专利名称：高速平台超高分辨率sar数据预处理方法
技术领域：
本发明属于雷达信号处理领域，涉及高速平台超高分辨率SAR数据的预处理方法，用于运动平台为卫星、导弹以及超高音速无人机的高速运动平台超高分辨率SAR成像。

背景技术：
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，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。
传统SAR成像方法包括用于超宽带SAR数据的后向投影算法、距离徙动算法，和进行分维处理的距离多普勒算法、chirp sealing算法、频率变标算法以及精度更高的分维算法如非线性调频变标NCS算法等，大多数是基于对SAR的“走停运动”假设。“走停运动”假设即SAR在一个位置停下来发射、接收信号，然后移向另一个位置。基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号仅仅是发射信号的简单时延。然而雷达与目标相对运动，使得SAR回波信号的频率较发射信号而言发生了变化，这种变化被称为多普勒频移。这使得真实的SAR回波信号不仅仅是发射信号的简单时延，其信号形式发生了变化。信号形式的变化使得基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号相位不同于真实SAR回波信号相位。这种相位偏差的存在会影响到传统SAR成像方法的效果。对于窄带SAR回波信号而言，这种相位偏差较小，对成像的影响是可以忽略的。SAR未来向高精度高分辨发展的趋势必然要求雷达发射信号提高发射带宽。对于分辨率在厘米量级的超高分辨率SAR而言，尤其当运动平台速度很高时，相位偏差增大，相位偏差对成像的影响无法忽略，此时基于“走停运动”假设的传统SAR成像方法不再有效。
国内外对不满足“走停运动”假设的SAR数据处理方法的研究有很长的历史。现有的研究主要集中于对调频连续波SAR数据处理方法的研究。此类方法假设雷达信号传输过程中雷达载体与目标之间相对静止，适用于雷达作用距离比较近的情况，例如机载SAR。而当雷达作用距离比较远时，如超高分辨率星载SAR，这种假设是不适用的。由于高速平台超高分辨率SAR的雷达作用距离较远，从而该类处理方法对于高速平台超高分辨率SAR数据是不适用的。由于现有SAR成像方法不再有效，因此需要对高速平台超高分辨率SAR数据的处理方法进行研究。


发明内容
本发明的目的是提供一种高速平台超高分辨率SAR数据预处理方法，以克服传统SAR成像技术对于高速平台超高分辨率SAR回波数据成像精度不高，以及现有调频连续波SAR数据处理方法不适用于高速平台超高分辨率SAR回波数据处理的问题。
本发明是这样实现的 在运动平台速度高至上千米每小时的情况下，对于距离向和方位向频带宽度都很宽的脉冲式超高分辨率SAR，其回波不再仅仅是发射信号的简单时延，基于“走停运动”假设的传统脉冲式SAR回波模型不足以精确的描述回波信号，从而建立在传统脉冲式SAR回波模型基础上的成像方法不再有效。本发明给出了一种高速运动平台超高分辨率SAR数据预处理方法，该方法将原始SAR回波信号补偿为基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号，从而使传统脉冲式SAR成像技术可以继续应用于高速平台超高分辨率SAR成像。具体过程包括如下 (1)接收高速平台超高分辨率SAR回波数据，并采用正交解调法对该回波数据进行去载频处理； (2)判断SAR回波数据方位频谱是否混叠，当方位多普勒带宽Ba大于方位采样率PRF时，则判为SAR回波数据存在方位频谱混叠，转入步骤3，反之转入步骤4； (3)将SAR回波数据与一个随距离向频率变化的二次相位参考函数作卷积操作，完成对SAR回波数据的方位解模糊处理，该二次相位参考函数表达式为 其中fc为发射信号的载频，fr为基带距离向频率，v为SAR运动平台有效速度，tm为方位时间，Rref为场景中心线到雷达的最近距离，c为光速； (4)利用“走停运动”假设判断式确定SAR回波信号是否满足“走停运动”假设，若SAR回波数据满足构建的“走停运动”假设判断式，则认为该高速平台超高分辨率SAR系统符合“走停运动”假设，结束预处理，反之则需要将SAR回波数据补偿为基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号，执行步骤(5)，该“走停运动”假设判断式为 其中B为发射脉冲的带宽，TP为发射脉冲的时宽，vr_max表示目标与雷达的最大径向速度，Ta为合成孔径的时宽，γ为发射脉冲的调频率； (5)在距离频域/方位频域，将SAR回波数据与构建的第一次相位补偿参考函数进行矩阵点乘，完成对SAR回波数据的第一次相位补偿， 该第一次相位补偿参考函数如下 其中fd为多普勒频率； (6)将进行了第一次相位补偿后的SAR回波数据进行方位向逆傅里叶变换，将其变换到距离频域/方位时域，并在距离频域/方位时域，将SAR回波数据与构建的第二次相位补偿参考函数进行矩阵点乘，完成对SAR回波数据的第二次相位补偿，得到满足“走停运动”假设的SAR回波数据，该第二次相位补偿参考函数如下 本发明具有如下优点 1)本发明由于通过相位补偿操作将不满足“走停运动”假设的高速运动平台超高分辨率SAR回波数据补偿为满足“走停运动”假设的SAR回波数据，从而能利用现有的基于“走停运动”假设的传统脉冲式SAR成像技术对高速运动平台超高分辨率SAR数据进行成像； 2)本发明由于采用对SAR回波数据进行方位解模糊处理，消除了由于高速平台超高分辨率SAR低脉冲重复周期导致的图像重影现象，最终可以得到高分辨率的清晰图像。
仿真结果表明，高速平台超高分辨率SAR回波数据通过本发明的预处理，可以继续使用传统脉冲式SAR成像技术进行成像，并且具有较好的成像效果。
以下结合附图和具体实施方式
对本发明的技术方案作进一步详细描述。



