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旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)頻域成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)頻域成像方法，本發(fā)明提出了ROSAR頻域成像方法。該方法利用駐相點(diǎn)原理直接將ROSAR回波信號(hào)變換到二維頻域，因此可以很好地保留回波特征，通過構(gòu)造相應(yīng)的頻域去耦函數(shù)和頻域匹配函數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)距離彎曲校正和目標(biāo)場(chǎng)景重構(gòu)。仿真結(jié)果表明，該方法能夠快速校正距離彎曲，并且能夠有效克服方位向失配問題。
【專利說明】旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)頻域成像方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)頻域成像方法，屬于合成孔徑雷達(dá)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]合成孔徑雷達(dá)(SAR)具有全天候、全天時(shí)、遠(yuǎn)距離的工作能力，廣泛運(yùn)用于地貌成像、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、熱點(diǎn)區(qū)域監(jiān)視等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的SAR成像模式中，主要包括條帶式成像、聚束式成像、掃描式成像以及圓周式成像。旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)(ROSAR)作為一種新的成像模式，是星載SAR和機(jī)載SAR的重要補(bǔ)充部分，在最近十幾年逐漸成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。該模式具有成像范圍廣、重訪周期短、適用于短距離成像等優(yōu)點(diǎn)，既可以應(yīng)用于無人機(jī)、直升機(jī)等低空平臺(tái)，也可以應(yīng)用于貨車、圓形軌道等地面平臺(tái)。ROSAR也被稱為圓軌跡SAR、圓弧SAR、全向SAR和圓周SAR。
[0003]現(xiàn)有的ROSAR成像方法主要基于斜距泰勒級(jí)數(shù)展開，忽略四次及高次項(xiàng)，然后結(jié)合RD、ECS、SPECAN等方法對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行成像。通過泰勒級(jí)數(shù)展開所得到的斜距近似為拋物線，相應(yīng)的多普勒值是慢時(shí)間的一次函數(shù)，多普勒調(diào)頻率是常數(shù)值。而實(shí)際ROSAR的回波多普勒呈非線性變化，多普勒調(diào)頻率不是常數(shù)值，因此利用泰勒級(jí)數(shù)近似所得到的調(diào)頻率進(jìn)行脈壓，將會(huì)導(dǎo)致方位向失配?，F(xiàn)有的時(shí)域卷積成像方法不做泰勒級(jí)數(shù)展開，直接進(jìn)行時(shí)域匹配成像，能夠較好地完成方位向匹配。但是在距離向高分辨的情況下，距離彎曲不能忽略，相應(yīng)的時(shí)域彎曲校正方法將會(huì)極大增加計(jì)算量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問題，本發(fā)明利用駐相點(diǎn)原理對(duì)回波信號(hào)直接進(jìn)行頻域變換，獲得兩維頻域表達(dá)式，進(jìn)而構(gòu)造頻域去耦函數(shù)、距離向匹配函數(shù)和方位向匹配函數(shù)，然后在頻域上實(shí)現(xiàn)距離彎曲校正和目標(biāo)場(chǎng)景重構(gòu)。在進(jìn)行距離彎曲校正的時(shí)候，本發(fā)明還分析了 ROSAR的距離徙動(dòng)影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]通過參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的以上和其它方面及優(yōu)點(diǎn)將變得更加易于清楚，在附圖中:
