星载SAR场景匹配模式时域成像方法

星载sar场景匹配模式时域成像方法
技术领域
1.本发明合成孔径雷达(synthetic aperture radar，简称sar)技术领域，具体涉及一种星载sar场景匹配模式时域成像方法。


背景技术：

2.星载合成孔径雷达(synthetic aperture radar,sar)是一种工作在微波波段的有源遥感雷达系统，可以实现主动式全天时全天候的高分辨成像。合成孔径雷达采用信号处理的方法，通过对目标进行波束照射积累，等效地提升了方位向天线长度，从而获得了方位向高分辨成像能力。星载合成孔径雷达能够不受日照条件和天气条件的限制，可以充分复杂气象条件下的地表监测，在战场侦察、灾害监测及预警、地形测绘、资源勘探等方面也发挥着重要作用。
3.传统的星载合成孔径卫星多工作于近极地轨道，从而对高纬度地区进行观测。传统合成孔径雷达由于其轨道原因，成像带近似沿“南北”方向分布，从而导致与许多热点观测区域存在一定的观测夹角。当星载合成孔径雷达对与卫星轨道呈一定的夹角的目标场景(斜向场景)成像时，此时场景极易脱离成像带导致成像失败。为解决这一问题，传统合成孔径雷达采用多观测带模式对斜向场景进行完整成像，具体分为多轨重访与单轨分时观测。多轨重访观测存在数据获取时间长、多成像带图像一致性差等问题，单轨分时观测存在图像方位分辨率差等问题。
4.星载场景匹配sar可以很好地解决上述问题，其通过调整波束指向直接生成与场景相匹配的成像带。星载场景匹配sar模式对斜向场景具有非常好的适应性，获取数据有效性高。由于该模式下通常工作在大斜视构型并存在两维波束扫动，使得回波信号参数具有强烈的时变特性，并且在星载sar场景匹配模式中，由于雷达波束存在两维扫动，导致多普勒中心变化剧烈，多普勒带宽大。由于星载sar场景匹配模式的系统构型限制了脉冲重复频率，在场景匹配滑动聚束模式下会出现多普勒频谱混叠，从而导致时域成像混叠。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种星载sar场景匹配模式时域成像方法，能够适应星载场景匹配sar模式的参数时变特性，解决了星载sar场景匹配模式下地面波束椭圆形状变化问题，同时避免时域成像混叠，可以实现时域高分辨成像。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.本发明的一种星载sar场景匹配模式时域成像方法，包括如下步骤：
8.步骤一、对距离向傅里叶变换后的目标后向散射回波进行相位补偿，得到信号距离频谱；将所述信号距离频谱进行距离向逆傅里叶变换，在时域得到距离向压缩后的信号；其中，所述相位补偿的方式为：基于距离向傅里叶变换后的目标后向散射回波的第二个相位项，生成距离向时变参数补偿及二次相位补偿滤波器f
rd
；将距离向傅里叶变换后的目标后向散射回波与f
rd
相乘，得到信号距离频谱；
9.步骤二、基于雷达波束指向划分场景匹配成像网格；
10.步骤三、计算地面波束椭圆进行成像网格点照射判断，具体如下：
11.选取对应的方位时刻，将坐标系的原点移动至雷达平台对应时刻的位置处；将坐标系绕z轴进行旋转，将y轴正方向旋转至雷达地面投影点指向波束中心的方向；将坐标系绕x轴进行旋转，将z轴的正方向指向地面波束中心；根据雷达卫星的姿态信息确定波束中心旋转角度，将z轴旋转响应角度；根据雷达波束两维波束宽度，建立椭圆锥面方程对成像网格点进行波束照射目标判断，具体如下：
12.若成像网格点在转化后坐标系下坐标的z值大于x坐标、y坐标对应于椭圆锥面上的z值，则认为目标在椭圆锥面内部，处于波束照射范围内，反之则处于波束照射范围外，得到每个时刻下的成像网格点有无波束照射的信息，获得计算的地面波束椭圆模板，模板大小为波束覆盖到的最大矩形成像网格大小；选取设定数量的位置波束中心，得到对应的地面波束椭圆模板；在后向投影过程中，根据波束中心在不同位置选择不同的地面波束椭圆模板；
13.步骤四、对相位补偿与距离向压缩处理后的信号，进行距离向升采样处理；之后，每次读取一列已进行距离向脉冲压缩的回波信号，将对应与场景匹配成像网格点斜距延时的信号投影到对应的网格点上，同时补偿该方位时刻对应成像网格点多普勒相位，将每个方位时刻的脉冲的贡献进行相干积累，最终得到成像网格中的各个像素点的重建结果；
14.步骤五、对步骤四得到的重建结果进行保相处理，得到最终图像。
