《电子技术应用》
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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%。
中图分类号:TN959.3 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257050
中文引用格式: 于春辉,徐婧,张士伟,等. 星载SAR信号处理中等效速度的计算[J]. 电子技术应用,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

随着商业卫星的不断发展,遥感卫星的品类日趋多元化,其中合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)卫星已逐步发展成为遥感卫星领域的核心研究方向之一[1-4]。作为典型的主动式遥感载荷,星载 SAR 卫星通过星上载荷系统发射微波信号并接收回波信号,从而实现对地观测功能。依托其独特的电磁物理特性,星载 SAR 卫星具备在复杂气象条件及昼夜交替环境下稳定开展对地观测任务的能力。SAR 遥感影像数据在诸多领域具有重要应用价值,具体涵盖灾害动态监测、农林资源精细化调查、军事目标侦察以及高精度地形测绘等方面[5-8]。

星载SAR信号处理流程中,需以卫星轨道参数、地面目标几何属性等核心参数为输入,构建严格的数学几何模型,以此为依据将实际成像几何逐步的补偿为理想几何模型,获得良好聚焦效果的SAR影像数据。在这一信号处理过程中,雷达波束照射地球表面区域的等效速度作为关键特征参数,其估算精度对SAR图像尤其是方位向聚焦质量具有决定性作用。目前已有多种等效速度估计方法,大体可分为根据卫星轨道参数进行计算、利用图像自聚焦算法进行计算两大类。其中Cumming等人[9]根据卫星实际轨道、场景目标点位置进行基于双曲线模型的速度估计,该方法计算结果精度较低难以满足高精度的聚焦成像,但可作为等效速度估计的初始参考;利用自聚焦算法进行速度计算的方法有很多,主要包括Eichel等人提出的相位梯度法[10]、Curlander等人提出的子孔径相关法[11]、Dall等人提出的平移相关法等[12],上述方法易受到成像场景的影响如目标密度较高时相位梯度法的估计偏差较大。

本文以 SAR 卫星定位模型为理论基础,结合 Chirp Scaling(CS)成像算法框架,开展不同距离单元等效速度的精确估计研究。通过对比基于最大对比度准则计算的等效速度与本文所提算法的估计结果,对星载 SAR 条带模式下的点目标数据进行聚焦处理验证。在此过程中,优化速度估计环节的运算流程、提升算法执行效率,最终构建起以一级速度粗估计为基础、分数阶傅里叶变换精估计为核心优化环节的全流程等效速度估计方案。该方法可使 SAR 信号处理系统更快速、高效且精准地满足 SAR 成像处理的任务需求。


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作者信息:

于春辉,徐婧,张士伟,邓均午

(长光卫星技术股份有限公司,吉林 长春 130122)

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