机载并行双站大斜视SAR两步式成像算法

冉金和 张剑云 武拥军



机载并行双站大斜视SAR两步式成像算法

冉金和*张剑云 武拥军

(合肥电子工程学院 合肥 230037)

该文提出了机载并行双站大斜视SAR的两步式成像算法。针对双站大斜视回波信号的距离-方位强耦合，在距离频域-方位时域校正收、发载机大斜视引起的大距离走动，然后推导改进点目标频谱公式，并用Chirp Scaling方法校正残余距离徙动得到成像结果。针对成像结果中出现的点目标位置偏移的问题，推导了成像场景到地面场景的目标位置校正方法。最后，通过仿真验证了所提的两步式成像算法和目标位置校正方法的有效性。

双站SAR；大斜视；距离走动校正；目标位置校正

1 引言

机载并行双站SAR保留了双站SAR的优点，又能利用回波的方位空(移)不变性构建成像算法，成为双站SAR优先发展 的构型之一[1]。其大斜视工作时，雷达波束可重访热点区域，提高了系统的机动性，又可以远离成像区域成像，具有较高的安全性，所以更能满足未来战争的需求[2,3]。

为此，本文针对机载并行双站条带大斜视SAR的成像问题，提出一种两步式成像算法。算法分线性距离徙动校正(LRWC)与残余距离徙动校正两步校正距离徙动，在距离频域-方位时域实施LRWC以削弱回波距离-方位2维耦合并减小距离徙动空变性，推导了LRWC后的改进点目标频谱公式(MELBF)，运用CS方法校正残余距离徙动提高成像效率。推导了观测场景的任一点目标的位置偏移校正方法以解决成像结果位置偏移的问题。仿真表明，算法能很好地实现机载并行双站大斜视SAR成像，同时本文目标位置偏移校正方法能有效解决整个观测场景成像结果的位置偏移问题。

2 机载并行双站大斜视SAR信号模型

图1 机载并行双站大斜视SAR几何模型

3 LRWC及改进BPTRS推导

其中

3.1 距离走动校正

对式(2)做距离向FFT同时分离出距离走动对应的相位项：

式(6)的相位函数能有效减小回波信号的距离-方位2维耦合，同时将多普勒质心校正为零值，式(5)乘以式(6)可得LRWC后的回波信号。

3.2 改进BPTRS推导

对LRWC后的回波信号做方位向FFT，并运用驻定相位原理[12]求解积分，得到回波频谱表达式：

4 成像算法构建

4.1 算法推导

图2 回波频谱比较

结合式(11)的距离压缩相位项及式(13)的SRC项，得到新的距离调频率：

将式(12)代入式(13)中的方位调制项与残余距离徙动项，并进行整理得到：

对式(18)与式(21)各相位项物理意义及处理方法做如下说明：

综上，本文LRWC方法很好地削弱了双站大斜视带来的回波频谱2维强耦合，且回波距离空变性大大减小，故可采用传统的单站SAR成像方法消除回波距离空变性得到成像结果。CS方法运用相位函数相乘校正距离徙动，避免了插值运算，是一种高效简捷的距离徙动校正方法[7,13]，本文采用CS方法构建成像算法。

4.2目标位置偏移校正

LRWC在校正距离走动的同时，使得原本位于不同斜距处的目标位于同一斜距，导致目标产生距离向位置偏移。为获得正确的成像结果，需校正因LRWC带来的位置偏移，其可视为LRWC的逆过程，在距离频域-方位时域乘以一相位函数完成，相位函数表达式为

校正距离向位置偏移后，由于双站斜视工作，目标存在方位向的线性倾斜，其倾斜相位函数为。实际上，并行双站SAR回波的距离空变性决定其多普勒质心也具有距离空变性，从而使同一方位向不同距离向的点目标存在方位向位置偏移。以中心点目标为参考，数据块内与在同一方位向不同距离向的点目标为　,为相对于在地面坐标系下的距离偏移。运用数值计算方法可将与的多普勒质心差值表示为的函数：

