鄭志瀛,譚鴿偉,蔣丁一
華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,廈門 361021
在合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)中,高速平臺(tái)雙基前視SAR 是一種新型的特殊成像模式,能適用各種天氣條件[1-3]。在這種配置下,發(fā)射機(jī)以側(cè)視模式對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景發(fā)射脈沖信號(hào),接收機(jī)在前視或大斜視下工作,接收目標(biāo)區(qū)域反射的回波信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的前視成像,突破了單基站SAR 存在前視盲區(qū)的局限性。在精確制導(dǎo)、航空航天器自主導(dǎo)航著陸等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值[4-5]。
隨著高速無(wú)人機(jī)、航天器以及超聲速導(dǎo)彈等高速機(jī)動(dòng)平臺(tái)不斷涌現(xiàn),高速平臺(tái)雙基SAR 對(duì)前視區(qū)域的高分辨率成像問題亟待解決。高速平臺(tái)雙基SAR 的飛行軌跡較為復(fù)雜,并具有高速度、大加速度等特點(diǎn),因此收發(fā)平臺(tái)在脈沖傳播過程中的運(yùn)動(dòng)不能忽略。傳統(tǒng)的“停走?!蹦P蛯⒉辉龠m用,需要構(gòu)建“非停走停”下的高精度信號(hào)模型。鑒于此,通過分析回波信號(hào)復(fù)雜的距離徙動(dòng)現(xiàn)象以及二維空變特性,設(shè)計(jì)相應(yīng)的相位補(bǔ)償方法以期解決高速平臺(tái)雙基SAR 成像的難題。
目前已有的成像算法包括時(shí)域算法、時(shí)頻域算法和頻域算法。時(shí)域算法的代表是后向投影算法(Backward Projection Algorithm,BPA),文獻(xiàn)[6]針對(duì)高速平臺(tái)提出了“非停走?!被夭P停⒂肂P 算法進(jìn)行成像,但其運(yùn)算量太大,算法效率較低。文獻(xiàn)[7]提出的快速分解后向投影算法(Fast Factorized Back Projection,F(xiàn)FBP),雖減少了計(jì)算量,但成像精度也大幅降低。文獻(xiàn)[8]采用極坐標(biāo)格式算法(Polar Format Algorithm, PFA)在波數(shù)域中處理回波,提高了波數(shù)譜的利用效率,補(bǔ)償了波前彎曲導(dǎo)致的空變相位誤差,實(shí)現(xiàn)了高精度成像,但該算法仍存在局限性,當(dāng)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency, PRF)過低時(shí),會(huì)導(dǎo)致回波多普勒質(zhì)心發(fā)生混疊,使波數(shù)譜的重采樣出現(xiàn)誤差,從而影響聚焦效果。具有代表性的時(shí)頻域算法主要有:距離多普勒(Range Doppler,RD)算法[9-10]、Chirp Scaling (CS)算法[11-13]和擴(kuò)展的方位非線性CS 算法(Extended Azimuth Nonlinear Chirp Scaling, EANLCS)[14-17]。 文獻(xiàn)[18]提出了改進(jìn)的RD 算法,該算法減小了相位誤差,具有良好的聚焦性能和相位保留能力,但其并未考慮場(chǎng)景的空變性,當(dāng)成像區(qū)域增大時(shí),邊緣點(diǎn)的聚焦性能明顯下降。文獻(xiàn)[19]針對(duì)高速平臺(tái)雙基SAR 提出了改進(jìn)的非線性調(diào)頻變標(biāo)算法,該算法在距離向利用擴(kuò)展的KT(Keystone Transform)變換消除距離-方位的二次耦合,在方位向采用多項(xiàng)式擬合的變標(biāo)因子,對(duì)距離單元之間目標(biāo)的方位多普勒參數(shù)進(jìn)行均衡,消除了方位調(diào)頻率和方位立方系數(shù)的二階空變量。但該算法并未完全補(bǔ)償距離向的空變誤差,因此成像效果受到影響。
