一种新的大斜视TOPSSAR全孔径成像方法.pdf

2015 年 2 月 西安电子科技大学学报（自然科西安电子科技大学学报（自然科学版）学版）Feb.2015 第 42 卷 第 1 期 JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY Vol.42 No.1 doi：10.3969/j.issn.1001-2400.2015.01.007 一种新的大斜视TOPS SAR 全孔径成像方法 杨 军，李震宇，孙光才，邢孟道,周 峰(西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室,陕西 西安,710071)摘要：大斜视模式导致回波信号距离向和方位向耦合严重；TOPS模式波束指向的变化导致全孔径回波信号的方位带宽大于系统脉冲重复频率，引起方位谱模糊。针对大斜视TOPS SAR存在的上述问题，该文提出了一种基于修正距离徙动算法和方位谱分析的全孔径成像算法。对于全孔径数据，首先通过方位预处理获取信号无模糊的二维频谱，然后采用修正距离徙动算法进行距离徙动校正，最后通过谱分析技术和方位去斜技术将信号聚焦在方位频域。仿真实验和实测数据结果验证了该算法的有效性。关键词：大斜视TOPS SAR;方位预处理;修正距离徙动算法;谱分析 中图分类号：TN957.52 文献标识码：A 文章编号：1001-2400(2015)01-0046-08 Novel full aperture imaging algorithm for highly squinted TOPS SAR YANG Jun,Li Zhenyu,SUN Guangcai,XING Mengdao,ZHOU Feng(National Key Laboratory of Radar Signal Processing,Xidian University,Xian 710071,China)Abstract:Due to its special imaging geometry,the highly squinted Terrain Observation by Progressive Scans(TOPS)SAR imaging mode is confronted with two main issues:severe range-azimuth coupling caused by high squint angles and azimuth spectrum aliasing caused by steered azimuth beam.To solve these issues,a full aperture imaging algorithm based on modified range migration algorithm(RMA)and spectral analysis(SPECAN)is proposed in this paper.Firstly,the two-dimensional(2-D)spectrum without aliasing is obtained by azimuth preprocessing.Then the modified RMA is used to complete range cell migration correction(RCMC)and range compression.Finally,the signal is focused in the Doppler domain by SPECAN and Deramping.Simulations and real data processing results validate the effectiveness of the proposed algorithm.Key words:highly squinted TOPS SAR;azimuth preprocessing;modified range migration algorithm;spectral analysis (SPECAN)合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)成像具有全天时、全天候、远距离和宽测绘带等特点，可以大大提高雷达的信息获取能力。ScanSAR和TOPS SAR1分别通过周期性调整波束在俯仰维和方位维的指向来实现宽测绘带。ScanSAR 由于波束在方位向的不连续扫描使得图像存在明显的扇贝效应，TOPS SAR克服了ScanSAR模式的上述缺陷。