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环视合成孔径雷达(SAR)是一种新的雷达成像模式,其成像结果的图像质量与成像参数的精度密切相关,特别是雷达平台实际运动速度的不精确测量会严重影响图像质量。该文针对环视SAR 成像模式的特点,提出了一种基于雷达回波信号的平台运动速度和天线扫描角度估计方法。该方法借鉴了多波束多普勒导航技术的基本思想,建立了新的数学模型和方程组表达式,并在实际处理中以最小二乘为准则实现了参数搜索和最佳逼近。仿真数据处理的结果表明,该方法能准确地实现上述参数估计,从而显著提高了环视SAR 系统输出图像的质量。
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第 2 卷第 2 期 雷 达 学 报 Vol. 2No. 2
2013 年 6 月 Journal of Radars Jun. 2013
基于信号的环视 SAR 成像参数估计方法
陈功伯
①
李 勇
*①
陶满意
②
①
(南京航空航天大学电子信息工程学院 南京 210016)
②
(上海卫星工程研究所 上海 200240)
摘 要:环视合成孔径雷达(SAR)是一种新的雷达成像模式,其成像结果的图像质量与成像参数的精度密切相关,
特别是雷达平台实际运动速度的不精确测量会严重影响图像质量。该文针对环视 SAR 成像模式的特点,提出了一
种基于雷达回波信号的平台运动速度和天线扫描角度估计方法。该方法借鉴了多波束多普勒导航技术的基本思想,
建立了新的数学模型和方程组表达式,并在实际处理中以最小二乘为准则实现了参数搜索和最佳逼近。仿真数据处
理的结果表明,该方法能准确地实现上述参数估计,从而显著提高了环视 SAR 系统输出图像的质量。
关键词:合成孔径雷达;环视扫描模式;参数估计;最小二乘解
中图分类号: TN959.3 文献标识码: A 文章编号: 2095-283X(2013)02-0203-07
DOI: 10.3724/SP.J.1300.2013.20073
Data-based Parameter Estimation Method for
Circular-scanning SAR Imaging
Chen Gong-bo
①
Li Yong
①
Tao Man-yi
②
①
(College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and
Astronautics, Nanjing 210016, China)
②
(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240, China)
Abstract: The circular-scanning Synthetic Aperture Radar (SAR) is a novel working mode, and its image quality
is closely related to the accuracy of the imaging parameters, particularly considering the inaccuracy of the real
speed of motion. According to the characteristics of the circular-scanning mode, a novel data-based method for
estimating the velocities of the radar platform and the scanning-angle of the radar antenna is proposed in this
paper. By referring to the basic concept of the Doppler navigation technique, we first improve the mathematic
model and formulations for the parameter estimation. The optimal parameter approximation based on the least
square criterion is then realized for solving the equations derived from the data processing. The simulation results
verify the validity of the proposed scheme.
Key words: Synthetic Aperture Radar (SAR); Circular-scanning mode; Parameters estimation; Least-square
approximation
1 引言
合成孔径雷达
[1]
(Synthetic Aperture Radar,
SAR)是一种主动式微波成像雷达。常用的机载
SAR 成像模式包括聚束式、条带式和扫描式,如图
1(a)~图 1(c)。这 3 种模式的成像区域均位于雷达
平台航迹的一侧,但在某些特殊场合,如为导弹等
精确制导武器提供景象匹配所需的图像信息时,需
要即时地获得飞行路线下方左右两侧环形区域的雷
达图像,即环视 SAR 工作模式
[2
-
5]
,如图 1(d)。
2012-10-08 收到,2013-05-21 改回;2013-05-27 网络优先出版
江苏省高校优势学科建设工程资助项目和航空科学基金
(20112052025)资助课题
*通信作者: 李勇 limack@nuaa.edu.cn
为了实现精确匹配,环视 SAR 图像必需具备
一定的几何准确度,进而对成像参数精度也提出了
更高的要求。在文献[2]中,研究了几何失真校正处
理中高度误差的估计和补偿方法,而忽略了速度误
差的影响。实际上,由于长时间的误差积累,现有
惯导系统提供的速度值误差明显,影响了几何失真
校正的精度,从而严重降低了环视 SAR 系统输出
图像的质量。此外,雷达天线扫描角度的不准确性
也不利于图像的无缝拼接。针对此问题,本文研究
了基于雷达回波数据的载机运动速度和天线扫描角
度误差估计方法,根据环视 SAR 系统的特点并结
合了多普勒导航技术的思想,在无任何辅助手段的
条件下,通过对不在同一平面内的波束回波信号进
204 雷 达 学 报 第 2 卷
行杂波中心频率测量,实现了对平台 3 维运动速度
和天线扫描角误差的估计。
本文基于以上背景,研究了成像参数估计方法。
首先,介绍了多普勒导航技术的原理和结构设计,
分析了环视 SAR 成像模型和算法;进而根据环视
SAR 的特点建立了新的数学模型,推导了参数估计
方程,并设计了基于最小二乘准则的参数估计方法;
最后,通过仿真手段验证了该方法用于速度和天线
扫描角度参数精确估计的有效性。
2 多普勒导航原理
多普勒导航技术本质上是一种利用地杂波的多
普勒频率变化实现运动平台 3 维速度测量的技术手
段,其典型应用是机载“两面神”雷达系统
[6]
。配
备该系统的载机运动平台可以实现运动速度的实时
测量,并累积计算平台运动轨迹,从而具备了自主
导航功能。图 1 以 3 波束结构为例,分析了多普勒
导航雷达系统用于测量运动平台速度的原理。在载
机飞行过程中,由于需要实时地测量载机运动速度
的 3 维速度分量,导航雷达系统至少需要向 3 个不
同方向同时发射测速波束,以获得 3 个不同的多普
勒频率来构建方程组。雷达天线被安装在稳定的平
台上,建立东北天地理坐标系,即 x-y-z 坐标系。
图 2 中,3 个波束的中心线相对于雷达的角度是
确定的。若用
ϕ , θ 表示波束中心的俯仰角和天线扫
描角,并设由接收到的 3 波束回波信号估计出的多
普勒中心频率分别为 f
dc1
, f
dc2
和 f
dc3
,则载机运动的 3
个速度分量
x
V ,
y
V 和
z
V 可以由如下方程组确定
[7,8]
:
()
()
()
dc1
dc2
dc3
2
cos sin sin sin cos
2
cos sin sin sin cos
2
cos sin sin sin cos
xyz
xyz
xyz
fV V V
fV V V
fV V V
θϕ ϕθ ϕ
λ
θϕ ϕθ ϕ
λ
θϕ ϕθ ϕ
λ
⎧
⎪
⎪
=− − −
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
=−−
⎨
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
=+−
⎪
⎪
⎪
⎩
(1)
求解联立方程组(1),可得
()
()
()
dc2 dc1
dc3 dc2
dc3 dc1
4cos sin
4sin sin
4cos
x
y
z
ff
V
ff
V
ff
V
λ
θϕ
λ
θϕ
λ
ϕ
⎧
−⎪
⎪
=
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
−
⎪
⎪
=
⎨
⎪
⎪
⎪
⎪
+
⎪
⎪
=
⎪
⎪
−
⎪
⎪
⎩
(2)
图 1 机载 SAR 成像模式
Fig. 1 The imaging modes for airborne SAR
图 2 3 波束多普勒雷达测速模型
Fig. 2 The velocity measuring model for Doppler radar using three radar beams
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