帶有多普勒中心空變校正的大斜視SAR成像方法

李震宇,陳濺來,梁 毅,邢孟道,保 錚

(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室,陜西西安 710071)

帶有多普勒中心空變校正的大斜視SAR成像方法

李震宇,陳濺來,梁 毅,邢孟道,保 錚

(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室,陜西西安 710071)

在大斜視合成孔徑雷達成像中,常采用時域校正線性走動的方法來消除距離方位的耦合性,但現有的成像算法僅考慮走動校正帶來的方位向調頻率的空變,而忽略多普勒中心的二維空變,這將嚴重影響圖像聚焦.文中詳細分析了多普勒中心二維空變對聚焦的影響,提出一種帶有多普勒中心空變校正的方位向處理新方法,提高了聚焦質量.仿真結果及實測數據驗證了該方法的有效性.

大斜視合成孔徑雷達;線性走動校正;多普勒中心空變

與正側視合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)相比,斜視SAR成像具有很多獨特的優點,例如:通過調整天線指向可對某感興趣區域進行多次重復觀測,在搭載平臺飛越待觀測區域上空前即完成成像處理[1],獨特的優勢使得斜視SAR有著更加廣泛的應用.隨著斜視角的增大以及實時處理的需求,給大斜視SAR成像帶來困難,因此,針對大斜視SAR成像的研究具有重要意義[2].

針對大斜視SAR成像,文獻[3]提出一種CA Omega-K的成像方法,實現良好聚焦.由于Omega-K在二維頻域實現數據處理無法適應參數的變化,如斜視角的空間變化等,而且復雜的插值會降低成像效率,不利于實時處理;文獻[1-2]提出的非線性調頻變標(Nonlinear Chirp Scaling,NCS)成像方法能夠很好地解決大斜視SAR成像問題;文獻[4-8]在此基礎上進一步提升了NCS精度,提升了方位向聚焦深度.但是這些文獻均基于全孔徑算法處理,無法應用于實時成像.針對實時成像,子孔徑類成像算法更具有優勢;文獻[9-10]詳細分析了子孔徑成像優勢,并給出了相應的成像算法,但這些算法均未考慮多普勒中心空變對大斜視SAR成像的影響,這將嚴重影響最終聚焦質量.筆者基于子孔徑數據,詳細分析了多普勒中心的空變對聚焦的影響,提出一種改進的方位向處理方法,提高了聚焦質量;最后,通過仿真數據和實測數據處理,驗證了該方法的有效性和實用性.

1　大斜視幾何關系及斜距模型

大斜視SAR成像幾何模型如圖1所示,雷達工作在條帶模式,平臺高度為h,以速度v沿ABC勻速直線飛行,波束射線指向的斜視角為θ,γ為X軸與波束中心線在地面投影的夾角.令R為波束中心線掃過目標P時的斜距,由圖1的幾何關系可知,地面任意點目標P′到雷達的瞬時斜距為

圖1　大斜視幾何模型

其中,tm為方位慢時間;xn=vtn,tn為天線波束中心穿越目標點的時刻;sinθ=cosγ(R2-h2)1/2R.式(1)中,距離與方位嚴重耦合,這給成像處理帶來困難.為降低這種耦合性,常采用時域線性走動校正[1-2],校正后的斜距可表示為

需要注意的是,式(2)中仍存在一個線性殘留量,這個殘留量對后續的成像處理會帶來很大影響,而現有文章常忽略了這部分影響.

2　方位向處理

對于大斜視SAR成像,線性走動校正會導致方位相位空變,這是由于原先位于同一距離單元的點,如圖2所示,點A、B、C,經過走動校正后位于不同距離單元,使得方位平移不變性不再存在.對斜距式(2)分析,在方位聚焦處tm=xnv,斜距R0=R+xnsinθ0,即R=R0-xnsinθ0.易知,走動校正后,方位多普勒系數包括殘留多普勒中心均隨著方位位置變化而變化,這將嚴重影響方位聚焦.

圖2　時域線性走動校正示意圖

2.1多普勒中心空變對聚焦影響分析

采用文獻[1]的距離向處理方法,剩余的方位相位可表示為

其中,Δfdc(R0,xn)為殘留線性項對應的殘留多普勒中心,fdr(R0,xn)為方位調頻率,fdt(R0,xn)為方位時域三次項系數.為簡化后續處理,這里對多普勒系數在tn=0處進行泰勒近似展開,將兩維空變的多普勒參數分成方位空變量和方位非空變量,其中

現有針對大斜視SAR成像的參考文獻均未考慮Δfdc(R0,xn)項,這部分殘留量對于一般小斜視窄波束成像影響較小,而對于大斜視寬幅成像,對方位聚焦有著很大的影響.與文獻[1]對比,由殘留多普勒中心引起的方位向相位殘留量在方位頻域可表示為

其中,第1項影響方位向最終聚焦位置,而第2項嚴重影響了方位聚焦.換句話說,Δfdc(R0,xn)引入一個方位二次相位,該相位將改變原先的調頻率.因此,在后續的推導中不可忽略多普勒中心的空變.