由于TOPS SAR的这些优点，该成像模式已成为近几年的研究热点，并成功应用到了工程实践中2-5。若将斜视模式和TOPS模式结合，雷达能对斜前方大范围区域进行监视，提前发现目标，这大大提高了雷达的灵活性和安全性，扩大了其应用范围。斜视SAR特殊的成像几何特性决定了回波信号存在严重的距离徙动，这导致距离向和方位向耦合严重6。TOPS模式中由于波束指向的变化，导致场景回波信号的方位带宽急剧增大，通常大于系统的脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)，因此全孔径回波信号在方位频域是模糊的。大斜视TOPS SAR同时具有距离向和方位向强耦合及方位信号频谱模糊特性，这增加了其成像处理的难度。针对 TOPS SAR 成像方法的研究主要还集中于正侧视。文献7中提出了一种子孔径成像处理的算法,首先在每个子孔径内进行距离徙动校正及距离脉压，然后在方位时域拼接并进行方位聚焦。文献8,9中提 收稿日期收稿日期：2013-00-00 网络出版网络出版时间时间：基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目(61222108，61301292)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(K5051302058)。作者简介：作者简介：杨军(1984-)，男，西安电子科技大学博士研究生，E-mail:yangjun_ 网络出版地址：网络出版地址：2014-05-14 09:37http:/ 1 期 杨军等：一种新的大斜视 TOPS SAR 全孔径成像方法 47 http:/ 出了两种基于两步处理的全孔径成像处理算法。针对斜视TOPS SAR成像算法的研究较少，文献10中提出了一种全孔径的成像处理算法，首先对走动校正后的信号进行方位预处理获取信号无模糊的二维频谱；然后采用修正的线性变标算法进行距离徙动校正；最后在频域采用非线性变标算法及谱分析技术将目标聚焦在方位频域并进行几何形变校正。本文提出了一种新的大斜视TOPS SAR全孔径成像算法。对于子测绘带全孔径数据，首先通过方位预处理获取无模糊的二维频谱，然后采用修正的距离徙动算法(Range Migration Algorithm,RMA)进行距离徙动校正，最后通过谱分析(SPECtral ANalysis,SPECAN)技术和方位去斜(Deramping)技术将信号聚焦在方位频域。相比文献10中的成像算法，本文算法不需要进行几何形变校正，另外该算法中是以航向为坐标轴建立直角坐标系，便于子测绘带图像拼接形成大场景图像。1 1 斜视斜视TOPS SARTOPS SAR 成像几何及信号模型成像几何及信号模型 O0(,)BP X RbwXMNBRSRv12 ataBPRFaTiBOafdcf 图1 斜视SAR几何模型 图2 斜视TOPS SAR点目标方位信号时频关系图 图1 所示为斜视TOPS SAR 成像几何模型(单子测绘带)。雷达平台以速度v作匀速直线运动，雷达与场景中心的距离为SR，天线波束宽度为bw，扫描周期中间时刻雷达处于O点，对应的波束中心斜视角为0，子测绘带回波数据录取过程中雷达从M点运动到N点，波束中心斜视角从1匀速变化到2。以O点为坐标原点，航向为横轴建立直角坐标系。图2为斜视TOPS SAR中点目标方位信号的时频关系图，其中两条斜虚线的中间区域表示场景的时频分布区，可以通过雷达工作参数确定，粗实线为场景点目标的时频线，从图中可以看出，点目标多普勒中心随方位位置变化，这样导致子测绘带全孔径回波信号方位带宽急剧增加，通常会达到 PRF 的几倍，因此回波信号在方位频域是模糊的。图 2 中iB表示瞬时多普勒带宽，脉冲重复频率PRF稍大于iB，aT、dcf和aB分别表示全孔径时间、多普勒中心和方位带宽。对于子测绘带中的点目标,BP X R，距离脉冲压缩后其基带回波信号在距离频域方位时域可表示为 0,exp4;echrarraaaBrcSf tAf attjR t Rffc (1)其中rf为距离频率，c为光速，cf为雷达载频，0t为波束中心指向P时的方位时刻，at为方位慢时间。rA 和 aa分别表示线性调频信号的距离频域和方位时域窗函数，22;aBaBR tRXvtR为瞬时斜距。2 2 斜视斜视TOPS SARTOPS SAR 成像算法成像算法 2.1 方位预处理方位预处理 正侧视情况下，文献11中提出了一种通过方位预处理获取无模糊方位频谱的方法，本文中将其引入到斜视模式中。图3为斜视TOPS SAR模式下方位信号无模糊频谱恢复示意图。图3(a)为原始方位信号的时频图。