图1是本发明的SAR数据预处理流程图； 图2是本发明SAR数据预处理中相位补偿子流程图； 图3是未采用本发明预处理的SAR回波与现有基于SAR“走停运动”假设构建的SAR回波的相位差的仿真图； 图4是用本发明预处理后的SAR回波与现有基于“走停运动”假设构建的SAR回波的相位差的仿真图； 图5是采用传统距离徙动成像方法对未采用本发明预处理的SAR回波信号进行成像的结果图； 图6是采用传统距离徙动成像方法对通过本发明预处理的SAR回波信号进行成像的结果图。

具体实施例方式 参照图1，本发明对SAR数据的预处理步骤如下 步骤1，接收SAR回波数据，并采用现有正交解调法对该回波数据进行去载频处理。
步骤2，判断SAR回波数据方位频谱是否混叠，当方位多普勒带宽Ba大于方位采样率PRF时，则判为SAR回波数据存在方位频谱混叠，转入步骤3，反之转入步骤4。
步骤3，对SAR回波数据进行方位解模糊处理； 3.1通过将SAR回波数据与随距离向频率变化的二次相位参考函数Sref作卷积，实现SAR回波方位频谱不混叠； 该二次相位参考函数表达式为 其中fc为发射信号的载频，fr为基带距离向频率，v为SAR运动平台有效速度，tm为方位时间，Rref为场景中心线到雷达的最近距离，c为光速； 该卷积操作表示为 其中Sin和Sout分别表示输入SAR回波信号和方位解模糊处理后的输出SAR回波数据，i为输入方位时间采样序数，n为输出方位时间采样序数，n＝-Pmax/2，...，Pmax/2-1，Pmax为方位解模糊处理后的SAR回波数据方位采样点数，Δtin为接收的SAR回波数据在方位采样间隔，Δtout为方位解模糊处理后的SAR回波数据的方位采样间隔，fr为基带距离向频率，DFT[·]为离散傅立叶变换； 3.2为了补偿上述卷积操作对SAR回波数据的改变，在距离频域/方位频域，将通过卷积操作得到的SAR回波数据与随距离向频率变化参考函数Scom进行矩阵点乘，该参考函数Scom表示为 其中fd为多普勒频率。
步骤4，构建“走停运动”假设判断式，对SAR回波数据进行“走停运动”假设判断； 4.1构建符合SAR真实运动的SAR回波模型的相位为
其中 其中

