CN101059563B - 合成孔径雷达脉间移相方法 - Google Patents

Abstract

一种合成孔径雷达脉间移相方法，涉及合成孔径雷达(SAR)系统技术领域，其对机载脉冲发生器发射的不同脉冲信号的初始相位进行移相，来展宽合成孔径雷达在随平台运动过程中自然形成的多普勒回波信号的带宽，从而提高方位向分辨率，获得方位向高分辨率的图像。本发明方法可在采用较大的尺寸天线的条件下，提高合成孔径雷达方位向分辨率，并突破了条带合成孔径雷达方位向分辨率的理论极限。

Description

合成孔径雷达脉间移相方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(SAR)系统技术领域，SAR是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波侧视成像雷达。

背景技术

合成孔径雷达是对地观测技术中最具竞争力的手段之一。SAR安装在飞机、导弹、卫星以及其他空间飞行器上，随平台运动获得雷达图像。现在被广泛应用于测绘、灾情监测、战场侦察、末制导、资源勘探、水文地质勘察等国防和国民经济中的许多领域。

自20世纪50年代发明以来，至今合成孔径雷达(SAR)已获得飞跃式的发展，其工作模式、体制也不断扩展，主要的工作模式有条带合成孔径雷达(SAR)、聚束合成孔径雷达(SAR)、扫描合成孔径雷达(SAR)、多波束合成孔径雷达(SAR)、分布式合成孔径雷达(SAR)等，分别侧重提高系统的分辨率、测绘带宽等技术指标。下面简介现有各种SAR模式的改进和不足之处。

条带合成孔径雷达(SAR)是应用最广泛的一种模式。如图1所示，是条带合成孔径雷达(SAR)的示意图，其基本原理是，成像的对象是与雷达飞行方向平行的条带，通常是地面，在数据采集期间，雷达天线的指向固定不变，天线波束扫过的区域与运动平台的运动轨迹始终保持平行。条带合成孔径雷达(SAR)适于一般需求的机载和星载合成孔径雷达(SAR)对地观测。在某些军事应用中，对合成孔径雷达(SAR)的空间分辨率提出了很高的要求，例如0.3m，甚至0.1m。条带合成孔径雷达(SAR)方位向的理论极限分辨率约为天线方位向尺寸的一半。如果按照这个标准去选取过小的天线尺寸，则有两个难以克服的难题：一是很难提高发射功率到有较远的作用距离；二是难以满足模糊性限制条件，雷达图像质量降低。

聚束合成孔径雷达(SAR)突破条带合成孔径雷达(SAR)方位分辨率的理论限制，即可采用较大的天线尺寸，是实现高分辨率成像的常用模式。如图2所示，是聚束合成孔径雷达(SAR)的示意图，其基本原理是，在合成孔径时间内控制雷达天线波束的指向，使它一直照射地面的同一区域，较长时间照射所关注的成像地区，从而增加了孔径时间，得到比一般条带合成孔径雷达(SAR)更宽的多普勒带宽，提高了方位向的分辨率。在系统实现时，聚束合成孔径雷达(SAR)采用机械扫描、或电子扫描来实现，机械扫描会增加天线波束指向控制的复杂性，电子扫描则需要采用相对复杂的相控阵天线，此外，合成孔径雷达(SAR)以聚束模式工作时不能形成连续的地面观测带，这在许多应用中是不能令人满意的。

如图3所示，是扫描合成孔径雷达(SAR)的示意图，其主要目的和用途是实现超宽测绘带成像。特点是在雷达数据采集期间，雷达天线指向按照某种规律扫动，其大致说来，有几个子测绘带，其总测绘带宽度就增加几倍，而其方位向分辨率至少也要下降几倍。实现超宽测绘带成像的代价是方位向分辨率下降。

