CN103728618B - 一种高分辨率、宽测绘带的星载sar体制实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率、宽测绘带的星载SAR体制实现方法，包括：在星载合成孔径雷达的方位向采用多发多收、N个子孔径发射N个不同载频的线性调频信号的滑动聚束模式，使得多个子孔径接收到的子带回波被分离，对分离出的子带回波进行方位向预处理，消除波束扫描和天线多通道结构造成的频谱混叠；对方位预处理后的信号进行距离向子带合成，获得带宽为单个线性调频信号带宽N倍的子带合成信号，得到距离向的高分辨率；对子带合成信号利用距离向徙动算法(RMA)完成残余聚焦，获得最终高分辨率雷达图像。

Description

一种高分辨率、宽测绘带的星载SAR体制实现方法

技术领域

本发明涉及一种新型的高分辨率宽测绘带星载合成孔径雷达(SAR)体制，尤其涉及一种方位向采用多发多收的滑动聚束模式，距离向采用子带合成技术的星载合成孔径雷达体制。

背景技术

星载合成孔径雷达面临的主要问题是如何同时提高分辨率和测绘带宽。传统的条带模式中，方位分辨率和距离向测绘带宽存在一种内在矛盾。聚束合成孔径雷达可以提高方位分辨率，但方位向测绘带宽被波束宽度限制；TopsSAR和ScanSAR可以增加距离向测绘带宽，但却以方位分辨率的降低为代价。

目前解决这种内在矛盾的常用方法为方位向一发多收(SIMO)的多通道技术。它采用额外的方位样本来降低系统的脉冲重复频率(PRF)。将多通道技术与聚束模式相结合可以同时得到方位向高分辨率和距离向宽测绘带。一种条带模式与聚束模式的折中是滑动聚束模式，它所获得的方位测绘带宽和方位分辨率介于条带模式和聚束模式之间。因此，目前已提出的最新的高分宽测模式为多通道滑动聚束模式。但是，由于硬件水平对发射信号带宽的限制，这种模式不能获得超高距离分辨率。

综上所述，高分辨率宽测绘带星载合成孔径雷达(SAR)的进一步研究具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于获得一种高分辨率宽测绘带的星载合成孔径雷达体制实现方法。

(二)技术方案

本发明提供了一种高分辨率、宽测绘带的星载SAR体制实现方法，包括步骤如下：步骤S1：在星载合成孔径雷达的方位向采用多发多收、N个子孔径发射N个不同载频的线性调频信号的滑动聚束模式，使得多个子孔径接收到的子带回波被分离，对分离出的子带回波进行方位向预处理，消除波束扫描和多通道结构造成的频谱混叠；步骤S2：对方位预处理后的信号进行距离向子带合成，获得带宽为单个线性调频信号带宽N倍的子带合成信号，得到距离向的高分辨率；步骤S3：对子带合成信号利用距离向徙动算法(RMA)完成残余聚焦，获得最终高分辨率雷达图像。

(三)本发明的有益效果

本发明提供一种新型的高分辨率宽测绘带星载合成孔径雷达体制实现方法：在方位向采用多发多收(MIMO)、不同子孔径发射不同载频的线性调频信号的滑动聚束模式，提高方位向分辨率、方位向测绘带宽度和距离向测绘带宽度；各个发射子孔径发射步进频的线性调频信号信号，使得接收到的回波可以很好地被分离；在距离向采用子带合成技术获得距离向高分辨率；在对这种体制下接收到的雷达回波进行成像处理时，将多通道重建技术和子带合成技术嵌入到两步式成像算法中，得到这种新体制合成孔径雷达的成像算法，其有益效果体现在：

(1)这种发射步进频线性调频信号的多发多收滑动聚束合成孔径雷达所获得的距离向测绘带宽是传统的单发单收滑动聚束合成孔径雷达的N倍，获得的方位分辨率和距离分辨率是传统单发单收滑动聚束合成孔径雷达的1／N；

