旋轉式合成孔徑雷達頻域成像方法
【專利摘要】本發明涉及一種旋轉式合成孔徑雷達頻域成像方法，本發明提出了ROSAR頻域成像方法。該方法利用駐相點原理直接將ROSAR回波信號變換到二維頻域，因此可以很好地保留回波特征，通過構造相應的頻域去耦函數和頻域匹配函數，最終實現距離彎曲校正和目標場景重構。仿真結果表明，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】旋轉式合成孔徑雷達頻域成像方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種旋轉式合成孔徑雷達頻域成像方法，屬于合成孔徑雷達領域。
【背景技術】
[0002]合成孔徑雷達(SAR)具有全天候、全天時、遠距離的工作能力，廣泛運用于地貌成像、運動目標檢測、熱點區域監視等領域。在傳統的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。旋轉式合成孔徑雷達(ROSAR)作為一種新的成像模式，是星載SAR和機載SAR的重要補充部分，在最近十幾年逐漸成為一個新的研究熱點。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點，既可以應用于無人機、直升機等低空平臺，也可以應用于貨車、圓形軌道等地面平臺。ROSAR也被稱為圓軌跡SAR、圓弧SAR、全向SAR和圓周SAR。
[0003]現有的ROSAR成像方法主要基于斜距泰勒級數展開，忽略四次及高次項，然后結合RD、ECS、SPECAN等方法對回波數據進行成像。通過泰勒級數展開所得到的斜距近似為拋物線，相應的多普勒值是慢時間的一次函數，多普勒調頻率是常數值。而實際ROSAR的回波多普勒呈非線性變化，多普勒調頻率不是常數值，因此利用泰勒級數近似所得到的調頻率進行脈壓，將會導致方位向失配。現有的時域卷積成像方法不做泰勒級數展開，直接進行時域匹配成像，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，相應的時域彎曲校正方法將會極大增加計算量。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明利用駐相點原理對回波信號直接進行頻域變換，獲得兩維頻域表達式，進而構造頻域去耦函數、距離向匹配函數和方位向匹配函數，然后在頻域上實現距離彎曲校正和目標場景重構。在進行距離彎曲校正的時候，本發明還分析了 ROSAR的距離徙動影響。仿真結果驗證了方法的有效性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0005]通過參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例，本發明的以上和其它方面及優點將變得更加易于清楚，在附圖中:
[0006]圖1為本發明的旋轉式合成孔徑雷達頻域成像方法的ROSAR幾何模型示意圖；
[0007]圖2(a)為tr_ta域回波數據示意圖；圖2(b)為tr_fa域回波數據示意圖；
[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)為傳統的脈壓結果示意圖；圖7(b)為本發明的脈壓結果示意圖；
[0013]圖8為方位向剖面圖。
【具體實施方式】
[0014]在下文中，現在將參照附圖更充分地描述本發明，在附圖中示出了各種實施例。然而，本發明可以以許多不同的形式來實施，且不應該解釋為局限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發明的范圍充分地傳達給本領域技術人員。
[0015]在下文中，將參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例。
[0016]圖1為ROSAR的幾何模型，雷達天線固定在直升機機翼上，或安裝在無人機上或者貨車的剛性支架上。本發明以ROSAR典型平臺直升機為例，假設載機平臺的高度為H，天線以角速度ω隨著機翼一起作勻速圓周運動，同時周期性地發射信號，后向散射回波經過一定時延返回到天線，然后對接收到的回波信號進行存儲。天線在地面形成一個圓環形照射場景，場景內的點目標Pn到旋轉中心軸的地面距離(簡稱地距)為Re，旋翼長度為L，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。由于天線作圓周運動，因此本發明采用圓柱坐標系ij，Q’z)。不失一股性，當天線相位中心旋轉至A點時，機翼與X軸平行，令此時的旋轉角大小為O度，當天線旋轉至其它任意點B時，旋轉角大小為cota。由圖可知,B點的位置是(L，《ta，H)，假設點目標位置為(Re，ω tn，O)，則天線至點目標的距離表達式為
[0017]
【權利要求】
1.一種旋轉式合成孔徑雷達頻域成像方法，其特征在于: 該方法利用駐相點原理直接將ROSAR回波信號變換到二維頻域，根據所得到的二維頻域表達式，構造頻域去耦函數、距離向匹配函數和方位向匹配函數，再進行距離彎曲校正和目標場景重構。
2.如權利要求1所述的旋轉式合成孔徑雷達頻域成像方法，其特征在于: 所述方法的具體步驟為: A)接收ROSAR原始數據； B)進行方位FFT變換； C)進行距離FFT變換； D)進行Hl距離彎曲校正和H2距離匹配； E)將步驟C和步驟D的運算結果進行距離IFFT變換； F)進行H3方位匹配； G)將步驟E和F的運算結果進行方位IFFT變換； H)最終得到ROSAR圖像。
