星载合成孔径雷达的数字成像处理[1]用处不大

星载合成孔径雷达的数字成像处理

星载合成孔径雷达的数字成像处理

袁孝康　(航天工业总公司八院509所 上海200240)

　　文　摘　对星载合成孔径雷达的数字成像处理过程进行了详细的阐述,其中包

括点目标回波信号的分析,距离压缩,距离徙动校正,方位压缩,多普勒参数估计,参考函数的形成和更新,多视处理等内容。还介绍了数字成像处理的实现方法。

主题词　合成孔径雷达　数字成像处理　成像处理　数据处理　信号处理

数据流自身中提取这些参数值的杂波锁定和

1　概述

合成孔径雷达(SAR)是一种全天候、全

天时的现代高分辨率侧视成像雷达。它利用天线和目标之间的相对运动,通过信号设计与处理来获得方位和距离两个方向的高分辨率。具体地说,SAR通过发射短脉冲或利用脉冲压缩技术来获得距离向高分辨率,并通过天线与目标之间的相对运动造成的回波相干相位的变化(即多普勒频率)的处理来得到方位向的高分辨率。成像处理是SAR的最显著的技术特征和核心。

与机载SAR成像处理相比较,星载SAR成像处理的难度大为增加。这是因为:

a.由于飞行轨道高,天线波束照射范围很宽,因此数据量将有几个数量级的扩大,要求的计算量、计算速度和存储量都大为增加;

b.地球自转造成的目标走动和大合成孔

自聚焦功能。

SAR的成像处理有光学成像处理和电子成像处理两大类型。其中数字电子成像处理特别适合于星载SAR。这是因为数字处理精度高、可靠性好、能灵活地完成自动聚焦、旁瓣控制、距离徙动校正以及各种校准,从而获得更好的图像质量。本文将着重阐述星载SAR的数字成像处理过程和实现方法。

2　数字成像处理过程

2.1　点目标的回波信号

星载SAR的空间几何关系如图1所示。星载SAR以速度vs运行,高度为H。

xoy

径引起的距离弯曲现象十分明显;

c.点目标响应的散布范围大,必须研究有效的二维压缩算法;

d.卫星轨道和姿态数据具有不确定性,为了得到精确的成像参数,必须引入从SAR

收稿日期:1996212220

图1　SAR的空间几何关系

星载合成孔径雷达的数字成像处理

为地平面,x轴沿航迹方向,y轴垂直于航迹方向。成像目标点的坐标由该目标位于雷达波束中心时的平台位置xc及此时的相对斜距Rc决定。

　　设SAR发射的是脉冲线性调频信号

π(fct+Kt2/2)],vt(t)=cos[2

|t|≤τp/2

(1)

的多普勒中心频率fD和多普勒调频率fR来

决定。注意,fD和fR都是sc和Rc的函数。

将接收信号变为基带信号,则有

πR(s)/λ] 　vB(s,t)=exp[-j4

πK[t-2R(s)/c]2}exp{j

|s-sc|<Ts/2|t-2R(s)/c|<τp/2

(9)

其中fc为载频,K为线性调频率,τp为脉冲

τ宽度。因此,发射信号带宽为B=Kp。

对于点目标(xc,Rc)来说,其回波信号为

vr(s,t)=exp{jzπ[fc(t-z)+

)2/2]}K(t-τ

(2)(3)(4)

不难看出,式(9)表示的点目标回波基带信号

是一个在(t,s)域中呈二维散布的信号,如图2所示。成像处理的任务就是要把这个二维散布信号压缩为一个点,从而得到反映点目标散射特性的高分辨率的图像信号

(注意,在以上有关公式中,已假定点目标反射系数为1,但这并不影响成像过程的推导)。

式中

τ=2R(s)/c

而　　R(s)=Rc+R c(s-sc)+

R¨c(s-sc)/2

2

式(2)适用的范围为

τ|t-2R(s)/c|≤p/2

(5)　　　　　

|s-sc|<Ts/2

我们把t称为快时间变量,τ=2R/c为无线电波通过相对距离R的双程时延;把s称为慢时间变量,即SAR飞行x距离所需要的时间,s=x/vs。Ts为合成孔径时间或称为SAR的积累时间,其最大值为SAR能收到