为接收信号时刻的快时间，XN为目标沿平台运动方向的坐标位置，RN为雷达与目标的最近距离； 4.2根据高速运动平台超高分辨SAR系统的参数范围对上述4)式的相位进行近似，构建基于高速运动平台超高分辨SAR回波模型的相位

其中 4.3对基于高速平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波(其相位为上述5)式所示)去载频，得到基于高速运动平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号在距离频域/方位时域的相位为
4.4对基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号去载频，得到基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号在距离频域/方位时域的相位为
其中 4.5将步骤4.3中的基于高速平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号相位

与步骤4.4中基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号相位

的共轭进行相乘，得到基于高速平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号与基于“走停运动”假设方法构建的SAR回波信号的相位差为
4.6将上述8)式相位差

中关于fr的二次项表示为 这一项的存在会导致采用基于“走停运动”假设的传统距离脉压后，SAR回波数据的脉压结果中存在残余线性频率调制，用残余二次相位差的最大值来衡量残余线性频率调制给成像带来的影响，该残余二次相位差的最大值表示为 其中vr_max表示目标与雷达的最大径向速度，当QPEmax小于π/4时，残余线性频率调制对成像效果的影响可以忽略，从而得到“走停”假设判断式中的第一个判断式 其中B为发射脉冲的带宽，TP为发射脉冲的时宽，vr_max表示目标与雷达的最大径向速度； 4.7将8)式相位差

中关于fr的一次项表示为 该项的存在使得采用基于传统“走停”假设的距离徙动校正后，SAR回波数据仍会存在线性走动，当线性走动超过二分之一个距离分辨单元时，该线性走动对成像效果的影响可以忽略，得到“走停”假设的第二个判断式 其中Ta为合成孔径的时宽，γ为发射脉冲的调频率； 若SAR回波数据同时满足构建的两个“走停运动”假设判断式11)和13)，则认为SAR回波数据与基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号的差异可以忽略，并结束预处理，反之则需要将SAR回波数据补偿为基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号，转入步骤5。
步骤5，对SAR回波数据进行相位补偿处理； 参照图2，相位补偿处理的具体过程如下 在距离频域/方位频域，将SAR回波数据与构建的第一次相位补偿参考函数进行矩阵点乘，完成对SAR回波数据的第一次相位补偿；将进行了第一次相位补偿后的SAR回波数据进行方位向IFFT，将其变换到距离频域/方位时域，并在距离频域/方位时域，将SAR回波数据与构建的第二次相位补偿参考函数进行矩阵点乘，完成对SAR回波数据的第二次相位补偿，得到满足“走停运动”假设的SAR回波数据。其中，两次相位补偿参考函数，按如下过程进行构建 第一次相位补偿参考函数的构建 5.1在距离方位二维频域，将基于高速运动平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号的相位表示为
( 14)
5.2在距离方位二维频域，将基于“走停运动”假设方法构建的SAR回波信号的相位表示为
5.3在距离方位二维频域，将步骤5.1中基于高速平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号的相位

与步骤5.2中基于“走停运动”假设方法构建的SAR回波信号的相位

进行比较，两个相位在根式外的差异为 5.4将步骤5.3中的两个相位在根式外的差异表示为信号形式Hc1，并将Hc1作为第一次相位补偿参考函数 第二次相位补偿参考函数的构建 5.5在距离频域/方位频域，将基于高速运动平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号与第一次相位补偿参考函数进行矩阵点乘，矩阵点乘后的输出信号相位为
5.6在距离频域/方位时域，将上式的相位

与式7)所示的基于“走停运动”假设构建的SAR回波相位

进行比较，两个相位的差异为 5.7将步骤5.6中两个相位的差异表示为信号形式Hc2，并将Hc2作为第二次相位补偿参考函数 上述所有公式中，相同符号的含义均为相同。
至此，高速平台超高分辨率SAR回波数据已经转化为方位频谱不混叠的满足“走停运动”假设的SAR回波。
以下通过仿真实验进一步说明本发明的优点。
1.仿真参数 仿真参数为表1 表1星载的超高分辨率SAR参数