为提高方位分辨率，新的模式也不断出现：如多波束SAR技术采用多口面天线阵列，系统基本工作模式为：由一个子天线发射，由多个等间隔子天线同时接收，发射与接收时波束宽度相同，图4是三波束的原理示意图；再如分布式合成孔径雷达(SAR)系统突破单基模式的雷达系统，其收发装置不再是一体的，接收机和发射机空间分离，可以分开安置于多个载体上。

上述提高合成孔径雷达(SAR)方位分辨率的方法的实现是依靠增加天线控制、天线稳定平台控制、天线或运载平台的复杂性来获得的，随之带来的是系统复杂性的提高和系统实现难度增大。

发明内容

本发明方法的主要目的是提高合成孔径雷达方位向分辨率，即可采用较大的天线尺寸，去获得更高的分辨率。进而形成高质量的雷达图像，获得更具体详细的对地观测信息。

本发明方法的又一目的在于实现对现有合成孔径雷达(SAR)工作模式的突破，既不像聚束模式增加对目标的照射时间，也不像多波束模式需要多个子天线，也不像分布式模式需要多个载体的配合。本发明基于对信号相位的控制，相对简单完成对方位向信号带宽的展宽。直接实现对条带合成孔径雷达分辨率极限的突破。

本发明方法的又一目的在于方位信号带宽扩展的灵活性。在方位采样带宽限制条件内，选择合适的k(如1、2、3)，就可以避免天线方位向尺寸对方位分辨率的理论约束，成倍地提高合成孔径雷达(SAR)方位向的理论分辨率。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种合成孔径雷达脉间移相方法，其对机载脉冲发生器发射的不同脉冲信号的初始相位进行移相，来展宽合成孔径雷达在随平台运动过程中自然形成的多普勒回波信号的带宽，从而提高方位向分辨率，制作出方位向高分辨率的图像。

所述的脉间移相方法，其所述得到方位向高分辨率的图像，是用条带合成孔径雷达模式，如，成像处理采用RD成像算法，其步骤包括：

步骤一：对机载脉冲发生器发射的不同脉冲信号的初始相位进行移相，成像的对象是与雷达飞行方向平行的地面条带，在数据采集期间，雷达天线的指向固定不变，天线波束扫过的区域与运动平台的运动轨迹始终保持平行；

步骤二：对接收机接收地物反射的原始数据进行存储或实时成像处理，接收到的每个脉冲的初始相位，通过发射接收同步控制的方法来标定；

步骤三：对接收的原始数据进行距离向快速傅立叶变换；

步骤四：进行距离向匹配压缩；

步骤五：在距离向进行逆傅立叶变换；

步骤六：对数据转置存储；

步骤七：在方位向进行傅立叶变换；

步骤八：在距离多普勒域上插值完成距离徙动校正；

步骤九：在方位向聚焦；

步骤十：在方位向进行逆傅立叶变换得到方位向高分辨率的图像。

所述的脉间移相方法，其所述步骤一中，对机载脉冲发生器发射的不同脉冲信号的初始相位进行移相，是在方位采样带宽限制条件内，选择合适的k，以避免天线方位向尺寸对方位分辨率的约束，提高合成孔径雷达方位向的理论分辨率；由定位系统测得载体匀速飞行雷达的位置x和中心斜距R，选取方位向成像中心位置x₀，在载机匀速运动时控制天线每次发射信号延迟相位为

其中C是光速度。

所述的脉间移相方法，其所述k，为自然数整数，其选择方法是在方位采样带宽限制条件内，即 $\frac{{2L}_s{v}_a}{\mathrm{\&lambda;R}}(1+k)<\mathrm{PRF}$ (方位采样带宽)内选择k。

所述的脉间移相方法，其所述步骤八、步骤九中，在对回波信号成像，进行距离迁徙校正和方位聚焦时，选择与多普勒带宽 ${\mathrm{\&Delta;f}}_d=\frac{{2L}_s{v}_a}{\mathrm{\&lambda;R}}(1+k)$ 匹配的参数处理，即可得到方位向高分辨率的图像。

