專利名稱：基于頻域展開的星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及合成孔徑雷達(SAR)成像技術(shù)中星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達成像方法。
背景技術(shù)：
雙基地合成孔徑雷達(Bistatic SAR)是將發(fā)射機和分別接收機安裝在 不同的運動平臺上的一種新型合成孔徑雷達系統(tǒng)。星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達 (Spaceborne-Airborne Bistatic SAR)作為雙基地合成孔徑雷達的一種特殊模式，采用衛(wèi) 星發(fā)射、單(多)個飛機接收的工作模式，在繼承了雙基地合成孔徑雷達優(yōu)點的同時，還具 有以下獨特優(yōu)點1.成像范圍廣、圖像信噪比高由于星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達采用獨特的“遠發(fā)近收”模式，既充分發(fā)揮了衛(wèi) 星站得高、看得遠、覆蓋面廣等優(yōu)勢，又保持了很高的圖像信噪比，可以獲取比機載雙基地 更加清晰、完整的目標信息；2.系統(tǒng)機動靈活、獲取信息更豐富星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達系統(tǒng)充分發(fā)揮機載平臺機動、靈活的特點，可以針 對目標區(qū)域以多種成像模式、多角度成像，獲取更豐富的目標信息。3.更有效降低系統(tǒng)成本由于星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達采用“遠發(fā)近收”的方式，因此能夠大大降低對 衛(wèi)星發(fā)射功率的要求，可有效減少衛(wèi)星負荷，降低系統(tǒng)成本。此外，星機雙基地合成孔徑雷 達系統(tǒng)更可以充分利用已有衛(wèi)星資源來降低系統(tǒng)成本。在軌工作的導(dǎo)航通信衛(wèi)星、廣播電 視衛(wèi)星以及雷達衛(wèi)星都可以作為系統(tǒng)的發(fā)射平臺，這樣一來，星機雙基地合成孔徑雷達系 統(tǒng)只需負擔機載接收機的成本，可大幅減少系統(tǒng)造價。因此星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達作為一項新概念的空間對地觀測或偵察手段， 無論在民用還是軍事應(yīng)用領(lǐng)域都有著更為廣泛的發(fā)展空間，已成了最近雙基地合成孔徑雷 達領(lǐng)域的研究熱點?？偟膩碚f，成像方法可以分為時域成像方法和頻域成像方法兩大類。頻域成像 方法相較時域方法運算量大大減少，成像效率高。SAR系統(tǒng)二維頻域模型是構(gòu)建頻域成 像方法的前提和基礎(chǔ)。目前二維頻譜的求解以德國學者Otmar Loffeld所提出的LBF模 型為代表。LBF方法將收發(fā)平臺看作兩個相對獨立的部分來求解雙基地系統(tǒng)的二維頻譜 近似解析表達式。該方法只適用于兩平臺速度差別不大、多普勒頻率貢獻相當?shù)碾p基地 SAR系統(tǒng)，而且該方法的推導(dǎo)過程過于冗長和復(fù)雜。E-LBF方法是對LBF的改進，其采用加 權(quán)因子來衡量收發(fā)平臺多普勒貢獻率，但該方法未能很好反應(yīng)收發(fā)平臺的異構(gòu)性，無法應(yīng) 用于星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達。參考文獻為“K.Natroshvili，0. Loffeld, H. Nies, A. Medrano Ortiz, and S. Knedlik, "Focusing of general bistatic SAR configuration data with 2-Dinverse scaled FFT," IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. ,vol. 44,no. 10,pp. 2718-2727，Oct. 2006”；以及“R. Wang, 0. Loffeld, Q. UI-Ann，H. Nies，A. Medrano-Ortiz, and S. Knedlik, "Analysis and extension of Loffeld' s bistaticformula in spaceborne/airborne configuration,，，in Proc. EUSAR, Friedrichshafen, Germany, Jun. 2008. CD-ROM. ”。劉喆提出的Air-phase方法利用星機系統(tǒng)兩平臺間運動速度、斜距存在顯著差異的特點，將收發(fā)平臺的斜距史看成一個整體來求解系統(tǒng)的二維頻譜解析式。