(2)不同载频的线性调频信号的频率步进等于子带带宽，从而避免子带串扰，同时使子带合成信号频谱连续；

(3)在方位预处理时，本发明公布的这种依赖于距离频率的解斜函数使得解斜后的多普勒带宽最小，故所需的系统脉冲重复频率(PRF)最小，可获得最宽的距离向测绘带宽。

附图说明

图1为本发明高分辨率宽测绘带星载合成孔径雷达体制实现方法构思图；

图2a为本发明新体制高分辨率宽测绘带星载合成孔径雷达的几何模型；

图2b为本发明新体制高分辨率宽测绘带星载合成孔径雷达的收发时序图；

图3为本发明新体制高分辨率宽测绘带星载SAR体制的实现框图；

图4为实施例中设计的成像场景；

图5为实施例中子孔径1接收到的子带1的回波实部；

图6为实施例中子孔径1接收到的子带1的多普勒频谱；

图7为实施例中子带1在方位预处理后的多普勒频谱；

图8a为实施例中子带1在方位预处理后的二维频谱；

图8b为实施例中子带合成后的二维频谱；

图9a为成像后点P1对应的点目标分析结果；

图9b为成像后点P2对应的点目标分析结果；

图9c为成像后点P3对应的点目标分析结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

首先给出这种新体制高分辨率宽测绘带星载SAR体制的实现方法，实现方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：在星载合成孔径雷达的方位向采用多发多收、N个子孔径发射N个不同载频的线性调频信号的滑动聚束模式，使得多个子孔径接收到的子带回波被分离，对分离出的子带回波进行方位向预处理，消除波束扫描和天线多通道结构造成的频谱混叠。

步骤S2：对方位预处理后的信号进行距离向子带合成，获得带宽为单个线性调频信号带宽N倍的子带合成信号，得到距离向的高分辨率。

步骤S3：对子带合成信号利用距离徙动算法完成残余聚焦，获得最终的高分辨率雷达图像。

图2a为本发明中高分辨率宽测绘带的星载合成孔径雷达的几何模型，整个天线被分为N个子孔径，在发射时，子孔径m发射子带m；接收时，每个孔径同时接收N个子带回波，得到的等效相位中心位置如图2a中圆圈所示，其中①表示子带1的等效相位中心，②表示子带2的等效相位中心，表示子带N的等效相位中心。另外，方位向天线波束指向一个虚拟的旋转中心，天线移动的速度为v_s，天线到旋转中心的最近斜距为R_s，每个子孔径的长度为l_az，天线在整个数据获取时间T内移动的距离为X_I，成像场景的方位宽度为X_f，波束在地面的投影宽度为X，波束在地面的移动速度为v_f。这样方位向的分辨率相比于条带模式的l_az／2，变为α·l_az／2，其中α为滑动因子为：

$\mathrm{\α}=\frac{R_s-R_0}{R_s}=\frac{v_f}{v_s}---\left(1\right)$

其中R₀为目标到天线中心的最近斜距。接收时，在一个脉冲重复间隔(PRI)内，每个天线子孔径将同时接收N个子带回波，如图2b所示本发明新体制高分辨率宽测绘带星载合成孔径雷达的收发时序图。

步骤S1中，方位向预处理包括以下步骤：

S11：对分离出的子带回波进行距离向快速傅里叶变换(FFT)，获得距离频域、方位时域的回波数据。

S12：对距离频域、方位时域的回波数据进行方位向解斜，获得解斜后的雷达数据。子孔径m接收的子带n对应的方位向解斜函数h_m，n(iΔη，f_τ)为：

$h_{m,n}(\mathrm{i\Δ}{\mathrm{\η}}^{\′},f_{\mathrm{\τ}})=\exp \left\{\frac{j2\mathrm{\π}(f_m+f_{\mathrm{\τ}})v_s^2{(\mathrm{i\Δ}{\mathrm{\η}}^{\′}-\frac{{\mathrm{\Δx}}_{m,n}}{v_s})}^2}{{\mathrm{cR}}_s}\right\}---\left(2\right)$

其中，i＝-I／2，-I／2+1，...，I／2-1，I为输入的单子带单孔径回波的方位向像素个数，Δη′为原始信号的采样间隔，j为虚数单位，π为圆周率，f_m为子带m的载频，f_τ为距离向频率，c为光速，为等效相位中心位置到天线中心的距离。

