一种机载大斜视sar运动补偿方法

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第3期电子学报Vol.35No.32007年3月ACTAELECTRONICASINICAMarch2007一种机载大斜视SAR运动补偿方法周峰,王琦,邢孟道,保铮(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:大斜视合成孔径雷达(SAR)成像要求较长的合成孔径,这样载机的不平稳性对其影响较大,如何对大斜视SAR进行运动补偿是实现大斜视成像的关键.本文根据大斜视SAR成像的几何模型,推导出大斜视SAR的瞬时多普勒调频率表达式,并利用从数据中估计得到的多普勒调频率和运动平台的惯导参数来分离和估计运动误差的空间分量,然后利用所得的运动误差对大斜视SAR数据进行包络和相位的运动误差校正.本文所提出的大斜视SAR运动补偿方法能和大斜视SAR成像算法很好地结合,并且仿真和实测数据的成像结果验证了该方法的有效性.关键词:机载SAR;大斜视;运动补偿;瞬时多普勒调频率中图分类号:TN957文献标识码:A文章编号:037222112(2007)0320463206ANovelMethodofMotionCompensationforAirborneHighSquintSyntheticApertureRadarZHOUFeng,WANQi,XINGMeng2dao,BAOZheng(KeyLaboratoryforRadarSignalProcessing,XidianUniversity,Xi’an,Shaanxi710071,China)Abstract:LongsyntheticapertureisrequiredinhighsquintSARimaging,whichisseverelyinfluencedbythenonstationarityofairplanes.Therefore,motioncompensationiscrucialinhighsquintSARdataprocessing.Amotioncompensationapproachinte2gratedwiththeimagingalgorithmisproposed.Firstly,theexpressionofinstantaneousDopplerchirprateisgivenaccordingtotheimagegeometrymodelofhighsquintSAR.Then,thecomponentsofmotionerrorsareseparatedandestimated,usingtheDopplerchirprateestimatedfrommeasureddataandtheparametersofinertianavigationsystem(INS).Afterthat,theenvelopeandphasecorrectionsareperformedinhighsquintSARdatathroughtheobtainedmotionerrors.Theeffectivenessoftheproposedapproachcanbeverifiedbytheimagingresultsofsimulationdataandmeasureddata.Keywords:airbornesyntheticapertureradar(SAR);highsquint;motioncompensation;instantaneousDopplerchirprate处理中对载机的运动误差测量和补偿都提出更高的要1引言求,如何对大斜视SAR数据进行运动补偿并精确成像大斜视合成孔径雷达(SAR)具有防区外探测能力,一直是SAR领域的研究难题.文献[1]利用扩展CSA算即可以不直接飞越某一地区而能对该区域的地物目标法并结合RDM[2]的运动补偿方法进行成像,但是在大进行观测.它在资源勘探、国境侦察、战场侦察和战场精斜视的条件下,扩展CSA算法的应用会受到限制,而且确打击等应用中发挥着重要的作用,并且随着SAR雷RDM的运动补偿方法是根据经验值利用滤波器从多普达朝着多模方向的发展,斜视SAR已经是SAR雷达的勒调频率中分离运动误差分量,另外,该运动补偿方法一种工作模式.但是斜视SAR与正侧视SAR相比,它具是建立在二维运动误差分量分析的基础上,所以在大斜有较为复杂的成像几何模型和较长合成孔径的特点,这视SAR成像中该方法的精确性受到了一定的限制.样使得斜视SAR数据在方位和距离耦合比较严重,进文献[3,4]对基于数据的SAR运动补偿技术做了而使得SAR成像算法和运动补偿较难实现.特别是大详细的研究,但是这些方法适用于正侧视SAR,对大斜斜视SAR(斜视角大于45°),严重的距离和方位向的耦视SAR数据处理有些困难.