一种地球同步轨道合成孔径雷达卫星的高分辨率成像方法技术

本发明专利技术公开了一种地球同步轨道合成孔径雷达卫星的高分辨率成像方法，包括以下几个步骤，步骤一：子孔径划分；步骤二：子孔径数据距离向压缩；步骤三：子孔径数据距离向插值；步骤四：地面网格划分；步骤五：确定距离徙动曲线；步骤六：进行方位压缩处理；步骤七：子孔径图像叠加，得到最终的图像。本发明专利技术提出的成像方法可处理地球同步轨道合成孔径雷达卫星的全孔径回波数据，实现高分辨率成像；可实现多点目标成像，即对不同距离向和方位向目标的不同距离徙动曲线均可实现方位压缩；还可实现广域场景范围内的成像，具有成像区域自由化的特点，即可根据需求对不同位置的场景实现成像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种地球同步轨道(GEO)合成孔径雷达(SAR)卫星的高分辨率成像方 法，属于信号处理

技术介绍
星载合成孔径雷达具备全天时、全天候的工作能力，是目前备受关注的对地观测 系统。遥感应用中，重复观测周期是非常重要的技术指标。地形动态监测、地表现象理解等 领域都要求持续观测或频繁的重访。实验表明，对于土壤湿度检测，具有1天重访时间的观 测系统能获取55%有效信息，而35天重访时间的系统仅能获取20%的有效信息。然而，现 有的SAR卫星都运行在低轨，重复周期较长，难以满足高频重访的用户需求。解决此问题的 一种有效途径就是将卫星轨道升高至地球同步轨道，它的重访周期短，仅为1天，并且观测 范围大，具有很好的应用前景。1978 ip Kiyo Tomiyasu # 先 $ 《Synthetic Aperture Radar in GeosynchronousOrbit》一文中提出了 GEO SAR的概念，并初步设计了系统参数。2000年以 后，GEO SAR成为国内外研究的热点问题。S. N. Madsen等提出了四种工作模式和相应的技 术指标，指出天线技术是GEO SAR发展的关键。Wendy Edelstein等分析了不同轨道高度对 瞬时视场范围的影响和对天线尺寸的要求，并在考虑高轨卫星系统复杂性的基础上绘制了 技术路线图。S. E. Hobbs等研究了 L波段GEO SAR的成像技术，重点分析了在超长积累时间 中对流层和电离层扰动以及地球潮汐对雷达成像的影响。Davide Bruno等指出GEO SAR具 有良好的覆盖和重访性能，在干涉处理等方面能够获得比LEO系统更好的效果，有助于理 解地表运动现象。在国内，北京航空航天大学于泽等从成像处理的角度出发研究了 GEO SAR 的一些总体特性，包括方位分辨率、距离徙动量等等，其中方位分辨率通过理论和仿真分析 证明可达到3米以下。GEO SAR的成像技术一直是一个难点。现今，合成孔径雷达的载荷一般是飞机和低 轨道卫星，其合成孔径时间是秒量级，在孔径时间内雷达与地面目标的相对运动轨迹近似 为直线，回波信号的多普勒历程近似为二次多项式，传统的SAR成像算法均可适用。而GEO SAR具有超高的轨道高度(约36000公里)，其合成孔径时间达到千秒量级，在孔径时间内 它的星地相对运动轨迹已经无法再用直线近似，其回波信号的多普勒历程需要用高阶多项 式进行描述。同时波束地面移动速度受地球自转影响较大，这都使得广域场景目标的多普 勒特性具有强空变特征，给成像处理带来很大难度。