3.如權利要求2所述的旋轉式合成孔徑雷達頻域成像方法，其特征在于: 所述步驟A具體為:首先將雷達天線固定在直升機機翼上，或安裝在無人機上或者貨車的剛性支架，假設載機平臺的高度為H，天線以角速度ω隨著機翼一起作勻速圓周運動，同時周期性地發射信號，后向散射回波經過一定時延返回到天線，然后對接收到的回波信號進行存儲，天線在地面形成一個圓環形照射場景，場景內的點目標Pn到旋轉中心軸的地面距離為Re，旋翼長度為L，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，采用圓柱坐標系Cr, ?, ζ),當天線相位中心旋轉至A點時,機翼與X軸平行，令此時的旋轉角大小為O度，當天線旋轉至其它任意點B時，旋轉角大小為《ta，B點的位置是(L，《ta，H)，假設點目標Pn的位置為(Re，ω tn，O)，則天線至點目標的距離表達式為
雷達發射的信號為線性調頻信號，則后向散射回波信號經過基頻變換，在距離快時間-方位慢時間域(t「ta域)可表示為
其中，\(口)表示距離向窗函數，aa(D)表示方位向窗函數，Kr為信號調頻率，λ為發射信號的波長，c表示光速。
4.如權利要求3所述的旋轉式合成孔徑雷達頻域成像方法，其特征在于: 所述方法的步驟B到H具體為: 對Sn(tr，ta ；Rg)進行方位向頻域(fa域)變換，可得.V,, (tr,; O J:'丨 ' Sn U,.Ju:R(:)
其中，tn是點目#Pn在方位向上的位置時間點，as是方位向合成孔徑S所對應的合成孔徑角度，a s的表達式為
式(3)中的幅度是緩變的，相位如下表示
將式(5)對慢時間ta求導，并令求導后函數為O，可以求得
其中，即為駐相點，當ω (ta-tn) = 31 /2時，斜距
,并令
則可對(6)進行簡化，進而得到
根據駐相點原理，將式(7)代入式(3)，可得
其中，R(fa;Re)是斜距R在4域上的表達式，當ta域變換到4域時，發射信號的調頻率Kr也會發生變化，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)的具體表達式， 將式(7)代入式(1)，求得R(fa;Rc)的表達式為
當fa = O時，可以得到R(fa ；Rg)的常數項為
，該常數項既是點目SPn在斜距面內的最短距離，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， 通過以下分析可以得到Ke(fa ;Re)，在t,_ta域中單個點目標的回波數據沿快時間t,垂直分布在某一列存儲位置上，當&域變換到fa域時，回波數據的存儲位置變成斜直線，對于發射頻率為f。的信號，天線旋轉至某一角度9t= Ota，此時的多普勒值為
其中，R(0t)即為式(I)中的R(ta;Re)，由于發射信號是線性調頻信號，當發射頻率變為f = f。+ Λ f ( Λ f = Kr Λ仁)，旋轉角度Θ t所對應的多普勒值為
此時，由于發射頻率的變化，存儲位置由點I轉移到點2，即對于單個點目標來說，回波數據的存儲位置在t「fa域中是斜直線； 對于發射頻率為?；+Λ?.信號，多普勒值^所對應的存儲數據是另一次回波所接收到的數據，天線位置B'所接收到的回波數據，此時旋轉角為0t-A et，相應的多普勒值表達式為
根據以上分析可知，由于ta域變換到fa域，相同頻率差值△ f所需要的轉變時間將有所不同，在同一慢時間點上，發射頻率由f。變換到f。+Af所需時間為Atr (Atr= Δ f/Kr),然而對于同一多普勒值？3，發射頻率由f。變換到f；+Af所需時間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的表達式，根據式(I)可得
又根據式(11)和式(13)可得
將式(16)代入式(15)，獲得AR(0t)關于Af的表達式為
式(17)中的變量是0t(0t= ona)，因此要利用式(J)中&與4的關系，將式(17)變換到4域，相應的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)，根據式(16)和式(17)可得
這樣，就獲得了斜距和調頻率在fa域上的表達式，將式(10)的R(fa;Re)和式(18)的Ke(fa ；Rg)代入式(8)，即可得到回波信號在tr-fa域上的表達式sn(tr, fa ；Rg)； 經過方位向頻域變換以后，再利用駐相點原理，對sn(t?fa ；Rg)進行距離向頻域(f；域)變換，可以求得
上式即為ROSAR回波信號的二維頻域表達式； 式(19)中的第二個指數項為距離彎曲所引起的方位距離耦合項，因此校正距離彎曲的去稱函數為
其中，AR(fa ；Rg)的彎曲程度隨Rci的變化而變化，即斜距1?在匕域內存在空變性； 根據式(4)所提供的合成孔徑角度，可以求得某一地距Rci所對應的最大多普勒值為
根據式(10)和式(21)可以求得斜距1?在4域內最大彎曲值的極限值
選取場景中心的地距為參考距離，然后對場景內所有距離彎曲進行統一校正； 經過距離彎曲校正后，為了進行距離向脈壓，需構造距離匹配函數如下
對原始基頻回波數據進行兩維頻域變換，將數據轉換到4-4域，然后利用式(20)和式(23)實現距離彎曲校正和距離向脈壓，為了完成方位向脈壓，構造方位向匹配函數如下
對距離向脈壓后的數據沿距離向進行逆傅里葉變換，將數據轉換到Vfa域，然后結合式(24)進行方位向脈壓，最后進行方位向逆傅里葉變換，將數據轉換到&-1域，最終實現ROSAR數據的匹配成像。
【文檔編號】G01S13/90GK104199030SQ201410350819
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】文珺, 楊科, 廖斌 申請人:廣西大學
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