基于直達波補償的星地雙站sar滑動聚束模式頻域成像算法（

1、1基于直達波補償的星地雙站基于直達波補償的星地雙站SAR滑動聚束模式頻域成像算法滑動聚束模式頻域成像算法?閆飛飛，常文革，黎向陽，張啟雷（國防科學技術大學電子科學與工程學院，湖南長沙410073）摘要：星地雙站合成孔徑雷達以星載系統(tǒng)為機會照射源，地面接收機接收直達波和散射波信號進行同步和成像處理。本文介紹了星地雙站SAR系統(tǒng)結構，對基于直達波進行距離向脈沖壓縮后的信號調頻率、距離徙動以及二維頻譜的空變性進行了分析。在此基礎上，基于方位向

2、預處理過程、直達波補償以及非線性ChirpScaling算法，提出了適合該模型的頻域成像算法，并通過點目標仿真驗證了該成像算法的有效性和性能。星地雙站SAR實測數據進一步驗證了該成像算法的有效性。關鍵詞：雙站SAR；滑動聚束模式；接收站固定；直達波補償中圖分類號：TN957文獻標志碼：A文章編號：ProcessingtheSlidingSpotlightBistaticSARBasedonDirectPathSignalCompensa

3、tionYANFeifeiCHANGWengeLIXiangyangZHANGQilei(CollegeofElectronicScienceEngineeringNationalUniversityofDefenseTechnologyChangsha410073China)Abstract:Infixedreceiverbistaticsyntheticapertureradar(SAR)thespacebneSARwasuseda

4、stheilluminat.Takingaccountintothehighsignaltonoiseratio(SNR)advantagethedirectpathsignalisusedasreferencesignalfrangematchfiltering.Thentherangecompressioncanberealizedwithtimefrequencysynchronizationprocess.Howeverafte

5、rrangecompressiontherangehistyofpointtargetconsistsofthreesquareroottermswhichishardlytousethePrincipleofStationaryPhase(POSP).BasedonazimuthpreprocessingdirectpathsignalcompensationnonlinearChirpScalingimagingalgithmane

6、wfocusingalgithmispresentedinthispaper.Simulationresultsofpointtargetsarepresentedtovalidatethefeasibilityefficiencyoftheproposedmethod.FinallythisalgithmwasalsovalidatedbythemeasureddataoftheHITCHHIKERsystem.Keywds:bist

7、aticsyntheticapertureradarslidingspotlightfixedreceiverdirectpathsignalcompensation.?收稿日期：收稿日期：2016XXXX基金項目：基金項目：國家自然科學基金資助項目（61501477，61201329）作者簡介：作者簡介：閆飛飛（1986－），男，河南新蔡人，博士研究生，Email：ddx_yff@；常文革（通信作者），男，教授，博士，博士生導師，Em

8、ail：changwenge@nudt.雙(多)基地合成孔徑雷達(SyntheticApertureRadar:SAR)收發(fā)系統(tǒng)分置于不同平臺，一方面可以通過靈活設置收、發(fā)站的空間位置，從而獲得觀測場景更加豐富的散射信息；另一方面，發(fā)射站可以遠離被測地域，而接收站近距接收觀測場景散射波信號，大大提高了雙站系統(tǒng)的生存能力。星地雙站SAR系統(tǒng)利用已有的星載SAR系統(tǒng)作為機會照射源，通過放置于地面某高地上的被動接收系統(tǒng)，接收直達波和觀測區(qū)域的

9、散射波信號并進行同步和成像處理，是雙站SAR系統(tǒng)的一個重要研究方向。時頻同步處理是雙站SAR系統(tǒng)需要解決的一個關鍵問題?？紤]到直達波信號的信噪比較高，因此直達波信號可以作為距離向匹配濾波的參考信號。通過這種方式，在完成距離向脈沖壓縮的同時，也實現了散射波信號的時頻同步處理[1]。但是通過對距離壓縮之后回波信號的分析可知，目標點信號的距離歷程包含有三個根號項，從而導致很難利用駐定相位原理得到二維頻譜的解析表達式，進而難以研究相應的頻域成像

