一種采用相位擾動(dòng)處理的大斜視SAR成像方法

曲廣洲,梁 毅

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,湖北武漢 430079;2.北京機(jī)電工程研究所,北京 100074;3.西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

一種采用相位擾動(dòng)處理的大斜視SAR成像方法

曲廣洲1,2,梁 毅3

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,湖北武漢 430079;2.北京機(jī)電工程研究所,北京 100074;3.西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

針對(duì)快視成像處理的需要,提出了一種采用相位擾動(dòng)處理的子孔徑數(shù)據(jù)大斜視合成孔徑雷達(dá)成像方法.首先給出了目標(biāo)瞬時(shí)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(shí)域校正距離走動(dòng)、頻域校正距離彎曲的方式實(shí)現(xiàn)距離與方位的二維解耦;時(shí)域走動(dòng)校正處理會(huì)帶來方位調(diào)頻率空變問題,影響一致聚焦,然后采用頻域引入擾動(dòng)相位來消除子孔徑數(shù)據(jù)的調(diào)頻率方位空變性,并結(jié)合譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)方位聚焦.點(diǎn)目標(biāo)仿真數(shù)據(jù)和機(jī)載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性.

合成孔徑雷達(dá);子孔徑;大斜視;相位擾動(dòng)

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像技術(shù)是以微波譜段的電磁波作為探測(cè)載體,獲取觀測(cè)場景散射特性的信息獲取技術(shù).與傳統(tǒng)光學(xué)成像相比,SAR成像不受氣象條件的限制,能夠全天時(shí)、全天候提供高分辨率的對(duì)地觀測(cè)圖像.隨著SAR成像技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,實(shí)時(shí)性已成為許多成像系統(tǒng)的必備要求,當(dāng)不需要獲取全孔徑分辨率時(shí),采用子孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以很好地實(shí)現(xiàn)成像分辨率和成像效率之間的一個(gè)折中.另一方面,SAR平臺(tái)為保證具有一定的轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)時(shí)間或區(qū)域外探測(cè),常在大斜視情況下工作,因此對(duì)于采用子孔徑數(shù)據(jù)的大前斜SAR成像研究具有重要意義[1].

針對(duì)子孔徑大斜視SAR成像,文獻(xiàn)[2]提出了一種改進(jìn)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(xiàn)[3]從避免圖像像素間隔變化和實(shí)時(shí)處理的需要出發(fā),提出了一種改進(jìn)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(fù)雜情況.大斜視SAR成像的難點(diǎn)主要是由于線性距離走動(dòng)帶來的距離和方位強(qiáng)耦合性,因此,文獻(xiàn)[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(xiàn)[5-7]提出一種調(diào)頻變標(biāo)(Extended Chirp Scaling,ECS)算法,由于未考慮調(diào)頻率空變問題,只能適用于方位幅寬較窄情況;文獻(xiàn)[8]提出了一種非線性調(diào)頻變標(biāo)(Nonlinear Chirp Scaling,NCS)算法,在一定程度上解決了大斜視中調(diào)頻率空變問題;文獻(xiàn)[9-10]在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)非線性變標(biāo)(Extended Nonlinear Chirp Scaling,ENCS)算法修正了算法的精度;文獻(xiàn)[11]在文獻(xiàn)[9-10]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步修正了ENCS操作精度,擴(kuò)展了大斜視方位幅寬.然而這些算法均是基于全孔徑數(shù)據(jù)處理,不能直接應(yīng)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(biāo)瞬時(shí)斜距模型,介紹了距離向處理,并詳細(xì)介紹了基于相位擾動(dòng)處理的方位成像方法,給出了算法流程,最后進(jìn)行了仿真和機(jī)載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析.