2仿真内容及结果 仿真内容1 仿真本发明预处理前基于SAR真实运动模式构建的星载超高分辨率SAR点目标回波信号与基于SAR“走停运动”假设构建的星载超高分辨率SAR点目标回波信号的相位差，仿真结果如图3所示，其中图中最右边的灰度条表示相位(从-π到π)，可以看出基于SAR真实运动模式构建的SAR回波与基于“走停运动”假设构建的SAR回波相位差较大，说明基于SAR真实运动模式构建的SAR回波不满足“走停运动”假设。
仿真采用本发明预处理后基于SAR真实运动模式构建的星载超高分辨率SAR点目标回波信号与基于SAR“走停运动”假设构建的星载超高分辨率SAR点目标回波信号的相位差，仿真结果如图4所示，其中图中最右边的灰度条表示相位(从-π到π)，可以看出，相位差接近于零，说明通过本发明的预处理，可将高速平台超高分辨率SAR回波补偿为基于“走停运动”假设构建的SAR回波。
仿真内容2 仿真在本发明预处理前，采用传统距离徙动成像方法对基于SAR真实运动模式构建的星载超高分辨率SAR点目标回波进行成像，仿真的成像结果如图5所示，其中成像结果出现较为严重的散焦，目标无法聚焦在一个采样单元，说明基于“走停运动”假设的传统成像方法对该星载超高分辨率SAR仿真回波数据的成像效果较差。
仿真在本发明预处理后，采用传统距离徙动成像方法对基于SAR真实运动模式构建的星载超高分辨率SAR点目标回波进行成像，仿真的成像结果如图6所示，其中目标能够聚焦在一个采样单元，成像效果较好，说明通过本发明的预处理，可以继续采用传统成像方法对高速平台超高分辨率SAR回波进行成像。
权利要求
1.一种高速平台超高分辨率SAR数据预处理方法，包括如下过程
(1)接收高速平台超高分辨率SAR回波数据，并采用正交解调法对该回波数据进行去载频处理；
(2)判断SAR回波数据方位频谱是否混叠，当方位多普勒带宽Ba大于方位采样率PRF时，则判为SAR回波数据存在方位频谱混叠，转入步骤3，反之转入步骤4；
(3)将SAR回波数据与一个随距离向频率变化的二次相位参考函数作卷积操作，完成对SAR回波数据的方位解模糊处理，该二次相位参考函数表达式为
其中fc为发射信号的载频，fr为基带距离向频率，v为SAR运动平台有效速度，tm为方位时间，Rref为场景中心线到雷达的最近距离，c为光速；
(4)利用“走停运动”假设判断式确定SAR回波信号是否满足“走停运动”假设，若SAR回波数据满足构建的“走停运动”假设判断式，则认为该高速平台超高分辨率SAR系统符合“走停运动”假设，结束预处理，反之则需要将SAR回波数据补偿为基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号，执行步骤(5)，该“走停运动”假设判断式为
其中B为发射脉冲的带宽，TP为发射脉冲的时宽，vr_max表示目标与雷达的最大径向速度，Ta为合成孔径的时宽，γ为发射脉冲的调频率；
(5)在距离频域/方位频域，将SAR回波数据与构建的第一次相位补偿参考函数进行矩阵点乘，完成对SAR回波数据的第一次相位补偿，
该第一次相位补偿参考函数如下
其中fd为多普勒频率；
(6)将进行了第一次相位补偿后的SAR回波数据进行方位向逆傅里叶变换，将其变换到距离频域/方位时域，并在距离频域/方位时域，将SAR回波数据与构建的第二次相位补偿参考函数进行矩阵点乘，完成对SAR回波数据的第二次相位补偿，得到满足“走停运动”假设的SAR回波数据，该第二次相位补偿参考函数如下
2.根据权利要求1中所述的高速平台超高分辨率SAR数据预处理方法，其中步骤(4)所述的“走停运动”假设判断式，按如下过程构建
(2a)构建符合SAR真实运动的SAR回波模型的相位为
其中
为接收信号时刻的快时间，XN为目标沿平台运动方向的坐标位置，RN为雷达与目标的最近距离；
(2b)根据高速平台超高分辨SAR系统的参数范围对上述符合SAR真实运动的SAR回波信号相位进行近似，构建基于高速平台超高分辨SAR回波模型的相位
其中
(2c)对基于高速平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号去载频，得到基于高速运动平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号在距离频域/方位时域的相位
