
Citation: | Huan DENG, Yachao LI, Haiwen MEI, Yinghui QUAN, Mengdao XING. New Back-filtering PFA Imaging Algorithm and Distortion Correction Method for Missile-borne Bistatic SAR with Curved Track[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(11): 2638-2644. doi: 10.11999/JEIT170994 |
弹载双基SAR成像可有效提升导弹对前方复杂场景目标的高分辨探测能力,在导弹寻的制导、静默打击等方面具有重要的军事应用价值[1]。在末制导阶段,导弹存在较大的三轴速度和加速度,使得传统的基于匀速直线平飞轨迹建立的等效斜距模型[2,3]不再适用,也使得基于该模型的成像算法难以与现有的运动补偿算法[4,5]相结合。针对双基SAR成像[6],现有的频域类成像算法有距离多普勒算法[7]、非线性变标算法及其改进算法[8–10]、频域变标算法[11]等,这些方法利用方位平移不变性对回波数据的空变性进行统一校正,因此运算效率较高。然而,俯冲SAR垂直向下速度使得平移不变性不再满足,使得这些频域类方法并不能直接应用。随着成像需求的发展,更精确的2维波数域成像方法相继被提出,如距离徙动算法(RMA)[12,13],极坐标格式算法(PFA)[14–16]以及它们的改进型。其中,RMA算法对飞行轨迹要求较高且进行1维插值;PFA算法在方位去斜(Deramp)处理后,对频谱2维线性插值处理,实现2维成像聚焦,现有的2维分离插值算法效率较高,可在高机动平台上快速实现。但现有算法均基于双基匀速直线平飞构型,不能直接应用于弹载曲线轨迹双基SAR成像中2维空变运动误差的处理。
综上所述,本文针对弹载曲线轨迹双基SAR成像中存在的诸多问题,提出了一种新的双基SAR成像算法—反向滤波PFA算法(BFPFA)。和现有文献方法相比,BFPFA具有以下创新思想,首先,提出改进的双基等效斜距模型,精度更高,且将双平台加速度与直线斜距模型分离;其次,提出的基于反向映射插值的运动误差与图像畸变局部联合补偿方法,使其算法时间复杂度小于BP算法的同时,继承了传统BP算法可以灵活地选择成像平面、获得无畸变SAR地距图等优势;最后,本文利用PFA插值将信号频谱直接投影到地距平面,可以在频域实现频谱修剪与像素网格重采样,在几何失真校正过程中网格分辨率变化较小,图像质量更高,因此在图像匹配应用中更有优势。仿真实验验证了本文所提算法的有效性。
图1为弹载曲线轨迹双基SAR成像几何构型,图中
Rbf(tm)=√(xR+vxRtm+0.5axRt2m−xp)2+(yR+vyRtm+0.5ayRt2m−yp)2+(HR+vzRtm+0.5azRt2m)2+√(xT+vxTtm+0.5axTt2m−xp)2+(yT+vyTtm+0.5ayTt2m−yp)2+(HT+vzTtm+0.5azTt2m)2 |
(1) |
式中,
传统双基SAR成像算法大多采用4阶泰勒展开对式(1)中斜距进行近似处理,但其展开系数中仍包含了双平台运动参数,且其2维频谱的推导过程非常复杂,限制了一些高精度成像算法的应用。本文提出一种改进的通用化双基等效斜距模型(IGBERM),其表达式为
Rbfe(tm)=RR+RT+4∑i=2(ARi(xp,yp)+ATi(xp,yp))tim |
(2) |
RR(xp,yp)=√(xR+vxRtm−xp)2+(yR+vyRtm−yp)2+(HR+vzRtm)2RT(xp,yp)=√(xT+vxTtm−xp)2+(yT+vyTtm−yp)2+(HT+vzTtm)2ARi(xp,yp)=kRi−CRiATi(xp,yp)=kTi−CTi} |
(3) |
式中,
