专利名称：基于频域展开的星机联合双基地合成孔径雷达成像方法
技术领域：
本发明属于雷达技术领域，它特别涉及合成孔径雷达(SAR)成像技术中星机联合双基地合成孔径雷达成像方法。
背景技术：
双基地合成孔径雷达(Bistatic SAR)是将发射机和分别接收机安装在 不同的运动平台上的一种新型合成孔径雷达系统。星机联合双基地合成孔径雷达 (Spaceborne-Airborne Bistatic SAR)作为双基地合成孔径雷达的一种特殊模式，采用卫 星发射、单(多)个飞机接收的工作模式，在继承了双基地合成孔径雷达优点的同时，还具 有以下独特优点1.成像范围广、图像信噪比高由于星机联合双基地合成孔径雷达采用独特的“远发近收”模式，既充分发挥了卫 星站得高、看得远、覆盖面广等优势，又保持了很高的图像信噪比，可以获取比机载双基地 更加清晰、完整的目标信息；2.系统机动灵活、获取信息更丰富星机联合双基地合成孔径雷达系统充分发挥机载平台机动、灵活的特点，可以针 对目标区域以多种成像模式、多角度成像，获取更丰富的目标信息。3.更有效降低系统成本由于星机联合双基地合成孔径雷达采用“远发近收”的方式，因此能够大大降低对 卫星发射功率的要求，可有效减少卫星负荷，降低系统成本。此外，星机双基地合成孔径雷 达系统更可以充分利用已有卫星资源来降低系统成本。在轨工作的导航通信卫星、广播电 视卫星以及雷达卫星都可以作为系统的发射平台，这样一来，星机双基地合成孔径雷达系 统只需负担机载接收机的成本，可大幅减少系统造价。因此星机联合双基地合成孔径雷达作为一项新概念的空间对地观测或侦察手段， 无论在民用还是军事应用领域都有着更为广泛的发展空间，已成了最近双基地合成孔径雷 达领域的研究热点。总的来说，成像方法可以分为时域成像方法和频域成像方法两大类。频域成像 方法相较时域方法运算量大大减少，成像效率高。SAR系统二维频域模型是构建频域成 像方法的前提和基础。目前二维频谱的求解以德国学者Otmar Loffeld所提出的LBF模 型为代表。LBF方法将收发平台看作两个相对独立的部分来求解双基地系统的二维频谱 近似解析表达式。该方法只适用于两平台速度差别不大、多普勒频率贡献相当的双基地 SAR系统，而且该方法的推导过程过于冗长和复杂。E-LBF方法是对LBF的改进，其采用加 权因子来衡量收发平台多普勒贡献率，但该方法未能很好反应收发平台的异构性，无法应 用于星机联合双基地合成孔径雷达。参考文献为“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. ”。刘喆提出的Air-phase方法利用星机系统两平台间运动速度、斜距存在显著差异的特点，将收发平台的斜距史看成一个整体来求解系统的二维频谱解析式。该方法相 对LBF模型及E-LBF模型而言，所求二维频域模型形式简洁，可以较为精确地反映SA-BSAR 系统的频域特征。成像处理时，下面的文献利用该方法得到系统的二维频谱，后将频谱相 位项在参考点目标的二维空间位置予以展开。但该方法推导的是收发平台沿同向平行飞 行时的情形，且在实际场景中，由于难以获得目标的位置信息，故无法补偿非参考点的距 离单元徙动，也就无法进行聚焦成像。见文献“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，，。综上所述，传统频域成像方法只针对特定飞行模式下的星机联合双基地合成孔径 雷达，无法适用于星机两平台大角度斜飞、飞机斜视模式下的双基地SAR成像，且整个频域 成像方法推导过程过于复杂，其成像结果精度不够高。因此本发明基于频域展开，提出一种 适用于星机联合双基地合成孔径雷达的成像方法。
发明内容
为了克服传统星机联合双基地合成孔径雷达成像精度不高、流程复杂、计算量大 的缺点，本发明提供了一种基于频域展开的星机联合双基地合成孔径雷达成像方法，与传 统方法相比，本发明方法具有流程简单、运算量�。夷芄辉谛腔狡教ù蠼嵌刃狈�、飞机 斜视模式下模式下，得到目标良好的聚焦效果等优点，该发明适用于大场景的星机联合双 基地合成孔径雷达的成像。为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义定义1、星机联合双基地合成孔径雷达(Spaceborne-Airborne Bistatic SAR)双基地合成孔径雷达是指雷达发射系统和接收系统分别安装在不同运动平台上 的合成孔径雷达，其中，安装发射系统的平台称作发射平台，安装接收系统的平台称作接收