綜上所述,現(xiàn)有模型和算法并不能很好地解決高速平臺(tái)雙基SAR 的前視成像問題。為此,本文提出基于“非停走?!蹦P偷碾p向重采樣算法。首先,利用精確的脈沖傳播時(shí)延建立斜距等效方程及“非停走?!被夭P?。基于該模型,在距離頻域方位時(shí)域進(jìn)行線性走動(dòng)矯正(Linear Range Walk Correction, LRWC),然后將其變換到二維頻域,用中心參考點(diǎn)的補(bǔ)償函數(shù)進(jìn)行匹配濾波,此時(shí)二維頻譜中只剩下與目標(biāo)位置有關(guān)的二維空變量。由于廣泛使用的KT 變換只能補(bǔ)償距離向的一階空變相位,為了實(shí)現(xiàn)剩余高階空變相位的補(bǔ)償并解除距離-方位耦合,本文在距離向?qū)ΧS頻譜的空變參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展的最小二乘擬合,然后通過對(duì)距離向頻率重采樣,完成距離向空變相位的完全補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)二維解耦合。最后將其變換到二維時(shí)域,對(duì)剩余的方位分量進(jìn)行多普勒參數(shù)的最小二乘擬合和方位重采樣,有效補(bǔ)償了方位空變相位誤差。通過基于雙向重采樣的聚焦處理,高速和雙基前視構(gòu)型引起的空變相位誤差被完全補(bǔ)償,極大地改善了邊緣點(diǎn)的成像性能,擴(kuò)大了成像區(qū)域。
高速平臺(tái)雙基SAR 的幾何模型如圖1所示,以觀測(cè)區(qū)域中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系。P(xP,yP,0)為場(chǎng)景中的任一點(diǎn)。發(fā)射機(jī)的初始位置為(xT,yT,zT),以速度(vTx,vTy,vTz)和加速度(aTx,aTy,aTz)沿曲線飛行。接收機(jī)在YZ平面內(nèi)高速向前運(yùn)動(dòng),并接收其前視區(qū)域目標(biāo)的回波,其初始位置、飛行速度和加速度分別為(0,yR,zR)、(0,vRy,vRz)和(0,aRy,aRz)。
圖1 高速平臺(tái)雙基SAR 幾何模型Fig.1 Geometric model of high maneuvering bistatic forward-looking SAR
由于平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng),使得雷達(dá)在脈沖傳播期間的運(yùn)動(dòng)不可忽略,因此“停走?!奔僭O(shè)將不再適用。在運(yùn)動(dòng)過程中,雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)與點(diǎn)目標(biāo)P的瞬時(shí)斜距RT和RR不僅與平臺(tái)飛行時(shí)間ta有關(guān),還與脈沖傳播時(shí)間tr有關(guān)。假設(shè)信號(hào)發(fā)射時(shí)間為ta+tr,回波延遲時(shí)間為τd,則斜距方程分別為
式中:c為光速。脈沖傳播時(shí)序見圖2。
圖2 脈沖傳播時(shí)序圖Fig.2 Timing diagram of the pulse propagation procedure
聯(lián)立方程式(1)~式(3)求解τd。為簡(jiǎn)化計(jì)算,可利用“停走?!奔僭O(shè)下的延遲時(shí)間τSAG=替代該聯(lián)立方程中τd的高次項(xiàng)[6],經(jīng)過近似處理之后,得到“非停走?!本_回波時(shí)延為