(2d)进行了去载频后，基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号在距离频域/方位时域的相位
表示为
其中
(2e)将步骤(2c)中的基于高速平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号相位
与步骤(2d)中基于“走停运动”假设构建的SAR回波信号相位
的共轭进行相乘，得到基于高速平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号与基于“走停运动”假设方法构建的SAR回波信号的相位差
为
(2f)将上式相位差
中关于fr的二次项表示为
这一项的存在会导致采用基于“走停运动”假设的传统距离脉压后，SAR回波数据的脉压结果中存在残余线性频率调制，用残余二次相位差的最大值来衡量残余线性频率调制给成像带来的影响，残余二次相位差的最大值QPEmax表示为
当QPEmax小于π/4时，残余线性频率调制对成像效果的影响可以忽略，从而得到“走停”假设判断式中的第一个判断式
(2g)将步骤(2e)中相位差
关于fr的一次项表示为
该项的存在使得采用基于“走停运动”假设的传统距离徙动校正后，SAR回波数据仍会存在线性走动，当线性走动超过二分之一个距离分辨单元时，该线性走动对成像效果的影响可以忽略，得到“走停运动”假设判断式中的第二个判断式
3.根据权利要求1中所述的高速平台超高分辨率SAR数据预处理方法，其特征在于步骤(5)中所述的第一次相位补偿参考函数，按如下过程进行构建
(3a)在距离方位二维频域，将基于高速运动平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号的相位
表示为
；
(3b)在距离方位二维频域，基于“走停运动”假设方法构建的SAR回波信号的相位
表示为
(3c)在距离方位二维频域，将步骤(3a)中基于高速平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号的相位
与步骤(3b)中基于“走停运动”假设方法构建的SAR回波信号的相位
进行比较，两个相位在根式外的差异为
(3d)将(3c)中的两个相位在根式外的差异表示为信号形式Hc1
(3e)将(3d)中的信号形式Hc1作为第一次相位补偿参考函数，并用将该第一次相位补偿参考函数与去载频后的SAR回波数据在距离方位二维频域的进行矩阵点乘，完成对SAR回波数据的第一次相位补偿。
4.根据权利要求1中所述的高速平台超高分辨率SAR数据预处理方法，其特征在于步骤(6)中所述的第二次相位补偿参考函数，按如下过程进行构建
(4a)进行了第一次相位补偿后，在距离频域/方位时域，将基于高速运动平台超高分辨SAR回波模型构建的SAR回波信号相位
为
(4b)在距离频域/方位时域，将上式的相位
与步骤(2d)中基于“走停运动”假设方法构建的SAR回波信号的相位
进行比较，两个相位的差异为
(4c)将(4b)中两个相位的差异表示为信号的形式Hc2
(4d)将(4c)中的信号形式Hc2作为第二次相位补偿参考函数，将该第二次相位补偿参考函数Hc2与第一次相位补偿后的SAR回波数据在距离频域/方位时域进行矩阵点乘，完成对SAR回波数据第二次相位补偿，得到与基于“走停运动”假设构建SAR回波信号一致的SAR回波信号。
全文摘要
本发明提供了一种高速平台超高分辨率SAR数据的预处理方法，主要克服现有传统SAR成像技术对于高速平台超高分辨率SAR回波成像精度不高的问题，其实现过程是首先判断SAR回波数据方位频谱是否混叠，对方位频谱混叠的SAR回波进行方位解模糊处理；接着对SAR回波数据进行“走停运动”假设判断，对不满足“走停运动”假设判断式的SAR回波数据进行相位补偿，将其转化为基于“走停运动”假设构建的SAR回波。本发明扩展了传统SAR成像技术的适用范围，经过本发明预处理，使高速平台超高分辨率SAR回波数据可以继续采用基于“走停运动”假设的传统SAR成像技术进行成像，可应用于星载、弹载以及超高音速无人机超高分辨率SAR成像处理。
文档编号G01S7/02GK101776755SQ201010107189
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者刘燕, 孙光才, 邢孟道, 保铮 申请人:西安电子科技大学