一种圆周合成孔径雷达成像方法技术

本发明专利技术公开了一种圆周合成孔径雷达成像方法，属于电子信号处理技术领域，涉及空间遥感和空对地观测信息处理技术，特别涉及机载圆周合成孔径雷达成像技术。本发明专利技术利用求解系统核函数的逆，将原始斜平面回波映射到地平面，再通过方位角频域与参考函数相乘得到信号在波数域的分布，避免了平面波近似，解决了传统极坐标格式算法成像区域尺寸大小受限的问题，可以实现大成像场景的成像；采用伪极坐标代替直角坐标作为中间插值过渡矩阵，考虑了信号在波数域的分布密度特性，插值精度更高，得到的图像分辨率也更高，可实现高分辨成像；成像过程中仅涉及一维插值，且采用了CZT及IFFT等快速算法，具备很高的计算效率，可实现快速成像。

Circumferential synthetic aperture radar imaging method

The invention discloses a method of circular synthetic aperture radar imaging, which belongs to the technical field of electronic signal processing, remote sensing and ground observation relates to spatial information processing technology, particularly the technology of airborne circular synthetic aperture radar imaging. The invention is used for system kernel function inverse, the original oblique echo planar mapped to the plane, the azimuth frequency and reference function multiplied to obtain distribution of signal in the wavenumber domain, the plane wave approximation, solve the traditional polar format algorithm image size limitation, can realize the imaging of large imaging scene; using pseudo polar coordinates instead as intermediate interpolation transition matrix, considering the signal characteristics in the distribution density of the wavenumber domain, interpolation precision, the image resolution is higher, can realize high resolution imaging; imaging process involves only one-dimensional interpolation, and the use of CZT and IFFT fast algorithm. With high efficiency, can realize fast imaging.

