机载大斜视雷达成像算法研究

首先将距离向快时间的二次相位项进行补偿成为 一次相位项， 即乘以函数 H1 = exp（ － jπγ ^ t2 ） 得到距离向只有一次相位的回波信号 2 R （ t m ； R0 ） aa （ tm ） × S1 （ ^ t， t m ； R0 ） = a r ^ t － C exp jπγ － exp（ － j （ 3）
的函数。
2
大斜视成像算法
由前面分析可得： 雷达至点目标的斜距表达式， 由
于 | Vt m － X n | 远远小于 R0 ， 将公式在 X = X n 处做泰勒 级数展开， 只保留二次及二次以下的项得 X R（ t m ， R0 ） = R0 － t m － n Vsin（ θ0 ） + V Xn V2 cos2 （ θ0 ） （ tm － ） 2 R0 V — 48 —
机载大斜视雷达成像算法研究
柳柏明， 刘振华
（ 南京电子技术研究所， 南京 210039 ）
摘要： 基于大斜视合成孔径雷达成像的空间几何模型和回波数据的特点， 通过距离向和方位向解线性调频处理和在时域 进行距离走动和距离弯曲校正， 分别对方位向和距离向进行傅里叶变换将信号压至正确的位置上 。 该算法从成像的实时 性出发， 立足于在分辨率达到要求的条件下尽可能降低运算量和复杂性 。 由于补偿了高次相位项， 此算法受斜视角的影 响很小， 能精确地处理大距离走动和弯曲 。点目标仿真和实测数据成像结果证明了算法的可行性 。 关键词： 合成孔径雷达； 大斜视； 雷达成像
0 2
柳柏明， 等： 机载大斜视雷达成像算法研究
2011 ， 33 （ 3 ）
) )× 4R γR 2 γ（ R + X sin（ θ ） ） exp ( jπ ( － f + ( ))) × C C C V cos （ θ ） sin（ θ ） X exp ( － j4 π （ 8） t － ) ) ( 2R V
( (
(
)
2． 2
方位向处理
R0 ） 经行泰勒级数展开带入 S2 整理得到 将 R（ t m ， S2 （ fr ， tm ； R0 ） = sinc ΔT（ fr +
－
(
2γ（ R0 + Xn sin（ θ0 ） ） ） aa （ tm ） × C
)
·信号 / 数据处理· exp － jπK1 t m －
A Study on Airborne High Squint Radar Imaging Algorithm
LIU Baiming， LIU Zhenhua （ Nanjing Research Institute of Electronics Technology， Nanjing 210039 ，China）
0
引
言
［1 ］
合成孔径雷达
（ Synthetic Aperture Radar， SAR ）
全避免了 RD 算法中插值校正距离徙动带来的误差， 而且把 SRC （ 二次距离压缩 ） 融入算法之中， 是一种高 CS 操作会使距离向频谱 效高精度的成像算法。但是， 随斜视角的增大而产生偏移， 扩展的 CS 合成孔径雷 达大斜视模式成像研究算法克服了这个问题 ， 但仍然 无法解决 SRC 随距离变化的问题。非线性 CS 算法通 过对更高次的相位补偿， 解决了测绘带内 SRC 随距离 变化的问题， 但其处理方法过于复杂而实际应用较少 。
第 33 卷 第 3 期 2011 年 3 月
现代雷达 Modern Radar TN958 中图分类号： TN957． 52 、 文献标志码： A
Vol． 33 No． 3 Mar． 2011 文章编号： 1004 － 7859 （ 2011 ） 03 － 0047 － 04
·信号 / 数据处理·
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2011 ， 33 （ 3 ）
现代雷达
1
1． 1
斜视回波模型分析
斜视 SAR 空间几何模型 如图 1 所示， 载机沿航线直线匀速运动， 点目标 P 2． 1 距离向处理
Xn V3 cos2 （ θ0 ） sin（ θ0 ） （ tm － ） 2 V 2 R0
3
（ 2）
的最近距离为 R b 。 设以载机位于 A 点时的时刻作为 慢时间的起点， 这时波束射线与通过 P 点而与航线的 平行线相交于 B 点， 即 t m = 0 时波束中心指向 B 点， 故 载 将 B 点作为该平行线上慢时间的起点 。经过 t m 后， 机移动到 A' 点， 其横坐标为 Vt m ， 设点目标 P 与 B 之间 的横距为 X n ， 则可得斜距 R 与 t m 的关系为 R（ tm ， R0 ） = （ Vtm 槡 － Xn ） 2 + R2 0 － 2R0 （ Vt m － Xn ） sin（ θ0 ）
［6 ］
m
其中 4Vsin（ θ0 ） 4 K1 = 2γR0 Vsin（ θ0 ） － － Vsin（ θ0 ） × C C λ