[0006]圖1為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)頻域成像方法的ROSAR幾何模型示意圖；
[0007]圖2(a)為tr_ta域回波數(shù)據(jù)示意圖；圖2(b)為tr_fa域回波數(shù)據(jù)示意圖；
[0008]圖3為ROSAR俯視圖；
[0009]圖4為AR(famax；Rg)的變化曲線圖；
[0010]圖5為ROSAR成像流程圖；
[0011]圖6 (a)為距離彎曲校正前示意圖；圖6(13)為距離彎曲校正后示意圖；
[0012]圖7(a)為傳統(tǒng)的脈壓結(jié)果示意圖；圖7(b)為本發(fā)明的脈壓結(jié)果示意圖；
[0013]圖8為方位向剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]在下文中，現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了各種實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)施，且不應(yīng)該解釋為局限于在此闡述的實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0015]在下文中，將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
[0016]圖1為ROSAR的幾何模型，雷達(dá)天線固定在直升機(jī)機(jī)翼上，或安裝在無人機(jī)上或者貨車的剛性支架上。本發(fā)明以ROSAR典型平臺(tái)直升機(jī)為例，假設(shè)載機(jī)平臺(tái)的高度為H，天線以角速度ω隨著機(jī)翼一起作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)周期性地發(fā)射信號(hào)，后向散射回波經(jīng)過一定時(shí)延返回到天線，然后對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。天線在地面形成一個(gè)圓環(huán)形照射場(chǎng)景，場(chǎng)景內(nèi)的點(diǎn)目標(biāo)Pn到旋轉(zhuǎn)中心軸的地面距離(簡(jiǎn)稱地距)為Re，旋翼長(zhǎng)度為L(zhǎng)，方位向波束寬度為Y，俯仰角為β，俯仰向波束寬度為ε。X軸方向定義為平行于地面向外，ζ軸方向定義為垂直地面向上，y軸垂直于x-z平面。由于天線作圓周運(yùn)動(dòng)，因此本發(fā)明采用圓柱坐標(biāo)系ij，Q’z)。不失一股性，當(dāng)天線相位中心旋轉(zhuǎn)至A點(diǎn)時(shí)，機(jī)翼與X軸平行，令此時(shí)的旋轉(zhuǎn)角大小為O度，當(dāng)天線旋轉(zhuǎn)至其它任意點(diǎn)B時(shí)，旋轉(zhuǎn)角大小為cota。由圖可知,B點(diǎn)的位置是(L，《ta，H)，假設(shè)點(diǎn)目標(biāo)位置為(Re，ω tn，O)，則天線至點(diǎn)目標(biāo)的距離表達(dá)式為
[0017]

【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)頻域成像方法，其特征在于: 該方法利用駐相點(diǎn)原理直接將ROSAR回波信號(hào)變換到二維頻域，根據(jù)所得到的二維頻域表達(dá)式，構(gòu)造頻域去耦函數(shù)、距離向匹配函數(shù)和方位向匹配函數(shù)，再進(jìn)行距離彎曲校正和目標(biāo)場(chǎng)景重構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)頻域成像方法，其特征在于: 所述方法的具體步驟為: A)接收ROSAR原始數(shù)據(jù)； B)進(jìn)行方位FFT變換； C)進(jìn)行距離FFT變換； D)進(jìn)行Hl距離彎曲校正和H2距離匹配； E)將步驟C和步驟D的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行距離IFFT變換； F)進(jìn)行H3方位匹配； G)將步驟E和F的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行方位IFFT變換； H)最終得到ROSAR圖像。
