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1、1一种改进的固定接收机双基地一种改进的固定接收机双基地 SARSAR 成像算法成像算法耿旭朴* * 闫鸿慧* 余慧* * 王岩飞*（中国科学院研究生院 北京 100039 ）*（中国科学院电子学研究所 北京 100190）摘摘 要：要：从固定接收机双基地 SAR 信号模型出发，分析基线变化带来的方位移变性， 即距离徙动曲线和多普勒调频率随目标方位位置的变化；进而提出了一种扩展的 NLCS 算 法，给出了该算法的具体操作流程，推导了各相位补偿函数的解析表达式。仿真结果表明， 该算法能适应固定接收机双基地 SAR 的方位移变性，获得较好的点目标聚焦效果。 关键词：关键词：合成孔径雷达(SAR) 双
2、基地 SAR 方位移变性 距离徙动校正 二次距离压缩An improved imaging algorithm for fixed receiver bistatic SAR Geng Xu-pu* * Yan Hong-hui* YuHui* * Wang Yan-fei*（Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China）*（Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China）Abstract
3、：From the signal model of fixed receiver bistatic SAR, the paper analyses characteristics of azimuth shift-varying, including the change of range migration curve and Doppler modulated ratio along with azimuth positions of targets. Then an extended Nonlinear Chirp Scaling (NLCS) algorithm is proposed
4、. The paper describes the flow chart of it, and derives these phase compensation functions. Simulations show that the recommended method can deal with characteristics of azimuth shift-varying in fixed receiver bistatic SAR, and gain very good focused image. Keywords：Synthetic Aperture Radar (SAR) Bi
5、static SAR Characteristics of azimuth shift-varying Range cell migration correction (RCMC) Secondary range compression (SRC)一、一、引言引言双基地 SAR 的发射机和接收机分别位于不同的平台上，接收机寂静工作，不容易被侦 察定位，因而具有更强的电子对抗能力，而且双基地 SAR 获取的是与目标的双基地角相关 的雷达截面积（RCS） ，图像内容更丰富，包含了更多的目标信息【1】-【3】 。因此双基地 SAR 正受到越来越多的关注【1】-【9】 。 双基地 SAR 的发射机和接
6、收机可以独立配置，与单基地 SAR 相比，构成方式更为灵 活。固定接收机双基地 SAR 正是这种灵活性的典型体现。该构型以发射机的运动形成合成 孔径，发射机既可以是专门设计的发射系统，也可以用现有的单基地星载或机载 SAR，而 接收机则固定在楼顶或山顶等距离地面一定高度的静止平台上，在发射机过顶时对特定区 域进行成像。这种双基地 SAR 系统的成本很低，既可以用于双基地 SAR 研究，也可以作 为现有 SAR 系统的补充【4】-【6】 。 与单基地 SAR 不同，固定接收机或发射机双基地 SAR 的基线会随平台的运动发生改 变，使相同距离门上的目标由于方位位置的差异不再具有相同的徙动曲线和多普
7、勒调频率， 不能采用同一个方位匹配函数进行压缩。这种方位移变性的存在，使得基于频域处理的单2基地 SAR 成像方法，如 Range-Doppler 算法、Chirp-Scaling 算法和 Omega-k 算法等，不能 直接适用于一站固定的双基地 SAR 成像问题。时域处理的 Backprojection 算法能够适用于 任意双基地 SAR 构型，但运算量太大，快速算法还需要进一步开发【5】 【7】 。Frank Wong 在文献【8】中提出了一种 Nonlinear Chirp Scaling (NLCS)算法，用方位向的扰动函数乘， 均衡化同一距离门上各目标的多普勒调频率。本文在上述工作的
8、基础上，提出一种扩展的 NLCS 算法，通过对距离压缩后的数据沿距离向分块，使每块数据中由发射机运动产生的 徙动量的变化小于一个距离门，然后用简单的相位函数乘校正这部分距离徙动，再对方位 向进行 NLCS 处理和方位压缩，并在子孔径内补偿 NLCS 引入的方位依赖的三次和四次相 位项。鉴于固定发射机和固定接收机构型的相似性，本文主要从固定接收机构型出发分析 一站固定的双基地 SAR 成像问题。二、二、信号模型信号模型(r0T,s0T)Hhr0Rr0TwrgrTrRTransmitterReceivervl图 1 固定接收机双基地 SAR 几何模型固定接收机的双基地SAR几何模型如图 1所示，发
