一種基于雙基sar幾何構(gòu)型的二維頻譜確定方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于雙基SAR幾何構(gòu)型的二維頻譜確定方法，它是通過(guò)引入收發(fā)平臺(tái)的多普勒頻率分量，利用收發(fā)平臺(tái)瞬時(shí)斜視角來(lái)表示雙基SAR的二維頻譜，并通過(guò)雙基SAR的幾何構(gòu)型進(jìn)行求解收發(fā)平臺(tái)的瞬時(shí)斜視角，進(jìn)而求得雙基SAR的二維頻譜。與現(xiàn)有的LBF方法相比，本發(fā)明能夠有效克服LBF方法不能適用于大斜視角情況的缺點(diǎn)，同時(shí)與MSR方法相比，二維頻譜表達(dá)式更加簡(jiǎn)潔；本發(fā)明的方法可用于雙基SAR系統(tǒng)。
【專利說(shuō)明】-種基于雙基SAR幾何構(gòu)型的二維頻譜確定方法

【背景技術(shù)】
[0001] 合成孔徑雷達(dá)（SAR，Synthetic Aperture Radar)是二十世紀(jì)雷達(dá)領(lǐng)域最具有影 響力的發(fā)明，它具有穿透性強(qiáng)，能全天時(shí)、全天候工作的優(yōu)點(diǎn)，目前已得到廣泛應(yīng)用。雙基地 合成孔徑雷達(dá)炬istatic synthetic aperture radar,簡(jiǎn)寫為BiSAR)是指收發(fā)天線分置 于兩個(gè)不同運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的雷達(dá)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的單基SAR不同的是，雙基SAR的收發(fā)平臺(tái)是分離 的，分別安裝在不同的飛行平臺(tái)上，收發(fā)平臺(tái)的速度大小和方向都可W是不同的，收發(fā)分置 使其具有獲取目標(biāo)信息豐富、作用距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0002] 然而，雙基地SAR存在斜距史雙根號(hào)形式的問(wèn)題，導(dǎo)致在求解二維頻譜時(shí)，如果直 接采用駐定相位原理的話，則需要求解一個(gè)一元八次方程，將很難得到駐定相位點(diǎn)的解析 表達(dá)式。
[0003] 針對(duì)上述問(wèn)題，目前已經(jīng)出現(xiàn)一些對(duì)雙基地二維頻譜求解的方法，如LBF算法， 該算法分別計(jì)算兩個(gè)平臺(tái)的駐定相位點(diǎn)，然后將它們結(jié)合在一起，得到雙基地的駐定相 位點(diǎn)，進(jìn)而得到點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)二維頻譜，由于該方法沒(méi)有考慮收發(fā)平臺(tái)的多普勒貢獻(xiàn)的差 另IJ，導(dǎo)致其不能直接應(yīng)用在幾何結(jié)構(gòu)差異比較大的雙基地SAR系統(tǒng)中，詳見0 Loffeld, H Nies, V Peter, et al. Models and useful relation for bistatic SAR processing[J]. IE邸 Geoscience and Remote Sensing Letters, 2004, 42(10):2031-2038 ;MSR 算法， 該算法首先利用泰勒公式將斜距史展開為方位向慢時(shí)間的高階表達(dá)式，然后利用級(jí)數(shù)反 演求得駐定相位點(diǎn)，進(jìn)而求得點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)二維頻譜，該算法較為精確，且適用于任意飛行 模式，但其二維頻譜表達(dá)式復(fù)雜，不利于后續(xù)成像處理，詳見Wang R，Loffeld 0, Neo Y L, et al. Extending Loffeld' s bistatic formula for the general bistatic SAR con円guration. Radar, Sonar Navigation, IET, 2010, 4(1):74-84.