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专利名称：曲线轨迹模型下的geo sar调频率变标成像方法
技术领域：
本发明属于通讯技术领域，更进一步涉及星载雷达技术领域中一种用于地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)对地面目标进行广域观测的调频率变标(⑶)成像方法。
背景技术：
同步轨道卫星的轨道高度高，GEO SAR抗打击和摧毁能力强，有较强的战场生存能力。并且GEO SAR可以用很小的波束角覆盖大面积区域，获得大范围、持续的对地观测能力，在地震和火山预报、海洋应用研究等方面具有潜在的优势，同时因其超长的合成孔径具备了对动目标进行连续跟踪与高分辨率成像的潜力，能够实现大范围战略监视、预警与战场侦察。Raney R K. "Precision SAR processing using chirp scaling，，((IEEE Trans. onGeoscience and Remote Sensing)) 1994,32(4) :786-799.提出了 CS 算法，但是该算法是在直线运动轨迹模型的基础上推导的，在低轨道SAR中精度较高，获得了广泛应用。由于 GEO SAR轨道高度高，合成孔径时间长，曲线轨迹对成像的影响不能忽略，无法获得高精度成像，使得该CS成像算法已经不再适用。李军，邢孟道，李亚超，王万林，谭小敏在论文“同步轨道SAR系统参数分析及成像算法研究”《系统工程与电子技术》2010，32 (5) :931-936中提出利用BP算法对其进行成像的方法，虽然BP算法在理论上没有任何近似，能够对任意轨迹情况下的信号进行成像，且不受场景的限制，是时域最优成像算法，但是其运算量比较大，不适合工程实现。李财品，张洪太，谭小敏在“一种适用于同步轨道SAR的改进CS算法”《宇航学报》 2011,32(1) =179-186中提出了一种对曲线轨迹补偿为直线后采用CS算法进行成像的方法，但是由于其是按场景中心点进行补偿，对场景边缘点的聚焦效果较差。

发明内容
本发明的目的在于克服现有的技术不足，从GEO SAR平台的运动特性出发，对其运动方程进行了高阶逼近，建立了曲线轨迹模型下的斜距高阶表达式，并且结合级数反演法， 推导了 GEO SAR回波信号二维频谱表达式。在此基础上，给出了一种曲线轨迹模型下的GEO SAR改进CS成像算法，实现全孔径高分辨成像。本发明的具体步骤如下(1)对同步轨道卫星轨道方程进行高阶泰勒展开，建立GEO SAR曲线轨迹模型下的斜距高阶表达式；(2)基于斜距高阶表达式采用级数反演法推导GEO SAR回波信号的二维频谱表达式；(3)将二维频谱表达式进行距离频率的三次泰勒展开，得到距离频率的零次、一次、二次和三次相位项；(4)三次相位项补偿
4a)对GEO SAR回波信号进行二维FFT处理，将其变换到二维频域；4b)将变换到二维频域的回波数据和步骤C3)得到的距离频率的三次相位项的共轭进行相乘，实现距离频率的三次相位项补偿；(5)调频率变标操作5a)将完成三次相位项补偿后的信号进行距离IFFT处理，将其从二维频域变换到距离-多普勒域；5b)利用数值计算的方法通过线性拟合得到距离徙动曲线相对于距离的解析表达式，从而得到CS相位函数；5c)将CS相位函数和步骤5a)中变换到距离-多普勒域的信号相乘实现调频率变标操作；(6)在二维频域补偿6a)进行距离FFT处理，将距离-多普勒域的信号变换到二维频域；6b)将二维频域的回波数据与距离补偿函数相乘实现距离聚焦和距离徙动校正；(7)方位聚焦7a)将经过二维频域补偿后的信号进行距离IFFT处理；7b)将IFFT的结果沿方位向乘以方位补偿函数完成方位压缩和方位剩余相位校正；7c)进行方位IFFT，完成方位聚焦，得到聚焦的GEO SAR图像。本发明与现有技术相比具有以下优点第一，由于本发明将GEO SAR的运动模型建立在三维空间中，考虑了三个方向的速度和加速度及高阶的运动参数，能够得到精确的目标斜距表达式，从而减小了斜距的近似误差造成的相位误差，有利于提高成像精度。第二，由于本发明斜距公式与二维频谱表达式精度较高，GEO SAR各项运动参数都在二维频谱中得到体现，因此相比现有技术，本发明二维频谱中GEO SAR运动信息更加完整，有利于GEO SAR的高精度成像。第三，由于本发明的成像算法中所有操作都由快速傅里叶变换和相位点乘完成， 具有较高的效率，适合工程实现。第四，由于本发明的成像算法中采用了调频率变标操作，补偿了距离徙动的空变性，可以获得较为宽广的成像测绘带宽。


