基于全解析距离模型的一站固定式双站SAR成像方法   0    0

本发明公开了一种基于全解析距离模型的一站固定式双站SAR成像方法。本发明步骤如下：1、准确的构建一站固定式双站SAR系统几何模型，并得到回波信号；2、在距离频域对信号进行距离向的预处理；3、根据距离向处理的结果，构建出新的全解析距离模型，能够准确地描述处在相同距离单元上，沿方位向分布的点目标与接收机的中心距离之间的方位空变特性；4、根据新的全解析距离模型，对复杂的多普勒相位的方位空变特性进行更精确的建模，再利用ENLCS算法实现方位均衡，最后设计滤波器进行方位压缩，获得最终的聚焦图像。本发明在处理大斜视一站固定式双站SAR的高分辨率回波数据具有更好的聚焦效果。

1.基于全解析距离模型的一站固定式双站SAR成像方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、构建一站固定式双站SAR系统的几何模型，得到回波信号，并对其进行距离向的傅里叶变换；
步骤2、在距离频域和方位时域对信号进行LRWC处理，在距离频域和方位频域进行SRC和bulk RCMC处理；
步骤3、根据距离向处理的结果，构建新的全解析距离模型，描述SAR信号的方位空变特性，即描述点目标到接收雷达平台的距离之间的方位空变特性；
步骤4、根据新的全解析距离模型，对多普勒相位的方位空变特性进行建模，利用ENLCS算法实现方位均衡，最后设计滤波器进行方位压缩，获得最终的聚焦图像；
步骤1具体实现如下：
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1.构建一站固定式双站SAR系统的几何模型，以接收机初始时刻位置点在地面的投影为原点构建空间坐标系，点P0(x0,y0，0)位于场景中心，P(x,y,0)为成像区域内的任意一点；固定发射机的位置为(xT,yT,hT)，接收机以固定速度vR沿着y轴正上方飞行，当其中心波束穿越点目标P时，位置为(xR,yR,hR)；
点目标P(x,y,0)到发射机和接收机的距离历程分别为：
其中，ta为方位慢时刻，rRc和θR分别为点目标P(x,y,0)在波束中心时间ta＝tc时刻到接收机的斜距和斜视角，rTc是点目标与固定发射机之间的波束中心距离，vR是接收机的飞行速度；
双站瞬时斜距为RR(ta；rRc,tc)和RT的和，将其在ta＝tc处进行泰勒级数展开至四次项：
其中，rBc＝rRc+rTc为ta＝tc时的收发中心距离和，且
假设发射信号为线性调频信号，那么解调至基带的回波信号为：
其中，τ是距离快时间，wr(·)和wa(·)分别是距离和方位包络；Ta是合成孔径时间，c是光速，fc是载波频率，Kr是距离调频率；
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2.根据驻定相位原理对公式(4)进行距离向傅里叶变换，忽略公式(4)中信号的幅度，可得信号在距离频域-方位时域的表达式：
其中，fr是距离频率；
步骤2具体实现如下：
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1.首先在距离频域方位时域进行距离去走动处理，去除线性RCM和主要的距离方位耦合，构建如下滤波器，
将公式(6)与公式(5)相乘，即可完成LRWC，得到
从公式(6)和(7)能够看出，对于任意点目标而言，由信号相位中的方位时间的一次项所表示的线性距离徙动已被完全去除，而遗留的只有少量的高次距离弯曲，所以距离-方位之间的绝大部分耦合也已明显被去除；除此之外，LRWC还去除了方位信号中的多普勒中心频率，有利于在方位向处理中对点目标进行准确地聚焦和定位；
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2.利用MSR将信号转换到二维频域，得到：
其中：
其中，χ0是方位调制项信号，χ1表示点目标的距离变化，主要是剩余距离的高次RCM，χ2是二次距离压缩项，χ3和χ4是距离-方位的高次耦合项；
对于剩余的RCM和距离-方位耦合项，进行一致RCMC和SRC处理；
在场景中心点构建距离压缩函数如下：
其中：
其中：
其中，rRcref是场景中心点到接收机单程的中心距离；将公式(10)、公式(11)与公式(8)相乘，即可完成bulk RCMC和SRC，忽略其误差得到：
观察公式(14)，经过距离徙动校正之后，点目标的初始双站斜距之和都发生了方位空变的距离偏移，即rLRWC＝rBc–k1tc，因此，上述距离处理使得处在同一距离单元上的点目标具有不同的初始收发距离之和；
步骤3具体实现如下：
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1.对公式(14)进行距离向逆傅里叶变换后，信号变为：