15.其中，所述步骤二中，基于卫星返回辅助数据中的实际雷达雷达卫星的三轴指向得到波束指向，结合轨道信息进行波足计算，得到波足走向；根据波足走向实现场景匹配成像网格。
16.其中，所述步骤二中，根据波足走向实现场景匹配成像网格的方式为：确定场景观测带延展方向，并根据分辨率要求沿场景观测带延展方向建立成像网格。
17.其中，所述步骤四中，所述距离向升采样的方法为频域补零插值。
18.其中，所述步骤五中，所述保相处理具体为：根据场景观测带中心斜距将多普勒相位恢复，保证图像相位对应于相应的物理位置。
19.有益效果：
20.本发明是基于时变参数进行相位补偿的新方法，适应了星载场景匹配sar模式的参数时变特性；采用精准计算地面波束椭圆对成像网格点进行照射判断的方法，避免在成像网格点叠加未被照射的能量，解决了星载sar场景匹配模式下地面波束椭圆形状变化问题，同时避免时域成像混叠，可以实现时域高分辨成像。
附图说明
21.图1为本发明星载sar场景匹配模式时域成像方法流程图；
22.图2是本发明星载sar场景匹配模式几何关系；
23.图3是本发明划分场景匹配成像网格示意图；
24.图4是本发明精准计算地面波束椭圆波束照射判断示意图；
25.图5是本发明星载sar场景匹配模式九点目标仿真结果；
26.图6是本发明场景中心点目标仿真评估结果；
27.图7是本发明面目标仿真结果。
具体实施方式
28.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
29.本发明的星载sar场景匹配模式时域成像方法流程图如图1所示，其具体步骤包括：
30.步骤一，基于时变参数进行相位补偿与距离向信号压缩处理。
31.在星载场景匹配sar模式下，按如下方法建立笛卡尔坐标系：原点o与成像观测带中心重合，定义背离地心方向且垂直于地表方向为z轴，定义波束覆盖带走向为y轴，即方位向，根据右手定则由y轴与z轴确定x轴方向，即距离向，x轴和y轴分别表示距离和方位角方向。本发明介绍的星载sar场景匹配模式时域成像方法基于以下事实：星载sar场景匹配模式的波束中心对应的地表波足速度恒定，本发明星载sar场景匹配模式几何关系如图2所示，假定lstm-sar的波束中心对应的地表波足速度恒定，vr为卫星速度，h为卫星高度，β0为回波信号采样中心时刻的入射角，r
gref
表示回波信号采样中心时刻的中心斜距地表投影，定义r
gref
与波束覆盖带走向的垂直方向夹角为场景匹配观测角并标记为α，θ定义为场景斜角，表示波束覆盖带走向与卫星速度矢量的夹角，假设一个任意的目标p位于成像观测带内，坐标为(x
p
，y
p
，0)，天线相位中心与目标p之间的瞬时斜距为r，波束中心通过目标p时的中心合成孔径时间表示为t
p
。目标p的瞬时斜距r具体如下：
[0032][0033]
其中rg和t
p
与目标的坐标之间具有一一对应的关系
[0034][0035]
若使用传统的线性调频信号作为发射信号，将来自目标p的回波信号解调至基频，解调后该回波信号可表示为
[0036][0037]
其中c是光速，τ表示距离向快时间，t表示方位向慢时间，f0为信号载频，kr为信号调频率。由于信号的幅度不影响成像，(3)省略了信号的幅度项。由于星载sar场景匹配模式下雷达波束存在两维扫动，导致波束中心斜距变化巨大。因此，星载sar场景匹配模式采用滑动接收窗体制，并假设使用线性调频(lfm)信号进行传输，得到目标p的后向散射回波：
[0038][0039]
其中r
min
(t)是雷达系统接收窗在每个方位时刻的开启时间。雷达系统通过调整接收窗开启时间适应中心斜距变化带来的影响，在变重频体制下接收窗开启时间由脉冲重复频率对应的模糊数及延时关系计算得到。
[0040]
对(4)进行距离向傅里叶变换，得到
[0041][0042]
其中f
τ
表示距离频率。(5)中第一项为距离无关的多普勒相位，第二项表示应予以去除的距离向二次相位，第三项表示距离徙动相关相位。因此，可基于(5)的第二个相位项，生成距离向时变参数补偿及二次相位补偿滤波器f
rd
：
[0043][0044]
将式(5)与式(6)相乘，得到信号距离频谱为:
[0045][0046]
对式(7)进行距离向逆傅里叶变换，可在时域得到距离压缩后的信号为
[0047][0048]
其中br表示发送的lfm信号带宽，函数sinc(
·
)具有如下定义：
[0049][0050]
步骤二、基于雷达波束指向划分场景匹配成像网格。
[0051]