具体校正目标位置偏移时，第1步是根据式(25)校正因LRWC带来的距离向位置偏移，第2步是根据式(29)将目标位置从成像场景坐标转换到地面场景坐标，第3步是根据式(28)校正目标方位向位置偏移，至此，成像结果将正确聚焦在地面场景坐标系下。

4.3 算法流程

本文构建的机载并行双站大斜视SAR两步式成像算法流程图如图4。决定回波距离分块的主要因子为残余距离徙动与二阶相位误差，可借鉴文献[15]的数据分块准则进行分块。

图4 本文算法流程图

5 仿真分析

图5给出了本文算法的成像结果。从图5(a)可知，成像良好，但由于LRWC与多普勒质心的距离空变性，导致点目标在距离向和方位向均存在位置偏移。经目标位置校正后，点目标在距离向和方位向均较好地聚焦在正确的位置，如图5(b)所示，其中点目标的位置坐标为(-598.90 m, 0.59 m)，点目标的位置坐标为(600.80 m, -0.72 m)，其相对于真实位置偏移均小于一个分辨单元，验证了本文推导的目标位置校正方法的有效性。

图6给出了图5(b)中同一方位向不同距离向的3个点目标成像结果的等高线图(均未加窗函数)，由图6可知，算法对相距1.2 km的3个点目标在距离向和方位向均能很好地聚焦。

表1给出了图5(b)中标识的5个点目标的成像结果性能参数，包括点目标沿距离向和方位向的峰值旁瓣比(PSLR)和积分旁瓣比(ISLR)的测量值(均未加窗函数)。由表1可知，算法在双站大斜视情况下的点目标成像指标均接近理论值，成像结果理想，表明算法能很好地解决机载并行双站大斜视SAR成像问题。

图5 算法成像结果

图6 部分点目标成像结果

图7 算法成像性能比较

表1 部分点目标成像性能指标

6 结束语

本文提出的两步式成像算法立足于机载并行双站SAR大斜视工作模式。算法流程基于精确的解析表达式，只包含FFT和相位函数相乘，保留了原始CS方法保相、精确高效的优点，成像结果理想。推导的目标位置偏移校正方法能很好地解决观测场景内任一点目标的位置偏移问题，得到了地面场景坐标系下观测场景点目标的精确成像结果。此外，算法在调整双站系统参数的基础上，可进一步拓展到其它双站模式，如星载并行双站大斜视SAR成像。

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冉金和： 男，1986年生，博士生，研究方向为合成孔径雷达成像算法.

张剑云： 男，1963年生，教授，博士生导师，主要研究方向为雷达及目标环境模拟、雷达信号处理、高速信号处理.

武拥军： 男，1970年生，硕士生导师，研究方向为天线技术与微波成像.

Two-step Imaging Algorithm for Airborne Parallel High Squint SAR

Ran Jin-he Zhang Jian-yun Wu Yong-jun

(,230037,)

A two-step imaging algorithm for focusing airborne parallel high squint Synthetic Aperture Radar (SAR) data is proposed in this paper. For the serious cross coupling of echo signal in bistatic high squint SAR, Linear Range Walk Correction (LRWC) is performed in range frequency-azimuth time domain to correct the large LRW induced by the high squint model of receiver and transmitter. A Modified Bistatic Point Target Reference Spectrum (MBPTRS) is derived, and residual Range Cell Migration (RCM) is corrected by Chirp Scaling (CS) method to get the focusing result. To solve the target position displacements in the focusing result, a method of target position correction that converts the focusing image to the ground plane is derived. Finally, the experimental results with simulated data validate the effectiveness of the proposed two-step imaging algorithm and the method of target position correction.

Bistatic SAR; High squint; Range Walk Correction (RWC); Target position correction

TN958

A

1009-5896(2014)05-1036-08

10.3724/SP.J.1146.2013.00945

冉金和 jinhe_ran@163.com

2013-07-01收到，2013-11-01改回