首先,假设雷达发射线性调频信号,由式(2)的通用化等效斜距公式,可得双基俯冲构型SAR回波信号经过脉冲压缩处理后的波数域表达式为
Sbf(kr,tm)=Wr(kr)wa(tm)exp(−jkrRbfe(tm)) |
(4) |
式中,
由式(3)中等效斜距模型可知,双基SAR瞬时斜距模型包括匀速直线斜距模型和加速度带来的运动误差扰动项。对于波长较短的弹载SAR平台来说,空变运动误差扰动项会带来回波信号多普勒调频率的剧烈变化,从而严重影响方位频谱宽度[3]。方位频谱恢复与压缩包括空变运动误差粗补偿和方位Deramp处理,其目的在于消除非空变的运动误差扰动和非空变的方位解析相位项,使信号频谱方位压缩,方便后续频谱旋转插值到地距平面。本文以场景中心点
HAcc(kr,tm)=exp(jkr4∑i=2(ARi0(0,0)+ATi0(0,0))tim) |
(5) |
HDrmp(kr,tm)=exp(jkr(R0R+R0T)) |
(6) |
式中,下标含“0”的变量表示该变量在场景中心点
Sbf(kr,tm)=exp(−jkr(RR−R0R+RT−R0T)−jkr4∑i=2Di(xp,yp)tim) |
(7) |
Di(xp,yp)=(ARi−ARi0+ATi−ATi0)|i=2,3,4 |
(8) |
式(7)中第1项为信号相位解析项,令其对应的斜距项为
在方位频谱恢复与Deramp操作后,频谱仍然存在距离和方位耦合,无法通过2维IFT聚焦成像。本文通过构建地平面距离和方位波数
kx=krΓx(tm)ky=krΓy(tm)} |
(9) |
Γx(tm)=−((xR+vxRtm)/R0R+(xT+vxTtm)/R0T)Γy(tm)=−((yR+vyRtm)/R0R+(yT+vyTtm)/R0T)} |
(10) |
在完成2维频谱插值后,信号频谱由
β=tan−1(Γy/Γx) |
(11) |
在斜视成像情况下,成像坐标系由
Φ(k′x,k′y)≈−(Δ10(k′x−k′xc)+Δ11k′y+Δ20(k′x−k′xc)2+Δ21k′y2+Δ22(k′x−k′xc)k′y) |
(12) |
Δ10=RDrmpΓ′y−R′DrmpΓyΓxΓ′y−Γ′xΓycosβ+RDrmpΓ′x−R′DrmpΓxΓyΓ′x−Γ′yΓxsinβΔ11=−RDrmpΓ′y−R′DrmpΓyΓxΓ′y−Γ′xΓysinβ+RDrmpΓ′x−R′DrmpΓxΓyΓ′x−Γ′yΓxcosβΔ21=12(Γ′xΓy−ΓxΓ′y)krc(ΓyF′ysin2β−ΓyF′ysinβcosβ−ΓxF′ycos2β+ΓxF′xsinβcosβ)Δ20=Δ22=0} |
(13) |
R′Drmp=∂RDrmp/∂tmΓ′x=∂Γx/∂tm,Γ′y=∂Γy/∂tmF′x=∂∂tm(RDrmpΓ′y−R′DrmpΓyΓxΓ′y−Γ′xΓy),F′y=∂∂tm(RDrmpΓ′x−R′DrmpΓxΓyΓ′x−Γ′yΓx)} |
(14) |
在式(13)、式(14)中,
Sbf(X,k′y)=sinc(Ximg−Δ10)exp(−j(Δ11k′y+Δ21k′2y))exp(jcosβk′xc−sinβk′ycosψRsinθR+cosψTsinθT4∑i=2Di(xp,yp)t∗im) |
(15)
式(15)中第2项指数项为空变的运动误差残留项,由于插值处理后,该项在
Sbf(Ximg,Yimg)=sinc(Ximg−Δ10)sinc(Yimg−Δ11)⋅exp(jφtemp(Ximg,Yimg)) |
(16) |
式中,
本文根据BP算法中反向投影的思想,提出来一种基于逆映射插值的空变相位误差与图像畸变局部联合补偿的方法,可直接获取无畸变SAR地距图,其步骤如下:
步骤 1 在地平面沿
步骤 2 对地面网格点
步骤 3 以图像域中点
HWBC=exp(jΔ21k′y2) |
(17) |