9、射机平台以速度在距离地面高vH度的轨道上飞行，接收机固定在高度为的平台上， 为经过接收机且平行于发射机轨道hl 的直线， 的地面投影与发射机轨道地面投影的间距为，测绘带中任意点到发射机轨道lw和 的最近距离分别为和。设为任意点到 的地面投影的距离，由图中几何关系知l0Tr0Rrgrl* MERGEFORMAT (1)22 0Rgrhr* MERGEFORMAT (2)22 0()TgrHwr设发射机向测绘带发射线性调频信号，调频率为，从点目标接收到的回k00(,)TTrs波经过解调后为* 20000( , ,)(,)()()expexp2TTTTracbrrrg t s rsrsw tw ss
10、j k tjccMERGEFORMAT (3)3式中， 为快时间，为慢时间，为目标的 RCS，为发射脉冲包络，ts00(,)TTrs( )rw t为发射与接收的综合天线方向图。设和分别表示发射机到目标和目标到接收机( )aw sTrRr的距离，则距离和为r* MERGEFORMAT 222222 0000()TRTRTTRTrrrrrrvssrv s1 4 44 2 4 4 4 31 4 2 4 3(4)其中与慢时间无关，主要取决于目标的位置。Rr用驻定相位原理求解式* MERGEFORMAT (3)的二维傅里叶变换，固定接收机构型双 基地 SAR 的二维精确频谱为* 20000022 000
11、( ,)(,)( )()expexp22exp2exp1/aTTTTraaaTTa RfG f frsrsWf Wfjjf skffrffjrjcfv MERGEFORMAT (5)式中，和分别表示快时间频率和慢时间频率，第一个指数项表示发射信号频谱，第二faf个指数项表示目标的方位位置，第三个指数项表示由固定接收机引起的距离徙动，在单基 地 SAR 中不存在该项，第四个指数项较为复杂，用泰勒级数把相位展开如下：* 22 230 000325 00211( ,)22T aTTrfDDf frsf DffcDf Df D LMERGEFORMAT (6)式中，第一个相位项表示方位向多普勒调制，第
12、二个相位项表示发射221( / )afDv机运动产生的距离徙动，第三项为二次距离压缩项，第四项和省略的高次项表示距离和方 位耦合的高次相位信息。由于接收机固定不动，目标的方位调制只由发射机的速度和斜距 决定，多普勒带宽和方位分辨率只相当于单基地 SAR 的一半。三、三、方位移变性分析方位移变性分析把式* MERGEFORMAT (5)与发射信号的复共轭相乘，实现距离压缩，然后忽略式* MERGEFORMAT (6)的二次及其高阶项，求解快时间的逆傅立叶变换，得距离压缩后距离- 多普勒域的信号为4* 0 000000/( ,)(,)()sinexp22expexp2RT aTTTTaaaTTRr
13、rDG t frsrsWfcB tjf scrrjDjMERGEFORMAT (7) 式中，表示发射信号带宽，最后一个相位项为常数，予以忽略。B 根据式* MERGEFORMAT (7)，距离压缩后，点目标在距离-多普勒域中的徙动曲线为* 22200 0000222(,) 1/TT RCMaTTRRTarrrfrsrrv sDfv MERGEFORMAT (8)整理式* MERGEFORMAT (1)和* MERGEFORMAT (2)，消去，则gr* MERGEFORMAT (9)2222 00RTrhrHw把式* MERGEFORMAT (9)代入* MERGEFORMAT (8)中，得*
14、 2222220 0000222(,) 1/T RCMaTTTTarrfrshrHwv s fv MERGEFORMAT (10) 式* MERGEFORMAT (10)表明，固定接收机双基地 SAR 的距离徙动包含两部分，第 一部分由接收机静止产生，徙动量取决于目标和接收机的相对位置；第二部分由发射机运 动产生，与单基地 SAR 类似。如图 2（a）所示，A、B 和 C 均匀分布，到发射机轨道的 距离相等，D 与 A 和 C 位于同一距离门内，且与接收机和点 B 同在垂直于发射机轨道的平 面内。图 2（b）和（c）分别给出了二维时域和距离-多普勒域的徙动曲线。虽然 B 与 A 和 C 到发射
15、机距离相同，但由于方位位置的差异，距离徙动量不同，因而在距离-多普勒域 中的徙动曲线并不重合，传统的距离徙动校正方法不能直接适用于固定接收机双基地 SAR。hTransmitterReceivervHBACDABCDRangeAzimuth（a）RangeAzimuth Freq.BDA&C（b）（c）图 2 固定接收机双基地 SAR 的方位移变性5同一距离门上的目标满足条件0r* MERGEFORMAT (11)222 00000TRTRTrrrrrv s把式* MERGEFORMAT (9)代入* MERGEFORMAT (11)中，整理得* 2222222222 0000 022 0()()4() 2()TT Trv sv sww HrwrrwMERGEFORMAT (12)其中，。2222 0rHhw把在处用二次泰勒级数展开，得0Tr00Ts* MERGEFORMAT (13)2 00 00TTTrrs其中，* MERGEFORMAT (14)222222 00 0 022 04() 2()Trww Hrwrrw* MERGEFORMAT 22022222222004()vwrrwww Hrw