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的LBF方法適用性低，MSR方法二維頻譜復(fù)雜的問(wèn) 題，從幾何構(gòu)型角度出發(fā)，提出了一種基于雙基SAR幾何構(gòu)型的二維頻譜確定方法。與現(xiàn)有 的LBF算法相比，本發(fā)明能夠有效克服LBF方法不能適用于大斜視角情況的缺點(diǎn)，同時(shí)與 MSR方法相比，二維頻譜表達(dá)式更加簡(jiǎn)潔。
[0005] 為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先定義W下術(shù)語(yǔ)：
[000引定義1、合成孔徑雷達(dá)快時(shí)間、慢時(shí)間、快頻率、慢頻率
[0007] SAR運(yùn)動(dòng)平臺(tái)飛過(guò)一個(gè)方位向合成孔徑長(zhǎng)度所需要的時(shí)間稱為慢時(shí)間，雷達(dá)系統(tǒng) W-定時(shí)間長(zhǎng)度的重復(fù)周期發(fā)射接收脈沖，因此慢時(shí)刻可W表示為一個(gè)W脈沖重復(fù)周期為 步長(zhǎng)的離散化時(shí)間變量，其中每一個(gè)脈沖重復(fù)周期離散時(shí)間變量值為一個(gè)慢時(shí)刻，慢時(shí)間 經(jīng)過(guò)傅里葉變換所對(duì)應(yīng)的頻率稱慢頻率；合成孔徑雷達(dá)快時(shí)間是指在一個(gè)脈沖重復(fù)周期 內(nèi)，距離向采樣回波信號(hào)的時(shí)間間隔變量，快時(shí)間經(jīng)過(guò)傅里葉變換所對(duì)應(yīng)的頻率稱快頻率。 詳見文獻(xiàn)"合成孔徑雷達(dá)成像原理"，皮亦鳴等編著，電子科技大學(xué)出版社出版。
[0008] 定義2、斜距史
[0009] 發(fā)射平臺(tái)斜距史是發(fā)射平臺(tái)到點(diǎn)目標(biāo)的距離歷史，接收平臺(tái)斜距史是接收平臺(tái)到 點(diǎn)目標(biāo)的距離歷史，總斜距史是發(fā)射平臺(tái)斜距史與接收平臺(tái)斜距史之和。
[0010] 定義3、傅里葉變換
[0011] 傅里葉變換（Fourier transform)表示能將滿足一定條件的某個(gè)函數(shù)表示成H角 函數(shù)（正弦和/或余弦函數(shù)）或者它們的積分的線性組合，例如：
[0012] f(t)是t的周期函數(shù)，如果t滿足狄里赫萊條件；在一個(gè)周期內(nèi)具有有限個(gè)間斷 點(diǎn)，且在該些間斷點(diǎn)上周期內(nèi)具有有限個(gè)極值點(diǎn)；絕對(duì)可積。則稱= /(今"'w沾為 f(t)的傅里葉變換。
[0013] 定義4、點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)二維頻譜
[0014] 點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)二維頻譜是指點(diǎn)目標(biāo)原始回波進(jìn)行二維傅里葉變換得到的二維頻譜。 詳見文獻(xiàn)"合成孔徑雷達(dá)成像----算法與實(shí)現(xiàn)，化ank H. Wong等編著，電子工業(yè)出版社出 版。"
[0015] 定義5、駐定相位原理
[0016] 駐定相位原理是分析大時(shí)寬帶寬積信號(hào)頻譜的有效工具，可W求得該類信號(hào)的近 似頻譜，例如：