传统的SAR成像方法(RD、CS、cok算 法)都是基于直线运动展开推导的，并且它们的方位压缩处理都是在方位频域进行，对多 普勒历程沿方位向快变的情况，无法实现方位参考信号的频繁更新，不能实现对方位向不 同点目标的不同距离徙动曲线的压缩处理，从而造成目标散焦，因此不适用于GEO SAR0到 目前为止，只有北航于泽等人提出过GEO SAR成像方法，但该方法只能用于子孔径数据处 理，且只能实现单点目标成像，方位分辨率仅达到15米，存在一定的局限性。至今，国内外 还未有学者提出用于GEO SAR全孔径数据处理的高分辨率成像方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提出一种地球同步轨道合成孔径雷达卫星的 高分辨率成像方法，该方法能够处理地球同步轨道(GEO)合成孔径雷达(SAR)卫星全孔径 回波数据，实现广域场景内多点目标的高分辨率成像，方位分辨率可达到2米以下。，包括以下几个步骤步骤一子孔径划分；全孔径回波数据是一个二维数组，大小为XXY，一维是方位向，有X个采样点，另 一维是距离向，有Y个采样点，表示雷达获取了 X个方位时刻的一维脉冲回波数据，每个时 刻的一维脉冲回波数据有Y个采样点，Y为2的整数次幂；对全孔径回波数据在方位向进行分块，将其分成N等份，即子孔径划分，得到N块 回波子孔径数据ApA2、…、An，每块数据大小为(X/N) XY ；步骤二 子孔径数据距离向压缩；对每块回波子孔径数据Ai、A2、…、An进行距离向匹配滤波，即距离向压缩，得到距 离向压缩后的子孔径数据BpB2、…、Bn;步骤三子孔径数据距离向插值；对距离向压缩后的子孔径数据B” B2,…、Bn做距离向快速傅里叶变换，变换到距 离向频域，在频域的高频部分补零，补零的个数为(M-I) · Y，即在每个方位时刻的距离向第I个和第| + 1个采样点之间增加(M-I) ·Υ个采样点，每个采样点的值为0，之后做快速傅里叶逆变换，实现距离向压缩后数据的M倍插值，得到距离向插值后的子孔径数据Ci、C2、…、 Cn，每块数据大小为(X/N) XM · Y，其中，M 取 1、2、4、8、16、32、64、128、256 或 512，当 M= 1 时，为不插值；步骤四地面网格划分；成像区域为一个大小为PXQ的矩阵，其中P < X，Q < Y，方位向有P个采样点， 设其P个方位时刻为、、、、…、k，对应全孔径回波数据方位向最中心的P个时刻，即 、=ify唭中，k= 1、2、-,P, t^t^…、tx为全孔径回波数据的X个方位时刻/f为全孔径回波数据的方位中心时刻，当X、P为奇数时，f和f按四舍五入取整；成像区域距离向有Q个采样点，设其Q个斜距分别为A1、rC2、…、&e，对应全孔径回波数据距离向最中 心的Q个斜距，即&，其中，1 = 1、2、-,QjR1^R2,…、Ry为全孔径回波数据的Y个斜距，凡为全孔径回波数据距离向的中心斜距，当Q为奇数时，￥按四舍五入取整；对于成像 2 2区域的每个方位时刻，得到成像区域上该时刻距离向每个采样点按照斜距对应地面上目标点的位置，方位向第k个、距离向第1个采样点对应地面目标点的位置坐标表示为(xgt(k，1)，ygt(k，1)，zgt(k，1))，每个网格为地面上一个目标点，对应成像区域上一个采样点，最后得到所有P X Q个目标点的坐标，完成地面网格划分；步骤五确定距离徙动曲线；步骤四得到成像区域每个采样点对应地面目标点的位置，对于每个采样点，确定8其在距离向插值后的每个子孔径数据C” C2、…、Cn中的距离徙动曲线，即求出在子孔径数 据中每个方位时刻雷达天线相位中心与该采样点对应地面目标点的斜距，确定斜距所在的 子孔径数据中的距离向采样点，确定的每个时刻的距离向采样点构成距离徙动曲线，当成 像区域所有采样点的距离徙动曲线都确定后，完成确定距离徙动曲线；步骤六进行方位压缩处理；对成像区域每个采样点进行方位压缩处理；具体为对当前成像区域的采样点在每个子孔径数据Cp C2,…、Cn中的距离徙动 曲线上的采样点进行相位补偿，然后相加，将相加后的数值作为当前成像区域采样点的值， 表示为 式中，S(tu)表示当前成像区域的采样点在第i个子孔径数据上的距离徙动曲线 上时刻为的采样点的值，εχρΟγ/ ^.)