[发明专利]一种圆周合成孔径雷达成像方法

说明书

技术领域

本发明属于电子信号处理技术领域，涉及空间遥感和空对地观测信息处理技术，特别涉及一种机载圆周合成孔径雷达(Circular Synthetic Aperture Radar,CSAR)成像技术。

背景技术

SAR是二十世纪雷达技术发展的重要里程碑，它利用雷达回波信号的相关性，累积雷达运动过程中回波信号的多普勒频移，在雷达的运动方向上合成等效的雷达孔径，实现方位向的高分辨成像。因SAR采用主动式工作模式，对自身发射电磁波的反射回波进行成像处理，不受光照、温度等外界环境的限制，可实现全天时、全天候的区域监测成像，且对植被、沙漠覆盖等介质具有穿透能力而在灾害评估、环境监测、海洋观测、资源勘查、植被监测、测绘等领域得到了广泛的应用。

圆周SAR(CSAR)是一种新兴的体制。不同于传统的SAR，它以圆周运动轨迹采集数据代替传统的直线采集，其系统几何示意图如图1所示，雷达平台在高为H的高度面内做匀速圆周运动，其运动轨迹的半径为R_gc，则雷达平台在空间域中的位置可表示为r_s＝(X,Y,Z)＝(R_gccosθ,R_gcsinθ,H)，其中θ∈[0,2π)表示慢时间方位角。当雷达沿圆周轨迹运动时，其波束中心始终指向场景中心，并覆盖地面上以场景中心为圆心、以R₀为半径的圆形场景区域。雷达与场景中心的距离为雷达俯仰角为θ_z＝arctan(H/R_gc)。

CSAR相对于传统SAR具有如下优势：

首先，CSAR由于其特殊的飞行轨迹，使其在距离向和方位向的频谱展到最宽，因此可以获得方位向和距离向最高的分辨率，并且距离向和方位向的分辨率将保持一致，相对于传统聚束SAR在分辨率方面又有了一个新的提高。

其次，传统的条带SAR还是聚束SAR他们都是以直线运动轨迹来采集数据的，导致雷达只能在一个有限的观测角度内观测目标区域内的目标，这样会丧失很多目标特征。而CSAR的观测角度可以达到360度，可以对目标做全向观测，获得目标的全视角特征。

然而，现有的CSAR成像算法主要分为两类：参数化方法和非参数方法。参数化方法是指利用现代谱估计等参数估计方法提取散射点幅度和位置信息，包括基于RELAX的目标特征提取方法以及基于广义Radon变换的成像算法等，但此类算法对于散射点特征不明显的均匀场景成像效果较差。非参数方法是通过信号时域或频域分布利用聚焦方法重建目标函数，主要包括：后向投影(Back-projection,BP)算法，共焦成像算法，基于格林函数分解的成像算法等。BP算法将成像区域划分为网格(像素点)，计算每一像素点对应的积分路径，然后沿该路径进行积分(需要插值)，即将信号投影到对应的像素点，完成该点的聚焦。共焦成像算法与BP算法类似，也需计算每一像素点的路径，再利用空变滤波得到聚焦结果。以上两种算法均需对图像每一像素点进行逐点计算，因而计算量巨大，不适用于大场景高分辨的实际应用。而基于格林函数分解的成像算法虽较前面两种算法效率更高，但是算法中涉及到极坐标信号到直角坐标的二维插值，导致成像精度受插值算法的影响，且会引入额外的插值误差，进而影响成像效果。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，公开了一种圆周合成孔径雷达成像方法，针对高分辨的应用条件，在CSAR成像过程中充分考虑信号的极坐标格式分布特性，通过算法改进，解决传统极坐标到直角坐标二维插值带来的成像误差的同时，采用傅里叶变换和快速分数阶傅里叶变换等快速算法提高算法效率，是一种高效高分辨圆周合成孔径雷达成像方法。

本发明的一种圆周合成孔径雷达成像方法包括下列步骤：

步骤S1：对CSAR原始回波进行距离向处理，即对CSAR原始回波沿距离向变换到距离频域；

再将距离向处理结果与距离向参考信号相乘，得到距离向匹配滤波后的斜平面信号S₁(ω,θ)，其中ω为快时间角频率，θ为雷达方位角，斜平面信号S₁(ω,θ)也称快时间频率-方位角域信号；