一种新的斜视波束指向SAR信号处理方法

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一种新的斜视波束指向SAR信号处理方法
吴玉峰;孙光才;邢孟道;保铮
【摘要】针对斜视波束指向合成孔径雷达(BS-SAR)信号时,存在距离向与方位向的强耦合性及方位频谱的模糊问题,提出了一种基于方位重采样的信号频谱处理方法。

线性距离走动校正后对信号频谱进行方位向重新采样,将其完全等效为正侧视合成孔径雷达信号的频谱。

针对斜视 BS-SAR ,将方位重采样与谱分析技术相结合,得到无模糊及方位空变的二维频谱;再采用传统的正侧视 BS-SAR 算法,实现对场景的聚焦。

仿真实验表明,文中方法可以有效应用于斜视 BS-SAR 的数据处理中。

%Due to the severe coupling effect between range and azimuth and the aliasing in the azimuth-frequency domain , it is difficult to deal with the squint Beam -Steering Synthetic Aperture Radar (BS-SAR) signal . Although the linear range walk correction can decrease the coupling effect dramatically , it leads to azimuth-variation into the Doppler frequency modulation ( FM ) rate and range cell migration ( RCM ) . In order to eliminate the azimuth-variation , a novel spectrum processing approach based on azimuth resampling is proposed in this paper . After the linear range walk correction , the azimuth resampling is carried out in the azimuth-frequency domain and the signal s spectrum will be completely equivalent to the broadside SAR configuration . For squint BS-SAR , the resampling is combined with the SPECAN technique . So the squint BS-SAR signal s spectrum without aliasing and azimuth-variation can be obtained . Then the signal can be focused by the broadside BS-SAR imaging
algorithm . Simulation results show that the proposed approach can be used to process squint BS-SAR data effectively .
【期刊名称】《西安电子科技大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】7页(P56-62)
【关键词】斜视波束指向合成孔径雷达;方位重采样;线性距离走动校正;等效正侧视处理
【作者】吴玉峰;孙光才;邢孟道;保铮
【作者单位】西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安710071;西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安 710071;西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安 710071;西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安 710071
【正文语种】中文
【中图分类】TN957.52
合成孔径雷达(SAR)能全天时、全天候、远距离获得目标高分辨率的二维图像,其应用范围越来越广[1].常见的SAR成像模式有条带模式、聚束模式及Scan模式[2].近年来,随着SAR技术的进步,其成像模式也在不断增加,其中具有代表性的有滑动聚束SAR[3]及循序扫描地形观测(TOPS)SAR[4].滑动聚束SAR通过控制天线波束在地面的移动速度来控制方位向分辨率,其成像面积要比聚束SAR大,并且其分辨率可以高于相同尺寸天线的条带SAR的分辨率.TOPS SAR通过波束在
方位向的扫描,有效克服了Scan模式中的扇贝效应及方位模糊比和输出信噪比不一致的问题[5].目前,滑动聚束SAR及TOPS SAR都已经被应用到德国的TerraSAR-X系统[6].由于聚束SAR、滑动聚束SAR及TOPS SAR都需要天线波束的转动,因此,将它们统一称为波束指向SAR(Beam-Steering SAR,BS-SAR).条带SAR可以认为是BS-SAR的一种特殊情况,其波束转动速度为零.
