基于距离_多普勒算法的机载大斜视SAR成像

1、第5期2006年10月中国电子科学研究院学报JournalofCAEITVol.1No.5Oct.2006工程与应用基于距离2多普勒算法的机载大斜视SAR成像上官珠,雷万明,于文震(南京电子技术研究所,南京210013)摘要:根据机载大斜视SAR距离走动较大的特点,通过在方位时域和频域分别校正部分距离走动,结合二次距离压缩和方位三次匹配,提出了基于RD算法的机载大斜视SAR成像算法,该算法能有效的克服聚焦深度和方位时间-带宽积的限制。成像实验的结果表明,该算法可应用于斜视角较大的机载SAR成像系统。关键词:合成孔径雷达;斜视SAR;距离走动中图分类号:TN957152文献标识码:A-(high

2、squintSARSHANGGuan2zhu,LEIWang2min,YUWen2zhen(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210013,China)Abstract:WiththelargerangwalkofthehighsquintSARechoinconsideration,andmatchingthesecondaryrangecompressionwiththecubicphaseinazimuth,thispaperpresentsanewalgorithmwhichcorrectspartofther

3、angwalkinthetimedomainandfrequencydomainrespectively.Thealgo2rithmcanovercomethelimitationsofthefocusdepthandtime2bandwidthproductinazimuth.There2sultsofthesimulationsdemonstratethatthealgorithmissuitableforthehighsquintSARimaging.Keywords:SARinsquint;rangewalk;range2Doppler1引言合成孔径雷达(SAR)具有高分辨力、全天候、

4、强透射等优点,现已被广泛应用于军事和民用领域。合成孔径雷达距离向的高分辨力靠脉冲压缩技术获得,而方位向的高分辨力则由雷达与目标之间相对运动所产生的多普勒频移经处理而得。合成孔径雷达根据方位波束的指向分为正侧视模式和斜视模式:相对而言,正侧视模式和小斜视模式下成像处理过程要简单一些,这个方面的研究也要深入得多,已有许多有效的成像算法,如距离2多普勒(RD)算法1、ChirpScaling算法2及波数域算法3等。高分辨力SAR成像处理过程中的一个关键步骤是距离徙动校正,包括走动校正和弯曲校正,可在时域、频域或者时域和频域完成,但必须满足一定的条件。大斜视情况下回波信号具有较大的距离走动,过大的距离

5、走动会破坏距离徙动校正的条件,最后导致图像散焦和模糊。因此,大斜视模式下的SAR成像处理涉及到如何实现距离徙动校正,以及不满足距离徙动校正条件时如何补偿。已有一些学者对这个方面作了较为深入的研究,提出了一些可行的算法,如非线性ChirpScaling、StepTransform和波数域算法等。本文在机载SAR大斜视成像模式下,详细地分析了斜视情况下的回波信号特点及距离徙动校正在时域和频域的限制条件;并结合距离徙动校正的限制,提出了大斜视条件下的距离徙动校正方法及大收稿日期:2006208210修订日期:2006210212© 1994-2007 China Academic Jour

6、nal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2006年第5期上官珠等:基于距离2多普勒算法的机载大斜视SAR成像431斜视成像算法。2回波模型信号模型图1是的斜视成像的几何关系图。f)=)expj2(6)s(x(c+K)为信号的包络;为距离向时间(快时间)。式中,x(当天线相位中心与目标的距离为R(t)时,发射信号经地面目标反射到达接收机,经接收机解调后的回波基带信号可表示为)=G(t,)sr(t,x(-c)为距离向和方位向的天线增益。距离式中,G(t,R(t)的变化不但影响回波信号的相位,而且还会引)expjKc2(-)(7)e

7、xp(-j起距离波门的移动,导致回波信号的距离徙动及距离向信号和方位向信号的耦合图1斜视几何图D成像(RD)利用菲涅耳近似将回波信号分成距离向和方位向处理,具有处理过程简单、效率高等特点,是SAR成像算法中常用的成像算法之一。通过改进RD算法、引进二次距离压缩(SRC)和方位三次项处理,RD算法也可应用于斜视SAR成像。设载机沿X轴飞行,定理可得t离R(t)为R(t)=r2+(vt)2-2rvtsin(s)(1)在t=0时,将R(t)按Taylor展开并保留前三次项,则式(1)可表示为R(t)=22r+(vt)-2rvtsin(s)=改进的RD算法用于斜视SAR成像比较关键的处理过程是距离徙动

