帶有多普勒中心空變校正的大斜視SAR成像方法

李震宇,陳濺來,梁 毅,邢孟道,保 錚

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

帶有多普勒中心空變校正的大斜視SAR成像方法

李震宇,陳濺來,梁 毅,邢孟道,保 錚

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

在大斜視合成孔徑雷達(dá)成像中,常采用時域校正線性走動的方法來消除距離方位的耦合性,但現(xiàn)有的成像算法僅考慮走動校正帶來的方位向調(diào)頻率的空變,而忽略多普勒中心的二維空變,這將嚴(yán)重影響圖像聚焦.文中詳細(xì)分析了多普勒中心二維空變對聚焦的影響,提出一種帶有多普勒中心空變校正的方位向處理新方法,提高了聚焦質(zhì)量.仿真結(jié)果及實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性.

大斜視合成孔徑雷達(dá);線性走動校正;多普勒中心空變

與正側(cè)視合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)相比,斜視SAR成像具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),例如:通過調(diào)整天線指向可對某感興趣區(qū)域進(jìn)行多次重復(fù)觀測,在搭載平臺飛越待觀測區(qū)域上空前即完成成像處理[1],獨(dú)特的優(yōu)勢使得斜視SAR有著更加廣泛的應(yīng)用.隨著斜視角的增大以及實(shí)時處理的需求,給大斜視SAR成像帶來困難,因此,針對大斜視SAR成像的研究具有重要意義[2].

針對大斜視SAR成像,文獻(xiàn)[3]提出一種CA Omega-K的成像方法,實(shí)現(xiàn)良好聚焦.由于Omega-K在二維頻域?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理無法適應(yīng)參數(shù)的變化,如斜視角的空間變化等,而且復(fù)雜的插值會降低成像效率,不利于實(shí)時處理;文獻(xiàn)[1-2]提出的非線性調(diào)頻變標(biāo)(Nonlinear Chirp Scaling,NCS)成像方法能夠很好地解決大斜視SAR成像問題;文獻(xiàn)[4-8]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了NCS精度,提升了方位向聚焦深度.但是這些文獻(xiàn)均基于全孔徑算法處理,無法應(yīng)用于實(shí)時成像.針對實(shí)時成像,子孔徑類成像算法更具有優(yōu)勢;文獻(xiàn)[9-10]詳細(xì)分析了子孔徑成像優(yōu)勢,并給出了相應(yīng)的成像算法,但這些算法均未考慮多普勒中心空變對大斜視SAR成像的影響,這將嚴(yán)重影響最終聚焦質(zhì)量.筆者基于子孔徑數(shù)據(jù),詳細(xì)分析了多普勒中心的空變對聚焦的影響,提出一種改進(jìn)的方位向處理方法,提高了聚焦質(zhì)量;最后,通過仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)處理,驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性.

1　大斜視幾何關(guān)系及斜距模型

大斜視SAR成像幾何模型如圖1所示,雷達(dá)工作在條帶模式,平臺高度為h,以速度v沿ABC勻速直線飛行,波束射線指向的斜視角為θ,γ為X軸與波束中心線在地面投影的夾角.令R為波束中心線掃過目標(biāo)P時的斜距,由圖1的幾何關(guān)系可知,地面任意點(diǎn)目標(biāo)P′到雷達(dá)的瞬時斜距為

圖1　大斜視幾何模型

其中,tm為方位慢時間;xn=vtn,tn為天線波束中心穿越目標(biāo)點(diǎn)的時刻;sinθ=cosγ(R2-h2)1/2R.式(1)中,距離與方位嚴(yán)重耦合,這給成像處理帶來困難.為降低這種耦合性,常采用時域線性走動校正[1-2],校正后的斜距可表示為

需要注意的是,式(2)中仍存在一個線性殘留量,這個殘留量對后續(xù)的成像處理會帶來很大影響,而現(xiàn)有文章常忽略了這部分影響.

2　方位向處理

對于大斜視SAR成像,線性走動校正會導(dǎo)致方位相位空變,這是由于原先位于同一距離單元的點(diǎn),如圖2所示,點(diǎn)A、B、C,經(jīng)過走動校正后位于不同距離單元,使得方位平移不變性不再存在.對斜距式(2)分析,在方位聚焦處tm=xnv,斜距R0=R+xnsinθ0,即R=R0-xnsinθ0.易知,走動校正后,方位多普勒系數(shù)包括殘留多普勒中心均隨著方位位置變化而變化,這將嚴(yán)重影響方位聚焦.