本文利用SAR回波数据并合突出表现为较大的距离走动,这使得大斜视SAR成结合部分惯导参数对大斜视SAR运动补偿进行了进一像算法不易实现,而较长的合成孔径使得在SAR成像步的研究.本文所提出的斜视运动补偿方法是建立在斜收稿日期:2005211216;修回日期:2006210212 464电子学报2007年视SAR成像的几何模型上,根据斜视模型推导出较为≈(Vt+Δx(t)-Rsinθ-x)2+R2cos2θmmsns精确的多普勒参数和运动分量之间的对应关系式,然-Δy(tm)Rnsinα+Δz(tm)Rncosα+(1)后利用SAR数据的多普勒参数和载机的部分惯导参数222(Vtm+Δx(tm)-Rssinθ-xn)+Rscosθ求出各个运动误差分量,并对数据进行相应的运动误2其中cosα=H/Rn,sinα=1-(H/Rn),若在正侧视或差补偿.成像算法使用时域距离走动校正的R2D算[5,6]小斜视的窄带SAR系统中,可认为Rn/法,该成像算法可以克服大斜视SAR严重的距离走222动,虽然同时出现方位聚焦深度的限制,但是通过方位(Vtm+Δx(tm)-Rssinθ-xn)+Rscosθ≈cosθ,然而分段估计多普勒调频率并进行方位聚焦可以解决此问在大斜视不可以这样近似.为了进一步地分离三个空题.本文所述的斜视SAR运动补偿方法能够和时域距间误差分量,再对式(1)进行关于(Vtm+Δx(tm)-xn)的离走动校正的R2D算法很好地结合,文中仿真和实测Taylor级数展开如下:数据处理的结果表明该方法对大斜视SAR数据处理具Rt(tm)≈Rs-sinθ(Vtm+Δx(tm)-xn)2有较好的成像效果.cosθ(Vt)-x)2+m+Δx(tmn2Rs2大斜视SAR运动补偿原理sinθcos2θ3+2(Vtm+Δx(tm)-xn)2Rs斜视SAR的成像几何模型是斜视运动误差分析的+(-Δy(tm)Rnsinα+Δz(tm)Rncosα)基础.本节首先建立成像几何模型,然后从几何模型出1sinθ发推导出运动误差和多普勒参数的关系,然后给出运·+2(Vtm+Δx(tm)-xn)(2)RsRs动误差分量的求解方法,最后根据所求的运动误差对由于载机和目标的相对运动会产生多普勒信息,所以数据进行运动补偿.由式(2)可得到目标点的瞬时多普勒频率为211大斜视SAR运动误差分析2dfd(tm)=-·(Rt(tm))如图1所示为存在运动误差的斜视SAR成像几何λdtm2模型,图中载机沿X方向飞行,飞机高度为H,θ为斜=2sinθv(t)-2cosθ(Vt+Δx(t)-x)v(t)xmmmnxmλλRs视角(雷达波束指向和载机运动方向间夹角的余角),23sinθcosθ2图中的实曲线为载机的实际航迹,相邻的虚线为理想-λR2(Vtm+Δx(tm)-xn)vx(tm)s航迹,tm为慢时间,Δx(tm),Δy(tm),Δz(tm)分别为X,2Rn+(Δvy(tm)sinαY,Z方向的位置误差分量,设P0为合成孔径的中心位λ1sinθ置,Pi为该合成孔径中的任意点载机位置,其坐标为-Δvz(tm)cosα)R+2(Vtm+Δx(tm)-xn)sRs(Vtm+Δx(tm),Δy(tm),H+Δz(tm)),Rs为合成孔径中2Rnsinθ心到目标点的距离,R为目标点到航线的最短斜距,T+2(Δy(tm)sinα-Δz(tm)cosα)vx(tm)(3)nλRs为场景中的任意目标点,其坐标为(Rssinθ+xn,yn,0),上式中vx(tm)=V+Δvx(tm),并且当(Vtm+Δx(tm)-并且考虑Y,Z方向的距离误差相对瞬时斜距来说是很xn)=0,可得到多普勒中心频率为:小的,所以载机到目标的瞬时斜距可以表示为:22fdc=sinθvx(tm)+cosθ(Δvy(tm)sinα-Δvz(tm)cosα)λλ2Rnsinθ+2(Δy(tm)sinα-Δz(tm)cosα)vx(tm)(4)λRs根据式(3)可得到瞬时多普勒的瞬时调频率如下2d22cosθ2kd(tm)=(fd(tm))≈sinθΔax(tm)-vx(tm)+dtmλλRs2cosθ(Δay(tm)sinα-Δaz(tm)cosα)+λ4cosθsinθ(Δvy(tm)sinα-Δvz(tm)cosα)vx(tm)λRs(5)式中Δvx,Δvy,Δvz,Δax,Δay,Δaz分别是X,Y,Z方向的速度误差和加速度误差,并且上式中忽略了空变项,至Rt(tm)此得到了运动误差与多普勒信息的对应关系式,这样222=(Vtm+Δx(tm)-Rssinθ-xn)+(Δy(tm)-yn)+(Δz(tm)+H-0)就可以通过从SAR数据中估计出的多普勒信息求出运 第3期周峰:一种机载大斜视SAR运动补偿方法465动误差分量.但是多普勒中心估计一般是在能量均衡式(8)显然为一个线性方程组,为了提高估算的精度,的基础上,它对天线方向图的对称性和成像场景的均一般利用多个距离单元的调频率,即A为列满秩矩阵匀性要求较高,故多普勒中心的估计一般不太可靠.