带有多普勒中心空变校正的大斜视SAR成像方法

李震宇,陈溅来,梁 毅,邢孟道,保 铮

(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)

带有多普勒中心空变校正的大斜视SAR成像方法

李震宇,陈溅来,梁 毅,邢孟道,保 铮

(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)

在大斜视合成孔径雷达成像中,常采用时域校正线性走动的方法来消除距离方位的耦合性,但现有的成像算法仅考虑走动校正带来的方位向调频率的空变,而忽略多普勒中心的二维空变,这将严重影响图像聚焦.文中详细分析了多普勒中心二维空变对聚焦的影响,提出一种带有多普勒中心空变校正的方位向处理新方法,提高了聚焦质量.仿真结果及实测数据验证了该方法的有效性.

大斜视合成孔径雷达;线性走动校正;多普勒中心空变

与正侧视合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)相比,斜视SAR成像具有很多独特的优点,例如:通过调整天线指向可对某感兴趣区域进行多次重复观测,在搭载平台飞越待观测区域上空前即完成成像处理[1],独特的优势使得斜视SAR有着更加广泛的应用.随着斜视角的增大以及实时处理的需求,给大斜视SAR成像带来困难,因此,针对大斜视SAR成像的研究具有重要意义[2].

针对大斜视SAR成像,文献[3]提出一种CA Omega-K的成像方法,实现良好聚焦.由于Omega-K在二维频域实现数据处理无法适应参数的变化,如斜视角的空间变化等,而且复杂的插值会降低成像效率,不利于实时处理;文献[1-2]提出的非线性调频变标(Nonlinear Chirp Scaling,NCS)成像方法能够很好地解决大斜视SAR成像问题;文献[4-8]在此基础上进一步提升了NCS精度,提升了方位向聚焦深度.但是这些文献均基于全孔径算法处理,无法应用于实时成像.针对实时成像,子孔径类成像算法更具有优势;文献[9-10]详细分析了子孔径成像优势,并给出了相应的成像算法,但这些算法均未考虑多普勒中心空变对大斜视SAR成像的影响,这将严重影响最终聚焦质量.笔者基于子孔径数据,详细分析了多普勒中心的空变对聚焦的影响,提出一种改进的方位向处理方法,提高了聚焦质量;最后,通过仿真数据和实测数据处理,验证了该方法的有效性和实用性.

1　大斜视几何关系及斜距模型

大斜视SAR成像几何模型如图1所示,雷达工作在条带模式,平台高度为h,以速度v沿ABC匀速直线飞行,波束射线指向的斜视角为θ,γ为X轴与波束中心线在地面投影的夹角.令R为波束中心线扫过目标P时的斜距,由图1的几何关系可知,地面任意点目标P′到雷达的瞬时斜距为

图1　大斜视几何模型

其中,tm为方位慢时间;xn=vtn,tn为天线波束中心穿越目标点的时刻;sinθ=cosγ(R2-h2)1/2R.式(1)中,距离与方位严重耦合,这给成像处理带来困难.为降低这种耦合性,常采用时域线性走动校正[1-2],校正后的斜距可表示为

需要注意的是,式(2)中仍存在一个线性残留量,这个残留量对后续的成像处理会带来很大影响,而现有文章常忽略了这部分影响.

2　方位向处理

对于大斜视SAR成像,线性走动校正会导致方位相位空变,这是由于原先位于同一距离单元的点,如图2所示,点A、B、C,经过走动校正后位于不同距离单元,使得方位平移不变性不再存在.对斜距式(2)分析,在方位聚焦处tm=xnv,斜距R0=R+xnsinθ0,即R=R0-xnsinθ0.易知,走动校正后,方位多普勒系数包括残留多普勒中心均随着方位位置变化而变化,这将严重影响方位聚焦.

图2　时域线性走动校正示意图

2.1多普勒中心空变对聚焦影响分析

采用文献[1]的距离向处理方法,剩余的方位相位可表示为

其中,Δfdc(R0,xn)为残留线性项对应的残留多普勒中心,fdr(R0,xn)为方位调频率,fdt(R0,xn)为方位时域三次项系数.为简化后续处理,这里对多普勒系数在tn=0处进行泰勒近似展开,将两维空变的多普勒参数分成方位空变量和方位非空变量,其中

现有针对大斜视SAR成像的参考文献均未考虑Δfdc(R0,xn)项,这部分残留量对于一般小斜视窄波束成像影响较小,而对于大斜视宽幅成像,对方位聚焦有着很大的影响.与文献[1]对比,由残留多普勒中心引起的方位向相位残留量在方位频域可表示为

其中,第1项影响方位向最终聚焦位置,而第2项严重影响了方位聚焦.换句话说,Δfdc(R0,xn)引入一个方位二次相位,该相位将改变原先的调频率.因此,在后续的推导中不可忽略多普勒中心的空变.

