劉祖鵬

(河南工學院電子通信工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000)

基于線性調頻變標原理的SPECAN 成像算法

劉祖鵬

(河南工學院電子通信工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000)

在擦地角較大的前斜合成孔徑雷達(SAR)模式下，距離走動會隨斜距明顯變化。傳統(tǒng)SPECAN成像算法只以中心斜距為參考進行了走動校正，使得測繪帶距離邊緣仍會有殘余的距離走動，最終導致目標的散焦。為了解決該問題，提出了一種基于線性調頻變標原理的SPECAN成像算法。該算法首先在二維時域乘以Chirp Scaling因子，去掉了距離走動的距離空變性，然后使用傳統(tǒng)SPECAN成像算法完成圖像的二維聚焦。仿真結果驗證了所提算法的正確性和有效性。

合成孔徑雷區(qū)； 距離走動； 距離空變特性； 線性調頻變標； SPECAN成像算法

0 引言

合成孔徑雷達(SAR)[1]作為一種主動探測工具，具有全天候、全天時和遠距離作用的特點，可以大大提高雷達的信息獲取能力，在軍事和民用方面發(fā)揮著非常重要的作用。在某些應用場合，相比方位向高的分辨率，人們往往更關心的是寬測繪帶的獲取。一種有效的方法為基于子孔徑處理思想的SPECAN成像算法[2-3]，相比RD[4-5]，CS[6-8]等算法，該算法具有更高的算法效率，所需內存較少，適于中低分辨率下寬測繪帶圖像的實時處理。

傳統(tǒng)SPECAN成像算法對于目標距離徙動的分析，僅考慮線性分量，在成像區(qū)域擦地角較大的前斜模式下，對于長距離向的測繪帶場景，其距離走動分量往往具有隨距離空變的特性?；跍y繪帶中心的距離走動對整個場景進行統(tǒng)一的走動校正，在距離向測繪帶邊緣往往存在比較大的距離走動殘余量，若不加以補償，會導致最終的成像結果中在距離邊緣處出現(xiàn)比較嚴重的散焦情況。

基于線性調頻變標(Chirp Scaling)原理[9]，本文提出了一種改進的SPECAN成像算法，用于解決在大擦地角前斜模式下，距離走動隨距離空變的問題。其主要思想是通過Chirp Scaling操作，校正不同距離門上的信號距離走動差量，使所有信號具有一致的距離走動分量；然后利用SPECAN成像算法，完成場景的最終成像。

1 信號模型

前斜SAR成像幾何模型如圖1所示，X軸定義為垂直于航線的方向，Y軸定義為載機航向，Z軸定義為高度方向。假設載機速度為V，高度為H。θ表示前斜角，為載機速度與波束視線的夾角；φ表示方位角，即載機速度在地面投影與波束視線在地面投影的夾角；β表示擦地角，為波束視線與地面的夾角；Rs為波束中心照射目標時的瞬時斜距。

圖1 前斜SAR成像幾何模型Fig.1 Geometrical model of forward SAR image

根據給定的前斜SAR幾何模型可以得到前斜SAR的回波模型，即

(1)

式中:ta,tr分別表示方位向慢時間和距離向快時間；Ts代表合成孔徑時間；Tp,Kr分別為Chirp信號的脈沖寬度和調頻斜率；c為光速;λ為波長;R(ta;Rs)表示信號的瞬時斜距，即

(2)

對R(ta;Rs)進行泰勒級數展開，并保留到ta的二次項，結果為

(3)

在大擦地角情況下，距離走動系數會隨斜距變化，這里將其近似為斜距的一次函數

(4)

式中,Rsref表示場景中心的參考斜距。

Vcosθ=w0+w1(Rs-Rsref) 。

(5)

距離走動系數展開式中包含w1(Rs-Rsref)這一項，表現(xiàn)了距離走動系數隨斜距的變化。

2 基于線性調頻變標原理的SPECAN成像算法

基于線性調頻變標原理的改進SPECAN成像算法的具體流程如圖 2所示，其過程為：

1) 對于回波數據，在二維時域與CS因子相乘，補償測繪帶距離向兩端目標的距離走動量相對于場景中心走動量的差量，使得所有距離門的距離走動量均校正為場景中心目標的距離走動值，從而消除了走動量隨距離的空變性；

2) 做距離向傅里葉變換，與距離向匹配函數相乘完成距離向脈沖壓縮，并對距離走動量進行校正；

3) 做距離向傅里葉逆變換，將信號變換到二維時域，與方位向去斜函數相乘完成方位聚焦，并將信號變換到距離多普勒域；

4) 通過幾何校正操作，將斜距圖像映射為地距圖像，得到最終的成像結果。

圖2 算法流程圖Fig.2 Flow chart of the algorithm

2.1 窗CS因子相乘

在二維時域構造CS因子為

(6)

與回波信號相乘，得到

(7)

由式(7)可知，經過與CS因子相乘，回波信號中距離走動項隨距離的空變性已被消除，在后續(xù)的距離走動補償中可以對不同的距離門進行統(tǒng)一補償。這一步操作對距離調頻率引入了一個方位調制，所以在對不同方位處的信號進行距離向脈沖壓縮時需要構造相應的距離調頻率匹配函數，而且在指數項中還出現(xiàn)了一個附加的相位，需要在方位去斜操作時進行補償。

2.2 距離脈壓和距離走動校正

利用駐定相位原理，對式(7)的結果進行距離向傅里葉變換，得到式(8)，即

(8)