該方法相 對LBF模型及E-LBF模型而言，所求二維頻域模型形式簡潔，可以較為精確地反映SA-BSAR 系統(tǒng)的頻域特征。成像處理時，下面的文獻利用該方法得到系統(tǒng)的二維頻譜，后將頻譜相 位項在參考點目標的二維空間位置予以展開。但該方法推導(dǎo)的是收發(fā)平臺沿同向平行飛 行時的情形，且在實際場景中，由于難以獲得目標的位置信息，故無法補償非參考點的距 離單元徙動，也就無法進行聚焦成像。見文獻“Zhe Liu, Jianyu Yang, Xiaoling Zhang, Yiming Pi. Study onSpaceborne/Airborne Hybrid Bistatic SAR Image Formation in FrequencyDomain. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2008, 5 (4) :578_582，，。綜上所述，傳統(tǒng)頻域成像方法只針對特定飛行模式下的星機聯(lián)合雙基地合成孔徑 雷達，無法適用于星機兩平臺大角度斜飛、飛機斜視模式下的雙基地SAR成像，且整個頻域 成像方法推導(dǎo)過程過于復(fù)雜，其成像結(jié)果精度不夠高。因此本發(fā)明基于頻域展開，提出一種 適用于星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達的成像方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服傳統(tǒng)星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達成像精度不高、流程復(fù)雜、計算量大 的缺點，本發(fā)明提供了一種基于頻域展開的星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達成像方法，與傳 統(tǒng)方法相比，本發(fā)明方法具有流程簡單、運算量小，且能夠在星機兩平臺大角度斜飛、飛機 斜視模式下模式下，得到目標良好的聚焦效果等優(yōu)點，該發(fā)明適用于大場景的星機聯(lián)合雙 基地合成孔徑雷達的成像。為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作以下術(shù)語定義定義1、星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達(Spaceborne-Airborne Bistatic SAR)雙基地合成孔徑雷達是指雷達發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)分別安裝在不同運動平臺上 的合成孔徑雷達，其中，安裝發(fā)射系統(tǒng)的平臺稱作發(fā)射平臺，安裝接收系統(tǒng)的平臺稱作接收
平臺 ο星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達是指雷達的發(fā)射平臺和接收平臺分別置于衛(wèi)星和飛機上的雙基地合成孔徑雷達的特殊模式。定義2、移變模式雙基地合成孔徑雷達廣義上講，移變模式雙基地合成孔徑雷達是指安裝發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的平臺在 數(shù)據(jù)采集過程中相對位置發(fā)生變化的合成孔徑雷達系統(tǒng)。但實際情況下，發(fā)射平臺和接收平臺的運動軌跡總保持勻速直線運動。因此，本發(fā) 明中定義“移變模式雙基地合成孔徑雷達”是指發(fā)射系統(tǒng)平臺和接收系統(tǒng)平臺的運動軌跡， 在數(shù)據(jù)采集過程中，總保持勻速直線運動的廣義移變模式雙基地合成孔徑雷達。定義3、慢時間合成孔徑雷達系統(tǒng)的慢時間是指收發(fā)平臺飛過一個合成孔徑所需要的時間，由于雷達以一定的重復(fù)周期 ；發(fā)射接收脈沖，慢時間可以表示為一個離散化的時間變量t = nTr, η = IL N，η為自然數(shù)，N為一個合成孔徑內(nèi)慢時間的離散個數(shù)，Tr為重復(fù)周期。定義4、傅里葉變換與逆傅里葉變換FFT稱為快速傅里葉變換，是離散傅里葉變換快速方法的統(tǒng)稱，而IFFT則稱為逆 傅里葉變換。詳見文獻“祝向英，淺議傅立葉變換及其應(yīng)用，福建電腦，2008，7，1673-2782”。定義5、合成孔徑雷達成像空間合成孔徑雷達成像空間是指合成孔徑雷達成像方法將場景空間中的散射點投影 到的二維平面空間，該空間由合成孔徑雷達成像空間中的兩個相互正交的坐標基確定，目 前典型合成孔徑雷達的成像空間包括距離向-方位向投影空間。本發(fā)明中用以下數(shù)學關(guān)系 表示成像空間M :
