%机载合成孔径雷达成像算法研究

2 exp ( - π j K(π - 2 R ( t ) / c) ) ・
二维线性系统的输出 ,最直观的方法就是在时域采用一个二 维时变滤波器对 SAR 回波信号直接进行二维匹配滤波 。这 种方法可以完全避免距离迁移引起的回波信号在距离和方 位维耦合的影响 ,但其运算量极大 , 无法做到实处处理 。为 了解决这个问题 ,各国学者先后提出了距离2多普勒 ( R - D) 算法及其改进方法 [2 - 5 ] 、 波数域算法 [6 ,7 ] 、 Chirp - Z 算法 [8 ,9 ] 、

・92 ・
312 Chirp - Scaling 算法
系统工程与电子技术
2001 年
2 (τ - τ ) = exp ( - π 相位 H1 ( f a ,τ j ・Ks ( f a ) ・Cs ( f a ) ・ ref ) ) , 其
( 南京理工大学电子工程技术研究中心 , 210094)
摘 要 首先建立了机载合成孔径雷达回波信号的理论模型 ,阐述了 SAR 成像的基本原理 ,分析了目标与雷 达之间的相对运动对成像的影响 。然后对各种机载 SAR 成像处理算法进行了讨论和比较 ,包括标准的距离 - 多普 勒 ( R - D) 算法 、 改进的 R - D 算法 、 标准 Chirp - Scaling ( C - S) 算法 、 扩展 C - S 算法和非线性 C - S 算法 。分析表 明 ,C - S 算法以较小的运算量取得了较好的斜视情况下的性能 ,已取代 R - D 算法成为机载 SAR 成像的标准算法 。 最后指出了机载 SAR 成像算法今后的发展方向 。 主题词 : 合成孔径雷达 ; 雷达成像 ; 算法 中图分类号 :O21211 文献标识码 :A
标几何位 置关系
基金项目 : 雷达信号处理国防重点实验室基金资助课题 (99JS01141DZ2401) 作者简介 : 孙泓波 (1975 - ) ,男 ,博士研究生 ,主要研究方向为雷达成像 ,空时二维信号处理机载雷达运动目标检测理论等 。
' 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
K eywords :Synthetic aperture radar ; Radar imaging ; Algorithm
1 引 言
合成孔径雷达是一种新型的高分辨力雷达体制 ,它借助 于脉冲压缩技术实现距离维的高分辨 ,借助于方位多普勒分 析的技术实现方位维的高分辨 ,它已经广泛用于军事及民用 领域当中 [1 ] 。
) = sin c πB r τ S R1 ( t ,τ
2 R ( t)
c
・ exp - j
4πR ( t ) λ
( 4)
) 其中 B r — — —发射信号的带宽 。 首先考虑正侧视 (θ = 90° ) 沿方位时间 t 作傅氏 的情况 。 将距离压缩后的信号 S r1 ( t ,τ
变换 ,由相位驻留原理可得
Abstract :In this paper ,the theoretical model of airborne SAR signal is constructed firstly. The principle of SAR imaging and
the effects of relative motion between radar and target on imaging are analyzed. Then some airborne SAR imaging techniques are discussed and compared , including Range - Doppler ( R - D) algorithm ,improved R - D algorithm ,Chirp - Scaling( C - S) algo2 rithm , extended C - S algorithm and nonlinear C - S algorithm. The analyses show that C - S algorithm has the better performance in the squint mode with the lower computational cost ,and it has been the standard airborne SAR imaging algorithm instead of the R - D algorithm. At last the frontier of airborne SAR imaging techniques is pointed out.