2.2方位向處理步驟

為消除多普勒中心及方位調頻率空變對聚焦的影響,文中提出了一種改進的方位非線性變標方法.該方法對距離向處理完成信號[10],為削弱多普勒中心空變對方位聚焦的影響,先補償其沿距離向空變因子,即

對補償完后的信號引入相位濾波因子.該項因子主要為后續變標處理提供足夠的系數,可表示為

將引入濾波因子后的表達式變到方位頻域,可得

為消除多普勒中心以及方位調頻率的方位空變性,這里引入改進的方位非線性變標因子,即

將式(8)與式(9)相乘,并變到方位時域,可得

上式中,第1項與方位位置無關,可以統一聚焦;第2項表示方位最終的聚焦位置;第3項為方位形變項,影響方位最終聚焦位置;第4項則嚴重影響方位聚焦質量;最后一項為常數項,可忽略.綜上,建立如下方程組:

求解方程組式(11),可得

將式(12)代入式(9),可得最終的方位統一聚焦因子,即

2.3方位向預處理及算法流程

由于補償的多普勒中心距離向空變是一個線性分量,這個線性分量會導致二維頻譜的斜拉,由“矩形”變為“平行四邊形”.正如線性走動校正會將斜視的斜譜扳成“矩形”頻譜,如圖3(a)和圖3(b)所示,這個過程被稱為“斜視最小化”[2].多普勒中心的距離向空變校正會使得校正后的二維頻譜存在一個斜率k,這個斜率導致頻譜的斜拉,斜率及斜拉后的頻譜可表示為

其中,Ba為方位向帶寬,Br為距離向帶寬,Rs為參考距離斜距.對于大斜視成像,斜拉后的距離向頻譜很有可能超過距離向采用率,導致距離向頻譜混疊,如圖3(c)所示.當超過距離向采樣率時,最終成像點的二維插值圖會出現旁瓣混疊.為得到清晰的二維插值圖,需進行距離向升采樣預處理,得到的無混疊的頻譜如圖3(c)和圖3(d)所示.

圖3　線性分量對二維譜的影響

綜上所述,改進的方位向處理流程如圖4所示.

圖4　改進的方位向處理流程圖

3　數據處理結果與分析

為了驗證改進的方位向處理方法的有效性,下面通過對仿真數據以及實測數據處理來進行說明.

表1　雷達參數

大斜視SAR系統仿真參數如表1所示.如圖5所示,地面場景中點2為場景中心點作為對比,沿波束視線方向布置點1,與中心點2相距1 km;沿著飛行方向放置點目標3,xn=1 km.易知,與點2目標相比,點1只存在沿距離向的方位多普勒中心空變,而點3則存在著兩維多普勒中心空變.

圖5　點目標布置示意圖

圖6(a)給出了3個點目標未校正多普勒中心二維空變時方位剖面圖,容易看出,由于未考慮多普勒中心空變,與場景中心點2相比,點1和點3都嚴重散焦.圖6 (b)給出考慮了多普勒中心沿距離向空變,未考慮沿方位空變時點目標的方位剖面圖,由于點1只存在距離向的空變,補償距離向空變后,聚焦效果得到大幅提升,而點3還存在著沿方位的多普勒中心空變,聚焦效果較差.圖6(c)給出了文中改進方法的結果圖,對比易知,文中算法明顯改善了大斜視SAR成像方位聚焦質量.

為進一步驗證距離向升采樣預處理,以點2為例,圖7(a)給出未進行距離升采樣時點目標的二維插值圖,由于未考慮頻譜的反折,使得最終插值圖出現旁瓣混疊.圖7(b)給出了距離升采樣后的二維插值圖,易看出,升采樣后的插值圖不存在混疊,旁瓣明顯分開.

為進一步驗證文中方法的有效性,對機載實測數據進行處理.圖8(a)給出未校正多普勒中心空變的成像結果,圖像呈現“弧形”,聚焦效果差;圖8(b)給出校正多普勒中心距離向空變未校正沿方位空變的結果,圖像整體“扳正”,無明顯散焦;圖8(c)給出多普勒中心二維空變校正后的結果圖.選取圖8(b)與圖8(c)的角反進行對比,容易發現,未校正方位空變時角反未明顯分開,而校正后角反明顯分開,充分驗證了文中方法的有效性.

