本发明属于合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)成像领域，涉及一种适用于圆周合成孔径雷达(CircularSAR，CSAR)快速时域成像方法。
背景技术：
：CSAR是指雷达平台(或称雷达站)围绕观测场景做360°圆周或宽角度圆弧运动，并且波束始终指向目标场景进行观测成像的雷达系统；这种雷达系统具有获取目标散射信息丰富，高分辨率成像以及能实现三维成像等优点，近年来引起广泛关注；但是，特殊的运动轨迹给CSAR的数据处理带来了新的问题与挑战，如回波数据量大，回波距离方位耦合性强等，这些都极大地增加了CSAR高精度成像处理的难度。现有的CSAR成像方法主要有时域BPA(BackprojectionApproach，后向投影方法)；时域BPA无任何近似处理，能够精确处理CSAR回波的距离方位耦合性以及其特殊的雷达运动轨迹，从而实现CSAR的高精度成像处理但是，时域BPA需要极大的计算量，从而降低了成像效率，因此时域BPA不能成为快速有效的CSAR成像方法；如何解决适用于CSAR的快速时域成像方法正是一个亟待解决的技术问题。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种适用于圆周合成孔径雷达快速时域成像方法，以提高CSAR成像处理效率。本发明的技术方案是：首先，对CSAR回波信号进行距离压缩，将雷达的全孔径划分为若干个子孔径并生成初始子图像网格，再将与子孔径对应的距离压缩回波信号后向投影到初始子图像网格，相干叠加生成初始子图像；然后，进行循环递归的子孔径合并和新的子图像网格生成，再将上一级的子图像插值到新的子图像网格，相干叠加生成新的子图像；最后，将所有子孔径图像投影到同一成像区域，相干叠加生成CSAR图像。本发明一种适用于圆周合成孔径雷达快速时域成像方法，包括以下处理步骤：第一步，子孔径划分与初始子图像生成；已知CSAR发射信号中心频率为fc，带宽为B，距离分辨率为ρx，方位分辨率为ρy；假设笛卡尔坐标系原点为成像场景中心，成像场景中任意目标P的位置为rP＝(xP,yP,0)；雷达平台以速度V绕Z轴做圆周运动，慢时间η时刻其坐标为(Rxycos(φ),Rxysin(φ),zM)，Rxy和zM分别为雷达平台圆周轨迹的半径与高度，φ∈[0,2π]为雷达平台的角度变量，且φ(η)＝Vη/Rxy；雷达平台的初始位置为(Rxy,0,zM)；设雷达发射的基带信号为p(τ)，则接收到的CSAR回波信号经正交解调后为：s(τ,φ)＝σP·p[τ-R(φ,rP)/c0]·exp[-j2πfcR(φ,rP)/c0]其中，τ为慢时间，σP为目标P的散射系数，c0为光速；R(φ,rP)为雷达平台到目标P的双程距离斜距，即：R(φ,rP)=2(Rxycos(φ)-xP)2+(Rxysin(φ)-yP)2+zM2]]>距离压缩后，CSAR回波信号为：src(τ,φ)＝σp·prc[B(τ-R(φ,rP)/c0)]·exp[-j2πfcR(φ,rP)/c0]其中，prc(·)为距离压缩信号包络；设雷达平台合成孔径的实孔径采样点数为L，将其均匀分成K个子圆弧孔径数据(一般取K/Lfull≤1/8)，则每段子孔径数据采样点数为根据因式分解原理确定圆弧数据的最佳初始孔径长度l0，以及子孔径分解因子I；则有N＝l0×IP，其中P为分解级数；对第一级第n个子孔径，n＝1,2,…,IP，首先生成第一级第n个初始子图像网格其中网格原点为第一级第n个子孔径中心位置，极距为网格原点到任意场景点(x,y,0)的双程斜距，极角为极距与子孔径中心处法线之间的夹角，即：ρn1=[Rxycos(φn1)-x]2+[Rxysin(φn1)-y]2θn1=arctan(y-Rxysin(φn1)x-Rxycos(φn1)),θn1∈[0,π]]]>其中，为第一级第n个子孔径中心对应的角度变量；而第一级第n个初始子图像网格的极距采样间隔和极角采样间隔分别为：Δρn1≤c0/2BΔθn1≤c0/fcdMn1]]>其中，为第一级第n个子孔径的长度；然后，将第一级第n个子孔径对应的距离压缩回波信号后向投影到第一级第n个初始子图像网格然后相干叠加生成第一级第n个初始子图像，即：In1(ρn1,θn1)=∫φn1-φIn1/2φn1+φIn1/2src(R(φ,ρn1,θn1)/c0,φ)·exp[j2πfcR(φ,ρn1,θn1)/c0]dφ]]>其中，src(·)为距离压缩回波信号，为第一级第n个子孔径所对应的积累角，为雷达平台到第一级第n个初始子图像网格的双程距离斜距；第二步，循环递归子孔径合并和子图像生成；第p级处理时，p＝1,…,P，每I个第p-1级子孔径合并成一个第p级子孔径；对于第p级第q个子孔径，q＝1,2,…,IP-p，首先生成第p级第q个子图像网格其中网格原点为第p级第q个子孔径中心位置，极距为网格原点到任意场景点(x,y,0)的距离，极角为极距与子孔径中心处法线之间的夹角，即：ρqp=[Rxycos(φqp)-x]2+[Rxysin(φqp)-y]2θqp=arccos(y-Rxysin(φqp)x-Rxycos(φqp)),θqp∈[0,π]]]>其中，为第p级第q个子孔径中心对应的角度变量；而第p级第q个子图像网格的极距采样间隔和极角采样间隔分别为：Δρqp≤c0/2BΔθqp≤c0/fcdMqp]]>其中，为第p级第q个子孔径的长度；然后，将I个第p-1级子图像插值到第p级第q个子图像网格最后相干叠加生成第p级第q个子图像：Iqp(ρqp,θqp)=Σt=1+(q-1)IqIIt(q-1)(ρtq-1,θtq-1)]]>其中，为第p级第q个子图像，为第p-1级第t个子图像，t＝1,2,…,l0IP-(p-1)，为第p-1级第t个子图像网格中与第p级第q个子图像网格相对应的位置；如此循环递归处理，直至获得第P级子图像结果；K个子圆弧孔径数据分别进行上述处理，获得K个P级子图像；第三步，全孔径合并和最终图像生成；设最终成像结果图像网格的距离采样间隔Δx和方位采样间隔Δy分别为：Δx≤ρxΔy≤ρy]]>然后，将第二步所得K个P级子图像插值到图像网格(x,y)，最后相干叠加生成CSAR图像：I(x,y,0)=Σm=1KImP(ρP,θP)]]>其中，I(x,y,0)为全分辨率CSAR图像；为第m个子孔径成像结果，m＝1,2,…,N，(ρP,θP)为对应子孔径图像网格中与最终成像网格(x,y,0)相对应的位置。本发明一种适用于圆周合成孔径雷达快速时域成像方法，其有益效果是：采用子孔径处理技术，在保持时域成像方法高精度的同时，极大地减少了时域成像方法的计算量，从而提高了成像处理的效率，进而实现了CSAR的快速高精度成像处理，获得高质量CSAR图像。附图说明图1是本发明圆周SAR的快速时域成像方法流程示意图。图2是时域BPA成像获得的点目标成像结果。图3是本发明获得的点目标成像结果。图4是实测数据录取中的雷达平台运动轨迹。图5a～图5e是时域BPA成像获得的实测数据成像结果。图6a～图6e是本发明获得的实测数据成像结果。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步的解释。图1为本发明圆周SAR快速时域成像方法的流程示意图；如图1所示，整个流程包括三个处理步骤：第一步，子孔径划分与初始子图像生成；第二步，循环递归子孔径合并和子图像生成；第三步，全孔径合并和最终图像生成。