8、校正和二次距离压缩,下面先对这两个方面加以分析,然后讨论基于RD算法的斜视SAR成像处理。2()2r-vsin(t+s)t+2r22()()33t+o(t)22r311距离徙动校正雷达与目标间的相对运动导致R(t)随方位时间的变化而变化,使回波信号的相位和采样波门也随之发生变化,采样波门随方位时间的变化而变化称为距离徙动,包括距离走动和距离弯曲,式(2)第二项称为距离徒动,第三项和第四项称为距离弯曲,斜视角较大时距离徙动的大小基本上由距离徒动决定。距离徙动的存在使同一目标的回波在距离-方(4)(5)32(2)fDCt- ft212r4式中,fDC、fDR分别为多普勒中心频率和多普勒r-调频斜率

9、; fr为多普勒调频斜率的变化率。它们分别为fDC=fDR=-sin(s)(3)22()rr2位回波数据矩阵中分布在不同的距离波门,导致方位处理无法进行。因此,方位处理之前必须先作距离徙动校正,使目标回波在距离-方位数据矩阵中位于同一距离波门。距离徙动校正过程涉及到根据时域或频域距离公式反方向移动距离波门,因而与目标的时域和频域距离公式有关,下面先分析目标的时域和频域距离公式。设有A、B两个目标位于相同的距离,但具有不同的方位,方位波束中心过两目标的时刻分fr=-v32()()fr与波长、斜距、速度和斜视角都有关系,在正侧视模式下或者小斜视模式下影响较小,可忽略不计;但当斜视角较大时, fr必

10、须加以考虑。假设雷达发射线性调频信号,雷达载波频率和线性调频信号的调频率分别为fc和K,则发射的脉冲信号可表示为© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 432中国电子科学研究院学报2006年第5期别为tA、tB,则利用前面距离公式推导过程可得两目标的时域距离公式为RA(t)=r-f(t-tA)-2DC23(8)fDR(t-tA)- fr(t-tA)412RB(t)=r-f(t-tB)-2DC23(9)fDR(t-tB)- fr(t-tB)412时域距离公式

11、不但与方位时间有关,而且还与目标(9)三次项的变化较慢,将的方位位置有关。式(8)、回波中三次项决定的分量与距离压缩后信号的包络合在一起,利用驻定相位原理5,并假设信号的方位时间-带宽积足够大,则可得方位时间与多普勒频率之间具有如下锁定关系ff()t-t0=fDR式中,t0,A、将式(10)B的频()RA(f)=r-fDC-2fDR2ff3(ff)(11)- fr(4fDR12fDR(ff)RB(f)=r-fDC-2fDR23()(12)- fr(4fDR12fDR频域距离公式只与方位频率有关,与目标位置无关。比较时域和频域距离公式可知,距离走动在时域和频域中都是线性项,因而,既可在时域校正也

12、可在频域校正;距离弯曲在频域中与目标位置无关,因而只能在频域校正。距离走动在时域和频域都能实现,但两种校正方法都必须满足一定的条件,下面分情况加以讨论。(1)时域距离走动校正2(14)fDR(t-tA)4t-(15)RB(t)=fDCfDR(t-tB)224(15)可知,经过距离走动校正从剩余距离公式(14)、后,两点并没有处于同一距离波门,而是相差了2tfDCt的存在会使多普勒调频斜率fDRfDC2和调频斜率变化率 fr所对应的距离产生误差,影响图像质量。下面根据距离分辨力r讨论fDCt2对成像的影响。tfa)<1。这种情况下的斜视角通常较2r小,。tf>距离走动校2r,导致图像

13、的几何畸变。tfc)大于聚焦深度,斜视角较大或方位2r处理孔径较长时会出现这种情况。走动校正使具有RA(t)=-不同斜距的目标位于相同的距离波门,而fDR和 fr是距离r的函数,这样会导致聚焦深度外的目标散焦。(2)频域距离走动校正频域距离公式与目标的方位位置无关,所有的目标具有相同的距离走动曲线,因而只须按频域距(12)移动数据波门,即可实现所有目标离公式(11)、的走动校正。频域距离走动校正尽管简单,但频域距离公式的获得是以方位大时间2带宽积为条件,斜视角较大时无法满足这个条件,这种情况下需根据实际情况在频域距离徙动校正后采用二次距离压缩,或者放弃频域距离走动校正。312二次距离压缩6距离

