专利名称：四种模式的合成孔径雷达统一成像方法
技术领域：
本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及多模式SAR的聚焦，可用于机载、星载平台SAR成像处理。
背景技术：
合成孔径雷达SAR成像属 于高分辨成像技术，在距离方向，它通过发射大带宽信号获得高分辨；在方位方向，用一个运动的传感器模拟一个长的天线阵列，得到在该方向上较好的分辨率。近半个世纪以来，SAR成像理论和技术有了很大发展，并得到了广泛的应用，如遥感和地图测绘。到目前为止，常用SAR成像模式基本有四种，分别是条带SAR模式、聚束SAR模式、滑动聚束SAR模式和TOPS SAR模式，不同模式成像处理算法不同，针对每一种模式SAR的成像处理研究已经非常多了。对于条带模式SAR来说，成像算法主要有距离多普勒算法RDA，调频变标算法CSA，距离徙动算法RMA，这些成像算法的基础是方位平移不变性，通过将信号变换到距离-时域和方位-多普勒域，完成距离单元徙动校正，这些算法都可以归结为多普勒域算法。对于聚束SAR模式而言，由于波束始终指向固定的场景，较长的相干积累时间导致方位信号带宽非常大，一般超过脉冲重复频率PRF。一种有效的成像算法是在极坐标下通过方位解斜解决频谱混叠问题，该方法的成像质量受距离弯曲影响比较严重。另一种称为“两步处理”的算法通过方位向卷积获得频谱，进而通过频谱分析避免混叠现象，然后采用条带式处理方法对场景进行成像处理。为了扩宽测绘带或提高分辨率，F. D. Zan和A. M. Guarnieri提出了地形观察逐步扫描TOPS SAR和滑动聚束SAR，这两种模式的天线都固定指向旋转中心，针对这种不同于条带SAR模式和聚束SAR模式的特点，一些基于子孔径的成像处理方法被提了出来，这种方法是将数据划分到很多子孔径并分别进行下采样，然后通过传统的条带式成像算法校正距离徙动，最后对子孔径数据进行整合。然而这些方法并不适用于条带SAR或聚束SAR的成像。作为另一种思路，一种对“两步处理”改进后的方法也可应用于TOPS SAR和滑动聚束SAR模式成像，针对该算法中直接的方位匹配滤波或方位向基带压缩可能会造成方位图像混叠，G. Engen提出了一种不用子孔径处理TOPS SAR数据的移动频带chirpz转换方法，Sun提出了一种适用于这两种SAR数据的统一处理算法，这种方法虽然可以避免方位频谱以及方位图像的混叠问题，但是仍然不适用于聚束SAR或条带SAR的成像处理。以上成像处理算法都只针对一种或两种SAR模式，而不能同时兼顾四种SAR模式。针对不同的模式就需要在载机上安装相应的成像处理模块，增加了研究成本，在成像场景未知的情况下更带来了很多的不便
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种四种模式的合成孔径雷达统一成像方法，以降低载机试验成本，并适应不同的场景及分辨率要求。本发明是这样实现的 通过对条带SAR，聚束SAR，滑动聚束SAR和TOPS SAR信号模型和信号特性进行分析，给出这些模式信号的内在联系，即不同模式的唯一区分表现是其旋转中心距离不同，利用分数阶傅里叶变换原理，对不同模式的信号做相应的旋转处理，使不同模式下的信号模型近似相同，从而能实现统一的成像处理。具体步骤包括如下(I)接收原始合成孔径雷达SAR的回波信号，并进行距离向傅里叶变换处理；(2)对距离向傅里叶变换处理后的回波信号进行两次分数阶傅里叶变换，完成回 波信号在条带SAR，聚束SAR，滑动聚束SAR和TOPS SAR这四种成像模式下的时频坐标旋转;(3)对坐标旋转后的回波信号进行距离向逆傅里叶变换，然后进行方位变标处理；(4)对方位变标处理后的回波信号的距离徙动进行校正；(5)对距离徙动校正后的回波信号进行相位补偿，将相位曲线由双曲线补偿为直线，相位曲线补偿函数为
权利要求