本发明圆周SAR快速时域成像方法通过仿真实验和实测数据进行了验证，理论分析和实验结果证明了本发明的有效性。在仿真实验中，本发明中的系统仿真参数如下表1所示；表1成像场景设置及目标布置方式如下：成像场景大小为200m×200m(距离×方位)，在成像场景内共设置了9个点目标，其中1个点目标位于场景中心，其它8个点目标分布在一个圆环的8个方向，距离场景中心均为180m。图2是时域BPA成像获得的点目标成像结果；其中水平方向为方位方向(单位：米)，垂直方向为距离方向(单位：米)，图2中的中图为整个成像场景的成像处理结果，并用两个矩形虚线框分别标识位于成像场景中心和右上角的两个点目标；图2中的左图和右图分别为场景中心点目标和非场景中心点目标(矩形虚线框标识)的放大图；由图2可知，所有的点目标均实现了良好的聚焦，因此时域BPA能够实现圆周SAR的精确成像处理；但是，时域BPA计算量较大，从而降低了成像效率。图3是本发明获得的点目标成像结果；其中水平方向为方位方向(单位：米)，垂直方向为距离方向(单位：米)，图3中的中图为整个成像场景的成像处理结果，并用两个矩形虚线框分别标识位于成像场景中心和右上角的两个点目标；图3中的左图和右图分别为场景中心点目标和非场景中心点目标(矩形虚线框标识)的放大图；由图3可知，所有的点目标均实现了良好的聚焦，且其聚焦效果与图2非常接近，因此本发明也能够实现圆周SAR的精确成像处理；与时域BPA相比，本发明能极大地降低计算量，在该仿真条件下其成像效率提高了约12.2倍；因此本发明方法是一种高效率高精度的成像方法。为定量评估本发明圆周SAR快速时域成像方法的性能，分别计算了图2和图3中的场景中心点目标和非场景中心点目标(矩形虚线框标识)的二维分辨率(X轴方向和Y轴方向)和二维峰值旁瓣比(X轴方向和Y轴方向)，点目标聚焦性能参数对比如下表2所示；表2图2中的场景中心点目标的X轴和Y轴方向的分辨率分别为0.098m和0.099m，X轴和Y轴方向的峰值旁瓣比分别为-9.127dB和-8.249dB，而图3中的场景中心点目标的X轴和Y轴方向的分辨率分别为0.106m和0.105m，X轴和Y轴方向的峰值旁瓣比分别为-8.106dB和-7.842dB；图2中的非场景中心点目标的X轴和Y轴方向的分辨率分别为0.099m和0.099m，X轴和Y轴方向的峰值旁瓣比分别为-8.093dB和-8.069dB，而图3中的非场景中心点目标的X轴和Y轴方向的分辨率分别为0.098m和0.094m，X轴和Y轴方向的峰值旁瓣比分别为-8.379dB和-7.798dB；对比上述指标参数可发现：本发明获得的点目标的聚焦性能与时域BPA获得的点目标的聚焦性能十分接近。在实测数据处理中，本发明采用美国空军实验室公开的多极化CSAR数据—gotcha；该数据所采用信号为X波段(9.6GHz)，带宽640MHz的线性调频信号；实测数据录取中的雷达平台运动轨迹如图4所示；图5和图6分别给出了时域BPA和本发明针对场景大小为100m×100m(X轴方向×Y轴方向)的成像结果；其中图5b、图5c分别为图5a中矩形框A区域饿的目标放大图及其所对应的实物照片，图5d、图5e分别为图5a中矩形框B区域的目标放大图以及其所对应的实物照片，其中图6b、图6c分别为图6a中矩形框A区域饿的目标放大图及其所对应的实物照片，图6d、图6e分别为图6a中矩形框B区域的目标放大图以及其所对应的实物照片，而通过对比图5和图6的成像结果可知：本发明获得的实测数据处理结果与时域BPA获得的实测数据处理结果十分相似。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3