S13：对解斜后的雷达数据在方位向进行快速傅里叶变换，获得二维频域的雷达数据。

S14：对二维频域的雷达数据进行方位向多通道重建，获得多通道重建后的雷达数据。子带m对应的重建滤波器矩阵的表达式为：

其中，PRF为系统脉冲重复频率，方位频率f∈[-PRF,0]，特征滤波器H_m，n(f)(n=1，2，...，N)为

H_m，n(f)=exp{-j2πfΔx_m，n／v_s}(4)

多通道重建后的方位信号采样间隔为Δη′／N。

S15：对多通道重建后的雷达数据在方位向乘以残余相位补偿函数，获得方位一致压缩后的雷达数据。补偿函数h_res，m(kΔη″，f_τ)的表达式为

$h_{\mathrm{res},m}(k{\mathrm{\Δ\η}}^{\′\′},f_{\mathrm{\τ}})=\exp \left\{\frac{j2\mathrm{\π}(f_m+f_{\mathrm{\τ}})v_s^2{\left(\mathrm{k\Δ}{\mathrm{\η}}^{\′\′}\right)}^2}{{\mathrm{cR}}_s}\right\},k=-J/2,...,J/2-1---\left(5\right)$

其中，Δη"为输出信号的采样间隔，J为输出信号的采样数目。

S16：对一致压缩后的雷达数据在方位向进行变标傅里叶变换(SCFT)，将方位一致压缩后的方位输出采样间隔Δη"调整为一个固定间隔Δη″_c，获得方位输出采样间隔不随距离频率变换的方位预处理雷达数据。方位一致压缩后的方位输出采样间隔Δη"为：

${\mathrm{\Δ\η}}^{\′\′}=\frac{{\mathrm{cR}}_s\·N}{(f_m+f_{\mathrm{\τ}})2v_s^2\·{\mathrm{\Δ\η}}^{\′}\·J}---\left(6\right)$

变标傅里叶变换(SCFT)后对应的方位输出采样间隔为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\η}}_c^{\′\′}=\frac{{\mathrm{cR}}_s\·N}{f_{c}2v_s^2\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\η}}^{\′}\·J}---\left(7\right)$

步骤S2中，对方位向预处理后的信号进行距离向子带合成的步骤包括：

S21：对方位预处理后的子带信号进行距离向匹配滤波，得到一组距离压缩后的子带信号。匹配滤波器H_r(f_τ)为：

$H_r\left(f_{\mathrm{\τ}}\right)=\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{f_{\mathrm{\τ}}}^2}{k_r}\right\}---\left(8\right)$

其中f_τ为距离频率，k_r为发射的子带脉冲的调频率。

S22：对距离压缩后的一组子带信号在距离频域补零，得到升采样后的一组子带信号。

S23：对升采样后的一组子带信号在距离向逆傅里叶变换(IFFT)，获得一组距离向时域的子带信号。

S24：对一组距离向时域的子带信号进行频移及拼接，获得子带合成后的宽带信号。频移函数h_s，m(τ)为：

h_s，m(τ)=exp{j2πΔf_mτ}(9)

其中τ为距离时间，子带m的频移量Δf_m为：

${\mathrm{\Δf}}_m=(m-\frac{1+N}{2})\mathrm{\Δf},m=1,...,N---\left(10\right)$

其中Δf为频率步进。

步骤S3中，对子带合成信号利用RMA算法完成残余聚焦的步骤为：

S31：将子带合成后的宽带信号变换到二维频域。

S32：在二维频域乘以RMA算法中的参考函数，获得粗聚焦的雷达信号。参考函数H_RFM(f_τ，f_η)的表达式为：

$H_{\mathrm{RFM}}(f_{\mathrm{\τ}},f_{\mathrm{\η}})=\exp \left(j\frac{4\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{ref}}(f_c+f_{\mathrm{\τ}})}{c}\sqrt{1-\frac{c^2{f_{\mathrm{\η}}}^2}{4v_s^2{(f_c+f_{\mathrm{\τ}})}^2}}\right)\·\exp \left\{\frac{\mathrm{j\π}{R}_s{f}_{\mathrm{\η}}^{2}c}{{2v}_s^2(f_c+f_{\mathrm{\τ}})}\right\}---\left(11\right)$

