机载前斜视合成孔径雷达成像处理的精确Chirp_Scaling算法.pdf

年一月现代雷达第期机载前斜视合成孔径 雷达成像处理的精确算法黄岩李春升冯世章北京航空航天大学北 京【摘要】提出了一种基于算法的机载前斜视合成孔径雷达的成像处理实现方法。这种算法 由于避免 了插值运算,且能够精确地进行距离徙动校正,故使得成像质量等于或好于经典的距离一多普勒算法。该算法只需通过复乘和就能够实现成像处理。【关键词】机载合成孔径雷达,拍反岛算法雷达成像【加碑讲,沙叹详油目地,琢比,地协,山乡引言自年提出合成孔径雷达概念以来,机载和星载得到 了迅速 的发展,使雷达从探测 目标发展到对 目标的成像。近几年来,由于机载前斜视合成孔径雷达能够对载机前方大面积区域进行高分辨率成像,这在军事上具有特殊意义,因此机载已成为国际雷达界的研究热点。目前通常采用距离一多普勒算法进行成像处理。该算法的主要优点是在频域内完成距离徙动校正和方位维聚焦处理,主要缺点是在进行方位处理时需要进行距离二 次脉 压和在进行距离徙动校正时需要进行插值处理,这样将导致计算量增加和成像质量下降。由于机载在较大前视角情况下具有大的距离徙动,需要进行二次脉压处理,因此不利于采用算法进行机载成像处理。本文根据机载的特点,提 出一种适于机载成像处理的精确算法。该方法能够对机载进行精确成像处理。它不需要进行插值处理,只要通过复乘和就能够进行成像处理,而且成像质量等于或好于精确的算法。本文年月日收到。现代雷达卷“算法是一种有效的成 像处理算法。它是利用距离一多普勒域的距离徙动校正与多普勒频率有关的距离比例因子的特性来进行校正的。此方法可用于全部作用距离范围的校正及残 留的校正。假 定雷达发射线性调频信号,并且在方位压缩之前没有进行距离压缩方法就是在距离一多普勒域的每条距离线上乘以一个二次相位函数,从而 改变距离向调频信号 的调频率和 中心频率,在对距离压缩后用修改后的调频率经相关处理的最大值即为偏移量,此偏移量正比干 中心频率 的偏移。算法不需要插值运算,换句话讲,它是应用全部距离调频信号 作为插值内核 的。机载回波信号模型假定雷达发射调频率为的线性调频信号,雷达信号由雷达接收机经调解、相干 检波后的点目标回波信号为,、产,、产,、汀,、。,一环。一于,一二丁一于,一子一”一伙一一“一一夕一一护一火一、一一夕一“又一、一一式 中,为地面点目标雷达 散射截面 积,为天 线加权函数,。为雷达发射信号的包络,为距离 向延迟 时 间,之为方 位 向时 间,为在一时目标与雷达间的距离,为雷达与目标 间的瞬时距 离,为光速,若雷达工作在前视状态,雷达天线指 向与飞行方 向之 间的夹角 前视角 为甲,载体飞行速度为,则,可以表示为刀,侧,一犷犯伊由于,是随时间变化的函数,的变化称为距离徙动,距离徙动的影响使得某一点 的雷达回波信号跨越多个距离门,产生方位 向与距离 向的藕合,使方位处理变成了复杂的二维处理。为 了简化方位处理,必须对距离 徙动进行校正。在算法 中,由于的影响,使得每一个分辨单元中的调频信号的时 间带宽积减小,信号的方位谱在距离一多普勒域沿距离向展宽,弥散于不 同的距离门中。如果不对这些展宽的信号进行压缩处理,那么将丢 失信号 信息,使得图像散焦。对方位谱沿距离 向的展宽,是通过调整距离参考函数的调频率在一定程度上改善相位 补偿的二次距离压缩来修正的,但在大前视角的情况下,距离 徙动很大,此方法不能够满足相位补偿的精度要求。利用方法可以有效地完成距离徙动校正。