由于雷達(dá)在脈沖傳播期間的運(yùn)動(dòng)不可忽略,回波時(shí)延也是距離向時(shí)間的函數(shù),使回波的二維耦合更趨復(fù)雜。若雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào),與式(4)的精確時(shí)延對(duì)應(yīng),則目標(biāo)P的回波為
式中:wr和wa分別為距離向和方位向的時(shí)域包絡(luò);Kr為發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻率;fc為載波頻率;t=tr+τd為快時(shí)間變量。
為簡(jiǎn)化信號(hào)模型作如下變換:
1) 將τd關(guān)于tr進(jìn)行泰勒展開為
2) 對(duì)t-τd作進(jìn)一步處理,由式(6)有
式中: ?=1+β(ta)|ta=0。
經(jīng)過以上處理,t-τd已與tr無(wú)關(guān),tr對(duì)回波的影響可用?表征,從而簡(jiǎn)化信號(hào)模型。將式(7)代入式(5),得到“非停走停”回波模型為
該模型比較精確地描述了高速平臺(tái)雙基SAR 的回波特性,下面進(jìn)一步分析其空變特性。
由于成像區(qū)域里的所有目標(biāo)都采用場(chǎng)景中心的相位補(bǔ)償函數(shù)和匹配濾波器進(jìn)行處理,因此偏離中心的目標(biāo)位置將影響SAR 圖像的聚焦性能。隨著成像場(chǎng)景增大,這種影響不能忽略。
由式(8)可知,經(jīng)過等效處理后高速平臺(tái)雙基SAR 的斜距方程,即收發(fā)平臺(tái)與點(diǎn)目標(biāo)的斜距之和為
式中:Qx1和RRq1見附錄B。
進(jìn)一步,將式(9)關(guān)于ta作泰勒展開為
為了驗(yàn)證該模型的有效性,采用表1 的參數(shù),將式(10)“非停走停”斜距方程和傳統(tǒng)“停走?!奔僭O(shè)下的斜距方程分別展開至4 階,并將它們與原始斜距的誤差進(jìn)行仿真對(duì)比。圖3(a)為斜距誤差對(duì)比,圖3(b)為由斜距誤差產(chǎn)生的多普勒相位誤差。從圖3 可以看出,在合成孔徑時(shí)間內(nèi),“非停走?!蹦P偷男本嗾`差非常小,由該誤差產(chǎn)生的多普勒相位誤差小于π/4 rad。而“停走停”模型的多普勒相位誤差在合成孔徑邊緣遠(yuǎn)大于π/4 rad,導(dǎo)致其不能成像。因此在高速平臺(tái)雙基SAR 中使用“非停走?!蹦P褪直匾?/p>
表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters
圖3 斜距誤差和多普勒相位誤差比較Fig.3 Comparison of slant range errors and Doppler phase errors
SAR 聚焦性能的優(yōu)劣取決于成像算法對(duì)回波的距離徙動(dòng)(Range Cell Migration, RCM)現(xiàn)象和二維空變性的解決方案。高速平臺(tái)雙基SAR 呈現(xiàn)時(shí)延大徙動(dòng)、多普勒大帶寬和參數(shù)強(qiáng)空變等特性,極大地增加了成像的難度。下面基于“非停走?!毙盘?hào)模型,通過分析其頻譜及空變相位,設(shè)計(jì)相應(yīng)的相位補(bǔ)償方法,實(shí)現(xiàn)高精度成像。
利用駐留相位原理,對(duì)式(8)進(jìn)行距離向快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT),得到
式中:Wr為距離向的頻域包絡(luò);fr為距離向的頻率變量。
若直接將回波信號(hào)變換到二維頻域,線性距離走動(dòng)將使雙基SAR 的二維頻譜產(chǎn)生傾斜,降低頻譜利用率。因此需先進(jìn)行線性距離走動(dòng)校正,以場(chǎng)景中心為參考構(gòu)造校正函數(shù)為