BS-SAR由于天线波束的转动,使得方位多普勒频谱展宽,通常会超过系统采用
的脉冲重复频率(PRF),也即BS-SAR信号在方位向是模糊的[3-6].根据解模糊方法的不同,BS-SAR的成像方法可分为子孔径成像方法[6-8]和全孔径成像
方法[9-12].在子孔径算法中,方位信号被分成多个子孔径信号,保证每个子孔径信号的带宽都小于系统的PRF,然后进行距离徙动校正(RCMC)及距离压缩.然
而子孔径算法不可避免地会存在孔径划分、拼接及重叠部分的选择等问题,增加了信号处理的复杂性.全孔径算法首先进行方位向预处理,以获得无模糊的信号频谱,然后采用传统的SAR成像算法进行距离脉压及RCMC.相对于子孔径算法,全孔径算法由于无需进行孔径划分、拼接等操作,成像效率较高,已经成为研究的热点. 在某些应用场合,需要雷达工作在斜视模式,即雷达天线波束中心与航线法平面存在一定的夹角[13].同时,斜视工作模式亦可以大大提高雷达的灵活性.然而,由于
斜视模式的几何特点,决定了回波信号存在严重的线性距离走动,这大大增加了距离向与方位向的耦合性.斜视BS-SAR同时具有斜视模式的强耦合性及BS-SAR
的方位模糊特性,其信号处理较为困难.针对斜视聚束SAR,文献[14]提出了一种
扩展的两步处理成像方法,线性走动校正后,进行方位解模糊以获得无模糊的二维频谱,然后采用修正的距离徙动算法(RMA)完成聚焦.但其忽略了线性走动校正引起的方位空变问题,只适用于小场景成像.当成像场景较大时,需要方位分子场
景进行再聚焦,并采用Mosaic方法拼接得到最终的成像结果.因此,其处理过程
较为复杂.文献[15]根据斜视TOPS SAR信号的特性,提出了一种基于频率非线性
变标(FNCS)的成像方法,然而其只适用于TOPS的信号处理.
针对斜视BS-SAR的全孔径成像问题,笔者提出了一种基于方位重采样的方法.线性距离走动校正完成后,采用谱分析(SPECAN)技术进行方位解模糊,并在解模糊的过程中进行方位谱的重新采样,解决了线性走动校正引起的空变问题,使信号具备方位平移不变性,从而可以直接采用正侧视BS-SAR算法完成成像.最后通过几何形变校正,得到斜视BS-SAR的成像结果.通过仿真实验,验证了该方法的有效性.
图1 斜视SAR几何模型
1 斜视SAR信号模型及走动校正
斜视SAR工作几何关系如图1所示.雷达平台以速度v沿X轴匀速直线运动,雷达工作在斜视模式,其中心斜视角为θ0.以平台位于O点时的时刻为慢时间的起点.场景中某一点目标P与雷达的最近距离为RB.由图1的几何关系可知,点目标P 到雷达的瞬时斜距为
其中,tm为方位慢时间,tc为天线波束中心穿越P点的时刻.
假设雷达发射信号为线性调频(LFM)信号,则基频回波可以表示为
其中,为距离快时间,c为光速,γ为发射信号的调频率,λ为雷达中心波长,wr (·)表示发射信号的窗函数,wa(·)表示方位窗函数.对式(2)进行距离向傅里叶变换,将其变换到距离频域为
其中,fr为距离频率,fc为雷达中心载频,Wr(·)为距离窗函数的频域形式.
斜视SAR由于线性距离走动的存在,导致距离向与方位向之间具有较强的耦合,线性距离走动校正可以极大地降低这种耦合性[16].因此,首先进行线性距离走动
校正,校正函数为
式(4)与式(3)相乘,可得
对式(5)进行方位向傅里叶变换,将其变换到二维频域,采用驻定相位点原理[13],可得
其中,fa 为方位频率,fdc=2vsinθ0(fc+fr) c,Wa(·)为方位窗函数的频域形式.为了分析信号的徙动特性,对式(6)的根号进行一次泰勒展开,即
其中,
将式(7)代入式(6),可得
由式(8)可知,徙动曲线为
当fa=0时,式(9)为
其中,Xc=vtc.由式(10)可知,对于最近距离相同而方位位置不同的点目标,经过线性距离走动校正后,将出现在不同的距离单元内,也即处于同一距离单元不同方位位置的点具有不同的最近距离.这导致了距离单元徙动(RCM)及多普勒调频率的方位空变性,使方位平移不变性不再成立.
2 方位重采样
斜视SAR数据经过线性距离走动校正后,将不再具备方位平移不变性,为数据处
理带来了新的问题.这里将给出一种方位重采样的方法,使得走动校正之后的数据重新具备方位平移不变性.
将式(10)代入式(6),可得
对式(11)进行变量代换,令
或者
则式(11)变为
对比式(14)与正侧视SAR信号的二维频谱[1]可以发现,除有效速度从v变为vcosθ0之外,经过线性距离走动校正及方位重采样后的斜视SAR信号频谱与正侧视SAR完全等效.因此,可以采用传统的正侧视SAR成像方法,如距离-多普勒算法(RDA)、线频调变标算法(CSA)、距离徙动算法(RMA)等完成RCM 校正及方位聚焦.
3 扩展到斜视BS-SAR
针对斜视SAR由于线性距离走动校正引入的方位空变问题,提出了一种方位重采样的频谱处理方法,将斜视SAR信号频谱完全等效为正侧视SAR,简化了信号处理.本节将方位重采样的思想扩展到斜视BSSAR的信号处理中.
图2 斜视BS-SAR的几何关系
图2为斜视BS-SAR的几何关系.图2(b)和(c)中Orot为雷达波束的旋转中心,斜视聚束SAR的旋转中心为场景中心点.
对于正侧视聚束、滑动聚束和TOPS SAR,方位频谱恢复可以采用SPECAN技术[10]或移频 CZT[11]实现.SPECAN 通过信号与参考函数进行方位向卷积实现频谱