利用讯方法进行机载成像处理雷达信号处理的目的是从雷达回波信号 中提取地面 目标信息。算法是 利用信号在距离一多普勒域及距离向、方位向二维频域的表达形式对回波信号进行处理,不象通常的方法那样先作距离压缩,然后对方位向进行处理。此算法对信号处理 的开始及结束都是取信号的方位向进行变换,距离向处理位于其 中,在算法 内只要进行 傅氏变换及相乘运算,在距离徙动校正 中不需插值运算。算法首先将回波信号转换到域,在转换到二维频域前,所有 的距离 徙动 曲线都被补偿成相似的曲线,等价为在一参考距离下的点目标的徙动曲线。在域回波信号与一个相位修正 因子相乘进行相位 补偿,此相位函数为在域上的距离向调频函数,其调频率与雷达发射的距离 向线性调频信号的调频率相比要小得多。二次距离压缩可以通过一个调频率与多普勒频率有关的距离压缩滤波器来完成。第期黄岩等 机载前斜视合成孔径雷达成像处理的精确算法竺方位向首先将回波洁号在方位向进行,使信号数据转换到距离一多普勒域,在距离压缩前,方法 刊 用了距离向线性调频信号 的特性。根 据驻 留相 位原理闭,对式进行方位 向,信号在域表示为,舫卿厂,、试丁小叼月叩气一下歹厂一一下叨代了一万叭,夕矛、,、几,、,二、,厂一县,飞、心产切了,了了,合。,尹,、一厂一了一、土一、丽夕产下少乙路不万一上式中的为一个复常数,且,的尹甲厂一骊石定义尹为弯曲因子,表示信号轨迹与多普勒频率之间的关 系。,为距离徙动在距离一多普勒域 的表示。式中的,为,的一、,矛产产厂内五一白一八产一一了了叮、一尹、久十人怜甲只万七上式满足不牛二一粤,。,八八,夕八其 中,肠甲纂,一荆鲁定义为距离扰动 因子,与有关,与尹无关。在匹配处理中,若不对,进行补偿则将 引起 距离散 焦。对 距离扰动二,在处理器中的匹配处理被称作所 谓的二次距离压缩。现代雷达卷相位相乘将距离多普勒域 的信号数据乘以一个相位函数使得每个点目标的徙 动曲线的相位均被补偿到参考距离的相位。从理论上讲,参考 曲线的选取并不是很严格的,甚至可以选择在成像区域以外,参考 距离处 的时域曲线在域表示为二一,一号,所需 的乘子为必,丁,。,一夕二。,一此处的线性调频信号的调频率,、,为距离参数,等于常数、下的调频率。由于必,的影响,在 每个距离 线性调频相位结构 中产生 了较小 的距离和 多普勒参数 的偏差,使得所有信号 的相位中心沿下列曲线变化尸,、,丁一万十又月实际上上述条件并不能严格满足,由此引起的非线性因素可在相位补偿 中得到解决。距离向将相位修正后的信号作距离向,回波信号转换为二维频域信号。,一,。舫甲一万切、。厂一一一一工二一一一火二尸一,誓二,切一、合。万下下州卜乙兀,一一厂七、兀下下下下一二,又下下一下一下下下又万几、。气一了汗夕州尸七气少缨,誓,一,。式中的口,为,、汀,、尸刁,、,、,创,下八又,子少一少少一尹,七一式中的每一个相位项都有具体的含义。第一项是方位 向调频函数,与距离向频率,无关。第二项是,的二次函数,是距离向调频变换的结果。初始调频率经过距离弯曲因子及域的的修正后变为。,一万。下竺毕 荟工奖二十七八少第期黄岩等机载前斜视合成孔径雷达成像处理的精确算法式中的右边第一项为经后 的调频率,第二项为几何相位扰动,此项正比于目标与载体间的距离,当多个目标同时存在时,在频域将会产生多值函数。与线性调频项的幅度相比,距离函数变量引起的偏差很小,可近似为常数。