完成LRWC 后的信號(hào)為
現(xiàn)有研究通常采用KT 變換來(lái)補(bǔ)償距離向的空變相位誤差[21],但該方法無(wú)法補(bǔ)償高階距離徙動(dòng)的空變誤差。若對(duì)式(13)采用KT 變換,可完全消除fr和ta的一次耦合項(xiàng),但式中仍存在高階距離徙動(dòng)項(xiàng),經(jīng)過參考相位函數(shù)補(bǔ)償后,剩余了這部分高階空變相位誤差。當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度增加,這部分空變誤差對(duì)成像性能的影響就不可忽略了。因此本文先將信號(hào)變換到二維頻域,然后通過距離向的重采樣方法,消除各階距離徙動(dòng)分量,從而補(bǔ)償距離向的所有空變相位誤差。首先采用級(jí)數(shù)反演法對(duì)式(13)進(jìn)行方位向的快速傅里葉變換,得到二維頻譜:
以場(chǎng)景中心為參考構(gòu)造補(bǔ)償函數(shù)為
式中:R0為場(chǎng)景中心與收發(fā)平臺(tái)的初始斜距;μi0為式(10)中的各階泰勒系數(shù)在場(chǎng)景中心處的值。
式(14)與式(15)相乘,完成距離壓縮并補(bǔ)償了與目標(biāo)位置無(wú)關(guān)的相位,剩余的頻譜近似為
式中:
上述參數(shù)都是關(guān)于目標(biāo)位置的函數(shù),隨著目標(biāo)位置而變化,具有空變性。為了對(duì)式(16)剩余的空變相位進(jìn)行補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)精確聚焦,需要研究式(17)中各參數(shù)的空變性。由于距離向的空變性與初始斜距差ΔR0=RP-R0相關(guān),因此可采用最小二乘擬合的方法,將k1、k2、k3表示為
式中:ki0(i=1,2,3)與目標(biāo)位置無(wú)關(guān);ki1ΔR0則描述了各參數(shù)的空變性。
將式(18)代入式(16),得到
傳統(tǒng)的波數(shù)域算法[22]是在二維頻域上直接對(duì)回波頻譜進(jìn)行Stolt 插值,進(jìn)而消除距離徙動(dòng)現(xiàn)象,但該算法通常會(huì)忽略方位向的空變性[23],而方位向的空變誤差是影響成像性能的關(guān)鍵因素。為消除距離頻域和方位頻域之間的各階耦合項(xiàng),同時(shí)保留方位空變相位便于后續(xù)處理,對(duì)式(19)作如下變換:
經(jīng)過上述處理,式(20)保留了方位空變相位φ(fa),以便進(jìn)行后續(xù)處理。同時(shí)剩余的耦合相位按照ki0和ki1也分成空不變部分和空變部分。此時(shí)可以對(duì)距離-方位耦合項(xiàng)做一致性補(bǔ)償處理。首先補(bǔ)償常數(shù)項(xiàng)的部分,構(gòu)造補(bǔ)償函數(shù)為
將式(22)與式(20)相乘,可以忽略μ1p對(duì)二維頻譜造成的影響(忽略該影響的原因后文將進(jìn)行分析說(shuō)明),補(bǔ)償后的二維頻譜可近似為
觀察式(23),以波數(shù)域算法中Stolt 插值的思想為依據(jù),可以對(duì)距離向頻率fr進(jìn)行重采樣操作,重采樣因子如式(24)所示。該距離重采樣因子包括了距離-方位的各階耦合相位,因此該重采樣操作能有效消除距離徙動(dòng)的影響。
式(23)經(jīng)過距離向的重采樣操作,信號(hào)的二維頻譜變換為
式中:fr'為距離向新的頻率變量。
由式(25)可知,距離向的重采樣較好地解決了距離徙動(dòng)現(xiàn)象,距離向的空變性已經(jīng)消除,僅剩下方位向的空變性。
將式(25)作二維傅里葉反變換得到
式中:Br為信號(hào)帶寬;μip=μi-μi0(i=2,3,4)為式(10)中各階泰勒系數(shù)的空變部分,與目標(biāo)位置相關(guān)。