其中，f_η为方位预处理后的方位频率，R_ref为成像场景中心到天线的最近斜距，第二个指数项用于补偿方位预处理中引入的附加相位，条带模式下的参考函数无该项。

S33：对乘参考函数后的雷达信号进行斯托尔特(Stolt)映射，得到最终的雷达图像。

以上新体制高分辨率宽测绘带星载SAR体制的整个实现框图如图3所示。

下面结合实施例对本发明再作进一步详细的描述。

表1为该实例对应的系统参数。发射的两子带信号带宽为600MHz，AD采样器的采样率只需要大于600MHZ即可。如果只发射一个子带，要得到相同的分辨率，发射带宽需要1200MHz，同时AD采样率也要大于1200MHz。滑动因子为0.1，相比于条带模式，其方位分辨率提高了10倍。如果采用固定调频率的解斜函数，解斜后的多普勒带宽为5642Hz；采用如(5)所述的随子带和距离频率变化的解斜函数，解斜后的多普勒带宽为2600Hz，大大地降低了系统的脉冲重复频率。工程上通常将品质因数(定义为测绘带宽除以分辨率)大于10的合成孔径雷达系统定义为高分辨率宽测绘带系统。以表1的系统参数为例，实现的方位向测绘带宽为11km，距离向测绘带宽为90km，分辨率为：0.260m×0.117m(方位分辨率×斜距分辨率)。可见实施例中的合成孔径雷达系统对应的品质因数约为32，该系统是一个高分辨率宽测绘带合成孔径雷达系统。

表1系统参数

图4为3个点目标在成像场景内的分布示意图。

图5为子孔径1接收到的子带1的回波信号实部。

图6为子孔径1接收到的子带1的回波信号在距离-多普勒域(RD)的频谱幅度。由于天线扫描和多通道的应用，系统PRF远小于其总的多普勒带宽，方位频谱严重混叠。

图7为方位预处理后的子带1信号在RD域的幅度。可以看到预处理后的信号频谱无混叠，等效的脉冲重复频率提高为60KHz。

图8a和图8b为方位预处理后的信号二维频谱。其中图9a为子带1的二维频谱，图8b为子带合成后的二维频谱。可以看出子带合成后的距离向带宽是单子带的2倍。

图9a、图9b和图9c为最终的成像结果，点目标性能分析结果如表2所示。可以看出场景中的3个点目标都得到了很好的聚焦。

表2

点目标性能分析

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种高分辨率、宽测绘带的星载合成孔径雷达体制实现方法，其特征在于，包括：

步骤S1：在星载合成孔径雷达的方位向采用多发多收、N个子孔径发射N个不同载频的线性调频信号的滑动聚束模式，使得多个子孔径接收到的子带回波被分离，对分离出的子带回波进行方位向预处理，消除波束扫描和多通道结构造成的频谱混叠；

步骤S2：对方位预处理后的信号进行距离向子带合成，获得带宽为单个线性调频信号带宽N倍的子带合成信号，得到距离向的高分辨率；

步骤S3：对子带合成信号利用距离徙动算法完成残余聚焦，获得最终的高分辨率雷达图像；其中，所述距离徙动算法(RMA)实现步骤为：

S31：将子带合成后的宽带信号变换到二维频域；

S32：在二维频域乘以RMA算法中的参考函数，获得粗聚焦的雷达信号；

S33：对乘参考函数后的雷达信号进行斯托尔特(STOLT)映射，得到最终的雷达图像；

所述RMA算法中的参考函数H_RFM(f_τ，f_η)的表达式为：

$H_{RFM}(f_{\mathrm{\τ}},f_{\mathrm{\η}})=\exp \left(j\frac{4{\mathrm{\πR}}_{ref}(f_c+f_{\mathrm{\τ}})}{c}\sqrt{1-\frac{c^2{f_{\mathrm{\η}}}^2}{4v_s^2{(f_c+f_{\mathrm{\τ}})}^2}}\right)\·\exp \left\{\frac{{\mathrm{j\πR}}_s{f}_{\mathrm{\η}}^{2}c}{2v_s^2(f_c+f_{\mathrm{\τ}})}\right\}$

