一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达快速成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达快速成像方法。使用本发明专利技术能够适应GB SAR形变监测系统目标区域距离跨度大、多普勒中心空变性严重、方位分辨率随距离扩大等成像处理问题，并能满足系统实时性需求。发明专利技术是一种基于Keystone变换的方位Dechirp成像处理算法，相比于现有的经典SAR成像算法，本发明专利技术充分考虑了GB SAR信号模型特点，更适用于GB SAR实时系统成像处理任务。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达快速成像方法
本专利技术涉及地基合成孔径雷达(GroundBasedSyntheticApertureRadar，GBSAR)系统成像，具体涉及一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达快速成像方法。
技术介绍
近年来，我国各地区域形变灾害频发，严重影响国民经济发展和社会安定，对人们的生产生活以及生命安全带来严重威胁。因此，亟需开展针对区域形变的有效监测、预警、防护工作。GBSAR是SAR的星载、机载工作模式在地面的应用，具有全天时、全天候、大范围连续形变监测的能力，在区域形变监测应用领域具有十分重要的作用。GBSAR系统利用天线在水平平直轨道上的运动，形成方位合成孔径，获取SAR图像。通过天线多次沿轨道的往复运动获取观测区域的时间序列数据，利用差分干涉技术实现毫米级乃至亚毫米级精度的形变监测能力。为了获得及时有效的预警效果，GBSAR系统信号处理模块必须具备实时处理能力，SAR成像单元作为主要耗时单元，必须在短时间内生成大区域、高精度、相位质量良好的SAR图像,以用于后续差分干涉测量。因此对GBSAR系统快速成像方法的研究十分必要。通常情况下，GBSAR方位合成孔径仅有数米长，而照射场景达数平方千米，场景距离范围从天线近场一直延伸至远场，同时方位扫描范围可达60°—120°，在这种几何配置下GBSAR信号模型可比拟为传统机载SAR、星载SAR全孔径模型下的一个极为短小的子孔径数据，这使得GBSAR具有不同于机载SAR、星载SAR的信号特点和特殊问题。首先，GBSAR方位分辨率随距离线性恶化，场景远近距离比(最远作用距离与最近作用距离之比)可达数十倍，这意味着远区目标的方位分辨率大小是近区目标的数十倍，若仍采用直角坐标成像算法将造成对远场景过高的过采样，无谓增大数据量，不符合GBSAR实时处理的宗旨，因而相比于直角坐标系成像算法，基于极坐标系或伪极坐标系的成像算法更为适用；其次，与传统机载、星载SAR不同，GBSAR中不同方位角处目标回波具有不同的多普勒中心，加之GBSAR较大的方位扫描范围，场景内点目标回波多普勒中心变化很大，因而RD\CS等针对单一多普勒中心的方位聚焦算法在GBSAR背景下不适用；另外，如前所述实时工作下的GBSAR系统对成像算法运算量要求很高，RMA和BP等精度高成像算法不能满足实时性需求；最后，由于成像场景较大，PFA这类聚束SAR成像算法仅能保证场景中参考点及其附近区域目标聚焦，目标偏离参考点越远，聚焦效果越差，而分块PFA算法虽然能解决上述问题，但分块处理将增加PFA插值次数，而增加的运算量不能满足GBSAR实时性要求。上面提到的成熟SAR成像算法多建立于星载SAR、机载SAR几何条件下，由上述分析可知，这些成像算法并不适用于GBSAR的快速成像，目前针对GBSAR特殊几何构型的SAR成像算法研究还很少，因而现有地基SAR成像多沿用传统的BP算法或RMA算法，然而这两种算法尽管处理精度高，但是运算量十分巨大，当对大场景区域目标进行观测和成像时，上述算法难以保证实时处理需求；西班牙UPC大学的J.Fortuny-Guasch提出一种地基SAR快速伪极坐标成像算法,该方法避免了原极坐标格式算法(PFA)中的插值运算，使用K阶泰勒级数展开和二维快速傅里叶变换实现方位聚焦，从而降低了算法运算量。然而该算法仅适用于远场成像，对于近场工作的GB-SAR系统该方法不适用。总的来说，针对地基SAR特殊几何构型的高效高精度成像算法研究领域尚显空白。因此需要一种能适应GBSAR信号模型特点和快速性需求的成像方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达快速成像方法，能够适应GBSAR形变监测系统目标区域距离跨度大、多普勒中心空变性严重、方位分辨率随距离扩大等成像处理问题，并能满足系统实时性需求。