一種基于高階斜距模型的geo sar高分辨成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于高階斜距模型的GEO SAR高分辨成像方法，該方法包括有回波信號(hào)的二維傅里葉變換處理步驟；結(jié)合高階斜距模型得到距離補(bǔ)償函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)二維頻域信號(hào)的距離向處理步驟；距離向的傅里葉逆變換步驟；結(jié)合高階斜距模型得到方位補(bǔ)償函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)距離多譜勒信號(hào)的方位向處理步驟；方位向傅里葉逆變換步驟。該方法通過對(duì)斜距的高階參數(shù)的估計(jì)，得到了回波信號(hào)的距離向補(bǔ)償函數(shù)和方位向補(bǔ)償函數(shù)，利用傅里葉變換和傅里葉逆變換，在頻域完成信號(hào)的相位補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)的成像處理，得到了高精度的成像質(zhì)量。
【專利說明】-種基于高階斜距模型的GEO SAR高分辨成像方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及星載雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，是一種采用高階模型對(duì)斜距進(jìn)行逼近，從而實(shí)現(xiàn) 地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)成像的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar, SAR)系統(tǒng)是一種有源的遙感設(shè)備，它 主動(dòng)向目標(biāo)發(fā)射電磁波，利用目標(biāo)散射特性作用下接收到回波信號(hào)進(jìn)行成像。
[0003] 1999年10月哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社出版、劉永坦編著的《雷達(dá)成像技術(shù)》指出，合 成孔徑雷達(dá)（SAR, Synthetic Aperture Radar)安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，按照一定的重復(fù)頻率發(fā) 射、接收脈沖，形成回波信號(hào)。SAR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，SAR系統(tǒng)包括有星上雷達(dá)系 統(tǒng)、衛(wèi)星平臺(tái)及數(shù)據(jù)下傳系統(tǒng)和地面系統(tǒng)三部分，對(duì)合成孔徑雷達(dá)成像處理是在地面系統(tǒng) 中完成的。地面系統(tǒng)通過地面接收站接收衛(wèi)星平臺(tái)及數(shù)據(jù)下傳系統(tǒng)下發(fā)的回波信號(hào)，該回 波信號(hào)經(jīng)SAR信號(hào)處理器進(jìn)行成像處理，獲得SAR圖像；所述SAR圖像存儲(chǔ)于備檔操作系統(tǒng) 中。
[0004] 地球同步軌道的合成孔徑雷達(dá)（GEO SAR)軌道高度為35768km，由于軌道高度很 高，因此觀測(cè)帶很大，可以完成對(duì)大場(chǎng)景的觀測(cè)。同時(shí)，GEO SAR具有很長(zhǎng)的合成孔徑時(shí)間， 因此可以完成對(duì)固定目標(biāo)的超時(shí)間觀測(cè)以及高分辨成像。另外，GEO SAR的重訪周期很短， 可以在一天之內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)。這些優(yōu)點(diǎn)使得研究GEO SAR成像有著重要的意義。
[0005] 目前，GEO SAR的成像技術(shù)分為兩類：
[0006] 第一類是時(shí)域成像方法。如李洲等人在2008IGASS會(huì)議集上發(fā)表的論文《BACK PROJECTION ALGORITHM FOR HIGH RESOLUTION GEO-SAR IMAGE FORMATION》中提出 了一種 后項(xiàng)投影BP算法，該算法通過對(duì)星地幾何模型的研究，得到了基于星地幾何模型的BP成像 算法，取得了很好的成像結(jié)果，且分辨率可以到達(dá)2m。雖然該算法能取得很好的分辨率，但 處理時(shí)間很長(zhǎng)，在500kmX 500km場(chǎng)景，分辨率為3m的要求下，完成一次成像處理需要1個(gè) 小時(shí)。
[0007] 第二類是頻域成像方法。如胡程等人2010在《工兵學(xué)報(bào)》第31卷中發(fā)表的論文 《一種精確的地球同步軌道SAR成像聚焦方法》，通過對(duì)二次距離壓縮進(jìn)行補(bǔ)償修正，得到了 適合GEO SAR的RD算法，并得到了良好的仿真結(jié)果。但該算法的分辨率精度偏低（分辨率 為 10m)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于解決GEO SAR運(yùn)動(dòng)特性帶來的高分辨成像難題。首先，根據(jù) GEO SAR的運(yùn)動(dòng)特性，采用高階模型逼近的方法建立適合GEOSAR的運(yùn)動(dòng)軌跡模型；然后，利 用級(jí)數(shù)反演方法得到GEO SAR回波信號(hào)的二維頻域信號(hào)；最后，獲得基于高階斜距模型的 GEO SAR頻域成像處理方法。
[0009] 本發(fā)明提出的基于高階斜距模型的GEO SAR高分辨成像方法，其包括有下列成像 處理步驟：
[0010] 第一步：構(gòu)建GEO SAR的高階斜距模型；
[0011] 第二步：先進(jìn)行距離向傅里葉變換，再進(jìn)行方位向傅里葉變換；
[0012] 第三步：依據(jù)GEO SAR高階斜距模型R⑴并結(jié)合Hsw補(bǔ)償（f；，fa)對(duì)Ea進(jìn)行距離向 處理，距離向補(bǔ)償矩陣Ee;
[0013] 第四步：對(duì)距離向補(bǔ)償結(jié)果矩陣Ee進(jìn)行距離向傅里葉逆變換處理，得到距離多譜 勒信號(hào)E f ;
[0014] 第五步：依據(jù)方位向補(bǔ)償函數(shù)Hmiws ( τ，fa)對(duì)Ef進(jìn)行方位向補(bǔ)償處理，得到方 位向補(bǔ)償結(jié)果矩陣Ee;