1.四种模式的合成孔径雷达统一成像方法，包括如下步骤 (1)接收原始合成孔径雷达SAR的回波信号，并进行距离向傅里叶变换处理； (2)对距离向傅里叶变换处理后的回波信号进行两次分数阶傅里叶变换，完成回波信号在条带SAR，聚束SAR，滑动聚束SAR和TOPS SAR这四种成像模式下的时频坐标旋转； (3)对坐标旋转后的回波信号进行距离向逆傅里叶变换，然后进行方位变标处理； (4)对方位变标处理后的回波信号的距离徙动进行校正； (5)对距离徙动校正后的回波信号进行相位补偿，将相位曲线由双曲线补偿为直线，相位曲线补偿函数为· ( \H ( fa) = exp ^Jfam2 - fa2/v) exp j2v / 2 , \ / 其中€ = 2^/入，4为回波信号多普勒，u为载机飞行速度，Rb为载机到场景最近距离，λ为回波信号波长，exp为以自然对数e为底的指数函数。
(6)对补偿了相位曲线后的回波信号进行两次分数阶傅里叶变换，实现方位聚焦即成像； (7)将方位聚焦后的回波信号乘以剩余相位补偿函数H(Ud)，以去除剩余相位，使成像结果具有相位保留功能， / \ Tjf \ .COt ]Q H (^D I = exp —J-UQz， VJ 其中，Ud为第四次分数阶傅里叶变换后的坐标轴。
2.根据权利要求I中所述的四种模式的合成孔径雷达统一成像方法，其中步骤(2)的具体实现如下 (2a)依据不同的合成孔径雷达成像模式，确定回波信号时频图，得到倾斜时频分布Lp时频分布宽度L2及时频支撑区等效倾斜角度η ； (2b)以第一次分数阶傅里叶变换的旋转因子α，对距离向傅里叶变换处理后的回波信号进行第一次分数阶傅里叶变换，完成时频坐标轴的第一次旋转，并分别计算得到倾斜时COS ( Ci _Ti I频分布L1到旋转后坐标轴的投影长度B1为Ω1 = Γχ^^时频分布宽度L2到旋转 CuS Ij后坐标轴的投影长度a2为a2 = 2 XBinstXsina ,第一次分数阶傅里叶变换处理后的回波信号支撑区长度％为 = 2ji Xsina XPRF，这三个长度需要满足不等式&1+a2彡a3，即 cos (α — 7])T---- + iIiiBinsi sin a < Mt A ua = 2ττ sin a PEF , COST/ 其中，T表示方位合成时间，η表示原始回波信号时频支撑区等效倾斜角度，Binst表示回波信号瞬时带宽，Mt表示回波信号在^坐标的点数，△ ιιΑ表示回波信号在第一次分数阶傅里叶变换后Ua坐标的尺度，PRF表示脉冲重复频率，α表示第一次分数阶傅里叶变换的旋转因子； (2c)以第二次分数阶傅里叶变换的旋转因子β，对第一次分数阶傅里叶变换后的回波信号进行第二次分数阶傅里叶变换，完成时频坐标轴的第二次旋转，并计算得到倾斜时频分布L1到第二次旋转后坐标轴的投影长度Id1为A1 = TXtan η，时频分布宽度L2到第二次旋转后坐标轴的投影长度匕为b2 = 2π XBinst，第二次分数阶傅里叶变换处理后的回波信号支撑区长度匕为
3.根据权利要求I中所述的四种模式的合成孔径雷达统一成像方法，其中步骤(6)的具体实现如下(6a)以第三次分数阶傅里叶变换的旋转因子Y，对第二次分数阶傅里叶变换后的回波信号进行第三次分数阶傅里叶变换，完成时频坐标轴的第三次旋转，并分别计算得到倾斜 时频分WL1到第三次旋转后坐标轴的投影长度C1为
全文摘要
本发明公开了一种针对条带SAR、聚束SAR、滑动聚束SAR和TOPS SAR四种模式的合成孔径雷达统一成像方法，主要解决现有技术受合成孔径雷达模式限制的问题。其实现过程是(1)接收平台原始合成孔径雷达回波数据，并对回波信号进行距离向傅里叶变换；(2)对回波信号进行两次分数阶傅里叶变换，并作方位变标处理；(3)对回波信号进行距离徙动校正并将其相位曲线由双曲线补偿为直线；(4)进行两次分数阶傅里叶变换，实现聚焦成像，并去除剩余相位。本发明通过简单的参数设定即可完成针对四种模式的合成孔径雷达成像，能够适应不同的场景及分辨率要求，应用范围广泛，可用于地图测绘，目标识别等领域。
文档编号G01S7/02GK102879784SQ20121041221
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者孙光才, 邢孟道, 张升, 保铮 申请人:西安电子科技大学