所述的脉间移相方法，其所述选择与多普勒带宽 ${\mathrm{\&Delta;f}}_d=\frac{{2L}_s{v}_a}{\mathrm{\&lambda;R}}(1+k)$ 匹配的参数，其选择方法是选择回波信号的近似匹配滤波器的调频斜率为

所述的脉间移相方法，其在信号处理时，能选用不同的成像算法以满足不同情况下的应用需求。

本发明方法提高了合成孔径雷达方位向分辨率，可采用较大的天线尺寸，并突破了条带合成孔径雷达分辨率的极限。

附图说明

图1是现有技术条带合成孔径雷达(SAR)的示意图；

图2是现有技术聚束合成孔径雷达(SAR)的示意图；

图3是现有技术扫描合成孔径雷达(SAR)的示意图；

图4是现有技术三波束的原理示意图；

图5是本发明合成孔径雷达脉间移相方法中，天线和目标的正侧视几何关系示意图。

具体实施方式

本发明提出一种新的合成孔径雷达方法——合成孔径雷达脉间移相方法。合成孔径雷达脉间移相方法利用脉间移相展宽合成孔径雷达(SAR)方位向信号带宽，即在合成孔径雷达(SAR)的发射脉冲之间，按一定规律改变发射信号初始相位，来展宽合成孔径雷达在随平台运动过程中自然形成的多普勒回波信号的带宽，从而提高方位向分辨率。在系统实现时，可以采用控制信号源产生的信号的相位来实现该方法，系统实现相对简单。

下面结合合成孔径雷达(SAR)正侧视工作原理，来详细介绍合成孔径雷达脉间移相方法。

合成孔径雷达(SAR)正侧视工作时，天线和目标的几何关系如图5所示。天线位于x₀时，波束中心指向目标。设发射信号为s(t)＝Ae^jωt，其中A为信号幅度，ω为载率，t为距离向快变时间，可得到接收的回波信号为 $s_r\left(t\right)=A^{\&prime;}{e}^{\mathrm{j\&omega;}(t-t_0)},$ 其中t₀为接收与发射的时间间隔。

当雷达位于x时，目标与天线的距离为r，雷达回波方位向的慢变信号的瞬时多普勒频率f_d(x)为：

$f_d\left(x\right)=-\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{2\mathrm{\&omega;r}}{c}\right)$

$\&ap;-\frac{v_a}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{d}{\mathrm{dx}}\left\{\mathrm{\&omega;}\frac{2R}{C}\right[1+\frac{{(x-x_0)}^2}{2R^2}\left]\right\}$

$=-\frac{{2v}_a}{\mathrm{\&lambda;R}}(x-x_0)$

式中，R为目标与天线的距离，λ为发射信号波长，v_a为飞机地速。因为一般综合孔径雷达的斜距R总要比(x-x₀)大的多，所以可以用菲涅耳近似。此时，回波信号的多普勒带宽为：

${\mathrm{\&Delta;f}}_d=\frac{{2L}_s{v}_a}{\mathrm{\&lambda;R}},$ 其中，L_s为合成孔径长度。

经匹配滤波后得到的方位向理论分辨率为 ${\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{\&alpha;}}=\frac{v_a}{{\mathrm{\&Delta;f}}_d}=\frac{\mathrm{\&lambda;R}}{{2L}_s}=\frac{D}{2},$ 其中，D为天线方位向的长度。可见，对于正侧视合成孔径雷达，理论上方位向的最高分辨率为天线尺寸的一半，这种约束限制了方位分辨率的提高，因此，人们提出不同的方法来解决这一问题。

本发明提出的合成孔径雷达脉间移相工作体制，在不同的发射脉冲对发射信号的初始相位进行移相，其步骤和方法是：在方位采样带宽限制条件内，即 $\frac{{2L}_s{v}_a}{\mathrm{\&lambda;R}}(1+k)<\mathrm{PRF}$ (方位采样带宽)选择k。由定位系统测得载体匀速飞行雷达的位置x和中心斜距R，选取方位向成像中心位置x₀，在载机匀速运动时控制天线每次发射信号延迟相位为