【技术实现步骤摘要】
一种圆周合成孔径雷达成像方法
本专利技术属于电子信号处理
，涉及空间遥感和空对地观测信息处理技术，特别涉及一种机载圆周合成孔径雷达(CircularSyntheticApertureRadar,CSAR)成像技术。
技术介绍
SAR是二十世纪雷达技术发展的重要里程碑，它利用雷达回波信号的相关性，累积雷达运动过程中回波信号的多普勒频移，在雷达的运动方向上合成等效的雷达孔径，实现方位向的高分辨成像。因SAR采用主动式工作模式，对自身发射电磁波的反射回波进行成像处理，不受光照、温度等外界环境的限制，可实现全天时、全天候的区域监测成像，且对植被、沙漠覆盖等介质具有穿透能力而在灾害评估、环境监测、海洋观测、资源勘查、植被监测、测绘等领域得到了广泛的应用。圆周SAR(CSAR)是一种新兴的体制。不同于传统的SAR，它以圆周运动轨迹采集数据代替传统的直线采集，其系统几何示意图如图1所示，雷达平台在高为H的高度面内做匀速圆周运动，其运动轨迹的半径为Rgc，则雷达平台在空间域中的位置可表示为rs＝(X,Y,Z)＝(Rgccosθ,Rgcsinθ,H)，其中θ∈[0,2π)表示慢时间方位角。当雷达沿圆周轨迹运动时，其波束中心始终指向场景中心，并覆盖地面上以场景中心为圆心、以R0为半径的圆形场景区域。雷达与场景中心的距离为雷达俯仰角为θz＝arctan(H/Rgc)。CSAR相对于传统SAR具有如下优势：首先，CSAR由于其特殊的飞行轨迹，使其在距离向和方位向的频谱展到最宽，因此可以获得方位向和距离向最高的分辨率，并且距离向和方位向的分辨率将保持一致，相对于传统聚束SAR在分辨率方面又有了一个新的提高。其次，传统的条带SAR还是聚束SAR他们都是以直线运动轨迹来采集数据的，导致雷达只能在一个有限的观测角度内观测目标区域内的目标，这样会丧失很多目标特征。而CSAR的观测角度可以达到360度，可以对目标做全向观测，获得目标的全视角特征。然而，现有的CSAR成像算法主要分为两类：参数化方法和非参数方法。参数化方法是指利用现代谱估计等参数估计方法提取散射点幅度和位置信息，包括基于RELAX的目标特征提取方法以及基于广义Radon变换的成像算法等，但此类算法对于散射点特征不明显的均匀场景成像效果较差。非参数方法是通过信号时域或频域分布利用聚焦方法重建目标函数，主要包括：后向投影(Back-projection,BP)算法，共焦成像算法，基于格林函数分解的成像算法等。BP算法将成像区域划分为网格(像素点)，计算每一像素点对应的积分路径，然后沿该路径进行积分(需要插值)，即将信号投影到对应的像素点，完成该点的聚焦。共焦成像算法与BP算法类似，也需计算每一像素点的路径，再利用空变滤波得到聚焦结果。以上两种算法均需对图像每一像素点进行逐点计算，因而计算量巨大，不适用于大场景高分辨的实际应用。而基于格林函数分解的成像算法虽较前面两种算法效率更高，但是算法中涉及到极坐标信号到直角坐标的二维插值，导致成像精度受插值算法的影响，且会引入额外的插值误差，进而影响成像效果。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，公开了一种圆周合成孔径雷达成像方法，针对高分辨的应用条件，在CSAR成像过程中充分考虑信号的极坐标格式分布特性，通过算法改进，解决传统极坐标到直角坐标二维插值带来的成像误差的同时，采用傅里叶变换和快速分数阶傅里叶变换等快速算法提高算法效率，是一种高效高分辨圆周合成孔径雷达成像方法。本专利技术的一种圆周合成孔径雷达成像方法包括下列步骤：步骤S1：对CSAR原始回波进行距离向处理，即对CSAR原始回波沿距离向变换到距离频域；再将距离向处理结果与距离向参考信号相乘，得到距离向匹配滤波后的斜平面信号S1(ω,θ)，其中ω为快时间角频率，θ为雷达方位角，斜平面信号S1(ω,θ)也称快时间频率-方位角域信号；步骤S2：对斜平面信号S1(ω,θ)进行地平面转换，得到地平面信号S2(ωg,θ)，即基于系统核函数Λ(ω,ωg)与逆核函数Λ-1(ωg,ω)，将信号S1(ω,θ)转换为地平面信号S2(ωg,θ)，其中ωg为地平面快时间频率；步骤S3：将地平面信号S2(ωg,θ)沿角度向进行傅里叶变换得到地平面快时间频率-方位角频域信号S3(ωg,ξ)，其中ξ为对应雷达方位角θ的方位角频率域；再将S3(ωg,ξ)与方位向参考信号Sg0(ωg,θ)在方位角频域进行匹配滤波，得到极坐标系下的空间频率谱Fp(ρ,θ)，其中ρ为距离向空间频率；步骤S4：对空间频率谱Fp(ρ,θ)进行频率归一化，在-π＜ρ≤π的限制下，得到归一化后的极坐标系下的空间频谱Fp0(ρ,θ)；对空间频谱Fp0(ρ,θ)进行角度向插值后，再进行径向插值，得到伪极坐标下的空间频率谱Fpp(ξx,ξy)，所述Fpp(ξx,ξy)点数为2N×2N，由竖直子频谱Fv(ξx,ξy)和水平子频谱Fh(ξx,ξy)组成：对于Fv(ξx,ξy)，频点分布为：对于Fh(ξx,ξy)，频点分布为：其中d表示径向索引，且-N≤d＜N；m表示角度向索引，且步骤S5：对伪极坐标系下的空间频谱Fpp(ξx,ξy)的竖直子频谱Fv(ξx,ξy)、水平子频谱Fh(ξx,ξy)分别进行伪极坐标成像处理，得到最终的成像结果。本专利技术的有益效果是：利用伪极坐标代替直角坐标作为中间插值矩阵，减小误差的同时也减小了计算量，本专利技术可操作性强，效率高；利用求解系统核函数的逆，将原始斜平面回波映射到地平面，再通过方位角频域与参考函数相乘得到信号在波数域的分布，避免了平面波近似，解决了传统极坐标格式算法成像区域尺寸大小受限的问题，可以实现大成像场景的成像；采用伪极坐标代替直角坐标作为中间插值过渡矩阵，考虑了信号在波数域的分布密度特性，插值精度更高，因而得到的图像分辨率也更高，可实现高分辨成像。附图说明图1是圆周合成孔径雷达成像几何示意图；图2是本专利技术的处理流程图；图3是伪极坐标频谱分布示意图；图4是极坐标系到伪极坐标系转换过程中角度向插值示意图；图5是极坐标系到伪极坐标系转换过程中径向插值示意图；图6是伪极坐标傅里叶变换成像仿真结果图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本专利技术作进一步地详细描述。参见图2，通过本专利技术的一种圆周合成孔径雷达的高效高分辨成像方法，能将输入的输入为CSAR的原始回波，经过成像处理后，获得CSAR二维图像，具体实施步骤如下：步骤S1：对CSAR原始回波进行距离向处理：沿距离向变换到距离频域，并与距离向参考信号相乘，得到距离向匹配滤波后的斜平面快时间频率-方位角域信号S1(ω,θ)，其中ω为快时间角频率，θ为雷达方位角，S1(ω,θ)表达式为：S1(ω,θ)＝∫∫f(x,y)gθ(x,y,ω)dxdy其中f(x,y)为目标的散射系数，为CSAR斜平面格林函数，k＝ω/c为波数，虚数单位下同；步骤S2：将斜平面信号S1(ω,θ)转换到地平面信号，得到地平面信号S2(ωg,θ)，其中ωg为地平面快时间频率；步骤S21：计算系统核函数其中，θx＝arcsin(R0/Rgc)，ρ为距离向空间频率；步骤S22：对核函数求逆，得到逆核函数Λ-1(ωg,ω)，再将逆核函数Λ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种圆周合成孔径雷达成像方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤S1：对CSAR原始回波进行距离向处理，即对CSAR原始回波沿距离向变换到距离频域；再将距离向处理结果与距离向参考信号相乘，得到距离向匹配滤波后的斜平面信号S