本专利技术的基于Keystone变换的地基合成孔径雷达快速成像方法，包括如下步骤：步骤1，对雷达回波信号进行距离向处理：将回波信号进行距离压缩，在距离频域对距离压缩后的信号进行Keystone变换，完成距离徙动校正；步骤2，方位相处理：步骤2.1，将完成距离徙动校正后的信号变换到距离多普勒域，将多普勒域等效为方位角正弦域t-sinθ，然后对信号进行方位分块：将信号沿整个sinθ轴划分为Nsub个宽度为Δsinθ的子块，各子块的中心位于(sinθ)i，i＝1,2,…,Nsub，其中，Nsub为正整数，Δsinθ为满足下式的最大值：sinθ＝Δsinθ·NsubΔsinθ≤2λcρminL2+4|sinθ|max2-2|sinθ|max-(1-|sinθ|max2)ρmin;]]>其中，λc为发射信号载波对应的波长，ρmin为最小成像距离，L是雷达合成孔径长度，|sinθ|max表示场景内全部目标的方位角正弦值的绝对值|sinθ|中的最大值；步骤2.2，将各子块的信号变换到方位时域，各子块在二维时域分别与相应的参考信号进行Dechirp处理，其中，参考信号da为da(t,xn;(sinθ)i)=rect(xnL)exp[j2πλc(1-(sinθ)i2)t·c/2xn2]]]>其中，t为距离快时间，xn是方位采样位置，c是光速；步骤2.3，将各子块Dechirp处理结果在二维时域相加，然后经方位快速傅里叶变换获得伪极坐标系下的SAR图像。有益效果：本专利技术是一种基于Keystone变换的方位Dechirp成像处理算法，相比于现有的经典SAR成像算法，本专利技术充分考虑了GBSAR信号模型特点，更适用于GBSAR实时系统成像处理任务。附图说明图1为本专利技术的地基SAR成像系统的几何关系示意图。图2本专利技术的地基SAR成像算法流程图。图3为子区间划分间隔Δsinθ(sinθ0)曲线。图4为本专利技术的算法对位于近距离正侧视的点目标成像结果二维图示。图5为图4成像结果的二维剖面图。图6为本专利技术的算法对位于近距离前斜角为45°处的点目标成像结果二维图示。图7为图6成像结果的二维剖面图。图8为利用本专利技术算法对实测GBSAR数据的成像结果。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达快速成像方法。根据GBSAR系统和几何参数特点，在GBSAR(伪)极坐标系进行快速成像算法研究。由于GBSAR的合成孔径长度相对于目标距离很短，在对距离徙动校正和相位历程的处理上进行适当简化，利用Keystone变换实现距离徙动校正，将目标距离徙动校正到孔径中心到目标的斜距处；另外，考虑到不同方位角度处目标的多普勒域支撑域不同、方位时域支撑域相同，在时域上利用Dechirp进行方位处理，实现图像在伪极坐标系(距离-方位角正弦)上的快速聚焦。下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述：GBSAR的照射几何关系如图1所示，GBSAR系统和成像场景典型参数如表1所示。表1系统和几何参数参数名称符号参数值载频fc16.2GHz发射信号带宽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Keystone变换的地基合成孔径雷达快速成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，对雷达回波信号进行距离向处理：将回波信号进行距离压缩，在距离频域对距离压缩后的信号进行Keystone变换，完成距离徙动校正；步骤2，方位相处理：步骤2.1，将完成距离徙动校正后的信号变换到距离多普勒域，将多普勒域等效为方位角正弦域t‑sinθ，然后对信号进行方位分块：将信号沿整个sinθ轴划分为Nsub个宽度为Δsinθ的子块，各子块的中心位于(sinθ)i，i＝1,2,…,Nsub，其中，Nsub为正整数，Δsinθ为满足下式的最大值：sinθ＝Δsinθ·NsubΔsinθ≤2λcρminL2+4|sinθ|max2-2|sinθ|max-(1-|sinθ|max2)Lρmin;]]>其中，λc为发射信号载波对应的波长，ρmin为最小成像距离，L是雷达合成孔径长度，|sinθ|max表示场景内全部目标的方位角正弦值的绝对值|sinθ|中的最大值；步骤2.2，将各子块的信号变换到方位时域，各子块在二维时域分别与相应的参考信号进行Dechirp处理，其中，参考信号da为da(t,xn;(sinθ)i)=rect(xnL)exp[j2πλc(1-(sinθ)i2)t·c/2xn2]]]>其中，t为距离快时间，xn是方位采样位置，c是光速；步骤2.3，将各子块Dechirp处理结果在二维时域相加，然后经方位快速傅里叶变换获得伪极坐标系下的SAR图像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于楔石形Keystone变换的地基合成孔径雷达快速成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，对雷达回波信号进行距离向处理：将回波信号进行距离压缩，在距离频域对距离压缩后的信号进行楔石形Keystone变换，完成距离徙动校正；步骤2，方位向处理：步骤2.1，将完成距离徙动校正后的信号变换到距离多普勒域，将多普勒域等效为方位角正弦域t-sinθ，然后对信号进行方位分块：将信号沿整个sinθ轴划分为Nsub个宽度为Δsinθ的子块，各子块的中心位于(sinθ)i，i＝1,2,…,Nsub，其中，Nsub为正整数，Δsinθ为满足下式的最大值：sinθ＝Δsinθ〃Nsub

【专利技术属性】
技术研发人员：曾涛，胡程，毛聪，龙腾，田卫明，毛二可，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11