構造距離向匹配函數及去距離走動函數為

(9)

式(8)和式(9)相乘，并做距離向傅里葉逆變換，得到距離脈壓及距離走動校正后的二維時域結果為

(10)

2.3 方位脈壓

構造方位去斜及相位校正函數為

(11)

與距離脈壓后的信號相乘，并做方位向傅里葉變換，得到最后的距離多普勒域結果為

(12)

(13)

式中:A0=KrTpTs，表示最終成像結果的幅值；2Vcosθ/λ表示目標的多普勒中心。

從式(13)可以看出，經過改進SPECAN成像算法的處理，回波信號最終變?yōu)槎Ssinc信號，其中，距離時移2Rs/c，方位頻移2Vcosθ/λ確定了目標的位置。

3 仿真驗證

用Matlab進行點目標仿真實驗，仿真參數設置如表 1所示。分別在距離向測繪帶的近端、中心及遠端布置3個點目標(見圖3)，用傳統(tǒng)SPECAN成像算法及改進的SPECAN成像算法對其進行成像，對比成像結果。

表1 仿真參數

圖3 目標位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of target location

圖4給出的是兩種算法在距離走動校正后3個點目標的距離徙動曲線。可以看出，對于傳統(tǒng)SPECAN成像算法，場景近端及遠端的點目標還存有距離走動殘余，而基于改進的SPECAN成像算法，場景近端及遠端點目標的徙動曲線均校直，不存在走動殘余量。

圖4 距離走動校正后的距離徙動曲線Fig.4 Distance travel curve after distancemigration correction

圖5給出的是方位去斜后兩種算法的二維聚焦結果。由于走動殘余量的影響，在傳統(tǒng)SPECAN成像算法下，場景近端與遠端點目標均出現(xiàn)了比較嚴重的散焦現(xiàn)象，而對于改進的SPECAN成像算法，場景近、遠端兩點的聚焦效果良好。

通過點目標的仿真結果，驗證了本文提出的改進SPECAN成像算法的有效性，在大擦地角的前斜模式下，對于場景距離邊緣的點目標也能達到比較好的聚焦效果。

圖5 方位去斜后二維聚焦結果Fig.5 Two-dimensional focusing results

4 總結

基于Chirp Scaling原理，本文提出了一種改進的SPECAN成像算法，用于解決在大擦地角前斜模式下，距離走動隨距離空變的問題。仿真實驗結果表明，本文算法對于點目標有較好的聚焦效果。

[1] 張澄波.綜合孔徑雷達——原理、系統(tǒng)分析與應用[M].北京：科學出版社,1989.

[2] CUMMING L G,WONG F H.合成孔徑雷達成像——算法與實現(xiàn)[M].洪文,胡東輝,譯.北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[3] 李學仕,梁毅,李蓓蕾,等.基于SPECAN處理的斜視SAR實時成像算法及其FPGA實現(xiàn)[J]．系統(tǒng)工程與電子技術,2011,33(12):2168-2172．

[4] 林翊青,李景文.大距離徙動情況下距離多普勒(R-D)算法與后向投影(BP)算法的比較[J].雷達科學與技術,2004,2(6):349-354.

[5] 李文靜,陳紅衛(wèi).改進R-D算法的ISAR成像仿真研究[J].艦船科學技術,2015,37(6):114-118,121.

[6] 劉光炎,黃順吉．非線性CS算法的前斜視SAR成像[J]．電子與信息學報,2003,25(10):1308-1315．

[7] 吳勇,宋紅軍,彭靳.基于時域去走動的SAR大斜視CS成像算法[J].電子與信息學報,2010,32(3):593-598.

[8] BU H X,TAO R,BAI X,et al.A novel SAR imaging algorithm based on compressed sensing[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2015,12(5):1003-1007.

[9] PAPOULIS A.Systems and transforms with applications in optics[M].New York:McGraw-Hill,1968.

ASPECANImagingAlgorithmBasedonChirpScalingPrinciple

LIU Zu-peng

(Department of Electronics and Communication Engineering,Henan Institute of Technology,Xinxiang 453000,China)

When Synthetic Aperture Radar (SAR) works in the squinted mode in the case of a large grazing angle,the Range Walk changes greatly with the slant range.The traditional SPECAN imaging algorithm corrects the Range Walk only referring to the centered slant range,there are residual Range Walks on the range edge of the swath,which finally leads to target defocus.In order to solve this problem,a modified SPECAN imaging algorithm based on Chirp Scaling Principle is proposed.Firstly,it is multiplied by Chirp Scaling factor in the two-dimension time domain to eliminate the range variations of the Range Walk.Then,it employs the traditional SPECAN imaging algorithm to accomplish the two-dimension focus of the image.Numeric simulation results confirm the validity of the proposed algorithm.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Range Walk; range variation; chirp scaling principle; SPECAN imaging algorithm

劉祖鵬.基于線性調頻變標原理的SPECAN 成像算法[J].電光與控制，2017，24 ( 11) : 95-99.LIU Z P.A SPECAN imaging algorithm based on chirp scaling principle[J].Electronics Optics & Control，2017，24( 11) : 95-99．

2017-02-06

2017-02-17

河南省高等學校重點科研項目(17B510001)

劉祖鵬(1980 —),男,河南封丘人,碩士,講師,研究方向為智能算法、電子通信技術。

TN244

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.11.020