《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于逆距離徙動(dòng)校正的前視SAR成像算法
電子技術(shù)應(yīng)用 11期
劉金升1，2，張朝暉1，韓松1，2
（1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）
摘要： 前視合成孔徑雷達(dá)（前視SAR）可以獲取平臺(tái)前下方區(qū)域的圖像信息，相較于側(cè)視SAR，前視SAR具有合成孔徑短、作用距離近、距離向場(chǎng)景寬度較寬、方位向調(diào)頻率隨距離空變等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的SAR成像算法進(jìn)行方位壓縮會(huì)造成圖像扇形畸變。通過(guò)分析前視陣列SAR的回波特性，在方位壓縮后，將距離徙動(dòng)校正（RCMC）引起的數(shù)據(jù)傾斜通過(guò)逆距離徙動(dòng)校正（IRCMC）還原目標(biāo)的距離信息，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)映射完成地面的二維成像。最后通過(guò)仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本文分析的正確性和方法的有效性。
中圖分類(lèi)號(hào)：TN958
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233954
引用格式： 劉金升，張朝暉，韓松. 基于逆距離徙動(dòng)校正的前視SAR成像算法[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(11)：153-159.
Forward-looking SAR imaging algorithm based on inversed range cell migration correction
Liu Jinsheng1，2，Zhang Chaohui1，Han Song1，2
(1.Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；2.School of Electronic， Electrical and Communication Engineering， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China)
Abstract： Forward-looking synthetic aperture radar (forward-looking SAR) can acquire image information in the area below the front of the platform. Compared with side-looking SAR, forward-looking SAR has the characteristics of short synthetic aperture, close action distance, wider distance-to-scene width, and azimuthal tuning frequency with distance null, etc. Azimuthal compression using traditional SAR imaging algorithm will cause image sector distortion. In this paper, by analyzing the echo characteristics of the forward-looking array SAR, the data skew caused by the range cell migration correction (RCMC) is restored to the distance information of the target by the inversed range cell migration correction (IRCMC) after the azimuth compression, and the two-dimensional imaging of the ground is completed by coordinate mapping. Finally, the correctness of the analysis and the effectiveness of the method are verified by simulation data.
Key words : synthetic aperture radar；forward-looking imaging；frequency modulated continuous wave；inversed range cell migration

【引言】

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一種高分辨率成像雷達(dá)。在資源調(diào)查、海洋監(jiān)視、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等遙感領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1]。前視SAR成像雷達(dá)可以對(duì)平臺(tái)前下方進(jìn)行成像，在飛機(jī)輔助著陸、地面搜尋有著廣泛應(yīng)用，隨著近年來(lái)自動(dòng)駕駛的發(fā)展，前視成像雷達(dá)在汽車(chē)領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)價(jià)值。

當(dāng)雷達(dá)處于前視狀態(tài)時(shí)，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與天線(xiàn)主波束指向基本一致，由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率變化近乎消失，無(wú)法利用SAR成像方法進(jìn)行成像[2]。德國(guó)宇航局（DLR）最先提出了視景增強(qiáng)區(qū)域成像雷達(dá)(Sector Imaging Radar for Enhanced Vision，SIREV)的前視SAR成像方法[3-4]，其工作原理是通過(guò)在平臺(tái)飛行方向的垂直方向線(xiàn)性排列一組天線(xiàn)陣元，通過(guò)切換接收回波的天線(xiàn)陣元，等效為傳統(tǒng)側(cè)視SAR中“走?！蹦Ｊ?。SIREV系統(tǒng)中有“收發(fā)同置”和“收發(fā)分置”兩種工作模式[5]，“收發(fā)分置”工作模式的設(shè)計(jì)成本相對(duì)較低，隨著多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output， MIMO）雷達(dá)的發(fā)展，尤其基于線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave ，F(xiàn)MCW）的MIMO雷達(dá)技術(shù)越來(lái)越成熟，可以利用MIMO雷達(dá)等效出線(xiàn)性分布的“收發(fā)同置”的天線(xiàn)陣列[6-7]。本文以FMCW的前視陣列雷達(dá)作為研究對(duì)象。

相較于傳統(tǒng)的側(cè)（斜）視SAR成像，前視SAR成像的合成孔徑由延切航跡分布的實(shí)孔徑天線(xiàn)陣張成，由于實(shí)孔徑長(zhǎng)度受限，因此其只能利用方位向部分孔徑，這點(diǎn)和掃描SAR(ScanSAR)中的單一Bust成像類(lèi)似，所以可以借鑒ScanSAR的相關(guān)算法[8]。由于方位天線(xiàn)為實(shí)天線(xiàn)，近些年來(lái)不少學(xué)者從陣列天線(xiàn)的角度，采用超分辨算法作為前視成像方案[9-11]，該類(lèi)算法可以實(shí)現(xiàn)前視雷達(dá)方位向的超分辨，但該類(lèi)算法通常需要多次迭代，運(yùn)算量較大，不適用于實(shí)時(shí)成像。

在前視SAR成像過(guò)程中，由于其方位向調(diào)頻率隨距離空變，方位壓縮后會(huì)造成圖像的扇形畸變[12]。此外，隨著天線(xiàn)波束角的增加，波束照射范圍內(nèi)的大部分目標(biāo)無(wú)法被景中心穿過(guò)，采用對(duì)方位向補(bǔ)零的方式將天線(xiàn)孔徑擴(kuò)展到全孔徑又會(huì)增加處理的數(shù)據(jù)量。

針對(duì)采用SAR成像算法方位壓縮后圖像扇形畸變的問(wèn)題，提出了基于方位頻域逆距離徙動(dòng)校正（IRCMC）的前視成像方法。對(duì)距離壓縮后的回波信號(hào)，通過(guò)傅里葉變換到距離多普勒域進(jìn)行距離徙動(dòng)校正，通過(guò)SPECAN的方法，將信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域進(jìn)行去斜壓縮后再變換到距離多普勒域，然后通過(guò)逆距離徙動(dòng)校正，將目標(biāo)校正回瞬時(shí)斜距的位置，最后通過(guò)坐標(biāo)映射完成成像。

本文首先介紹了前視SAR的工作原理，給出了FMCW體制下的回波方程，分析了前視SAR的回波特性。給出該文提出的成像方法和算法流程圖，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。


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【作者信息】

劉金升1，2，張朝暉1，韓松1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）


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