[0017] 如果函數(shù)U(t)連續(xù)并且在單點(diǎn)f = ?雄爾數(shù)。的一階導(dǎo)數(shù)為零，且二階導(dǎo)數(shù)在 I = F不為零，則有

【權(quán)利要求】
1. 一種基于雙基SAR幾何構(gòu)型的二維頻譜確定方法，其特征是它包括以下幾個(gè)步驟： 步驟1、雙基地SAR參數(shù)初始化： 初始化參數(shù)包括：脈沖重復(fù)頻率，記做PRF;距離向采樣頻率，記做Fs ; 距離向快時(shí)刻序列，記做τ，τ= 1，2...隊(duì)，隊(duì)為快時(shí)刻總數(shù)；方位向 慢時(shí)刻序列，記做t，t=I, 2. . .Na，Na為慢時(shí)刻總數(shù)；快頻率，記做f\， p χ?-Ε?, + ?) fk(-El+2) Fx(-^-+N ) 卜:， I/ 2 / 1 2 r/隊(duì)為快時(shí)刻總數(shù)，F(xiàn)s為距離向采樣頻 τNr5Nr …Nr * PRFx(-N+1)PRFx(-N+2)PRFM+/￥) 率；慢頻率，記做fa，2 g l2 B；2fl； Na為慢時(shí)刻 l， Na5K Na ' 總數(shù)，PRF為脈沖重復(fù)頻率；雷達(dá)工作頻率，記做f。；載波波長(zhǎng)，記做λ;脈沖寬度，記做Tp; 線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻斜率，記做Y;電磁波在空氣中的傳播速度，記做c;發(fā)射平臺(tái)初始時(shí)刻 斜視角，記做ΘTO ;接收平臺(tái)初始時(shí)刻斜視角，記做θκ〇 ;發(fā)射平臺(tái)的速度，記做Vt ;接收平臺(tái) 的速度，記做Vk ;發(fā)射平臺(tái)到目標(biāo)的最近距離，Rto ;接收平臺(tái)到目標(biāo)的最近距離，記做Rki ;點(diǎn) 目標(biāo)回波，記做ss(t，τ)，上述參數(shù)均為SAR系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，在SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)和觀測(cè)過(guò)程中 已經(jīng)確定；根據(jù)SAR成像系統(tǒng)方案和觀測(cè)方案，SAR成像方法需要的初始化系統(tǒng)參數(shù)均為已 知； 步驟2、回波信號(hào)二維傅里葉變換： 采用公式= 計(jì)算得到接收平臺(tái)到點(diǎn)目標(biāo)的距離歷史，記做 RK(t)，其中Rkci為步驟1中接收平臺(tái)到目標(biāo)的最近距離，Vk為步驟1中接收平臺(tái)的速度，t為 步驟1中方位向慢時(shí)刻序列，tK(l =RKCItan(ΘK(I)/VK為接收平臺(tái)到目標(biāo)最近距離的時(shí)刻，其 中θκ〇為步驟1中接收平臺(tái)初始時(shí)刻斜視角； 采用公式Λ,⑴+F/p-f計(jì)算得到發(fā)射平臺(tái)到點(diǎn)目標(biāo)的距離歷史，記做 Rt (t)，其中Rtci為步驟1中發(fā)射平臺(tái)到目標(biāo)的最近距離，Vt為步驟1中發(fā)射平臺(tái)的速度，t為 步驟1中方位向慢時(shí)刻序列，tTO =RTCItan(ΘTO)/VT為發(fā)射平臺(tái)到目標(biāo)最近距離的時(shí)刻，其 中Θ?為步驟1中發(fā)射平臺(tái)初始時(shí)刻斜視角； 對(duì)點(diǎn)目標(biāo)回波ss(t，τ)沿距離向進(jìn)行傅里葉變換，得到雙基地SAR點(diǎn)目標(biāo)回波在距離 頻域-方位時(shí)域的表達(dá)式：