在雷达系统实际工作中，由于卫星星体转动误差等客观非理想因素，预设雷达波束照射指向会与实际雷达波束指向存在一定偏差，因此需要基于卫星返回辅助数据中的实际雷达雷达卫星的三轴指向得到波束指向，结合轨道信息进行波足计算。根据波足走向确定场景观测带延展方向，并根据分辨率要求沿场景观测带延展方向建立成像网格，即场景匹配成像网格。
[0052]
步骤三、精准计算地面波束椭圆，对成像网格点进行照射判断。
[0053]
在星载sar场景匹配模式中，由于雷达波束存在两维扫动，导致多普勒中心变化剧烈，多普勒带宽大。由于星载sar场景匹配模式的系统构型限制了脉冲重复频率，在场景匹配滑动聚束模式下会出现多普勒频谱混叠，从而导致时域成像混叠。
[0054]
为了解决这一问题，采用精准计算地面波束椭圆对成像网格点进行照射判断的方法，避免在成像网格点叠加未被照射的能量。
[0055]
波束照射目标判定分为四个步骤。第一步，选取对应的方位时刻，将坐标系的原点移动至雷达平台对应时刻的位置处。第二步，将坐标系绕z轴进行旋转，将y轴正方向旋转至雷达地面投影点指向波束中心的方向。第三步，将坐标系绕x轴进行旋转，将z轴的正方向指向地面波束中心。第四步，根据雷达卫星的姿态信息确定波束中心旋转角度，将z轴旋转响应角度。第五步，根据雷达波束两维波束宽度，建立椭圆锥面方程对成像网格点进行波束照射目标判断。
[0056]
若成像网格点在转化后坐标系下坐标的z值大于x坐标、y坐标对应于椭圆锥面上的z值，则认为目标在椭圆锥面内部，处于波束照射范围内，反之则处于波束照射范围外。由此可以得到每个时刻下的成像网格点有无波束照射的信息，获得精准计算的地面波束椭圆模板，模板大小为波束可以覆盖到的最大矩形成像网格大小。
[0057]
选取合适数量的位置波束中心，得到对应的精准地面波束椭圆模板。在一定模板
点数变化小于百分之五以内的情况下，认为波束在地面投影变化可以忽略不计。在后向投影过程中，根据波束中心在不同位置选择不同的地面波束椭圆模板。
[0058]
步骤四、进行后向投影成像处理。
[0059]
星载sar场景匹配模式的后向投影成像算法是针对距离向脉冲压缩-方位时域的信号进行处理，其核心思想是结合天线相位中心的真实位置，通过对逐个脉冲的处理实现最终成像。在成像过程中，需要计算每个网格点到雷达卫星之间的斜距，按照斜距对应的时延将对应的回波投影到网格点上。首先对基于时变参数进行相位补偿与距离向信号压缩处理后的信号，进行距离向升采样处理，距离向升采样的方法为频域补零插值。之后，每次读取一列已进行距离向脉冲压缩的回波信号，将对应与场景匹配成像网格点斜距延时的信号投影到对应的网格点上。同时补偿该方位时刻对应成像网格点多普勒相位，将每个方位时刻的脉冲的贡献进行相干积累，最终可得到成像网格中的各个像素点的重建结果。
[0060][0061]
步骤五、进行保相处理，得到最终图像。
[0062]
后向投影成像处理中去除了目标的多普勒相位进行相干叠加，在完成相干叠加后需要根据场景观测带中心斜距将多普勒相位恢复，保证图像相位对应于相应的物理位置。
[0063][0064]
为验证基于时变参数的星载场景匹配sar时域成像方法的优势，在条带模式下使用表1参数进行仿真，通过成像结果观察其成像能力。
[0065]
步骤一、依据表1中参数与式(5)计算距离向时变参数相位补偿及二次相位补偿滤波器f
rd
，对回波数据s0进行距离向傅里叶变换，得到信号的距离频谱(5)，将距离向时变参数相位补偿及二次相位补偿滤波器f
rd
与回波信号相乘，得到滤波后信号的距离频谱。再进行距离向逆傅里叶变换，得到距离向压缩后的时域信号s1。成像参数列表如表2所示。
[0066]
表1 sar卫星关键参数列表
[0067][0068][0069]
表2成像参数列表
[0070][0071]
步骤二、基于雷达波束指向划分场景匹配成像网格，如图3所示。
[0072]
步骤三、精准计算地面波束椭圆进行成像网格点照射判断，波束照射判定椭圆如图4所示。
[0073]
步骤四、进行后向投影成像处理。
[0074]
步骤五、进行保相处理，得到最终图像。
[0075]
在本实施例中使用了点目标与面目标仿真。图5给出了九点目标仿真结果，从图中可以发现不同场景出的点目标结果聚焦良好。图6给出了点目标评估结果，说明该成像方法对时变参数具有很好的适应性。
[0076]
图7给出了面目标仿真结果，从图7中可以发现成像结果聚焦良好，满足指标要求。
[0077]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。