圖2　時域線性走動校正示意圖

2.1多普勒中心空變對聚焦影響分析

采用文獻(xiàn)[1]的距離向處理方法,剩余的方位相位可表示為

其中,Δfdc(R0,xn)為殘留線性項(xiàng)對應(yīng)的殘留多普勒中心,fdr(R0,xn)為方位調(diào)頻率,fdt(R0,xn)為方位時域三次項(xiàng)系數(shù).為簡化后續(xù)處理,這里對多普勒系數(shù)在tn=0處進(jìn)行泰勒近似展開,將兩維空變的多普勒參數(shù)分成方位空變量和方位非空變量,其中

現(xiàn)有針對大斜視SAR成像的參考文獻(xiàn)均未考慮Δfdc(R0,xn)項(xiàng),這部分殘留量對于一般小斜視窄波束成像影響較小,而對于大斜視寬幅成像,對方位聚焦有著很大的影響.與文獻(xiàn)[1]對比,由殘留多普勒中心引起的方位向相位殘留量在方位頻域可表示為

其中,第1項(xiàng)影響方位向最終聚焦位置,而第2項(xiàng)嚴(yán)重影響了方位聚焦.換句話說,Δfdc(R0,xn)引入一個方位二次相位,該相位將改變原先的調(diào)頻率.因此,在后續(xù)的推導(dǎo)中不可忽略多普勒中心的空變.

2.2方位向處理步驟

為消除多普勒中心及方位調(diào)頻率空變對聚焦的影響,文中提出了一種改進(jìn)的方位非線性變標(biāo)方法.該方法對距離向處理完成信號[10],為削弱多普勒中心空變對方位聚焦的影響,先補(bǔ)償其沿距離向空變因子,即

對補(bǔ)償完后的信號引入相位濾波因子.該項(xiàng)因子主要為后續(xù)變標(biāo)處理提供足夠的系數(shù),可表示為

將引入濾波因子后的表達(dá)式變到方位頻域,可得

為消除多普勒中心以及方位調(diào)頻率的方位空變性,這里引入改進(jìn)的方位非線性變標(biāo)因子,即

將式(8)與式(9)相乘,并變到方位時域,可得

上式中,第1項(xiàng)與方位位置無關(guān),可以統(tǒng)一聚焦;第2項(xiàng)表示方位最終的聚焦位置;第3項(xiàng)為方位形變項(xiàng),影響方位最終聚焦位置;第4項(xiàng)則嚴(yán)重影響方位聚焦質(zhì)量;最后一項(xiàng)為常數(shù)項(xiàng),可忽略.綜上,建立如下方程組:

求解方程組式(11),可得

將式(12)代入式(9),可得最終的方位統(tǒng)一聚焦因子,即

2.3方位向預(yù)處理及算法流程

由于補(bǔ)償?shù)亩嗥绽罩行木嚯x向空變是一個線性分量,這個線性分量會導(dǎo)致二維頻譜的斜拉,由“矩形”變?yōu)椤捌叫兴倪呅巍?正如線性走動校正會將斜視的斜譜扳成“矩形”頻譜,如圖3(a)和圖3(b)所示,這個過程被稱為“斜視最小化”[2].多普勒中心的距離向空變校正會使得校正后的二維頻譜存在一個斜率k,這個斜率導(dǎo)致頻譜的斜拉,斜率及斜拉后的頻譜可表示為

其中,Ba為方位向帶寬,Br為距離向帶寬,Rs為參考距離斜距.對于大斜視成像,斜拉后的距離向頻譜很有可能超過距離向采用率,導(dǎo)致距離向頻譜混疊,如圖3(c)所示.當(dāng)超過距離向采樣率時,最終成像點(diǎn)的二維插值圖會出現(xiàn)旁瓣混疊.為得到清晰的二維插值圖,需進(jìn)行距離向升采樣預(yù)處理,得到的無混疊的頻譜如圖3(c)和圖3(d)所示.

圖3　線性分量對二維譜的影響

綜上所述,改進(jìn)的方位向處理流程如圖4所示.

圖4　改進(jìn)的方位向處理流程圖

3　數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)的方位向處理方法的有效性,下面通過對仿真數(shù)據(jù)以及實(shí)測數(shù)據(jù)處理來進(jìn)行說明.