其中，j為虛數(shù)單位，即-1的開根值，t為步驟1中方位向慢時(shí)刻序列，f\為步驟1中 快頻率，c為步驟1中電磁波在空氣中的傳播速度，Y為步驟1中線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻斜率， f。為步驟1中雷達(dá)工作頻率，RK(t)為步驟2中接收平臺(tái)到點(diǎn)目標(biāo)的距離歷史，RT(t)為步 驟2中發(fā)射平臺(tái)到點(diǎn)目標(biāo)的距離歷史； 對(duì)（1)式沿方位向進(jìn)行傅里葉變換得到二維頻域表達(dá)式：
其中，P(乂:）=exp|-τ為步驟1中方位向慢時(shí)刻序列，γ為步驟1中線性調(diào) 頻信號(hào)調(diào)頻斜率，t為步驟1中方位向慢時(shí)刻序列，c為步驟1中電磁波在空氣中的傳播速 度，f\為步驟1中快頻率，fa為步驟1中慢頻率，f。為步驟1中雷達(dá)工作頻率，Rk(t)為步 驟2中接收平臺(tái)到點(diǎn)目標(biāo)的距離歷史，RT(t)為發(fā)射平臺(tái)到點(diǎn)目標(biāo)的距離歷史； 步驟3、計(jì)算收發(fā)平臺(tái)多普勒頻率分量： 采用公SfaCT= ΘT(l/C計(jì)算得到發(fā)射平臺(tái)多普勒中心頻率，記做faCT，其中 為步驟1中快頻率，f。為步驟1中雷達(dá)工作頻率，Vt為步驟1中發(fā)射平臺(tái)速度，ΘTO為步 驟1中發(fā)射平臺(tái)初始時(shí)刻斜視角，c為步驟1中電磁波在空氣中的傳播速度； 采用公Sfaai=(fT+f；)VKsinΘK(l/C計(jì)算得到接收平臺(tái)多普勒中心頻率，記做；^^，其中 為步驟1中快頻率，f。為步驟1中雷達(dá)工作頻率，Vk為步驟1中接收平臺(tái)速度，ΘΚ(Ι為步 驟1中接收平臺(tái)初始時(shí)刻斜視角，c為步驟1中電磁波在空氣中的傳播速度； 采用公式k= (RKCI/RTCI)(cosΘT(l/cosΘK(I)3(VT/VK)計(jì)算得到中間變量，記做k，其中Rkq 為步驟1中接收平臺(tái)到目標(biāo)的最近距離，Rtci為步驟1中發(fā)射平臺(tái)到目標(biāo)的最近距離，θK(l為 步驟1中接收平臺(tái)初始時(shí)刻斜視角，ΘTO為步驟1中發(fā)射平臺(tái)初始時(shí)刻斜視角，Vk為步驟1 中接收平臺(tái)速度，Vt為步驟1中發(fā)射平臺(tái)速度； 采用公式faT = (kVTfa-kVTfaai+VKfae)TAVK+kV)T計(jì)算得到發(fā)射平臺(tái)多普勒頻率分量，記 做faT，其中k為步驟3中的中間變量，VT為步驟1中發(fā)射平臺(tái)速度，Vk為步驟1中接收平臺(tái) 速度，fa為步驟1中慢頻率，faQi為步驟3中接收平臺(tái)多普勒中心頻率，faCT為步驟3中發(fā)射 平臺(tái)多普勒中心頻率； 采用公式faK = (VKfa+kVTfaarVKfaCT)AVK+kVT)計(jì)算得到接收平臺(tái)多普勒頻率分量，記做faK，其中k為步驟3中的中間變量，Vt為步驟1中發(fā)射平臺(tái)速度，Vk為步驟1中接收平臺(tái)速 度，fa為步驟1中慢頻率，faQi為步驟3中接收平臺(tái)多普勒中心頻率，faCT為步驟3中發(fā)射 平臺(tái)多普勒中心頻率； 步驟4、計(jì)算駐定相位時(shí)亥|?時(shí)收發(fā)平臺(tái)瞬時(shí)斜視角的正余弦值： 定義（2)式中積分部分的駐定相位時(shí)刻，記做f'在?~時(shí)刻接收平臺(tái)斜視角，記做，在?時(shí)刻發(fā)射平臺(tái)斜視角，記做#,; 采用公式sin& =I'I'計(jì)算接收平臺(tái)在駐定相位時(shí)刻^時(shí)，斜視角^的正弦 值，記做Sin^s ?其中c為步驟1中電磁波在空氣中的傳播速度，為步驟1中快頻率，f。 為步驟1中雷達(dá)工作頻率，Vk為步驟1中接收平臺(tái)速度，faK為步驟3中接收平臺(tái)多普勒頻 率分量； 采用公式乂f計(jì)算得到接收平臺(tái)在駐定相位時(shí)亥Iji斜視 角的余弦值，記做，其中c為步驟1中電磁波在空氣中的傳播速度，f\為步驟1中 快頻率，f。