首先将原始方位信号频谱移动到0af 附近，频谱移动函数可表示为 1,exp2radc aHf tjf t (2)频谱移动后的信号可以表示为 10,exp4;2rarraaaBrcdc aSf tAfattjR tRffcjf t (3)其对应的方位信号时频图如图3(b)所示。进行方位预处理的参考函数可以表示为 48 西安电子科技大学学报（自然科学版）第 42 卷 http:/ aBataTOiBafPRF aBataTOiBafPRF ataTOafPRF (a)原始信号 (b)方位谱平移 (c)点乘线性调频信号 aTPRFatafO aTPRFatafO aTPRFatafO (d)IFFT (e)点乘线性调频信号 (f)频域补偿卷积信号 图3 方位信号无模糊频谱恢复示意图 2exprefaa aStjt (4)参考函数与式(3)进行卷积后的信号可以表示为 211,exp2raraazrefarefarrefa aSf tSf tStStSfx Sxjt x dx (5)其中符号az表示方位卷积。从式(5)可以看出，卷积运算可以通过信号和二次相位函数相乘，然后求逆傅里叶变换(IFFT)，再补偿一个二次相位实现，这三步对应的点目标的方位信号的时频图分别如图3(c)、3(d)、3(e)所示。从图3(c)可以看出，需要选取合适的a，使得 1,rrefSfx Sx在方位时域和频域都是不模糊的。逆傅里叶变换后信号乘以 refaSt后，信号频谱有所展宽，如图3(e)所示，因此原始信号需要在时域扩展。为了在频域恢复出1,raSf t，需要在频域补偿式(4)所示的信号，补偿函数为：2expcomaaaSfjf (6)补偿后的方位信号的时频图如图3(f)所示，点目标时频线与图3(b)相同，只是图3(f)所示信号在时域是模糊的，图3(b)所示信号在频域是模糊的。方位预处理后信号的二维频谱可以表示为：223,exp4exp422rcadcadcrarraaBffffffSffAfAfjRjXcvv (7)下面从信号调制角度进行具体分析。假设子测绘带全孔径信号的方位采样点数为nan，上面已经分析得到，为了使图 3(e)中的信号频域不模糊，需要在原始信号的时域进行补零处理。假设补零后信号长度为nan，,aaQ tf为图3(a)中的任一时频点，方位谱平移后Q在图3(b)中变为,aadctff；乘以式(4)后Q在图3(c)中变为,aadca atfft；IFFT后，方位信号采样频率从PRF变为PRF，PRF和PRF存在如下关系 aPRFPRF nan (8)Q在 图 3(d)中 变 为,aad caaatfft；乘 以 线 性 调 频 信 号 后Q在 图 3(e)中 变 为,aad caad ctffff，为了使图3(e)中的信号在时域和频域都不模糊，应该满足 aaPRFnan PRFB (9)通过式(9)可计算出原始信号时域补零长度nannan。在频域补偿卷积项后，Q在图 3(f)中变为0,aaatff，这与图3(b)中时频点坐标相同。从上面的分析可以看出，方位预处理前后信号的形式没有发生变化，只是等效方位采样频率变大，时域间隔减小，时宽减小，导致方位预处理后信号在频域是不模糊的，时域是模糊的。第 1 期 杨军等：一种新的大斜视 TOPS SAR 全孔径成像方法 49 http:/ 令4rrcKffc，2xadcKffv，式(7)在二维波数域可以表示为 223,exprxKrrKxxBrxxSK KAKAKjRKKjXK (10)KrA和KxA分别代表rK和xK域的窗函数。2.2距离徙动校正距离徙动校正 在获得信号无模糊的二维频谱后，本文中采用修正的RMA 来实现距 离 徙 动 校 正12,13。令22yrxKKK，04rcKf c，2200yrxKKK，0yyyKKK，对支撑区中的任一方位波数单元xK，从图4可以看出，yK取值范围随xK变化不大，其取值范围可以由雷达工作参数确定。通过220yyyrxKKKKK，可以得到rK域的插值表达式。22220rrxyxKKKKK (11)插值处理后，式(10)可以表示为 2230,expyxKyyKxxBxyxrSK KAKAKjRKKKjXK (12)其中 KyA为yK域的窗函数。IFFT变换后，信号可以表示为 2230,2expBxBaxBxxrSRKtRc A KjRKKjXK (13)用式(14)补偿上式中的距离相关项 2220,expBxBrxHRKjRKK (14)令aadcfff，补偿后信号在方位频域可以表示为：4exp2aaaaSfAfjf X v (15)对于单个点目标，通过IFFT就可以将方位信号聚焦到时域。对于TOPS SAR模式，由于扫描场景方位幅宽要大于原始信号时域宽度，因此，通过IFFT聚焦到时域是模糊的。