点目标回波信号的最长时间,它由SAR飞越实际天线的方位波束地面宽度的时间决定,即

λR(6)

vs2ρavs

其中βa为天线方位波束宽度,ρa为SAR的

Ts=

图2　点目标回波信号的散布

2.2　距离压缩

βR

=

基带信号式(9)在t方向的压缩即距离

压缩是方便的,因为可以在同一回波期间内认为s为常数,并且相关函数的参数是已知的。为了提高计算效率,一般都是通过快速卷积(FFT)对各脉冲回波信号进行匹配滤波处理来实现的,其功能框图如图3所示。　　可以证明,频域匹配滤波器的转移函数为

1/2

ππf2/K),Hr(f)=Kexp(j/4)exp(j

|f|<B/2

(10)

方位向分辨率。

考虑到

fD=-2R /λ　　fR=2R¨/λ

(7)

可以把式(4)改写为

R(s)=Rc-(λ/2)[fD(s-sc)+

fR(s-sc)2/2]

(8)

也就是说,相对距离可以用点目标回波信号

星载合成孔径雷达的数字成像处理

28　　　　　　　　上　海　航　天1997年第4期　

图3　距离压缩功能框图

相应于式(10)的时域特性,即冲激响应函数

为

πKt2),|t|<τhr(t)=exp(-jp/2(11)式(9)的信号经图3距离压缩处理后的响应

为

πR(s)/λ] g(s,t)=Bexp[-j4

sinc{πB[t-2R(s)/c]},

|s-sc|<Ts/2

(12)

其中函数sinc(x)=(sinx)/x,式(12)的主瓣4dB宽度为1/B,而不是δ函数形,这是因为发射带宽有限的结果。不难看出,式(12)表示的各脉冲距离响应是位于轨迹t=2R(s)/c上,如图4

所示。

图4　点目标回波距离压缩后的波形轨迹

　　在距离压缩过程中,适当选择和设计加权函数可以压低旁瓣电平,但要使主瓣展宽和信噪比的损失尽可能小。合适的加权函数可以是余弦平方函数(广义海明加权),也可以是具有等旁瓣特性的泰勒加权。2.3　方位压缩

2.3.1　方位压缩是二维处理

缩,现在的任务是要在s方向上实现压缩,即

方位压缩。由于式(12)sinc函数中存在2R(s)/c项,使得距离压缩后信号波形的轨迹不是沿着平行于图4的s轴方向,而是发生了曲线偏离,这就是距离徙动现象。直观上讲,这是由于在合成孔径时间内,目标和雷达间的距离变化量通常大于一个距离分辨单元,从而使得同一目标的回波走出若干距离分辨单元的结果。这就使方位相关处理(即方位压缩)成为二维处理。因此,方位压缩要比距离压缩困难得多。可以这样说,方位压缩是SAR信号处理的特征与关键所在。各种不同的成像算法也是针对不同的方位压缩方法而言的。其中包括:时域相关处理;频域相关处理;距离-多普勒方法;频率分析处理;ω2K算法(也称二维波方程算法)。不同的成像算法在精度(影响最终成像质量)和运算量(影响成像速度和处理机成本)等问题上各有得失。

最常用的是距离-多普勒算法。它是通过两个步骤来实现二维方位相关处理的:首先是对距离压缩后数据进行距离徙动校正,然后进行一维的快速卷积,实现方位聚焦。虽然距离徙动校正和一维方位聚焦只是二维相关处理的一种近似方法,近似的程度(精度)取决于距离徙动校正的精度,但运算量却大为降低,从而使该算法被广泛采用。下面只阐述距离-多普勒算法。2.3.2　距离徙动的校正

由式(8)可以求出距离徙动量为ΔR=R(s)-Rc=-(λ/2)[fD(s-sc)+

fR(s-sc)2/2]=ΔR1+ΔR2

(13)(14)(15)

式中

ΔR1=-λfD(s-sc)2/2

2ΔR2=-λfR(s-sc)/4

由图4与图2的比较可知,经距离压缩后点目标回波信号在t方向上的散布已被压

以上各式中|s-sc|<Ts/2。ΔR1是距离的线性走动(又称距离游动),主要是由目 …… 此处隐藏：7881字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……