為步驟1中雷達(dá)工作頻率，Vk為步驟1中接收平臺(tái)速度，faK為步驟3中接收平 臺(tái)多普勒頻率分量； 采用公式sin各=( 心計(jì)算得到發(fā)射平臺(tái)在駐定相位時(shí)刻^斜視角g的正 弦值，記做sin·，其中c為步驟1中電磁波在空氣中的傳播速度，f\為步驟1中快頻率， f。為步驟1中雷達(dá)工作頻率，Vt為步驟1中發(fā)射平臺(tái)速度，faT為步驟3中發(fā)射平臺(tái)多普勒 頻率分量； 采用a?#,.計(jì)算得到發(fā)射平臺(tái)在駐定相位時(shí)刻斜視角 式的余弦值，記做cos·?其中C為步驟1中電磁波在空氣中的傳播速度，f\為步驟1中快 頻率，f。為步驟1中雷達(dá)工作頻率，Vt為步驟1中發(fā)射平臺(tái)速度，faT為步驟3中發(fā)射平臺(tái) 多普勒頻率分量； 步驟5、求解駐定相位時(shí)刻?時(shí)收發(fā)平臺(tái)到目標(biāo)點(diǎn)的斜距： 采用公式/JiD=Z^cosIr+dtan'-F/)sir4計(jì)算得到發(fā)射平臺(tái)運(yùn)動(dòng)？時(shí)間后的 斜距，記做馬其中Rro為步驟1中發(fā)射平臺(tái)到目標(biāo)的最近距離，.為步驟4中發(fā)射平臺(tái) 在駐定相位時(shí)刻I?的斜視角，ΘTO為步驟1中發(fā)射平臺(tái)在初始時(shí)刻的斜視角，Vt為步驟1中 發(fā)射平臺(tái)的速度，?為駐定相位時(shí)刻； 采用公式/?WS4 + (/iVi,Uin^ 斜距，記做·其中Rki為步驟1中接收平臺(tái)到目標(biāo)的最近距離，為步驟4中接收平臺(tái) 在駐定相位時(shí)刻Ii的斜視角，θΚ(ι為步驟1中接收平臺(tái)在初始時(shí)刻的斜視角，Vk為步驟1中 接收平臺(tái)的速度，?為駐定相位時(shí)亥IJ: 步驟6、計(jì)算點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)的二維頻譜： 將F代入到（2)式，得到點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)的二維頻譜：
其中，fa為步驟1中慢頻率，尸τ為步驟1中距離向快時(shí)間，γ IyJ 為步驟1中線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻斜率，f為步驟4中駐定相位時(shí)刻，A(η為步驟5中在駐定相 位時(shí)刻接收平臺(tái)到目標(biāo)的距離，為步驟5中在駐定相位時(shí)刻發(fā)射平臺(tái)到目標(biāo)的距離； 將步驟5中的得到的代入（3)式中，并利用關(guān)系 f"-A..亡丄:.)..(Frsin式+ &sin4),得到基于雙基SAR幾何構(gòu)型的二維頻譜： C1 ; SS(JaJr)^ Pr(Jr)
其中， f\為步驟1中快頻率，f。為步驟1中雷達(dá)工作頻率，/1/;) = ?ρ|-介左]>,為步驟4中 IrJ 接收平臺(tái)在駐定相位時(shí)刻f的斜視角，惡為步驟4中發(fā)射平臺(tái)在駐定相位時(shí)刻i的斜視角， θ為步驟1中接收平臺(tái)在初始時(shí)刻的斜視角，ΘTO為步驟1中發(fā)射平臺(tái)在初始時(shí)刻的斜 視角，Rki為步驟1中接收平臺(tái)到目標(biāo)的最近距離，R?為步驟1中發(fā)射平臺(tái)到目標(biāo)的最近距 離。
【文檔編號(hào)】G01S7/02GK104237854SQ201410483303
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】張曉玲, 趙韓星, 何蜀豐, 熊海進(jìn) 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)