2.3方位聚焦方位聚焦 atafOaTaBaTSPECAN曲线Deramping曲线arfdf点目标方位信号时频关系远距离单元近距离单元1t2taa aarftfaa aarftf 场景方位幅宽对应时间 图5点目标的方位信号时频关系变换示意图 图5为点目标的方位信号时频关系变换示意图，粗实线表示的是各点目标的方位信号时频线。从式(15)xKyKO220yrxKKK0 xK1yK2yK0yK 图4 斜视SAR yxKK二维波数50 西安电子科技大学学报（自然科学版）第 42 卷 http:/ 可以看出，对于点目标,BP X R，通过修正的RMA进行距离徙动校正后，其方位信号在时频图中为一竖直线，竖直线对应的时域坐标为X v，频域坐标为点目标回波信号的多普勒频带。因此，通过雷达的工作参数，可以计算出距离徙动校正后方位信号的时频支撑区，图5中竖直的粗实线描述了不同距离单元中点目标的方位信号的时频关系。从图 5 中可以看到，扫描场景对应的幅宽21v tt要大于avT，因此式(15)表示的场景方位信号在时域是模糊的。通过雷达工作参数计算出式(15)表示的方位信号的时频支撑区后，就可以在时频图中选取一条合适的SPECAN曲线，式(15)信号在频域经过SPECAN曲线对应的信号调制后，信号的时域支撑区分布在0at 两边，并且调制后信号的方位时宽变为aT，aT远远小于21tt。若 aaTT，为了使调制后的信号在时域不模糊，需要在卷积运算后在at域进行补零扩展。补零数量为：aaTTT (16)SPECAN曲线在时频图中可以表示为 aa aarftf (17)其中0a决定调制后信号的时宽，arf决定调制后信号的时域支撑区是否关于0at 对称，式(17)对应的频域信号可以表示为：23expaaaarHfjff (18)式(15)与式(18)相乘得到：25exp2aaaaaaarSfA fjf X vjff (19)上式所示的方位信号在时域和频域都是不模糊的，信号变换到方位时域可以表示为 25exp2adcparaaaraaaapatX vffXXstrectjftjtBvv (20)其中 11 201 2xrect xx。在时频图中，点目标的时频关系由竖直线变为斜线，如图(5)中标的箭头所示，采用Deramping补偿式(20)中关于at的二次相位项。Deramping曲线如图(5)所示，在时频图中可表示为 aa adftf (21)其中df为子测绘带方位信号频带中心，则Deramping函数在时域可以表示为 24expaaadaHtjtf (22)式(20)和式(22)相乘，通过傅里叶变换到频域有 226sincexp2aaaapdaaardarBXXXfSffffjfjvvv (23)其中pB为点目标P对应的多普勒带宽，Deramping 处理后点目标的时频关系从斜线变为水平线，如图(5)中标的箭头所示，方位信号聚焦在方位频域aaardfffX v，构造相位补偿函数 522exp2aaaaaarardaardadHfjffffjffff (24)使算法具有保相性。3 3 成像算法流程成像算法流程 大斜视TOPS SAR成像算法流程如图6所示，其中0H为距离频域脉压函数。算法主要由4部分组成：参数计算、方位预处理、修正的RMA完成距离徙动校正、SPECAN和Deramping完成方位聚焦。首先由雷达工作参数计算出dcf，a，nan，a，arf，df，aT等参数，对原始回波信号在时域进行补零扩展，第 1 期 杨军等：一种新的大斜视 TOPS SAR 全孔径成像方法 51 http:/ 通过方位预处理恢复出回波信号无模糊的二维频谱，需要注意的是卷积处理后需要在时域进行补零扩展，便于后面的方位聚焦处理；然后在距离波数域通过插值处理完成距离徙动校正和距离脉冲压缩，并补偿与 距离相关的双曲相位项；最后采用SPECAN和Deramping技术将方位信号聚焦在频域。原始数据距离FFT0H refaSt方位IFFT方位FFT 域插值rK距离IFFT2H3H方位IFFT方位时域扩展1H()refaSt refaSt方位时域扩展()comaSf 4H方位FFT5HSAR图像方位预处理距离徙动校正方位聚焦计算0afananaarfdfaT雷达工作参数 图6 斜视TOPS SAR成像算法流程 4 4 仿真实验与实测数据处理仿真实验与实测数据处理 4.1 仿真实验仿真实验 为了验证本文提出的斜视TOPS SAR成像方法的有效性，本节给出了仿真试验结果。仿真参数见表1，仿真场景为9 11的矩形点阵，均匀分布在12km20km 8km15km(沿航向 垂直航向)的范围内，如图7所示。对于斜视TOPS SAR，只有部分点目标在子测绘带内，图中实线框大致标示了成像场景。