3.如權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)頻域成像方法，其特征在于: 所述步驟A具體為:首先將雷達(dá)天線固定在直升機(jī)機(jī)翼上，或安裝在無人機(jī)上或者貨車的剛性支架，假設(shè)載機(jī)平臺(tái)的高度為H，天線以角速度ω隨著機(jī)翼一起作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)周期性地發(fā)射信號(hào)，后向散射回波經(jīng)過一定時(shí)延返回到天線，然后對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，天線在地面形成一個(gè)圓環(huán)形照射場(chǎng)景，場(chǎng)景內(nèi)的點(diǎn)目標(biāo)Pn到旋轉(zhuǎn)中心軸的地面距離為Re，旋翼長(zhǎng)度為L(zhǎng)，方位向波束寬度為Y,俯仰角為β，俯仰向波束寬度為ε，χ軸方向定義為平行于地面向外，ζ軸方向定義為垂直地面向上，y軸垂直于χ-ζ平面，采用圓柱坐標(biāo)系Cr, ?, ζ),當(dāng)天線相位中心旋轉(zhuǎn)至A點(diǎn)時(shí),機(jī)翼與X軸平行，令此時(shí)的旋轉(zhuǎn)角大小為O度，當(dāng)天線旋轉(zhuǎn)至其它任意點(diǎn)B時(shí)，旋轉(zhuǎn)角大小為《ta，B點(diǎn)的位置是(L，《ta，H)，假設(shè)點(diǎn)目標(biāo)Pn的位置為(Re，ω tn，O)，則天線至點(diǎn)目標(biāo)的距離表達(dá)式為
雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，則后向散射回波信號(hào)經(jīng)過基頻變換，在距離快時(shí)間-方位慢時(shí)間域(t「ta域)可表示為
其中，\(口)表示距離向窗函數(shù)，aa(D)表示方位向窗函數(shù)，Kr為信號(hào)調(diào)頻率，λ為發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)，c表示光速。
4.如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)頻域成像方法，其特征在于: 所述方法的步驟B到H具體為: 對(duì)Sn(tr，ta ；Rg)進(jìn)行方位向頻域(fa域)變換，可得.V,, (tr,; O J:'丨 ' Sn U,.Ju:R(:)
其中，tn是點(diǎn)目#Pn在方位向上的位置時(shí)間點(diǎn)，as是方位向合成孔徑S所對(duì)應(yīng)的合成孔徑角度，a s的表達(dá)式為
式(3)中的幅度是緩變的，相位如下表示
將式(5)對(duì)慢時(shí)間ta求導(dǎo)，并令求導(dǎo)后函數(shù)為O，可以求得
其中，即為駐相點(diǎn)，當(dāng)ω (ta-tn) = 31 /2時(shí)，斜距
,并令
則可對(duì)(6)進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)而得到
根據(jù)駐相點(diǎn)原理，將式(7)代入式(3)，可得
其中，R(fa;Re)是斜距R在4域上的表達(dá)式，當(dāng)ta域變換到4域時(shí)，發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻率Kr也會(huì)發(fā)生變化，令Kr在fa域上表示為Ke(fa ；Rg)，以下分別給出R(fa ；Rg)和Ke (fa ；Rg)的具體表達(dá)式， 將式(7)代入式(1)，求得R(fa;Rc)的表達(dá)式為
當(dāng)fa = O時(shí)，可以得到R(fa ；Rg)的常數(shù)項(xiàng)為
，該常數(shù)項(xiàng)既是點(diǎn)目SPn在斜距面內(nèi)的最短距離，因此可以將式(9)改寫為 R(fa;RG) =Rc+AR(fa；RG) (10) 其中，AR(fa ；Rg)是R(fa;RG)的一次及高次項(xiàng)， 通過以下分析可以得到Ke(fa ;Re)，在t,_ta域中單個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)沿快時(shí)間t,垂直分布在某一列存儲(chǔ)位置上，當(dāng)&域變換到fa域時(shí)，回波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置變成斜直線，對(duì)于發(fā)射頻率為f。的信號(hào)，天線旋轉(zhuǎn)至某一角度9t= Ota，此時(shí)的多普勒值為