由于曲線運(yùn)動(dòng)雙基SAR 收發(fā)平臺(tái)以不同的速度和加速度飛行,方位向無(wú)法明確定義,因此不再適合用目標(biāo)的方位初始時(shí)刻tP表示雙基曲線SAR 的方位空變性,故采用頻率位置fP來(lái)描述方位空變性。因此令
由fP構(gòu)建方位多普勒參數(shù)的空變函數(shù)為
式中:μip0(i=2,3,4)與目標(biāo)位置無(wú)關(guān),表示非空變部分,第2 項(xiàng)表示空變部分。
將式(29)和式(30)代入式(26),有
為了進(jìn)行方位聚焦處理,先對(duì)式(31)中的非空變相位進(jìn)行補(bǔ)償,相應(yīng)的相位補(bǔ)償函數(shù)為
將式(31)與式(32)相乘后,只剩下方位空變相位,信號(hào)為
為了進(jìn)一步對(duì)方位空變相位進(jìn)行補(bǔ)償,可對(duì)方位時(shí)間進(jìn)行重采樣操作,令
式中:t'a為方位向新的時(shí)間變量。
最后通過方位向快速傅里葉變換,得到聚焦信號(hào)為
式中:Ts為合成孔徑時(shí)間。
通過以上分析,可得到如圖4所示的本文算法流程。
圖4 算法流程圖Fig.4 Algorithm flow chart
通過仿真分析評(píng)估本文所提算法的成像性能,仿真參數(shù)如表1所示。將場(chǎng)景中25 個(gè)點(diǎn)目標(biāo)沿X軸和Y軸均勻排列。每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)之間沿X軸方向相距200 m,沿Y軸方向相距100 m,均勻地分布在成像區(qū)域內(nèi),如圖5所示,其中P0為中心點(diǎn),P1為近邊緣點(diǎn),P2為遠(yuǎn)邊緣點(diǎn)。
圖5 點(diǎn)目標(biāo)空間分布圖Fig.5 Spatial distribution diagram for point targets
為證明“非停走?!蹦P蛯?duì)高速平臺(tái)雙基SAR 的適用性,首先使用本文算法在“非停走停”模型以及“停走?!蹦P拖逻M(jìn)行仿真成像,再對(duì)文獻(xiàn)[19]算法進(jìn)行仿真,得到的25 點(diǎn)目標(biāo)陣成像所得到的高線圖,如圖6所示。通過對(duì)P0、P1、P23個(gè)點(diǎn)進(jìn)行放大對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)本文算法在“非停走停”模型下成像的效果最好。
圖6 25 點(diǎn)目標(biāo)陣成像高線圖Fig.6 contour map of 25 point targets
為了更好地證明本文提出的基于“非停走?!蹦P拖碌碾p向重采樣算法能更好地適用于高速平臺(tái),本文設(shè)置2 個(gè)對(duì)照組。
第1個(gè)對(duì)照組是本文算法在“非停走?!蹦P鸵约皞鹘y(tǒng)“停走?!蹦P拖碌某上駥?duì)比,可以看出:“停走?!蹦P拖碌谋疚乃惴ㄔ谥行狞c(diǎn)雖能很好成像,但在近邊緣點(diǎn)和遠(yuǎn)邊緣點(diǎn)都出現(xiàn)了不同程度的散焦,且隨著場(chǎng)景的增大以及平臺(tái)速度的提高,邊緣點(diǎn)的散焦現(xiàn)象更加顯著。這是由于傳統(tǒng)的“停走停”模型并沒有考慮高速平臺(tái)下斜距誤差的影響。
第2 個(gè)對(duì)照組是本文算法與文獻(xiàn)[19]算法的成像對(duì)比,可以看出文獻(xiàn)[19]算法的近邊緣點(diǎn)成像效果低于本文算法,遠(yuǎn)邊緣點(diǎn)已經(jīng)模糊,不能很好地成像。同時(shí)文獻(xiàn)[19]算法的模型在仿真中產(chǎn)生較大的位置偏移,與真實(shí)場(chǎng)景差異較大,已不適用于高速平臺(tái)。