图1为本发明的流程图。图2为本发明模型与直线轨迹近似模型相位误差比较图，其中图2(a)为直线轨迹近似模型相位误差曲线图，图2 (b)为本发明模型相位误差曲线图。图3为常规CS成像方法的近距点，中心点，远距点成像结果等高线图。图4为本发明模型下CS成像方法的近距点，中心点，远距点成像结果等高线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照图1，本发明的具体实施步骤如下步骤1.建立斜距表达式。同步轨道卫星轨道方程如下
权利要求
1.一种曲线轨迹模型下的GEO SAR调频率变标成像方法，包括如下步骤(1)对同步轨道卫星轨道方程进行高阶泰勒展开，建立GEOSAR曲线轨迹模型下的斜距高阶表达式；(2)基于斜距高阶表达式采用级数反演法推导GEOSAR回波信号的二维频谱表达式；(3)将二维频谱表达式进行距离频率的三次泰勒展开，得到距离频率的零次、一次、二次和三次相位项；(4)三次相位项补偿4a)对GEO SAR回波信号进行二维FFT处理，将其变换到二维频域； 4b)将变换到二维频域的回波数据和步骤C3)得到的距离频率的三次相位项的共轭进行相乘，实现距离频率的三次相位项补偿；(5)调频率变标操作5a)将完成三次相位项补偿后的信号进行距离IFFT处理，将其从二维频域变换到距离-多普勒域；5b)利用数值计算的方法通过线性拟合得到距离徙动曲线相对于距离的解析表达式， 从而得到CS相位函数；5c)将CS相位函数和步骤5a)中变换到距离-多普勒域的信号相乘实现调频率变标操作；(6)在二维频域补偿6a)进行距离FFT处理，将距离-多普勒域的信号变换到二维频域；6b)将二维频域的回波数据与距离补偿函数相乘实现距离聚焦和距离徙动校正；(7)方位聚焦7a)将经过二维频域补偿后的信号进行距离IFFT处理；7b)将IFFT的结果沿方位向乘以方位补偿函数完成方位压缩和方位剩余相位校正； 7c)进行方位IFFT，完成方位聚焦，得到聚焦的GEO SAR图像。
2.根据权利要求1所述的曲线轨迹模型下的GEOSAR调频率变标成像方法，其特征在于所述步骤(1)中，对同步轨道卫星轨道方程进行高阶泰勒展开，将得到的瞬时斜距在孔径中心处做泰勒级数展开，展开后的序列保留至四次项，得到GEO SAR曲线轨迹模型下的斜距高阶表达式
3.根据权利要求1所述的曲线轨迹模型下的GEOSAR调频率变标成像方法，其特征在于所述步骤O)中采用级数反演法，推导GEO SAR回波信号的二维频谱表达式如下
4.根据权利要求1所述的曲线轨迹模型下的GEO SAR调频率变标成像方法，其特征在于所述步骤(5b)中采用数值计算方法通过线性拟合得到距离徙动曲线相对于距离的解析表达式为R(fa;R0) = A(fa)+B(fa)R0其中，A(fa)和B(fa)分别为距离徙动表达式的零次项和一次项； 构造的CS相位函数为其中，为快时间；"、为距离频率f,的二次项系数，C1(X) = ^pl为变标因子，fref ttPlifa)B\Jrcf)为参考频率，=为场景中心目标的距离徙动曲线，c为光速，Rs为场景C中心斜距。
全文摘要
本发明公开了一种曲线轨迹模型下的GEO SAR调频率变标成像方法。其具体步骤为建立GEO SAR曲线轨迹模型下的斜距高阶表达式；推导回波信号的二维频谱表达式；将二维频谱表达式进行距离频率的三次泰勒展开；在二维频域对距离频率的三次相位项进行补偿；在距离-多普勒域计算距离徙动曲线，并与构造的CS相位函数相乘；推导距离补偿函数完成距离聚焦和距离徙动校正；方位压缩和方位剩余相位校正，完成方位聚焦。本发明能够补偿距离徙动的空变性，可以获得较为宽广的成像测绘带宽，实现全孔径高分辨成像。本发明所有操作都由快速傅里叶变换和相位点乘完成，具有较高的效率，适合工程实现。
文档编号G01S13/90GK102230964SQ20111007162
公开日2011年11月2日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者包敏, 庄孟, 李亚超, 王万林, 邢孟道 申请人:西安电子科技大学