如，令发射信号为 $s\left(t\right)=A{e}^{\mathrm{j\&omega;}[t-k\frac{1}{\mathrm{CR}}{(x-x_0)}^2]},$ 其中，

为与方位空间位置相关的移相量，C是指光速度。可得到接收的回波信号为 $s_r\left(t\right)=A^{\&prime;}{e}^{\mathrm{j\&omega;}[t-k\frac{1}{\mathrm{CR}}{(x-x_0)}^2-t_0]},$ 其中t₀为接收与发射的时间间隔。

当雷达位于x时，回波信号方位向的瞬时多普勒频率为：

$f_d\left(x\right)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{d}{\mathrm{dt}}[\mathrm{\&omega;t}-\frac{\mathrm{\&omega;k}}{\mathrm{CR}}{(x-x_0)}^2-\mathrm{\&omega;}{t}_0]$

$\&ap;-\frac{v_a}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{d}{\mathrm{dx}}\left\{\mathrm{\&omega;}\frac{2R}{C}\right[1+\frac{{(x-x_0)}^2}{2R^2}]+\mathrm{\&omega;k}\frac{{(x-x_0)}^2}{\mathrm{CR}}\}$

$=-\frac{v_a}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{d}{\mathrm{dx}}\left[\frac{2\mathrm{\&pi;}{(x-x_0)}^2}{\mathrm{\&lambda;R}}(1+k)\right]$

$=-\frac{v_a}{\mathrm{\&lambda;R}}\frac{d}{\mathrm{dx}}\left[{(x-x_0)}^2(1+k)\right]$

$=-\frac{{2v}_a}{\mathrm{\&lambda;R}}(x-x_0)(1+k)$

因为一般综合孔径雷达的斜距R总要比(x-x₀)大的多，所以可以用菲涅耳近似。此时，回波信号的多普勒带宽为 ${\mathrm{\&Delta;f}}_d=\frac{{2L}_s{v}_a}{\mathrm{\&lambda;R}}(1+k)$ 由此，可以得到经匹配滤波后得到方位向的理论分辨率为：

${\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{\&alpha;}}=\frac{v_a}{\mathrm{\&Delta;}{f}_d}=\frac{\mathrm{\&lambda;R}}{2(1+k)L_s}=\frac{D}{2(1+k)}$

在方位采样带宽限制条件内，选择合适的k(如1、2、3)，就可以避免天线方位向尺寸的对方位分辨率的理论约束，成倍地提高合成孔径雷达方位向的理论分辨率。

雷达实际工作时，分布目标产生的回波信号在成像处理时，在方位向上近似看作线性调频信号处理。在对回波信号成像，进行距离迁徙校正和方位聚焦时，选择与多普勒带宽为 ${\mathrm{\&Delta;f}}_d=\frac{{2L}_s{v}_a}{\mathrm{\&lambda;R}}(1+k)$ 匹配的参数处理，即可得到方位向高分辨率的图像。

下面以合成孔径雷达(SAR)采用脉间移项方法，结合RD成像算法为例，来详细说明本发明的实施方式。

步骤一：体现本发明的核心思想所在，在不同的发射脉冲对发射信号的初始相位进行移相。在条带合成孔径雷达发射信号时，采用控制信号源产生信号的时移

这是与方位空间位置相关的移相量。成像的对象是与雷达飞行方向平行的条带，在数据采集期间，雷达天线的指向固定不变，天线波束扫过的区域与运动平台的运动轨迹始终保持平行。