2.2方位向处理步骤

为消除多普勒中心及方位调频率空变对聚焦的影响,文中提出了一种改进的方位非线性变标方法.该方法对距离向处理完成信号[10],为削弱多普勒中心空变对方位聚焦的影响,先补偿其沿距离向空变因子,即

对补偿完后的信号引入相位滤波因子.该项因子主要为后续变标处理提供足够的系数,可表示为

将引入滤波因子后的表达式变到方位频域,可得

为消除多普勒中心以及方位调频率的方位空变性,这里引入改进的方位非线性变标因子,即

将式(8)与式(9)相乘,并变到方位时域,可得

上式中,第1项与方位位置无关,可以统一聚焦;第2项表示方位最终的聚焦位置;第3项为方位形变项,影响方位最终聚焦位置;第4项则严重影响方位聚焦质量;最后一项为常数项,可忽略.综上,建立如下方程组:

求解方程组式(11),可得

将式(12)代入式(9),可得最终的方位统一聚焦因子,即

2.3方位向预处理及算法流程

由于补偿的多普勒中心距离向空变是一个线性分量,这个线性分量会导致二维频谱的斜拉,由“矩形”变为“平行四边形”.正如线性走动校正会将斜视的斜谱扳成“矩形”频谱,如图3(a)和图3(b)所示,这个过程被称为“斜视最小化”[2].多普勒中心的距离向空变校正会使得校正后的二维频谱存在一个斜率k,这个斜率导致频谱的斜拉,斜率及斜拉后的频谱可表示为

其中,Ba为方位向带宽,Br为距离向带宽,Rs为参考距离斜距.对于大斜视成像,斜拉后的距离向频谱很有可能超过距离向采用率,导致距离向频谱混叠,如图3(c)所示.当超过距离向采样率时,最终成像点的二维插值图会出现旁瓣混叠.为得到清晰的二维插值图,需进行距离向升采样预处理,得到的无混叠的频谱如图3(c)和图3(d)所示.

图3　线性分量对二维谱的影响

综上所述,改进的方位向处理流程如图4所示.

图4　改进的方位向处理流程图

3　数据处理结果与分析

为了验证改进的方位向处理方法的有效性,下面通过对仿真数据以及实测数据处理来进行说明.

表1　雷达参数

大斜视SAR系统仿真参数如表1所示.如图5所示,地面场景中点2为场景中心点作为对比,沿波束视线方向布置点1,与中心点2相距1 km;沿着飞行方向放置点目标3,xn=1 km.易知,与点2目标相比,点1只存在沿距离向的方位多普勒中心空变,而点3则存在着两维多普勒中心空变.

图5　点目标布置示意图

图6(a)给出了3个点目标未校正多普勒中心二维空变时方位剖面图,容易看出,由于未考虑多普勒中心空变,与场景中心点2相比,点1和点3都严重散焦.图6 (b)给出考虑了多普勒中心沿距离向空变,未考虑沿方位空变时点目标的方位剖面图,由于点1只存在距离向的空变,补偿距离向空变后,聚焦效果得到大幅提升,而点3还存在着沿方位的多普勒中心空变,聚焦效果较差.图6(c)给出了文中改进方法的结果图,对比易知,文中算法明显改善了大斜视SAR成像方位聚焦质量.

为进一步验证距离向升采样预处理,以点2为例,图7(a)给出未进行距离升采样时点目标的二维插值图,由于未考虑频谱的反折,使得最终插值图出现旁瓣混叠.图7(b)给出了距离升采样后的二维插值图,易看出,升采样后的插值图不存在混叠,旁瓣明显分开.

为进一步验证文中方法的有效性,对机载实测数据进行处理.图8(a)给出未校正多普勒中心空变的成像结果,图像呈现“弧形”,聚焦效果差;图8(b)给出校正多普勒中心距离向空变未校正沿方位空变的结果,图像整体“扳正”,无明显散焦;图8(c)给出多普勒中心二维空变校正后的结果图.选取图8(b)与图8(c)的角反进行对比,容易发现,未校正方位空变时角反未明显分开,而校正后角反明显分开,充分验证了文中方法的有效性.

图6　点目标方位剖面图

图7　点1二维插值图

4　总 结

笔者针对大斜视SAR宽幅成像中多普勒中心空变问题,提出了一种改进的方位向处理方法.首先,分析了多普勒中心二维空变对方位聚焦的影响;然后,补偿了多普勒中心距离向空变,由于距离向的空变校正会导致距离谱的反折,需要进行距离升采样;最终,通过引入改进的方位非线性变标因子校正了多普勒中心方位空变.点目标仿真与实测数据处理验证了文中方法的有效性与实用性.

图8　实测数据处理结果

[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,杨军,梁毅,等.弹载SAR子孔径大斜视成像方位空变校正新方法[J].西安电子科技大学学报,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.弹载合成孔径雷达大斜视子孔径频域相位滤波成像算法[J].电子与信息学报,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.

(编辑:齐淑娟)

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

时间:2015-07-27

国家自然科学基金资助项目(61101245);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(K5051302046)

李震宇(1991-),男,西安电子科技大学博士研究生,E-mail:zhenyuli̠2012@sina.com.

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