1　SAR大斜視斜距模型及回波信號(hào)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(shè)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(diǎn)的時(shí)刻為方位慢時(shí)間的起點(diǎn),經(jīng)過方位慢時(shí)間tm后,載體運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn),其橫坐標(biāo)為vtm,設(shè)點(diǎn)目標(biāo)P與B點(diǎn)之間的距離為xn,RB為該目標(biāo)離載體飛行軌跡的最近距離,R0為雷達(dá)波束中心線掃過該目標(biāo)時(shí)的斜距,則從ΔPCB′中可得瞬時(shí)斜距為

圖1　大前斜SAR成像幾何模型

其中,θ′為此時(shí)對(duì)目標(biāo)的瞬時(shí)觀測(cè)角.將式(1)在tm=xnv處進(jìn)行泰勒展開并保留到三階項(xiàng),可以表示為

其中,關(guān)于tm的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)分別表示距離走動(dòng)和距離彎曲,關(guān)于tm的三次項(xiàng)對(duì)回波包絡(luò)的影響通?？梢院雎?而只需要考慮其對(duì)相位的影響.

1.2斜距模型

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulated,LFM)信號(hào),則基帶回波信號(hào)距離頻域表達(dá)式為

其中,fr為距離頻率,γ為發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻率,c為光速,fc為雷達(dá)中心載頻,Wr(·)為距離窗函數(shù)的頻域形式,wa(·)表示方位窗函數(shù).

2　距離向處理

2.1距離走動(dòng)校正

斜視SAR距離向與方位向之間的強(qiáng)耦合主要來自于線性距離走動(dòng)項(xiàng),時(shí)域距離走動(dòng)校正可以極大地降低這種耦合性,由式(2)的瞬時(shí)斜距模型,斜視情況下的距離走動(dòng)量為v sinθ0tm,因此可以構(gòu)造線性距離走動(dòng)校正及多普勒中心補(bǔ)償函數(shù)[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(dān)負(fù)的任務(wù)。

經(jīng)距離走動(dòng)校正和多普勒中心補(bǔ)償后的信號(hào)變換到方位頻域,可以得到二維頻域表達(dá)式并在fr=0處展開,得

其中,第1個(gè)指數(shù)項(xiàng)為距離頻域調(diào)制項(xiàng),第2個(gè)指數(shù)項(xiàng)中,fr與fa的耦合項(xiàng)反映距離彎曲,很容易通過共軛相乘實(shí)現(xiàn)距離彎曲校正.經(jīng)過距離徙動(dòng)校正補(bǔ)償函數(shù)和距離脈壓參考函數(shù)相乘后的信號(hào)變換到距離時(shí)域即可實(shí)現(xiàn)距離維成像.完成距離向處理后的信號(hào)可以表示為

3　采用相位擾動(dòng)處理的方位成像

由式(6)距離向處理后的信號(hào)表達(dá)式,可知方位多普勒調(diào)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(dòng)處理的方位成像方法,來校正多普勒調(diào)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(shí)位于同一距離單元R′0的點(diǎn),方位向關(guān)于頻率的二次項(xiàng)相位系數(shù)含有xn(頻域二次項(xiàng)對(duì)應(yīng)時(shí)域調(diào)頻率項(xiàng)),不同xn,相位系數(shù)不同,即存在方位向的空變性,導(dǎo)致無法對(duì)方位進(jìn)行統(tǒng)一的補(bǔ)償聚焦處理.傳統(tǒng)方法是采用非線性調(diào)頻變標(biāo)算法(NCS算法)將不同方位位置的調(diào)頻率校正成一樣,然后采用匹配濾波方法在時(shí)域進(jìn)行聚焦成像.而對(duì)于采用部分孔徑進(jìn)行頻域成像的方式,NCS算法將失效.