去模糊,其处理过程可以用图3(a)表示,图中的参考函数可以参阅文献[10].
对于斜视情况,首先进行线性距离走动校正,以减弱距离向和方位向的耦合性,然后采用SPECAN技术进行频谱恢复.SPECAN中采用的参考函数形式与正侧视BS
-SAR相同,只是速度变量v变为vcosθ0.线性走动校正带来的方位空变问题,
可以采用第2节所提的方位重采样方法解决.然而,BS-SAR信号采用SPECAN
技术的频谱恢复过程,可认为是时频互换的过程.因此,可在不明显增加数据量的
情况下,通过等效缩短时间窗来扩展频域窗.BS-SAR信号频谱恢复后,虽然在频域不再模糊,但其在方位时域却是模糊的[10-11].对于模糊的信号,无法对其进
行重新采样.分析SPECAN的流程可以发现,信号在第2个方位FFT之后,补偿相位Scom(fa)之前,也即图3(a)中A点处,无论在方位频域或是时域都不模糊.而BS-SAR信号频谱是通过此处的信号与补偿相位Scom(fa)相乘得到.因此,可将对信号频谱的重采样分解为对A点处信号的重采样及补偿信号Scom(fa)
的重采样,然后进行相乘得到最终的无模糊及方位空变的斜视BS-SAR信号二维频谱.按照此思路,斜视BS-SAR信号频谱恢复及等效正侧视处理的流程可用图3(b)表示.
图3 BS-SAR方位频谱的恢复流程
斜视BS-SAR信号通过图3(b)所示的流程处理后,可以得到无模糊的等效于
正侧视BS-SAR信号的二维频谱.因此,后续可以采用正侧视BSSAR成像算法完
成聚焦.正侧视BS-SAR成像算法的具体过程可参考有关文献,这里不再赘述.
图4 仿真点目标分布
4 仿真实验
为了验证文中基于方位重采样的斜视BS-SAR信号处理方法的有效性,
进行了仿真实验.仿真参数见表1、表2.仿真场景点目标分布如图4所示,场景大小随模式的不同而不同.
表1 仿真实验共同参数m 4.8脉冲宽度/μs 2 有效速度/(m·s-1)载频/GHz 9.65 天线孔径/km 595中心斜视角/(°)7 000 PRF/Hz 3 000 中心斜距/40
表2 各模式参数斜视聚束TOPS SAR 20 24 -236.35 16×48 SAR 300 360 595.00 6×4斜视滑动聚束SAR 150 180 1 024.14 8×8斜视
仿真时采用图3(b)所示的流程获得信号无模糊的二维频谱后,聚束SAR采用文献[9]方法完成RCM校正及方位聚焦,滑动聚束SAR及TOPS SAR采用文献[10]方法完成RCM校正及方位聚焦.几何形变校正之前的成像结果分别如图5、图6和图7所示,图中的(a)、(b)、(c)分别对应图4中的点目标A、B、C.由图5~7可以看出,无论是场景中心点或是边沿点,均得到了良好的聚焦.
图5 斜视聚束SAR的成像结果
为了进一步验证成像效果,表3对成像性能参数进行了统计.表3中PSLR为峰值旁瓣比,ISLR为积分旁瓣比.可以看出,成像性能与理论值接近,表明成像效果良好.
为了说明方位重采样的必要性,图8给出了没有采用重采样的斜视TOPS SAR成像结果.对比图7可以看出,虽然场景中心点聚焦较好,但是由于方位空变性问题没有解决,场景边缘点目标出现了严重的散焦.因此,可以得出方位重采样可以有效消除由于线性距离走动校正引起的方位空变性,使整个场景聚焦良好.
图6 斜视滑动聚束SAR的成像结果
图7 斜视TOPS SAR的成像结果
表3 成像性能分析模式目标点距离向PSLR/dB ISLR/dB 分辨率/m方位向PSLR/dB ISLR/dB 分辨率/m-13.16 -9.81 0.506 8 -13.36 -10.00 0.368 9 B -13.12 -9.79 0.506 3 -13.27 -9.91 0.371 7 C -13.14 -9.71 0.505 9 -
13.25 -9.89 0.375 9斜视滑动聚束SAR A -13.24 -9.82 1.006 1 -13.58 -10.47 0.808 4 B -13.23 -9.79 1.006 5 -13.57 -10.40 0.785 7 C -13.25 -9.83 1.005 8 -13.52 -10.29 0.780 7斜视TOPS SAR A -13.54 -10.90
7.742 6 -13.48 -10.65 8.498 6 B -13.44 -10.82 7.981 0 -13.17 -10.09
8.688 4 C斜视聚束SAR A-13.23 -10.58 7.885 2 -13.22 -10.47 9.140 7 图8 未进行方位重采样的斜视TOPS SAR成像结果
5 结束语
斜视BS-SAR信号由于同时存在距离向与方位向的强耦合性及方位频谱的模糊问题,给成像带来了难题.针对此,笔者提出了一种结合线性距离走动校正、SPECAN技术及方位重采样的信号频谱恢复方法.
完成线性距离走动校正后,采用SPECAN技术进行方位去模糊,并在去模糊过程中对方位频谱重新采样,消除了线性走动校正引入的方位空变性.采用文中方法处理后,斜视BS-SAR信号的二维频谱与正侧视BS-SAR相同,因此,可以采用传统的正侧视BS-SAR成像算法完成对场景的聚焦.仿真实验结果验证了文中方法的可行性.
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