由于，发射机的位置是固定不变的，所以经过上述距离向的处理之后，在同一个收发距离之和的距离单元上的点目标到接收机的中心距离是方位空变的；结合(3)，可以联想到(15)表示的多普勒相位也是方位空变的；因此，在进行方位聚焦之前，必须对方位空变的多普勒相位进行均衡；
接下来进行方位向处理，首先，为了简化后续的推导工程，多普勒相位可被表示为：
其中：
其中，Ka是回波信号的多普勒调频率；需要注意的是，点目标与接收机和发射机的中心距离之和发生了如下的偏移过程，
rBc→rBC-k1tc         (18)
正如前文分析所述，假定A点为参考目标点，B点是场景中的任意一点，则经过距离徙动校正之后,A与B的双站瞬时距离和相同，即rBC-k1tc；但是，由于A、B两点具有不同的接收斜距，故由接收斜距决定的多普勒相位是方位空变的，因此，对多普勒相位的方位空变特性进行均衡的关键是找到rRcB与rRcA之间关于tc的解析表达式，rRcB和rRcA分别是B点和A点的接收斜距；
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2.构建全新的全解析距离模型：
由于多普勒相位的方位空变特性归根结底是来自接收机与点目标之间的中心距离的方位空变关系，所以在进行方位相位均衡之前，必须要对方位空变的距离模型进行推导与分析；
根据(18)所示的收发距离之和的变化关系，本文对在同一距离单元上的沿方位向分布的所有点目标的进行分析，从而推导出更加准确的方位空变的距离模型；
发射机位置固定不变，接收机沿指定方向匀速飞行，A点是在方位零时刻，接收机波束中心照射在成像区域上的任意点目标，而B点和C点分别是两侧具有特定位置的方位边缘点，下面以B点为例，说明其与A点之间的关系；根据上一节的内容可知，经过距离向的处理之后，B点的收发距离之和产生如(18)所示的变化，假设B'点表示了变化之后新的距离之和对应的点目标的位置，即
BT+BR＝B'T+B'R-k1tc       (19)
由于方位向上的点目标具有方位空变特性，为了能够准确地对其进行解析建模，使B'点与A点具有相同的收发距离之和，从而间接得到A点与B点的之间的收发距离之和的空变关系，即
rTcB+rRcB＝rTcA+rRcA-k1tc      (20)
由于OS-SAR特殊的系统构型，从(3)中表示信号特性的系数可以看出，方位调频率的方位空变特性是由点目标接收距离之间的空变关系决定的，所以，本发明将推导出新的描述接收距离方位空变特性的全解析距离模型；
假设以O点为原点构建二维坐标系，其中A点和B点的定位分别具有唯一的坐标表示，即(xA,yA)和(xB,yB)，而发射机的位置T、tc时刻接收机的位置R都可以结合该成像系统的其他参数去确定；根据(20)的表达，利用各点的坐标和位置关系进行解析推导，得到其中，L是在方位零时刻，发射机与接收机之间的距离；
运用数学知识的解析方法，对(21)进行计算，并求解出xA与xB之间的全解析关系，从而得到描述点目标中心距离之间方位空变特性的模型，即
其中，
通过解析法获得的解析解(22)是闭合解，不是近似解，因此该模型的精确度更高，适用于高分辨率成像处理；基于式(22)与(16)，可以获得点目标B的多普勒调频率，在tc处进行二次傅里叶级数展开，
其中，KaA是点目标A的多普勒调频率：
类似的，利用式(22)对(16)中的φ3建模
φ3＝φ3,A+φ3,stc       (26)
其中φ3,A是常数项，φ3,s是线性展开系数
步骤4具体实现如下：
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1.ENLCS系数的推导；忽略式(18)的常数项，将信号重写为
在推导之前，进行一个四阶预滤波处理，滤波器因子为
将(29)与(28)相乘，将结果变换到方位时域，
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2.在预滤波之后，引入一个四阶方位NLCS因子，消除方位调频率和三次相位项的方位空变性，该因子如下，
将式(31)与(30)相乘，将结果变换到距离频域：
S8(fa；tc)＝exp{jΩ(fa；tc)}     (32)
其中相位项可以表示为fa和tc的泰勒级数：
为了均衡方位空变的方位调频率和三次相位项，令线性系数B为-2π/ε，其他高次项系数为零，则
于是，：
结合公式(35)和公式(34)，得到回波信号：
观察公式(36)，显然多普勒相位的方位空变特性基本已被消除；
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3.构建方位压缩滤波器：
将公式(37)和公式(36)相乘即可完成最终的点目标聚焦过程，得到结果为