《電子技術應用》
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基于逆距離徙動校正的前視SAR成像算法
電子技術應用 11期
劉金升1，2，張朝暉1，韓松1，2
（1.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100190；2.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 100049）
摘要： 前視合成孔徑雷達（前視SAR）可以獲取平臺前下方區(qū)域的圖像信息，相較于側視SAR，前視SAR具有合成孔徑短、作用距離近、距離向場景寬度較寬、方位向調(diào)頻率隨距離空變等特點，采用傳統(tǒng)的SAR成像算法進行方位壓縮會造成圖像扇形畸變。通過分析前視陣列SAR的回波特性，在方位壓縮后，將距離徙動校正（RCMC）引起的數(shù)據(jù)傾斜通過逆距離徙動校正（IRCMC）還原目標的距離信息，經(jīng)過坐標映射完成地面的二維成像。最后通過仿真數(shù)據(jù)驗證了本文分析的正確性和方法的有效性。
中圖分類號：TN958
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233954
引用格式： 劉金升，張朝暉，韓松. 基于逆距離徙動校正的前視SAR成像算法[J]. 電子技術應用，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(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一種高分辨率成像雷達。在資源調(diào)查、海洋監(jiān)視、災害監(jiān)測等遙感領域獲得了廣泛應用[1]。前視SAR成像雷達可以對平臺前下方進行成像，在飛機輔助著陸、地面搜尋有著廣泛應用，隨著近年來自動駕駛的發(fā)展，前視成像雷達在汽車領域也有著廣泛的應用場景和商業(yè)價值。

當雷達處于前視狀態(tài)時，平臺的運動與天線主波束指向基本一致，由平臺運動產(chǎn)生的多普勒頻率變化近乎消失，無法利用SAR成像方法進行成像[2]。德國宇航局（DLR）最先提出了視景增強區(qū)域成像雷達(Sector Imaging Radar for Enhanced Vision，SIREV)的前視SAR成像方法[3-4]，其工作原理是通過在平臺飛行方向的垂直方向線性排列一組天線陣元，通過切換接收回波的天線陣元，等效為傳統(tǒng)側視SAR中“走停”模式。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”工作模式的設計成本相對較低，隨著多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output， MIMO）雷達的發(fā)展，尤其基于線性調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave ，F(xiàn)MCW）的MIMO雷達技術越來越成熟，可以利用MIMO雷達等效出線性分布的“收發(fā)同置”的天線陣列[6-7]。本文以FMCW的前視陣列雷達作為研究對象。

相較于傳統(tǒng)的側（斜）視SAR成像，前視SAR成像的合成孔徑由延切航跡分布的實孔徑天線陣張成，由于實孔徑長度受限，因此其只能利用方位向部分孔徑，這點和掃描SAR(ScanSAR)中的單一Bust成像類似，所以可以借鑒ScanSAR的相關算法[8]。由于方位天線為實天線，近些年來不少學者從陣列天線的角度，采用超分辨算法作為前視成像方案[9-11]，該類算法可以實現(xiàn)前視雷達方位向的超分辨，但該類算法通常需要多次迭代，運算量較大，不適用于實時成像。

在前視SAR成像過程中，由于其方位向調(diào)頻率隨距離空變，方位壓縮后會造成圖像的扇形畸變[12]。此外，隨著天線波束角的增加，波束照射范圍內(nèi)的大部分目標無法被景中心穿過，采用對方位向補零的方式將天線孔徑擴展到全孔徑又會增加處理的數(shù)據(jù)量。

針對采用SAR成像算法方位壓縮后圖像扇形畸變的問題，提出了基于方位頻域逆距離徙動校正（IRCMC）的前視成像方法。對距離壓縮后的回波信號，通過傅里葉變換到距離多普勒域進行距離徙動校正，通過SPECAN的方法，將信號轉換到時域進行去斜壓縮后再變換到距離多普勒域，然后通過逆距離徙動校正，將目標校正回瞬時斜距的位置，最后通過坐標映射完成成像。

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，最后通過仿真實驗驗證了方法的可行性。


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【作者信息】

劉金升1，2，張朝暉1，韓松1，2

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


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