表1　雷達(dá)參數(shù)

大斜視SAR系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示.如圖5所示,地面場景中點(diǎn)2為場景中心點(diǎn)作為對比,沿波束視線方向布置點(diǎn)1,與中心點(diǎn)2相距1 km;沿著飛行方向放置點(diǎn)目標(biāo)3,xn=1 km.易知,與點(diǎn)2目標(biāo)相比,點(diǎn)1只存在沿距離向的方位多普勒中心空變,而點(diǎn)3則存在著兩維多普勒中心空變.

圖5　點(diǎn)目標(biāo)布置示意圖

圖6(a)給出了3個點(diǎn)目標(biāo)未校正多普勒中心二維空變時方位剖面圖,容易看出,由于未考慮多普勒中心空變,與場景中心點(diǎn)2相比,點(diǎn)1和點(diǎn)3都嚴(yán)重散焦.圖6 (b)給出考慮了多普勒中心沿距離向空變,未考慮沿方位空變時點(diǎn)目標(biāo)的方位剖面圖,由于點(diǎn)1只存在距離向的空變,補(bǔ)償距離向空變后,聚焦效果得到大幅提升,而點(diǎn)3還存在著沿方位的多普勒中心空變,聚焦效果較差.圖6(c)給出了文中改進(jìn)方法的結(jié)果圖,對比易知,文中算法明顯改善了大斜視SAR成像方位聚焦質(zhì)量.

為進(jìn)一步驗(yàn)證距離向升采樣預(yù)處理,以點(diǎn)2為例,圖7(a)給出未進(jìn)行距離升采樣時點(diǎn)目標(biāo)的二維插值圖,由于未考慮頻譜的反折,使得最終插值圖出現(xiàn)旁瓣混疊.圖7(b)給出了距離升采樣后的二維插值圖,易看出,升采樣后的插值圖不存在混疊,旁瓣明顯分開.

為進(jìn)一步驗(yàn)證文中方法的有效性,對機(jī)載實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.圖8(a)給出未校正多普勒中心空變的成像結(jié)果,圖像呈現(xiàn)“弧形”,聚焦效果差;圖8(b)給出校正多普勒中心距離向空變未校正沿方位空變的結(jié)果,圖像整體“扳正”,無明顯散焦;圖8(c)給出多普勒中心二維空變校正后的結(jié)果圖.選取圖8(b)與圖8(c)的角反進(jìn)行對比,容易發(fā)現(xiàn),未校正方位空變時角反未明顯分開,而校正后角反明顯分開,充分驗(yàn)證了文中方法的有效性.

圖6　點(diǎn)目標(biāo)方位剖面圖

圖7　點(diǎn)1二維插值圖

4　總 結(jié)

筆者針對大斜視SAR寬幅成像中多普勒中心空變問題,提出了一種改進(jìn)的方位向處理方法.首先,分析了多普勒中心二維空變對方位聚焦的影響;然后,補(bǔ)償了多普勒中心距離向空變,由于距離向的空變校正會導(dǎo)致距離譜的反折,需要進(jìn)行距離升采樣;最終,通過引入改進(jìn)的方位非線性變標(biāo)因子校正了多普勒中心方位空變.點(diǎn)目標(biāo)仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證了文中方法的有效性與實(shí)用性.

圖8　實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果

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(編輯:齊淑娟)

Imaging method for highly squinted SAR with spatially-variant doppler centroid correction

LI Zhenyu,CHEN Jianlai,LIANG Yi,XING Mengdao,BAO Zheng
(National Key Lab.of Radar Signal Processing,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

In the high squint SAR imaging,the linear range walk correction(LRWC)is usually adopted to mitigate the coupling between range and azimuth.The conventional algorithms only consider the effects of Doppler frequency modulation rate dependence but ignore the spatially-variant Doppler centroid;this will affect the final focusing.In this paper,the effects of spatially-variant Doppler centroid in high-squint synthetic aperture radar(SAR)are analyzed and discussed,and a modified nonlinear chirp scaling algorithm with spatially-variant Doppler centroid correction in high squint SAR azimuth processing is proposed in order to improve the quality of the final focusing.Both simulation and real data processing validate the effectiveness of the proposed method.

high-squint SAR;LRWC;spatially-variant Doppler centroid

TN957.52

A

1001-2400(2016)03-0019-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.03.004

2015-05-14

時間:2015-07-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61101245);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(K5051302046)

李震宇(1991-),男,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:zhenyuli?2012@sina.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150727.1952.004.html