10、算法。時域反向投影(BackProjectionBP)算法雖然能夠獲取高精度的成像結果，但效率往往不高。對于星地雙站SAR頻域成像算法，有許多學者進行了研究。文獻[2]基于級數展開法和距離多普勒算法，實現了滑動聚束模式雙站SAR3距離歷程發(fā)生了變化。因此，同步后的散射波信號的系統(tǒng)響應與傳統(tǒng)的雙站SAR系統(tǒng)存在較大差異。下面針對式(7)給出的信號模型，研究相應的成像算法。1.1回波信號二維頻譜空變性分析由于式(7)表現為三根號的形式，很難

11、直接求解駐定相位點，這里在合成孔徑中心時刻對發(fā)射機及直達波距離歷程進行Tayl級0mt?數展開，可以得到：(8)200012()TmTTTTmTmrttrKKtKt?????(9)2012()DmDDmDmrtKKtKt?????其中分別為發(fā)射機距離歷程和12TiDiKKi??、直達波距離歷程泰勒展開式各項系數。從而可得式(7)的泰勒級數展開式為：(10)23401234()mmmmmrttttt????????????其中：(11)0

12、0000111()TRTTDTDKrtrKKK????????由級數反演法[6]，并保留的四次及以下af階次的相位，可得式(6)的二維頻譜為：(12)????????????????????012expexparaacaaaSffWfWfjfrjffrffr????????????相位項的具體表達式見文獻[7]。下面我們以式(12)中第四項距離和方位耦合項進行分析，研究二維頻譜的空變性。一般情況下，該耦合相位是以場景中心點的二維耦合相位

13、為參考，在二維頻域統(tǒng)一進行補償[6]。4020020401051001051010仿仿仿仿(MHz)仿仿仿仿(rad)0Hz750Hz1500Hz圖2二維耦合相位空變性分析Fig.2Spatialvariationofthe2Dcouplingphase圖2為以場景中心點的二維耦合相位為參考，方位向1000m位置處點目??2arefffr??標耦合相位經過補償后，殘余相位在三個方位向多普勒頻點處(0Hz750Hz1500Hz)的分布。從

14、圖2可以看出，經過相位補償后，多普勒零頻處的耦合相位能夠得到很好的校正。但當多普勒頻率較大時，殘余二維耦合相位非常大，從而說明點目標二維耦合相位的空變性比較嚴重。當以場景中心點為參考進行補償后，殘余相位會導致很難得到觀測場景的聚焦圖像。1.2直達波距離歷程估計由上述分析可知，利用直達波信號作為距離向匹配濾波的參考信號之后，一方面完成了收發(fā)站之間時頻同步誤差的補償處理；但另一方面，該同步處理導致目標點距離徙動曲線空變性非常嚴重。為了減小目

15、標點距離徙動的二維空變性，本文首先對直達波相位進行補償，使得補償后的點目標距離歷程僅由收發(fā)站到目標點的距離歷程構成，從而減小回波信號頻譜的二維空變性[7]。然后利用星地雙站成像算法對直達波補償后的回波數據進行處理，實現對觀測場景的聚焦。通常，我們選擇衛(wèi)星到接收站的最短距離時刻作為時間參考，利用衛(wèi)星軌道信息和接收站位置信息計算得到直達波的距離歷程。但由軌道信息計算得到的零多普勒時間精度有限，估計值與真實值會存在一定的誤差。為了提高直達波距

16、離歷程的估計精度，需要對收發(fā)站最近時刻進行解算，從而提高直達波采樣序列對應的距離歷程的估計精度[8]。以預計的收發(fā)站最近距離時刻為時間參考點，根據衛(wèi)星星歷數據，則收發(fā)站對應的直達波距離歷程為[8]：(13)23401234()Dmmmmmrtaatatatat?????其中多相似系數可以從星歷數據獲0~4iai?取。設真實的收發(fā)站最近距離時刻為，則收0t發(fā)站之間實際的距離歷程可以表示為：(14)0()()DmDmrtrtt???文獻[8