HMEC=exp(−jcosβk′xc−sinβk′y(cosψRsinθR+cosψTsinθT)⋅4∑i=2Di(xp,yp)t∗im) |
(18) |
步骤 4 构建
步骤 5 重复步骤1—步骤4,直至所有地平面网格点插值完,获得最终的地距SAR图像。
这里针对3.2节中的空变误差进行处理的合理性进行量化分析,并对所提算法总的运算量进行分析。
为提升本文所提BFPFA算法实时性,在式(15)中,对空变误差残留项进行近似处理,忽略了空变距离徙动与距离相位误差对成像的影响。以表1中参数进行仿真,验证近似处理的合理性,成像范围3 km×3 km。场景边缘点的距离走动和弯曲量如图2所示。由图2(a)中结果可知,边缘点最大距离徙动约为0.015 m,因此当距离单元大于0.06 m时,不会出现越距离徙动。图2(b)为边缘点距离相位误差结果,由图可知,残留的距离相位误差为
本文所提BFPFA主要包含2次距离和3次方位FFT运算,2次复乘,1次2维插值,1次2维畸变校正插值。假如采用8点sinc插值,距离和方位采样点数为
C=3NaNrlog2Nr+17NrNa+64N2g+N2mN2g+2(N2mlog2Nm)N2g\vspace30pt |
(19) |
为验证所提基于IGBERM模型的有效性,以表1中成像参数进行仿真实验,场景大小为4 km×4 km,合成孔径时间为1 s。图3为两种模型对应的相位误差结果,这里以
为验证本文所提BFPFA算法的有效性,以表1参数进行仿真。在图4所示的
载频(GHz) | 17 | 距离带宽(MHz) | 200 |
脉冲重复频率(kHz) | 10 | 采样率(MHz) | 250 |
接收机坐标(km) | (4.47, 11.94, 22.08) | 发射机位置(km) | (6.64, 11.28, 23.62) |
接收机速度(m/s) | (1100, –680, –346) | 发射机速度(m/s) | (1000, –450, –294) |
接收机加速度(m/s2) | (15, 25, –10) | 发射机加速度(m/s2) | (15, –35, –20) |
为了对算法进行更好的分析,将仿真验证分为两部分,分别验证所提空变运动误差补偿与所提图像畸变校正方法的有效性。
(1) 图5给出了采用文献[15]所提参考算法的方位剖面图,由于忽略了加速度运动误差的2维空变特性,因此对于边缘点,存在一个较大的方位相位误差使得方位散焦,方位分辨率严重下降。图6给出了本文所提算法的成像结果,由于对空变相位误差进行了补偿,边缘点1和点3的第1零点和第1旁瓣均被拉低,接近参考点2。图7进一步给出了所提算法结果的2维等高线图,可以看出主副瓣明显分开,与参考点相近,验证了所提算法的有效性。
(2) 在地平面沿
本文研究了弹载曲线轨迹双基SAR成像问题,提出了一种基于双基等效斜距模型的BFPFA算法及其图像畸变校正方法。该方法采用了BP算法逆投影的方式,对空变相位误差与图像畸变进行局部联合补偿,运算量小于BP算法的同时,继承了BP算法可任意选择成像平面、易于多核并行化实现,可直接获取无畸变SAR地距图的优点。最终,仿真实验验证了所提算法的有效性。
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载频(GHz) | 17 | 距离带宽(MHz) | 200 |
脉冲重复频率(kHz) | 10 | 采样率(MHz) | 250 |
接收机坐标(km) | (4.47, 11.94, 22.08) | 发射机位置(km) | (6.64, 11.28, 23.62) |
接收机速度(m/s) | (1100, –680, –346) | 发射机速度(m/s) | (1000, –450, –294) |
接收机加速度(m/s2) | (15, 25, –10) | 发射机加速度(m/s2) | (15, –35, –20) |