fr
f0
π exp - j2
f DC f2 πR0 4 DC fa ・ exp - π j f ・ exp - j f f DR f 0 f DR r c r ( 8)
( 3)
)项— 其中 f r — — — 距离向频率 , 后三个 exp ( ・ — —f r 或 f a 的 ) 项作 Taylor 级数 线性项 ,与聚焦处理无关 。对第一个 exp ( ・
图1 雷达与目 的位置关系如图 1 所示 , 设雷达载机
立 SAR 信号模型的基础上对各种 SAR 成像算法的性能进行 了讨论 ,并且着重对 R - D 算法和 C - S 算法进行了详细研
收稿日期 :2000 - 09 - 18 修订日期 :2000 - 11 - = 0 时与目 标距离 R0 , 雷达波束指向方位角为 θ,
展开并作二阶近似 ,有
exp - π j
f0 2 f ( f r + f 0 ) f DR a = exp - π j
2
fa f DR
2
・
( 9)
exp π j
fa 2 f 2a j 2 fr f ・ exp - π f 0 f DR r f 0 f DR
3 机载 SAR 成像处理算法分析
311 距离2多普勒算法
在合成孔径过程中 ,雷达与目标之间存在相对运动 , 若其斜
( Range 距变化超过了一个分辨单元 , 就会发生 “距离迁移” Migration) 现象 。由 (3) 式可知 , R ( t) 为 t 的二次函数 , 其线 ( Range Walk) , 二次项称为 性部分称为 “距离走动” “距离弯 ( Range Curve) 。 曲”
其中 C — — — 方位向多普勒带宽 。这就是 — —复常数 , B a — 传统的 R - D 算法 ,其流程如图 2 所示 。 当雷达工作于斜视状态时 ,对脉压后的回波信号 S R1 ( t ,
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
The Study on Airborne SAR Imaging Algorithms
SUN Hong2bo , G U Hong , SU Wei2min , LIU Guo2sui
( Research Center of Electronic Engineering Technology Nanjing University of Science and Technology , 210094)
经典的距离2多普勒 ( R - D) 算法是将二维联合处理简化 为两个一维处理的级联 ,其基本步骤是先对每个回波脉冲进 行距离向压缩 , 然后在 R - D 域中 , 通过插值来消除由于距 离迁移所引起的距离和方位之间的耦合 ,最后完成方位向的 聚焦处理 ,具体如下 。 首先对回波信号进行普通的距离向脉冲压缩 ,压缩后的 信号为
( SRC) 。SRC 对应的调频斜率 KSRC = f 0 f DR 2c2 V2 sin2θ 。 = 2 3 2 λ fa R0 f a
2
exp - j
πf a πR0 4 ・ exp - j λ f DR
其中 f a — — — 方位多普勒频率 。在 R - D 域中 ,同一距离不 同方位的点目标具有相同的距离迁移轨迹 ,可以一起得到校 正 ,迁移轨迹若不在采样点上需要进行插值 。经过距离迁移 校正后 ,有
) = sin c πB r τ S R2 ( f a ,τ
考虑 SRC 的改进 R - D 算法的流程如图 3 所示 。 在传统的 R - D 算法中距离迁移校正通过内插进行 ,计 算量较大 。为了进行理想 SRC ,仍然需要构造一个时变的二 维参考函数 ,使处理过程复杂化 。为了简化处理 ,M1Jin 提出 以多 普 勒 质 心 处 和 参 考 距 离 上 的 固 定 参 数 进 行 SRC[3 ] ,
SAR 回波信号可以看作是目标后向散射特性通过一个
究 ,最后在此基础上指出了 SAR 成像算法今后的发展方向 。
2 机载 SAR 的信号模型
假设雷达发射线性调频信号 ,不考虑天线方向图加权 , 点目标回波信号的基带形式为
) = a (τ - 2 R ( t ) / c) ・ S R ( t ,τ
C1 Y1 Yang[4 ] 和 Smith[5 ] 也提出了考虑 SRC 参考函数随参考距
2 R0 c
πR0 4 ・ exp - j λ
( 6)
exp - j
π fa
f DR
2
2 将上式乘以方位参考函数 Ha ( f a ) = exp ( π j f a / f DR ) 进行方位
压缩 ,再进行方位向逆傅氏变换得
Chirp - Scaling ( C - S) 算法及其改进算法 [10 - 13 ] 等 。本文在建
) exp ( - j4π R ( t) / λ
(1)
其中 τ— — — 距离向时间 ,c — — —光 速 ,λ— — —载波波长 , t — — —方位向时 间, K— — —调频斜率 , a ( t ) — — —发射脉 冲的矩形包络 , R ( t) — — —t 时刻雷达 与目标之间的斜距 。 雷达与目标之间