}表示参考相位，λ表示雷达波长，&表示通过第 i个子孔径数据得到的当前成像区域采样点的值，i = 1、2、…、N ；当成像区域的所有采样点都进行完压缩处理，完成方位压缩处理，得到N个子孔 径图像Ip 12、…、IN, Ii表示通过第i个子孔径数据得到的成像区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地球同步轨道合成孔径雷达卫星的高分辨率成像方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：子孔径划分；全孔径回波数据是一个二维数组，大小为Ｘ×Ｙ，一维是方位向，有Ｘ个采样点，另一维是距离向，有Ｙ个采样点，表示雷达获取了Ｘ个方位时刻的一维脉冲回波数据，每个时刻的一维脉冲回波数据有Ｙ个采样点，Ｙ为２的整数次幂；对全孔径回波数据在方位向进行分块，将其分成Ｎ等份，即子孔径划分，得到Ｎ块回波子孔径数据Ａ↓［１］、Ａ↓［２］、…、Ａ↓［Ｎ］，每块数据大小为（Ｘ／Ｎ）×Ｙ；步骤二：子孔径数四得到成像区域每个采样点对应地面目标点的位置，对于每个采样点，确定其在距离向插值后的每个子孔径数据Ｃ↓［１］、Ｃ↓［２］、…、Ｃ↓［Ｎ］中的距离徙动曲线，即求出在子孔径数据中每个方位时刻雷达天线相位中心与该采样点对应地面目标点的斜距，确定斜距所在的子孔径数据中的距离向采样点，确定的每个时刻的距离向采样点构成距离徙动曲线，当成像区域所有采样点的距离徙动曲线都确定后，完成确定距离徙动曲线；步骤六：进行方位压缩处理；对成像区域每个采样点进行方位压缩处理；具体为：对当前成像区域的采样点在每个子孔径数据Ｃ↓［１］、Ｃ↓［２］、…、Ｃ↓［Ｎ］中的距离徙动曲线上的采样点进行相位补偿，然后相加，将相加后的数值作为当前成像区域采样点的值，表示为：ｆ↓［ｉ］＝＊Ｓ（ｔ↓［ｉｊ］）.ｅｘｐ｛ｊ４π／λＲ（ｔ↓［ｉｊ］）｝（１４）式（１４）中，Ｓ（ｔ↓［ｉｊ］）表示当前成像区域的采样点在第ｉ个子孔径数据上的距离徙动曲线上时刻为ｔ↓［ｉｊ］的采样点的值，ｅｘｐ｛ｊ４π／λＲ（ｔ↓［ｉｊ］）｝表示参考相位，λ表示雷达波长，ｆ↓［ｉ］表示通过第ｉ个子孔径数据得到的当前成像区域采样点的值，ｉ＝１、２、…、Ｎ；当成像区域的所有采样点都进行完压缩处理，完成方位压缩处理，得到Ｎ个子孔径图像Ｉ↓［１］、Ｉ↓［２］、…、Ｉ↓［Ｎ］，Ｉ↓［ｉ］表示通过第ｉ个子孔径数据得到的成像区域数据，ｉ＝１、２、…、Ｎ；步骤七：子孔径图像叠加，得到最终的图像；将步骤六中得到的Ｎ个子孔径图像相加，即Ｎ个子孔径图像上对应采样点的值相加，实现全孔径数据压缩处理，得到最终的图像。据距离向压缩；对每块回波子孔径数据Ａ↓［１］、Ａ↓［２］、…、Ａ↓［Ｎ］进行距离向匹配滤波，即距离向压缩，得到距离向压缩后的子孔径数据Ｂ↓［１］、Ｂ↓［２］、…、Ｂ↓［Ｎ］；步骤三：子孔径数据距离向插值；对距离向压缩后的子孔径数据Ｂ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李卓，于泽，李春升，陈杰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]