表表1 仿真参数仿真参数 载频 4.8GHz 速度 800m/s 波束宽度 3o 带宽 24MHz 采样率 30MHz 扫描角度 43o67o PRF 2000Hz 中心斜距 20km 扫描速度 7.5o/s 121416182089101112131415方位向(km)距离向(km)BAC 方位频域距离时域 图7 仿真场景 图8 方位预处理后的信号 图9 距离脉压结果 图10子测绘带成像结果 距 离 向 方位向 52 西安电子科技大学学报（自然科学版）第 42 卷 http:/ 方位单元距离单元500100015002000400450500550600 方位单元距离单元500100015002000400450500550600 方位单元距离单元500100015002000400450500550600(a)A点等高线图 (b)B点等高线图 (c)C点等高线图 图11 仿真实验成像结果 通过表1参数可知，全孔径信号方位带宽为6012Hz，远大于PRF，全孔径方位信号在方位频域是模糊的，方位预处理后信号在距离时域方位频域表示如图8所示，其在方位频域是不模糊的。通过修正的RMA进行距离徙动校正和距离脉冲压缩后的结果如图9所示，从图中可以看到各点目标距离徙动得到良好校正。子测绘带成像结果如图10所示，图11(a)，11(b)，11(c)分别对应子测绘带中A，B，C 3点的等高线图，可见点目标均得到了良好的聚焦，成像效果较为理想。从成像结果可以看出，A，B，C 3点的分辨率依次降低，这是由于随着扫描角度的增大，3点对应的方位带宽依次减小所致。4.2 实测数据处理实测数据处理 斜视TOPS SAR 实测数据为某研究所在2010 年录取，雷达系统主要参数如表2所示。图12为采用本文方法进行成像处理的聚焦结果，其中垂直方向为距离向，水平方向为方位向，图像上端为场景远端。从图12中可以看出，图像整体没有出现模糊，且图中主要目标清晰，得到了较好的成像效果。表表2 雷达系统参数雷达系统参数 载频 18.5GHz 速度 70m/s 波束宽度 4o 带宽 100MHz 采样率 120MHz 扫描角度 34o59o PRF 1000Hz 中心斜距 8.5km 扫描速度 10o/s 5 5 结束语结束语 针对大斜视TOPS SAR中存在的距离与方位强耦合及方位频谱模糊问题，本文提出了一种全孔径成像处理算法。对于全孔径数据，首先通过方位预处理获取信号无模糊的二维频谱，然后采用修正的 RMA 进行距离徙动校正，最后通过谱分析技术和方位去斜技术将方位信号聚焦在频域。本文方法聚焦得到的图像不存在方位形变,不需要进行几何形变校正，另外本文中是以航向为坐标轴建立直角坐标系，利于大场景图像的拼接。仿真实验结果验证了本文方法的有效性。参考文献：1 Francesco D and Andrea M.TOPSAR:terrain observation by progressive scans J.IEEE Transactions on Geoscience Remote Sensing,2006,44(9):2352-2360.2 Wollstadt S,Prats P,Bachmann M,et al.Scalloping correction in TOPS imaging mode SAR data J.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2012,9(4):614-618.3 Prats P,Scheiber R,Marotti L,et al.TOPS interferometry with TerraSAR-X J.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2012,50(8)：3179-3188.4 Meta A,Prats P,Steinbrecher U,et al.First TOPSAR image and interferometry results with TerraSAR-XC.Proceedings.of Fringe Workshop,Frascati,Italy,2007:1-8.5 Marotti L,Prats P,Scheiber R,et al.Differential SAR interferometry with TerraSAR-X TOPS data:Mexico City subsidence results C.EUSAR 2012,Nuremberg,Germany,2012:677-680.6 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