基于相位擾動(dòng)的處理方法首先補(bǔ)償方位非空變的3次相位,相位補(bǔ)償函數(shù)為

補(bǔ)償后的信號(hào)變換到方位時(shí)域,得

其中,ka為方位多普勒調(diào)頻率,且

其中,kac=2v2,kav=2v3

在頻域引入相位擾動(dòng)因子

其中,p為待定量.將經(jīng)過3次相位補(bǔ)償和頻域擾動(dòng)相位相乘后的信號(hào),利用駐定相位原理,將結(jié)果變換到方位時(shí)域,得

式(16)中,第1項(xiàng)為方位相位調(diào)制項(xiàng),第2項(xiàng)為反映目標(biāo)真實(shí)位置項(xiàng),第3項(xiàng)為目標(biāo)位置形變項(xiàng),第4項(xiàng)為空變方位相位調(diào)制項(xiàng),第5項(xiàng)為剩余常數(shù)相位.

為消除空變的方位調(diào)制項(xiàng),令

將p代入A中,可得方位Deramp參考函數(shù)為

經(jīng)過Deramp函數(shù)相乘后的信號(hào)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(gè)算法的處理流程如圖2所示.

圖2　基于相位擾動(dòng)處理的子孔徑SAR大前斜成像處理流程

4　數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證文中算法的有效性,下面通過對(duì)仿真數(shù)據(jù)和機(jī)載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理來進(jìn)行說明.

4.1距離走動(dòng)校正

SAR系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示.地面場景中放置3個(gè)點(diǎn)目標(biāo),記為pn(n=1～3),如圖3所示,點(diǎn)目標(biāo)兩兩間距500 m,場景中心線對(duì)應(yīng)的作用距離為14 km.

表1　雷達(dá)參數(shù)

圖3　點(diǎn)目標(biāo)布置示意圖

這里主要分析邊緣點(diǎn)p1、p3和中心點(diǎn)p2的成像結(jié)果.圖4給出了未考慮調(diào)頻率方位空變的子孔徑數(shù)據(jù)成像方位脈壓剖面圖,圖5給出了考慮調(diào)頻率方位空變的方位脈壓剖面圖.對(duì)比兩者可以看出,未考慮調(diào)頻率空變時(shí),邊緣點(diǎn)目標(biāo)明顯散焦;而補(bǔ)償完調(diào)頻率隨方位位置空變后,點(diǎn)目標(biāo)聚焦效果明顯提升.圖6給出了考慮調(diào)頻率隨方位位置空變的子孔徑成像點(diǎn)目標(biāo)的二維等高線圖,呈現(xiàn)明顯的十字架型,說明了所提方法的有效性.

為了進(jìn)一步評(píng)估文中提出算法的性能,計(jì)算p1、p2、p3的分辨率、峰值旁瓣比、積分旁瓣比指標(biāo)參數(shù)如表2所示,可以看出,文中算法所得性能指標(biāo)參數(shù)與理論值基本吻合.

表2　算法性能指標(biāo)

4.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證算法的有效性,采用文中算法對(duì)機(jī)載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,雷達(dá)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像結(jié)果,地面場景聚焦效果良好,算法的正確性得到驗(yàn)證.

圖4　未考慮調(diào)頻率方位空變時(shí)的子孔徑數(shù)據(jù)成像方位脈壓剖面圖

圖5　考慮調(diào)頻率方位空變時(shí)的子孔徑數(shù)據(jù)成像方位脈壓剖面圖

圖6　文中算法成像結(jié)果的二維等高線圖

圖7　斜視角為60°時(shí)機(jī)載實(shí)測(cè)結(jié)果圖

5　結(jié)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(dòng)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(dǎo)了距離走動(dòng)校正因子和距離彎曲校正因子.針對(duì)方位向處理,為了實(shí)現(xiàn)空變補(bǔ)償與聚焦,提出一種相位擾動(dòng)的方位壓縮處理方法,通過頻域引入相位擾動(dòng)因子,來校正時(shí)域調(diào)頻率隨方位位置的空變特性.最后基于SPECAN處理實(shí)現(xiàn)方位的聚焦成像.點(diǎn)目標(biāo)仿真數(shù)據(jù)和機(jī)載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證了文中提出算法的有效性和實(shí)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(shí)間:2015-07-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61101245);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(K5051302046)

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

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