文獻(xiàn)[19]提出的算法,在距離向采用加速度補(bǔ)償、二階的KT 變換以及高階多項(xiàng)式擬合的方法消除了距離徙動(dòng)的影響,在方位向上采用數(shù)值擬合的方法,得到方位調(diào)頻率和方位立方項(xiàng)的多項(xiàng)式近似,并用5 階的調(diào)頻因子對(duì)距離單元之間目標(biāo)的方位多普勒參數(shù)進(jìn)行了均衡,很好地消除方位調(diào)頻率和方位立方項(xiàng)的二階空間變化,與非線性CS 算法(Nonlinear Chirp Scaling, NLCS)和EANLCS 算法相比都有很大的改進(jìn)。但是其方位向更高階的多普勒參數(shù)的空變性仍然存在,并且二階KT 變換也不能完全補(bǔ)償距離向的高階空變相位誤差,這部分高階空變相位誤差會(huì)影響成像質(zhì)量,因此邊緣點(diǎn)的聚焦性能顯著下降。
從表2 可以看出,“非停走?!蹦P拖碌谋疚乃惴ㄔ谥行狞c(diǎn)、近邊緣點(diǎn)和遠(yuǎn)邊緣點(diǎn)都能很好地成像。由此可見,本文提出的高速平臺(tái)雙基SAR模型下的雙向重采樣方法,能很好地補(bǔ)償距離向和方位向關(guān)于目標(biāo)位置的二維空變相位誤差,邊緣點(diǎn)聚焦性能也得到很大改善。
表2 高線圖對(duì)比Table 2 Comparison of contour plots
距離向和方位向的峰值旁瓣比(Peak Side Lobe Ratio, PSLR)、積分旁瓣比(Integral Side Lobe Ratio, ISLR)和主瓣寬度(Impulse Response Width, IRW)可以準(zhǔn)確比較不同算法的具體性能,如表3所示。本文算法在“非停走?!蹦P拖碌某上裥阅芘c其他算法相比,參數(shù)更好且分辨率更高,邊緣點(diǎn)未出現(xiàn)散焦情況,定量地證明了本文算法在“非停走?!蹦P拖率褂玫膬?yōu)越性。
表3 算法聚焦效果Table 3 Focusing effect of the algorithms
在距離向重采樣中,文中忽略了μ1p參數(shù)對(duì)于距離徙動(dòng)造成的影響,下面分析忽略該參數(shù)對(duì)二維頻譜的影響的原因。
首先對(duì)式(20)中的相位按照f(shuō)r進(jìn)行泰勒展開得到
然后將式(20)中的μ1p參數(shù)忽略,同樣將相位對(duì)fr進(jìn)行泰勒展開得到
二者的各階相位誤差為
圖7 為μ1p引起的相位誤差。采用表1 的參數(shù)進(jìn)行誤差分析,發(fā)現(xiàn)相位誤差都小于π/4 rad,其對(duì)成像的影響可以忽略。因此在式(23)中可以忽略μ1p參數(shù)的影響。
圖7 空變量μ1p 引起的相位誤差Fig.7 Phase error caused by spatial variation part μ1p
本文基于“非停走?!彼枷?,建立了適用于高速平臺(tái)的雙基前視SAR 的斜距等效方程及“非停走停”回波模型,并提出了適用于高速平臺(tái)的基于雙向重采樣的高分辨率前視成像算法。首先通過LRWC 消除距離走動(dòng)的影響。其次在二維頻域上,在對(duì)距離向參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展的最小二重?cái)M合的基礎(chǔ)上,通過距離重采樣操作,以消除各階距離徙動(dòng)的空變相位誤差,并解除距離-方位耦合。最后在方位時(shí)域上,通過對(duì)多普勒參數(shù)的最小二乘擬合和方位重采樣操作,消除了剩余方位空變相位誤差,最終實(shí)現(xiàn)聚焦。得出主要結(jié)論如下:
1) 本文提出的基于“非停走?!蹦P拖碌母咚倨脚_(tái)雙基SAR 的斜距等效模型具有較高的準(zhǔn)確性,能滿足高速度、大加速度平臺(tái)的成像要求。
2) 本文提出的雙向重采樣算法,有效解決了高速平臺(tái)的雙基SAR 的成像問題,并能很好地解決雙基SAR 的二維空變性問題。通過與其他算法對(duì)比,驗(yàn)證了本文算法的成像性能更好且擁有更高的分辨率。
附錄A:
附錄B:
附錄C:
式中:KTi、KRqi分別為RT(ta)和RRq1(ta)的第i階泰勒展開系數(shù),。