式中的第三项为,的线性函数,包含了每一点 目标 的准确距离尹和距离弯曲,由于经过了,相对距离曲线,、,在全部雷达作用距离范 围 内近似相等。距离徙动校正、距离压缩及二次距离压缩通过乘以一个函数因可以完成距离徙动校正及距离聚焦处理包括多普勒域内的二次距离压缩及 补偿线性调频率在中的变化。,一一一,二弃,。,誓了一川,式中的第一项完成了二次距离压缩及距离向聚焦处理,第二项完成了距离 徙动的校正。距离向所有距离向调制 的相位 补偿后,在距离向作,定义下 标为输出的脉冲信号在相 应域经过压缩。,、月丫叮加尹、厂叭。亡。、,少一月,一气石丈厂一一万仍甲“一二 万、,、七尹一了路川甲,一黑合,掣,一,、,产方位滤波及残留相位式中的第一项为规范 的多普勒调频信号,信号的方位向处理 即为对此 项的匹配聚焦,第二项由式所 定义,是乘子引起的残留相位,取复共扼函数口丫,即可 对残留相位进行补偿。,一。一,旦竺智竺,一厂,一黑告一、二些掣,、七乙了由于距离压缩及距离徙动校正在此之前已全部完成,故尹与了有对应的关系,即一价。由距离变化而 引起的距离 向失配所产生的相位误差在此得到 了补偿。方位向算法的最后一 步是对信号作方位 向正,由于方位压缩后的回波响 应作了适当 的比例调正,所以点目标在零相位偏移下的回波应为此点目标散射系数的函数。计算机仿真与成像处理结果根据本文提 出的算法进行了机载成像处理 的计算机仿真。由于成像处理仿真计算量巨大,因此,我们选取了部分距离门进行成像处理仿真。地面场景 用两万多个离散点模拟 了一个 地面原始图像,其规模为个距离单元义个方位单 元,约第期黄岩等机载前斜视合成孔径雷达成像处理的精确算法式中的右边第一项为经后 的调频率,第二项为几何相位扰动,此项正比于目标与载体间的距离,当多个目标同时存在时,在频域将会产生多值函数。与线性调频项的幅度相比,距离函数变量引起的偏差很小,可近似为常数。式中的第三项为,的线性函数,包含了每一点 目标 的准确距离尹和距离弯曲,由于经过了,相对距离曲线,、,在全部雷达作用距离范 围 内近似相等。距离徙动校正、距离压缩及二次距离压缩通过乘以一个函数因可以完成距离徙动校正及距离聚焦处理包括多普勒域内的二次距离压缩及 补偿线性调频率在中的变化。,一一一,二弃,。,誓了一川,式中的第一项完成了二次距离压缩及距离向聚焦处理,第二项完成了距离 徙动的校正。距离向所有距离向调制 的相位 补偿后,在距离向作,定义下 标为输出的脉冲信号在相 应域经过压缩。,、月丫叮加尹、厂叭。亡。、,少一月,一气石丈厂一一万仍甲“一二 万、,、七尹一了路川甲,一黑合,掣,一,、,产方位滤波及残留相位式中的第一项为规范 的多普勒调频信号,信号的方位向处理 即为对此 项的匹配聚焦,第二项由式所 定义,是乘子引起的残留相位,取复共扼函数口丫,即可 对残留相位进行补偿。,一。一,旦竺智竺,一厂,一黑告一、二些掣,、七乙了由于距离压缩及距离徙动校正在此之前已全部完成,故尹与了有对应的关系,即一价。由距离变化而 引起的距离 向失配所产生的相位误差在此得到 了补偿。方位向算法的最后一 步是对信号作方位 向正,由于方位压缩后的回波响 应作了适当 的比例调正,所以点目标在零相位偏移下的回波应为此点目标散射系数的函数。计算机仿真与成像处理结果根据本文提 出的算法进行了机载成像处理 的计算机仿真。由于成像处理仿真计算量巨大,因此,我们选取了部分距离门进行成像处理仿真。地面场景 用两万多个离散点模拟 了一个 地面原始图像,其规模为个距离单元义个方位单 元,约