二維等高線圖

圖7　斜視角為60°時機載實測結果圖

5　結束語

筆者研究了基于子孔徑的SAR大前斜寬幅成像問題,提出了一種相位擾動的子孔徑成像方法.首先分析了SAR大前斜成像幾何模型,推導了距離走動校正因子和距離彎曲校正因子.針對方位向處理,為了實現空變補償與聚焦,提出一種相位擾動的方位壓縮處理方法,通過頻域引入相位擾動因子,來校正時域調頻率隨方位位置的空變特性.最后基于SPECAN處理實現方位的聚焦成像.點目標仿真數據和機載實測數據處理驗證了文中提出算法的有效性和實用性.

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(編輯:王 瑞)

Imaging algorithm for highly squinted SAR data processing based on phase disturbing

QU Guangzhou1,2,LIANG Yi3
(1.School of Geodesy and Geomatics,Wuhan Univ.,Wuhan 430079,China;2.Beijing Electromechanical Engineering Institute,Beijing 100074,China;3.National Key Lab.of Radar Signal Processing,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

For quick look imaging,a phase disturbing algorithm(PDA)for focusing synthetic aperture radar (SAR)subaperture data acquired at a high squint angle is proposed.First,the signal model is addressed and then the range processing and azimuth processing are analyzed in detail.The PDA performs the linear range walk correction(LRWC)in the time domain and the range cell curvature correction(RCCC)in the frequency domain to mitigate the range-azimuth coupling.Additionally,a disturbing phase is introduced in the frequency domain to remove the variation of the Doppler chirp rate with the azimuth position caused by LRWC in the time domain,and so an identical reference function can be employed in azimuth processing.Simulated results and raw data processing validate the effectiveness of the proposed algorithm.

SAR;subaperture,highly;squinted;phase disturbing

TN957.52

A

1001-2400(2016)03-0125-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.03.022

2014-12-14

時間:2015-07-27

國家自然科學基金資助項目(61101245);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(K5051302046)

曲廣洲(1979-),男,高級工程師,武漢大學博士研究生,E-mail:qgzh@sina.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150727.1952.022.html