相(m>4).通常t0时刻的速度和t0前时刻的加速度是相比之下多普勒调频率对相干积累的相位比较敏感,如关,而与t0时刻的加速度的相关性较小,特别是运动误[7][8]MD,最大对比度等方法都可以相当准确地估计出差变化越剧烈时,当前的速度与当前加速度的相关性多普勒调频率,而且这些方法的实现也比较成熟,在此更小.所以求得A的Moor2Penrose逆,带入式(8)即可得就不过多地展开论述了.到式(9)所示的运动误差分量表达式H-1H由式(5)可以看出,斜视角的指向控制误差将影响X=(AA)A(Kd-A0)(9)多普勒调频率的估计精度,进而影响运动参数的估计212大斜视SAR运动补偿精度,故需要分析斜视角的控制精度要求,由式(5)对θ对于大斜视SAR的运动补偿可以通过包络和相位求导可得,的校正来完成,首先进行校正沿航向运动误差所引起9kd(tm)22sin2θ2的包络偏移,它是包含在时域走动校正和频域距离弯k′dθ(tm)==cosθΔa(tm)+vx(tm)9θλλRs曲校正过程中,即利用存在运动误差的沿航向速度(地-2sinθ(Δa(t)sinα-Δa(t)cosα)速vx)来构造走动和弯曲量ymzmλttmm+4cos2θ·(Δv(t)sinα-Δv(t)cosα)v(t)Reaw(tm)=∫vx(u)dusinθ-mid∫vx(u)dusinθλRymzmxm00s(10)(6)2λRsλfa当斜视角误差所引起的相位误差小于π/2时,斜视角误Reac(fr,fa)=fr(11)2c2vx(tm)cosθ0差可忽略,由式(7)可以得到斜视角的控制精度要求.式(11)中的fr,fa分别为距离频率和方位频率,c为光1Δθ≤(7)tmS速,由式(10)和式(11)的徙动量可通过平移来补偿沿航4∫kdθ′duds0∫0向的包络误差.接着进行沿垂直航向(Y和Z方向)的另外,若把Rs=H/(cosαcosθ)带入式(5)则可以发包络校正.根据式(9)求得Δay,Δaz,Δvy,Δvz,带入式现vx与Δaz是耦合的.但是在实测数据处理时,一般我(5)可求得垂直航向误差所引起的调频率误差Ker(Rsi,们把惯导中载机的地速(载机相对于地球速度的水平tm),分量,其方向为航迹方向)作为沿航向速度vx,地速的2cosθKer(Rsi,tm)=λ(Δay(tm)sinαi-Δaz(tm)cosαi)+导数作为ax,所以我们可以根据精确的多普勒调频率4sinθcosθ值和惯导中的沿航向速度参数解算出运动误差分量.λ(Δvy(tm)sinαi-Δvz(tm)cosαi)·Rsi一般条带式SAR的距离维场景较大,不同的距离vx(tm)(12)单元对应着不同的多普勒调频率,这为解算运动误差对式(12)进行二重定积分可计算出瞬时径向距离误差提供了方便.当tm取合成孔径时间内的某一固定时刻,tsλm若tm=t0时,不同距离单元Rs1,Rs2,⋯,Rsm对应的多普Rer(Rsi,tm)=-Ker(Rsi,u)duds+ΔVri(0)tm+2∫0∫0勒调频率为kd1,kd2,⋯,kdm,则ΔRri(0)(13)Kd=A0+AX(8)tλm其中:K=[k,k,⋯,k]T其中,ΔVri(0)=-meanKer(Rsi,u)du,ΔRsi(0)dd1d2dm2∫02λs22vx(t0)cosθ2∫s(R,u)duds+ΔV(0)tA0=[sinθΔax(t0)-,sinθΔax(t0)-=-mid2∫0Kersirim,并且λλRs1λ0(t)cos2θ(t)cos2θmean,mid分别表示取平均和取中值的操作符,这样保2vx022vx0TλR,⋯,λsinθΔax(t0)-λR]证了在合成孔径中心时刻斜视角是恒定的.由式(13)可s2sm224通过平移来补偿垂直航向的包络误差.A=[cosθsinαi,-cosθcosαi,sinθcosθsinαivx(t0),λλλRsi在完成包络校正后可进行相位误差校正(包括垂4直航向和沿航向的相位误差校正),已知运动误差参-sinθcosθcosαivx(t0)]λRsi数,通过式(5)可得瞬时多普勒调频率Kd(Rsi,tm),若令2cosαi=H/(Rsicosθ),sinαi=1-[H/(Rsicosθ)],沿航向的平均速度为V,这样可以得到多普勒调频率误i=1,2,⋯,m差KeTX=[Δay(t0),Δaz(t0),Δvy(t0),Δvz(t0)]Ke(Rsi,tm)=Kd(Rsi,tm)-Kdc(14) 466电子学报2007年222222Ta,并且由惯导提供的载机高度和场景距离可以得到-2Vcosθ-2Vcosθ-2Vcosθx其中Kdc=,,⋯,.λRs1λRs2λRsm不同距离单元所对应的俯仰角αi,这样根据式(9)可以对式(14)做二重定积分可计算出相位误差,算出运动误差参数Δvy,Δvz,Δay,Δaz.对每个方位块都tsm进行上述的操作可得到不同时刻的运动误差参数