【技术特征摘要】
1.一种圆周合成孔径雷达成像方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤S1：对CSAR原始回波进行距离向处理，即对CSAR原始回波沿距离向变换到距离频域；再将距离向处理结果与距离向参考信号相乘，得到距离向匹配滤波后的斜平面信号S1(ω,θ)，其中ω为快时间角频率，θ为雷达方位角；步骤S2：对斜平面信号S1(ω,θ)进行地平面转换，得到地平面信号S2(ωg,θ)，即基于系统核函数Λ(ω,ωg)与逆核函数Λ-1(ωg,ω)，将信号S1(ω,θ)转换为地平面信号S2(ωg,θ)，其中ωg为地平面快时间频率；步骤S3：将地平面信号S2(ωg,θ)沿角度向进行傅里叶变换得到地平面快时间频率-方位角频域信号S3(ωg,ξ)，其中ξ为对应雷达方位角θ的方位角频率域；再将S3(ωg,ξ)与方位向参考信号Sg0(ωg,θ)在方位角频域进行匹配滤波，得到极坐标系下的空间频率谱Fp(ρ,θ)，其中ρ为距离向空间频率；步骤S4：对空间频率谱Fp(ρ,θ)进行频率归一化，在-π＜ρ≤π的限制下，得到归一化后的空间频谱Fp0(ρ,θ)；对归一化后的空间频谱Fp0(ρ,θ)进行角度向插值后，再进行径向插值，得到伪极坐标下的空间频率谱Fpp(ξx,ξy)，所述Fpp(ξx,ξy)点数为2N×2N，由竖直子频谱Fv(ξx,ξy)和水平子频谱Fh(ξx,ξy)组成：对于Fv(ξx,ξy)，频点分布为：对于Fh(ξx,ξy)，频点分布为：其中d表示径向索引，且-N≤d＜N；m表示角度向索引，且步骤S5：对空间频谱Fpp(ξx,ξy)的竖直子频谱Fv(ξx,ξy)、水平子频谱Fh(ξx,ξy)分别进行伪极坐标成像处理，得到最终的成像结果。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，对归一化后的空间频谱Fp0(ρ,θ)进行角度向插值具体为：对空间频...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵锐，胡睿智，杨晓波，李晋，皮亦鸣，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51