14、徙动的存在会使目标回波跨越许多距离波门,使得距离压缩后的信号的方位时间2带宽积减小;距离徙动量越大,时间2带宽积越小,当减小到一定程度时会使方位向傅里叶变换不再满足驻定相位原理。这种情况下如果采用频域距离走动校正,方位FFT会导致距离压缩信号的展宽,严重影响距离向的分辨力,此时必须进行二次距离压缩。二次距离压缩滤波器为f式中,f和c分别方位频率和光速。)=expjfDR(hSRC(假设A、B两目标在方位上相隔为x,则波束中心过两目标的时间差为t=x/v,波束中心过目标B的时间为tB=tA+t,利用tA、tB的关系可将式(9)表示为RB(t)=r-f(t-tA-t)-2DC23(13)fDR(t

15、-tB)- fr(t-tB)412如果以目标A的距离走动直线为参考校正距离走动,则校正后的距离公式为2)2(16)© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2006年第5期上官珠等:基于距离2多普勒算法的机载大斜视SAR成像433313改进的斜视SAR成像算法RD算法用于斜视角较大的机载SAR成像,根地实现大斜视SAR成像,获得满意的图像质量。据前面距离徙动校正的分析,无论采用时域校距离走动还是采用频域校距离走动,都可能导致走动校正的条件无法满足。如果将走动

16、校正分成两部分,一部分在时域校正,另一部分在频域校正,则只需每部分各自满足距离徙动校正条件即可。显然,两部分合起的距离走动远远大于单纯依赖于时域或频域校正时的走动,可在更大的斜视角范围内实现机载SAR斜视成像。设时域满足聚焦深度时所要求的多普勒质心为tffDC,频域的多普勒质心为fDC,则总的多普勒质心可表示为tffDC=fDC+fDC(17)图2机载SAR斜视成像处理流程根据时域和频域距离公式,的距离公式分别为(18)Rwalk(t)t2DCff(f-fDC)(19)Rwalk(t)=-2fDRf相应地,由于时域校正后剩下的距离走动由fDC决定,因此,二次距离压缩滤波器相应变为22)=exp

17、jfDR(hSRC(f(20)f式中,方位频率f根据fDC计算。在斜视角较大的机载SAR成像中,多普勒调频斜率的变化率除了会引起距离弯曲外,还会影响回波信号相位,因此弯曲校正时需按式(11)或(12)将两种弯曲一起校正。同时,方位压缩还需加上三次项的匹配,即方位匹配滤波器为23)(21)Hf- fr(f)=fDR3fDR图3斜视角40°时的SAR图像根据上述分析,基于RD算法的机载斜视SAR成像处理流程如图2所示。4成像实验根据本文提出的机载SAR大斜视成像处理算法,利用某次试飞的机载SAR3m数据进行了成像实验。实验选取了两块机载SAR斜视数据,斜视角分(波束中心与正侧视的夹角),

18、载别为侧斜视40°和50°机飞行速度为130m/s,雷达作用距离30km左右。图3是斜视角为40°时的SAR图像,图4是斜视角为50°时的SAR图像。从图3和图4可知,算法能有效图4斜视角50°时的SAR图像© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 434中国电子科学研究院学报2006年第5期4AlbertoMoreira,RolfScheiberDopplerparametersestima25结论本文根据

19、机载大斜视SAR距离走动较大的特点,将距离走动校正分成两部分,一部分在时域校正,另一部分在频域校正,以克服聚焦深度和方位时间2带宽积对走动校正的限制,从而能获取更大斜视范围内的机载SAR图像。仿真和实测数据的成像结果证明了算法的有效性。参考文献:1GaoLu.Amodifiedrange2doppleralgorithm.tionalgotithmsforsarprocessingwiththechirpscalingap2proach.IEEE.Transactionsongeoscienceandremotesens2ing.1994,65JosefMittermayer,AlbertoM

20、oreira,SpotlightSarDataProcessingUsingtheFrequncyScalingAlgorithmIEEE.Transactionsongeoscienceandremotesensing.vol.37No.5.1999,66胡学成,于文震,雷万明,刘中.机载大斜视SAR实时成像处理。现代雷达2005年7月。作者简介GUIANCE&FUZEDec20042AMoreira,JMittermayer,RScheiber.,Extendedchirpsscalingalgorithmforair2spaceborneSARdataprocessingstripmapandscanSARimagemodes,GRemoteSensing,23GatelliJ,shiftinSARTrans.OnGRS,1994,32(4):8552865),女,硕士,南京电;雷万明(1964-),男,博士,高级工程师。主要从事雷达信号处理,雷达成像研究工作;于文震(1965-),男,硕士,研究员,副总工程师。主要从事雷达系统,雷达信号处理,数据链研究工作。(上接第429页)4结论本文从鸡尾酒会问题出发,结合军事侦察的特点,将鸡尾酒会效应引入到军事侦察中,提出了一种具有人工智能的侦察系统。并针对