圖6　點目標方位剖面圖

圖7　點1二維插值圖

4　總 結

筆者針對大斜視SAR寬幅成像中多普勒中心空變問題,提出了一種改進的方位向處理方法.首先,分析了多普勒中心二維空變對方位聚焦的影響;然后,補償了多普勒中心距離向空變,由于距離向的空變校正會導致距離譜的反折,需要進行距離升采樣;最終,通過引入改進的方位非線性變標因子校正了多普勒中心方位空變.點目標仿真與實測數據處理驗證了文中方法的有效性與實用性.

圖8　實測數據處理結果

[1]AN D X,HUANG X T,JIN T,et al.Extended Nonlinear Chirp Scaling Algorithm for High-Resolution Highly Squint SAR Data Focusing[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2012,50(9):3595-3609.

[2]SUN G C,JIANG X W,XING M D,et al.Focus Improvement of Highly Squinted Data Based on Azimuth Nonlinear Scaling[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2011,49(6):2308-2322.

[3]TANG S Y,ZHANG L R,GUO P,et al.Acceleration Model Analyses and Imaging Algorithm for Highly Squinted Airborne Spotlight-Mode SAR with Maneuvers[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2015,8(3):1120-1131.

[4]WANG W,LIAO G S,LI D,et al.Focus Improvement of Squint Bistatic SAR Data Using Azimuth Nonlinear Chirp Scaling[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2014,11(1):229-234.

[5]ZHANG S X,XING M D,XIA X G,et al.Focus Improvement of High-squint SAR Based on Azimuth Dependence of Quadratic Range Cell Migration Correction[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2013,10(1):150-154.

[6]LI D,LIAO G S,WANG W,et al.Extended Azimuth Nonlinear Chirp Scaling Algorithm for Bistatic SAR Processing in High-Resolution Highly Squinted Mode[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2014,11(6):1134-1139.

[7]LIU G G,LI P,TANG S Y,et al.Focusing Highly Squinted Data with Motion Errors Based on Modified Non-linear Chirp Scaling[J].IET Radar,Sonar&Navigation,2013,7(5):568-578.

[8]SUN G C,XING M D,WANG Y,et al.A 2-D Space-variant Chirp Scaling Algorithm Based on the RCM Equalization and Sub-band Synthesis to Process Geosynchronous SAR Data[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2014,52(8):4868-4880.

[9]李震宇,楊軍,梁毅,等.彈載SAR子孔徑大斜視成像方位空變校正新方法[J].西安電子科技大學學報,2015,42 (4):99-105. LI Zhenyu,YANG Jun,LIANG Yi,et al.New Method for Azimuth-dependent Correction of the Highly Squinted Missile-borne SAR Subaperture Imaging[J].Journal of Xidian University,2015,42(4):99-105.

[10]李震宇,梁毅,邢孟道,等.彈載合成孔徑雷達大斜視子孔徑頻域相位濾波成像算法[J].電子與信息學報,2015,37 (4):953-960. LI Zhenyu,LIANG Yi,XING Mengdao,et al.A Frequency Phase Filtering Imaging Algorithm for Highly Squinted Missile-borne Synthetic Aperture Radar with Subaperture[J].Journal of Electronics&Information Technology,2015,37(4):953-960.

(編輯:齊淑娟)

Imaging method for highly squinted SAR with spatially-variant doppler centroid correction

LI Zhenyu,CHEN Jianlai,LIANG Yi,XING Mengdao,BAO Zheng
(National Key Lab.of Radar Signal Processing,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

In the high squint SAR imaging,the linear range walk correction(LRWC)is usually adopted to mitigate the coupling between range and azimuth.The conventional algorithms only consider the effects of Doppler frequency modulation rate dependence but ignore the spatially-variant Doppler centroid;this will affect the final focusing.In this paper,the effects of spatially-variant Doppler centroid in high-squint synthetic aperture radar(SAR)are analyzed and discussed,and a modified nonlinear chirp scaling algorithm with spatially-variant Doppler centroid correction in high squint SAR azimuth processing is proposed in order to improve the quality of the final focusing.Both simulation and real data processing validate the effectiveness of the proposed method.

high-squint SAR;LRWC;spatially-variant Doppler centroid

TN957.52

A

1001-2400(2016)03-0019-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.03.004

2015-05-14

時間:2015-07-27

國家自然科學基金資助項目(61101245);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(K5051302046)

李震宇(1991-),男,西安電子科技大學博士研究生,E-mail:zhenyuli?2012@sina.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150727.1952.004.html