步骤二：接收机接收地物反射的原始数据进行存储或实时成像处理，接收到的每个脉冲的初始相位通过发射接收同步控制的方法来标定。

步骤三：对接收的原始数据进行距离向快速傅立叶变换(FFT)。

步骤四：进行距离向匹配压缩。

步骤五：在距离向逆傅立叶变换(IFFT)。

步骤六：对数据转置存储。

步骤七：在方位向傅立叶变换(FFT)。

步骤八：在距离多普勒域上插值完成距离徙动校正(RCMC)。

步骤九：在方位向聚焦。

步骤十：在方位向逆傅立叶变换(IFFT)得到图像。

对接收的原始数据进行信号处理时，从步骤三到十例中选用的是RD算法流程，也可以结合多种算法进行成像处理，如CS算法，波数域算法等。成像的关键是注意针对发射信号中

的控制选择，接收信号多普勒带宽将变为 ${\mathrm{\&Delta;f}}_d=\frac{{2L}_s{v}_a}{\mathrm{\&lambda;R}}(1+k),$ 对此回波进行正确成像，就可以成倍地提高方位向的分辨率。

在实际运用中，可根据需要，如分辨率和测绘带的需要，在方位采样带宽限制条件内，灵活的选取脉间移项方法信号相位扩展系数k，在信号处理时选用不同的成像算法以满足不同情况下的应用需求。

Claims (5)

1.一种合成孔径雷达脉间移相方法，其特征在于，对机载脉冲发生器发射的不同脉冲信号的初始相位进行移相，来展宽合成孔径雷达在随平台运动过程中自然形成的多普勒回波信号的带宽，从而提高方位向分辨率，获得方位向高分辨率的图像；

对机载脉冲发生器发射的不同脉冲信号的初始相位进行移相，是在方位采样带宽限制条件内，选择合适的k，以避免天线方位向尺寸对方位分辨率的约束，提高合成孔径雷达方位向的理论分辨率；由定位系统测得载体匀速飞行雷达的位置x和中心斜距R，选取方位向成像中心位置x₀，在载机匀速运动时控制天线每次发射信号延迟相位为

其中C是光速度；

所述k，其选择方法是在方位采样带宽限制条件内，即

内选择k；其中：R为目标与天线的距离；λ为发射信号波长；L_s为合成孔径长度；v_a为飞机地速；PRF为方位采样带宽。

2.如权利要求1所述的脉间移相方法，其特征在于，所述得到方位向高分辨率的图像，是用条带合成孔径雷达模式，成像处理采用RD成像算法，其步骤包括：

步骤一：对机载脉冲发生器发射的不同脉冲信号的初始相位进行移相，成像的对象是与雷达飞行方向平行的地面条带，在数据采集期间，雷达天线的指向固定不变，天线波束扫过的区域与运动平台的运动轨迹始终保持平行；

步骤二：对接收机接收地物反射的原始数据进行存储或实时成像处理，接收到的每个脉冲的初始相位，通过发射接收同步控制的方法来标定；

步骤三：对接收的原始数据进行距离向快速傅立叶变换；

步骤四：进行距离向匹配压缩；

步骤五：在距离向进行逆傅立叶变换；

步骤六：对数据转置存储；

步骤七：在方位向进行傅立叶变换；

步骤八：在距离多普勒域上插值完成距离徙动校正；

步骤九：在方位向聚焦；

步骤十：在方位向进行逆傅立叶变换得到方位向高分辨率的图像。

3.如权利要求2所述的脉间移相方法，其特征在于，所述步骤八、步骤九中，在对回波信号成像，进行距离迁徙校正和方位聚焦时，选择与多普勒带宽

匹配的参数处理，即可得到方位向高分辨率的图像。

4.如权利要求3所述的脉间移相方法，其特征在于，所述选择与多普勒带宽匹配的参数，其选择方法是选择回波信号的近似匹配滤波器的调频斜率为

5.如权利要求1或2所述的脉间移相方法，其特征在于，在信号处理时，能选用不同的成像算法以满足不同情况下的应用需求。

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