[0015] 第六步：對(duì)Ee進(jìn)行方位向傅里葉逆變換處理，得到成像結(jié)果信號(hào)Eh。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] a)本發(fā)明中的斜距模型參數(shù)是基于GEO SAR的運(yùn)動(dòng)特性估計(jì)出的，具有很高的精 確度，從而減小了斜距誤差引入相位誤差，有利于提高成像質(zhì)量。
[0018] b)本發(fā)明中的二維頻譜是基于高階模型進(jìn)行推導(dǎo)的，頻譜在方位向上展開到了 8 階，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有很高的精確度，有利于精確成像處理。
[0019] c)本發(fā)明的成像方法是一種頻域成像方法，具有很高的運(yùn)算處理效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是SAR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明基于高階斜距模型的GEO SAR高分辨成像方法的流程圖。
[0022] 圖3A是本發(fā)明的高階斜距模型在6，7不同階數(shù)下的斜距誤差引入的相位誤差圖。
[0023] 圖3B是本發(fā)明的高階斜距模型在8階數(shù)下的斜距誤差引入的相位誤差圖。
[0024] 圖4是常規(guī)RD成像處理結(jié)果圖。
[0025] 圖5是采用本發(fā)明的成像處理結(jié)果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 由于地球同步軌道的合成孔徑雷達(dá)（GEO SAR)軌道高度為35768km，由于軌道高 度很高，因此觀測(cè)帶很大，可以完成對(duì)大場(chǎng)景的觀測(cè)。但是運(yùn)動(dòng)軌跡不在是直線，造成傳統(tǒng) 的成像方法不在適合于GEO SAR系統(tǒng)，因此本發(fā)明根據(jù)GEO SAR系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性來研究成 像方法，并使得該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的成像處理。
[0027] 參見圖2所示，本發(fā)明提出的一種基于高階斜距模型的GEO SAR高分辨成像方法， 包括有下列成像處理步驟：
[0028] 第一步：構(gòu)建GEO SAR的高階斜距模型；
[0029] 在本發(fā)明中，GEO SAR高階斜距模型R (t)表達(dá)式為：
[0030] R(t) = aoto+aj1+…+aj1+…+a8t8,且 a〇 = I I R01 I ;
[0031] t為方位向時(shí)間，為第i階時(shí)的方位向時(shí)間；
[0032] i為方位向時(shí)間t的階數(shù)，i的取值為0-8 ;
[0033] Btl為初始相位項(xiàng)系數(shù)，Rtl為中心時(shí)刻目標(biāo)與天線的相對(duì)位置；
[0034] B1為第一階相位項(xiàng)系數(shù),a8為第八階相位項(xiàng)系數(shù),Bi為第i階相位項(xiàng)系數(shù),為了方 便說明，A稱為任意一階相位項(xiàng)系數(shù)。
[0035] 在本發(fā)明中，相位項(xiàng)系數(shù)是與中心時(shí)刻目標(biāo)位置

【權(quán)利要求】
1. 一種基于高階斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法，其特征在于包括有成像處理步 驟： 第一步：構(gòu)建GEOSAR的高階斜距模型； 第二步：先進(jìn)行距離向傅里葉變換，再進(jìn)行方位向傅里葉變換； 第三步：依據(jù)GEOSAR高階斜距模型R(t)并結(jié)合Hs6離補(bǔ)償（f；，fa)對(duì)Ea進(jìn)行距離向處 理，距離向補(bǔ)償矩陣Ee; 第四步：對(duì)距離向補(bǔ)償結(jié)果矩陣Ee進(jìn)行距離向傅里葉逆變換處理，得到距離多譜勒信 號(hào)Ef; 第五步：依據(jù)方位向補(bǔ)償函數(shù)Hmiws (τ，fa)對(duì)Ef進(jìn)行方位向補(bǔ)償處理，得到方位向 補(bǔ)償結(jié)果矩陣Ee; 第六步：對(duì)Ee進(jìn)行方位向傅里葉逆變換處理，得到成像結(jié)果信號(hào)Eh。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法，其特征在于： 成像精度為3米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法，其特征在于： GEOSAR高階斜距模型R(t) =aQi^+aJ1+…+aii^+H.+agt8,且aQ =IIRciI|。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法，其特征在于： 距離補(bǔ)償函數(shù)為H距離補(bǔ)償（fr,fa) =exp(_j(Θ丨（fa，Rs)fr+Θ2 (fa)fr2+Θ3 (fa)fr3))。
5. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于高階斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法，其特征在于： 方位向補(bǔ)償函數(shù)為H方位補(bǔ)償（τ，fa) =exp(_jΘq(fa，Rs))。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5任一項(xiàng)所述的基于高階斜距模型的GEOSAR高分辨成像方法， 其特征在于：級(jí)數(shù)反演系數(shù)Mi與GEOSAR高階斜距模型系數(shù)的具體表征為：

【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104459694SQ201410736982
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】于澤, 鄒東海, 王志乾 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)