《電子技術應用》
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星载SAR信号处理中等效速度的计算
电子技术应用
于春辉,徐婧,张士伟,邓均午
长光卫星技术股份有限公司
摘要: 为提升星载合成孔径雷达(SAR)成像质量,针对成像处理中不同距离单元之间的速度空变特性,研究高精度等效速度计算方法以实现各距离单元目标的精准聚焦,并对等效速度计算流程开展优化与改进。首先,依据星载 SAR 的距离方程、多普勒方程及地球椭球模型方程,对成像中心时刻不同距离门采样位置的目标进行几何定位,采用传统双曲线模型计算不同距离门定位目标的斜距历程,并根据成像时间与斜距变化完成等效速度的一级粗估计。然后,分别针对基于图像统计特征(最大对比度方法)与回波信号特征(分数阶傅里叶变换方法)的两类等效速度估计策略开展二级估计研究,完成等效速度的精确估计后对不同计算方法中处理效率与估计精度的耦合关系进行优化设计,构建并完成等效速度的二级粗估计与精估计全流程处理框架。最后,通过对比基于星载成像参数生成的条带模式点目标回波仿真数据处理结果,围绕点目标分辨率、积分旁瓣比、峰值旁瓣比、算法耗时等关键指标开展量化分析,从而完成对所提计算方法的系统性性能评价。实验结果表明,所提速度估计算法成像指标更优:分辨率展宽更小,峰值旁瓣比优于-17 dB,积分旁瓣比优于-15 dB,在计算效率方面相较基于最大对比度的方法时间提升到58%。
中圖分類號:TN959.3 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257050
中文引用格式: 于春輝,徐婧,張士偉,等. 星載SAR信號處理中等效速度的計算[J]. 電子技術應用,2026,52(5):103-109.
英文引用格式: Yu Chunhui,Xu Jing,Zhang Shiwei,et al. Calculation of equivalent velocity in spaceborne SAR signal processing[J]. Application of Electronic Technique,2026,52(5):103-109.
Calculation of equivalent velocity in spaceborne SAR signal processing
Yu Chunhui,Xu Jing,Zhang Shiwei,Deng Junwu
Chang Guang Satellite Technology Co., Ltd.
Abstract: To improve the imaging quality of spaceborne SAR, this study focuses on addressing the velocity spatial variation characteristics among different range cells during imaging processing. It investigates high-precision equivalent velocity calculation methods to achieve accurate focusing of targets in each range cell and optimizes the equivalent velocity calculation workflow. Firstly, based on the range equation, Doppler equation, and Earth ellipsoid model equation of spaceborne SAR, geometric positioning of targets at different range gate sampling positions at the imaging center time is performed. The traditional hyperbolic model is adopted to calculate the slant range history of targets positioned by different range gates, and a first-level rough estimation of equivalent velocity is completed according to imaging time and slant range variations. Subsequently, secondary estimation research is conducted on two types of equivalent velocity estimation strategies: one based on image statistical features (maximum contrast method) and the other on echo signal features (fractional Fourier transform method). After completing the accurate estimation of equivalent velocity, the coupling relationship between processing efficiency and estimation accuracy in different calculation methods is optimized, and a full-process framework integrating secondary rough estimation and precise estimation of equivalent velocity is finally constructed and completed. Finally, by comparing the processing results of point target echo simulation data in strip modes generated based on spaceborne imaging parameters, quantitative analysis is carried out focusing on key indicators such as point target resolution, integrated sidelobe ratio, peak sidelobe ratio, and algorithm time consumption, thereby completin
Key words : spaceborne SAR;RD positioning model;equivalent velocity;maximum contrast;fractional Fourier transform

引言

隨著商業衛星的不斷發展,遙感衛星的品類日趨多元化,其中合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)衛星已逐步發展成為遙感衛星領域的核心研究方向之一[1-4]。作為典型的主動式遙感載荷,星載 SAR 衛星通過星上載荷系統發射微波信號并接收回波信號,從而實現對地觀測功能。依托其獨特的電磁物理特性,星載 SAR 衛星具備在復雜氣象條件及晝夜交替環境下穩定開展對地觀測任務的能力。SAR 遙感影像數據在諸多領域具有重要應用價值,具體涵蓋災害動態監測、農林資源精細化調查、軍事目標偵察以及高精度地形測繪等方面[5-8]。

星載SAR信號處理流程中,需以衛星軌道參數、地面目標幾何屬性等核心參數為輸入,構建嚴格的數學幾何模型,以此為依據將實際成像幾何逐步的補償為理想幾何模型,獲得良好聚焦效果的SAR影像數據。在這一信號處理過程中,雷達波束照射地球表面區域的等效速度作為關鍵特征參數,其估算精度對SAR圖像尤其是方位向聚焦質量具有決定性作用。目前已有多種等效速度估計方法,大體可分為根據衛星軌道參數進行計算、利用圖像自聚焦算法進行計算兩大類。其中Cumming等人[9]根據衛星實際軌道、場景目標點位置進行基于雙曲線模型的速度估計,該方法計算結果精度較低難以滿足高精度的聚焦成像,但可作為等效速度估計的初始參考;利用自聚焦算法進行速度計算的方法有很多,主要包括Eichel等人提出的相位梯度法[10]、Curlander等人提出的子孔徑相關法[11]、Dall等人提出的平移相關法等[12],上述方法易受到成像場景的影響如目標密度較高時相位梯度法的估計偏差較大。

本文以 SAR 衛星定位模型為理論基礎,結合 Chirp Scaling(CS)成像算法框架,開展不同距離單元等效速度的精確估計研究。通過對比基于最大對比度準則計算的等效速度與本文所提算法的估計結果,對星載 SAR 條帶模式下的點目標數據進行聚焦處理驗證。在此過程中,優化速度估計環節的運算流程、提升算法執行效率,最終構建起以一級速度粗估計為基礎、分數階傅里葉變換精估計為核心優化環節的全流程等效速度估計方案。該方法可使 SAR 信號處理系統更快速、高效且精準地滿足 SAR 成像處理的任務需求。


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作者信息:

于春輝,徐婧,張士偉,鄧均午

(長光衛星技術股份有限公司,吉林 長春 130122)

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