其中，f_τ为距离频率，f_η为方位预处理后的方位向频率，R_ref为参考斜距，f_c为中心载频，c为光速，v_s为平台运动速度，j为虚数单位，π为圆周率，R_s为平台到方位向波束旋转中心的最近斜距，第二个指数项用于补偿方位预处理中引入的附加相位。

2.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达体制实现方法，其特征在于，所述不同载频的线性调频信号的频率步进等于子带带宽，使得多个子孔径接收到的子带回波被分离。

3.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达体制实现方法，其特征在于，方位向预处理步骤如下：

S11：对分离出的子带回波进行距离向快速傅里叶变换，获得距离频域、方位时域的回波数据；

S12：对距离频域、方位时域的回波数据进行方位向解斜，获得解斜后的雷达数据；

S13：对解斜后的雷达数据在方位向进行快速傅里叶变换，获得二维频域的雷达数据；

S14：对二维频域的雷达数据进行方位向多通道重建，获得多通道重建后的雷达数据；

S15：对多通道重建后的雷达数据在方位向乘以残余相位补偿函数，获得方位一致压缩后的雷达数据；

S16：对一致压缩后的雷达数据在方位向进行变标傅里叶变换(SCFT)，将方位一致压缩后的方位输出采样间隔Δη″调整为一个固定间隔Δη″_c，获得方位输出采样间隔不随距离频率变换的方位预处理雷达数据。

4.根据权利要求3所述的星载合成孔径雷达体制实现方法，其特征在于，子孔径m接收的子带n对应的方位向解斜函数h_m，n(iΔη′，f_τ)表示为：

$h_{m,n}({\mathrm{i\Δ\η}}^{\′},f_{\mathrm{\τ}})=\exp \left\{\frac{j2\mathrm{\π}(f_m+f_{\mathrm{\τ}})v_s^2{({\mathrm{i\Δ\η}}^{\′}-\frac{{\mathrm{\Δx}}_{m,n}}{v_s})}^2}{{\mathrm{cR}}_s}\right\}$

其中，i＝-I/2，-I/2+1，...，I/2-1，I为输入的单子带单孔径回波的方位向样本个数，Δη′为原始信号的采样间隔，j为虚数单位，π为圆周率，f_m为子带m的载频，f_τ为距离向频率，v_s为平台运动速度，c为光速，R_s为平台到方位向波束旋转中心的最近斜距，Δx_m，n为等效相位中心位置到天线中心的距离。

5.根据权利要求3所述的星载合成孔径雷达体制实现方法，其特征在于，所述方位一致压缩后的方位输出采样间隔Δη″表示为：

${\mathrm{\Δ\η}}^{\′\′}=\frac{{\mathrm{cR}}_s\·N}{(f_m+f_{\mathrm{\τ}})2v_s^2\·{\mathrm{\Δ\η}}^{\′}\·J}$

其中c为光速，R_s为平台到方位向波束旋转中心的最近斜距，N为发射的线性调频信号个数，f_m为子带m的载频，f_τ为距离向频率，v_s为平台运动速度，Δη′为原始信号的采样间隔，J为方位输出样本数目；

变标傅里叶变换(SCFT)后对应的方位输出采样间隔为：

${\mathrm{\Δ\η}}_c^{\′\′}=\frac{{\mathrm{cR}}_s\·N}{f_{c}2v_s^2\·{\mathrm{\Δ\η}}^{\′}\·J}$

其中f_c为中心载频。

6.根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达体制实现方法，其特征在于，所述距离向子带合成的步骤如下：

S21：对方位预处理后的子带信号进行距离向匹配滤波，得到一组距离压缩后的子带信号；

S22：对距离压缩后的一组子带信号在距离频域补零，得到升采样后的一组子带信号；

S23：对升采样后的一组子带信号在距离向逆傅里叶变换，获得一组距离向时域的子带信号；

S24：对一组距离向时域的子带信号进行频移及拼接，获得子带合成后的宽带信号。