M = {P., IPi8 =Xo-qx+yo-qy,Xo,yo^ j }(1)其中、和^表示構(gòu)成成像空間M的相互正交的坐標基，分別表示距離向和方位向。 Psj為成像空間中的待觀測點向量，X0, Y0分別表示該點的距離和方位坐標，表示實數(shù)。定義6、合成孔徑雷達成像場景參考點 合成孔徑雷達成像場景參考點是指合成孔徑雷達成像空間中的某個散射點，作為 分析和處理場景中其他散射點的參照。定義7、合成孔徑雷達場景空間合成孔徑雷達場景空間是指現(xiàn)實空間中所有待觀測的場景目標點的集合。在不同 空間坐標系下有不同的表示，但一旦坐標系確立以后其表示是唯一的。一般情況下為了方 便成像取地面坐標系，即距離向_方位向_高度向坐標系。定義8、駐定相位原理駐定相位原理是對具有大時寬帶寬積信號的頻譜分析方法。具體參見文獻“皮亦 鳴，楊建宇，合成孔徑雷達成像原理，電子科技大學出版社，2007年3月，p22-p24.，，定義9、合成孔徑雷達標準距離壓縮方法合成孔徑雷達標準距離壓縮方法是指利用合成孔徑雷達發(fā)射參數(shù)，主要包括采 用以下公式生成參考信號，并采用匹配濾波技術(shù)對合成孔徑雷達的距離向信號進行濾波的 過程。
BrF rF/(r) = expO·^·· —-r2)rer_^L ^Ln(2)
1P2 ‘ 2其中，f( τ )為參考函數(shù)，B為雷達發(fā)射基帶信號的信號帶寬，Tp為雷達發(fā)射信號 脈沖寬度，τ為快(斜距)時間，取值范圍從到|。(詳見文獻“雷達成像技術(shù)”，保錚等 編著，電子工業(yè)出版社出版)。定義10、星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)描述待觀測點目標坐標P (x0,y0,0)；
PRF表示脈沖重復(fù)頻率； 衛(wèi)星初始位置為(Xl，y1; H)，飛機初始位置為(0，0，11)，兩平臺分別以速度^1)運 動，θ是兩平臺飛行方向的夾角，識為飛機斜視角，即飛機天線波束指向與平臺飛行航線夾角的余角；星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達系統(tǒng)斜距史用R(t)來表示，則
權(quán)利要求
1. 一種基于頻域展開的星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達成像方法，它包括以下步驟 步驟1、合成孔徑雷達成像空間及成像系統(tǒng)參數(shù)的初始化；合成孔徑雷達成像空間由合成孔徑雷達成像空間中的兩個相互正交的坐標基確定，定 義與衛(wèi)星發(fā)射平臺速度方向平行并在地平面內(nèi)的單位向量作為合成孔徑雷達成像空間的第一個坐標基，即、.定義在地平面內(nèi)，并與合成孔徑雷達成像空間的第一個坐標基q垂直的單位向量作為合成孔徑雷達成像空間的第二個坐標基，記做^ ；初始化成像系統(tǒng)參數(shù)包括發(fā)射平臺速度，即衛(wèi)星相對地面速度，記做Vs，接收平臺速 度，即飛機速度記做Vp，發(fā)射平臺初始位置記做(Xl，Yl, H)，接收平臺初始位置記做(0，0， h)，兩平臺飛行方向的夾角記為e，飛機斜視角為飛機天線波束指向與平臺飛行航線夾角 的余角，記作0，雷達發(fā)射電磁波的波數(shù)記做&，雷達發(fā)射基帶信號的信號帶寬，記做B，雷達 發(fā)射信號脈沖寬度，記做TP，雷達接收波門持續(xù)寬度，記做T。，雷達接收系統(tǒng)的采樣頻率，記 做fs，雷達系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率，記做PRF ；待觀測點目標坐標P (x0, y0,0)；利用星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達系統(tǒng)所提供的參數(shù)，可以得到點目標的斜距史 R(t) :R(t) = ^RsO2 + Vs2(t-TsO)2 + ^RP02 +VP2(t-TP0)2 其中:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于頻域展開的星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達成像方法，首先建立任意模式下星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達斜距史模型；接著推導(dǎo)得到二維頻域模型；然后將該頻譜的相位項在快時間頻率、慢時間頻率進行泰勒展開，經(jīng)補償相位項后，得到良好的聚焦效果；最后通過畸變校正得到目標的正確位置。本發(fā)明方法具有流程簡單、運算量小，且能夠在星機兩平臺大角度斜飛、飛機斜視模式下模式下，得到目標良好的聚焦效果等優(yōu)點，本發(fā)明可用于大場景的星機聯(lián)合雙基地合成孔徑雷達的成像，適用于合成孔徑雷達成像，地球遙感等領(lǐng)域。
文檔編號G01S13/90GK102004250SQ20101052269
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者吳浩然, 張曉玲 申請人:電子科技大學