0 n 0 r
K2
( X sin（ θ ） ( f + 2 γ（ R + C )) 4 V cos （ θ ） 4 V cos （ θ ） × = ( γV － － 2 λR C 2R C X sin（ θ ） ( f + 2 γ（ R + C ))
2 2 2 2 2 0 0 2 0 0 0 n 0 r
图 2、 图 3 为改进的距离多普勒算法单点仿真 ， 图 4、 图 5 为本文所讲的算法单点仿真图， 左右
两图比较可以看出改进的距离多普勒算法随着斜视角 的增大聚焦性能变得很差， 而本文所述的算法随着斜 视角的曾大基本不影响聚焦性能 。上下两图相比较可 以看出本文所述的算法远远优于改进的距离多普勒算 法。单点仿真的结果验证了本文所述算法对大斜视下 雷达成像的有效性。
［2 ］ 本文基于大斜视 SAR 成像的空间几何模型 和 回波数据的特点， 通过距离向和方位向解线性调频处
是集中了现代电子科学技术各种成就的高科技系统同 时它作为全天候和全天时工作的探测系统 ， 已经广泛 应用于地形测绘与地质研究、 农业与林业海洋研究与 监测减灾与防灾等各个方面。斜视成像能够提供雷达 前方区域的地图信息， 实现对地攻击引导； 斜视成像在 实用中具有很高的机动灵活性。它通过天线改变波束 指向，可以对前方的目标预先成像、 对其后方的目标 再次成像。因此斜视合成孔径雷达具有很高的军事价 值， 其成像算法也必将越来越受到重视 。 最早出现具有高分辨率成像能力的算法是距离 － 多普勒算法。它通过在 RD （ 距离多普勒 ） 域插值解除 成为条带式正侧视下应 回波信号中的距离方位耦合， 用最广泛的算法。为了解决 RD 算法在斜视和宽测绘 带下距离向出现新调频分量的问题， 改进的 RD 算法 。 ChirpScaling （ CS ） 算法完 加入了二次距离压缩处理
图1
斜视工作时载机与点目标的几何关系
(
V2 cos2 （ θ0 ） 2 tm － 2 R0 （ 5）
1． 2
回波信号形式
［3 － 4 ］ t） = 假设雷达发射的线性调频波 包络为 S （ ^ ar （ ^ t ） exp（ jπγ ^ t2 ） ， γ 为发射的 LMF（ 线性调频 ） 信号的 调频率。设光速为 C ， λ 为发射信号的波长， 则回波信
Abstract： Based on high squint SAR imaging of the spatial geometry models and the characteristics of echo data，the solution is processed to the linear frequency modulation in distance and azimuth． It corrected the walking distance and range bending in the time domain． And then the separately Fourier transform of azimuth and distance make the signal to the correct position． The algorithm started from the realtime imaging，based on the resolution of the required conditions，minimize the volume and complexity of operations． Because of the highorder phase compensation algorithm has little effect by the oblique angle of entry，it can accurately handle large distance walking and bending． Point target simulation and measured data imaging results demonstrate the feasibility of the algorithm． Key words： synthetic aperture radar； high squint； radar imaging
exp － jπγ
0 n 0 2 m 2 0
(
)
exp － j 4 π R （ t m ； R0 ） λ
(
)
（ 6）
式中： 第 1 项为回波信号距离向的延迟； 第 3 项为快时 t 的二次相位项； 第 4 项与快时间 ^ t 无关， 间^ 是慢时间 t
m
对 S2 作距离向的傅里叶变换得到距离向脉冲压缩后 的信号为 S2 （ fr ， tm ； R0 ） = sinc ΔT fr +
Xn V exp jπK2 t m －