其中，R(0t)即為式(I)中的R(ta;Re)，由于發(fā)射信號(hào)是線性調(diào)頻信號(hào)，當(dāng)發(fā)射頻率變?yōu)閒 = f。+ Λ f ( Λ f = Kr Λ仁)，旋轉(zhuǎn)角度Θ t所對(duì)應(yīng)的多普勒值為
此時(shí)，由于發(fā)射頻率的變化，存儲(chǔ)位置由點(diǎn)I轉(zhuǎn)移到點(diǎn)2，即對(duì)于單個(gè)點(diǎn)目標(biāo)來說，回波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置在t「fa域中是斜直線； 對(duì)于發(fā)射頻率為?；+Λ?.信號(hào)，多普勒值^所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是另一次回波所接收到的數(shù)據(jù)，天線位置B'所接收到的回波數(shù)據(jù)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)角為0t-A et，相應(yīng)的多普勒值表達(dá)式為
根據(jù)以上分析可知，由于ta域變換到fa域，相同頻率差值△ f所需要的轉(zhuǎn)變時(shí)間將有所不同，在同一慢時(shí)間點(diǎn)上，發(fā)射頻率由f。變換到f。+Af所需時(shí)間為Atr (Atr= Δ f/Kr),然而對(duì)于同一多普勒值？3，發(fā)射頻率由f。變換到f；+Af所需時(shí)間At' ,(Ati r = Af/Ke(fa；RG))為
其中，AR(et) = R(0t) -R(0t-A 0t)。為了消除中間變量Af，需要將AR(0t)表示為Af的表達(dá)式，根據(jù)式(I)可得
又根據(jù)式(11)和式(13)可得
將式(16)代入式(15)，獲得AR(0t)關(guān)于Af的表達(dá)式為
式(17)中的變量是0t(0t= ona)，因此要利用式(J)中&與4的關(guān)系，將式(17)變換到4域，相應(yīng)的9t變換成0f。最后利用式(14)和式(17)，消除中間變量Af后可得 由于 Atr=A f/Kr, At' r = Δ f/Ke(fa ；Rg)，根據(jù)式(16)和式(17)可得
這樣，就獲得了斜距和調(diào)頻率在fa域上的表達(dá)式，將式(10)的R(fa;Re)和式(18)的Ke(fa ；Rg)代入式(8)，即可得到回波信號(hào)在tr-fa域上的表達(dá)式sn(tr, fa ；Rg)； 經(jīng)過方位向頻域變換以后，再利用駐相點(diǎn)原理，對(duì)sn(t?fa ；Rg)進(jìn)行距離向頻域(f；域)變換，可以求得
上式即為ROSAR回波信號(hào)的二維頻域表達(dá)式； 式(19)中的第二個(gè)指數(shù)項(xiàng)為距離彎曲所引起的方位距離耦合項(xiàng)，因此校正距離彎曲的去稱函數(shù)為
其中，AR(fa ；Rg)的彎曲程度隨Rci的變化而變化，即斜距1?在匕域內(nèi)存在空變性； 根據(jù)式(4)所提供的合成孔徑角度，可以求得某一地距Rci所對(duì)應(yīng)的最大多普勒值為
根據(jù)式(10)和式(21)可以求得斜距1?在4域內(nèi)最大彎曲值的極限值
選取場(chǎng)景中心的地距為參考距離，然后對(duì)場(chǎng)景內(nèi)所有距離彎曲進(jìn)行統(tǒng)一校正； 經(jīng)過距離彎曲校正后，為了進(jìn)行距離向脈壓，需構(gòu)造距離匹配函數(shù)如下
對(duì)原始基頻回波數(shù)據(jù)進(jìn)行兩維頻域變換，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到4-4域，然后利用式(20)和式(23)實(shí)現(xiàn)距離彎曲校正和距離向脈壓，為了完成方位向脈壓，構(gòu)造方位向匹配函數(shù)如下
對(duì)距離向脈壓后的數(shù)據(jù)沿距離向進(jìn)行逆傅里葉變換，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到Vfa域，然后結(jié)合式(24)進(jìn)行方位向脈壓，最后進(jìn)行方位向逆傅里葉變換，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到&-1域，最終實(shí)現(xiàn)ROSAR數(shù)據(jù)的匹配成像。
【文檔編號(hào)】G01S13/90GK104199030SQ201410350819
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】文珺, 楊科, 廖斌 申請(qǐng)人:廣西大學(xué)