平台 ο星机联合双基地合成孔径雷达是指雷达的发射平台和接收平台分别置于卫星和飞机上的双基地合成孔径雷达的特殊模式。定义2、移变模式双基地合成孔径雷达广义上讲，移变模式双基地合成孔径雷达是指安装发射系统和接收系统的平台在 数据采集过程中相对位置发生变化的合成孔径雷达系统。但实际情况下，发射平台和接收平台的运动轨迹总保持勻速直线运动。因此，本发 明中定义“移变模式双基地合成孔径雷达”是指发射系统平台和接收系统平台的运动轨迹， 在数据采集过程中，总保持勻速直线运动的广义移变模式双基地合成孔径雷达。定义3、慢时间合成孔径雷达系统的慢时间是指收发平台飞过一个合成孔径所需要的时间，由于雷达以一定的重复周期 ；发射接收脉冲，慢时间可以表示为一个离散化的时间变量t = nTr, η = IL N，η为自然数，N为一个合成孔径内慢时间的离散个数，Tr为重复周期。定义4、傅里叶变换与逆傅里叶变换FFT称为快速傅里叶变换，是离散傅里叶变换快速方法的统称，而IFFT则称为逆 傅里叶变换。详见文献“祝向英，浅议傅立叶变换及其应用，福建电脑，2008，7，1673-2782”。定义5、合成孔径雷达成像空间合成孔径雷达成像空间是指合成孔径雷达成像方法将场景空间中的散射点投影 到的二维平面空间，该空间由合成孔径雷达成像空间中的两个相互正交的坐标基确定，目 前典型合成孔径雷达的成像空间包括距离向-方位向投影空间。本发明中用以下数学关系 表示成像空间M :
M = {P., IPi8 =Xo-qx+yo-qy,Xo,yo^ j }(1)其中、和^表示构成成像空间M的相互正交的坐标基，分别表示距离向和方位向。 Psj为成像空间中的待观测点向量，X0, Y0分别表示该点的距离和方位坐标，表示实数。定义6、合成孔径雷达成像场景参考点 合成孔径雷达成像场景参考点是指合成孔径雷达成像空间中的某个散射点，作为 分析和处理场景中其他散射点的参照。定义7、合成孔径雷达场景空间合成孔径雷达场景空间是指现实空间中所有待观测的场景目标点的集合。在不同 空间坐标系下有不同的表示，但一旦坐标系确立以后其表示是唯一的。一般情况下为了方 便成像取地面坐标系，即距离向_方位向_高度向坐标系。定义8、驻定相位原理驻定相位原理是对具有大时宽带宽积信号的频谱分析方法。具体参见文献“皮亦 鸣，杨建宇，合成孔径雷达成像原理，电子科技大学出版社，2007年3月，p22-p24.，，定义9、合成孔径雷达标准距离压缩方法合成孔径雷达标准距离压缩方法是指利用合成孔径雷达发射参数，主要包括采 用以下公式生成参考信号，并采用匹配滤波技术对合成孔径雷达的距离向信号进行滤波的 过程。
BrF rF/(r) = expO·^·· —-r2)rer_^L ^Ln(2)
1P2 ‘ 2其中，f( τ )为参考函数，B为雷达发射基带信号的信号带宽，Tp为雷达发射信号 脉冲宽度，τ为快(斜距)时间，取值范围从到|。(详见文献“雷达成像技术”，保铮等 编著，电子工业出版社出版)。定义10、星机联合双基地合成孔径雷达系统相关参数描述待观测点目标坐标P (x0,y0,0)；
PRF表示脉冲重复频率； 卫星初始位置为(Xl，y1; H)，飞机初始位置为(0，0，11)，两平台分别以速度^1)运 动，θ是两平台飞行方向的夹角，识为飞机斜视角，即飞机天线波束指向与平台飞行航线夹角的余角；星机联合双基地合成孔径雷达系统斜距史用R(t)来表示，则
权利要求
1. 一种基于频域展开的星机联合双基地合成孔径雷达成像方法，它包括以下步骤 步骤1、合成孔径雷达成像空间及成像系统参数的初始化；合成孔径雷达成像空间由合成孔径雷达成像空间中的两个相互正交的坐标基确定，定 义与卫星发射平台速度方向平行并在地平面内的单位向量作为合成孔径雷达成像空间的第一个坐标基，即、.定义在地平面内，并与合成孔径雷达成像空间的第一个坐标基q垂直的单位向量作为合成孔径雷达成像空间的第二个坐标基，记做^ ；初始化成像系统参数包括发射平台速度，即卫星相对地面速度，记做Vs，接收平台速 度，即飞机速度记做Vp，发射平台初始位置记做(Xl，Yl, H)，接收平台初始位置记做(0，0， h)，两平台飞行方向的夹角记为e，飞机斜视角为飞机天线波束指向与平台飞行航线夹角 的余角，记作0，雷达发射电磁波的波数记做&，雷达发射基带信号的信号带宽，记做B，雷达 发射信号脉冲宽度，记做TP，雷达接收波门持续宽度，记做T。，雷达接收系统的采样频率，记 做fs，雷达系统的脉冲重复频率，记做PRF ；待观测点目标坐标P (x0, y0,0)；利用星机联合双基地合成孔径雷达系统所提供的参数，可以得到点目标的斜距史 R(t) :R(t) = ^RsO2 + Vs2(t-TsO)2 + ^RP02 +VP2(t-TP0)2 其中:
全文摘要
本发明公开了一种基于频域展开的星机联合双基地合成孔径雷达成像方法，首先建立任意模式下星机联合双基地合成孔径雷达斜距史模型；接着推导得到二维频域模型；然后将该频谱的相位项在快时间频率、慢时间频率进行泰勒展开，经补偿相位项后，得到良好的聚焦效果；最后通过畸变校正得到目标的正确位置。本发明方法具有流程简单、运算量小，且能够在星机两平台大角度斜飞、飞机斜视模式下模式下，得到目标良好的聚焦效果等优点，本发明可用于大场景的星机联合双基地合成孔径雷达的成像，适用于合成孔径雷达成像，地球遥感等领域。
文档编号G01S13/90GK102004250SQ20101052269
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者吴浩然, 张晓玲 申请人:电子科技大学
专业数控铣床产品供应商
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