CN101310193A - 合成孔径雷达 - Google Patents

Abstract

一种在低PRF模式下操作合成孔径雷达的方法，所述方法包括产生雷达脉冲流；在所述流上施加脉冲重复频率(PRF)的预定调制；将所述流导向目标区域，以及处理接收的脉冲，所述处理包括将所述接收的脉冲分离为一系列的集合，并且叠加所述集合中的接收的雷达脉冲，以此增强接收到的主瓣，并且衰减旁瓣。

Description

合成孔径雷达

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(SAR)。

背景技术

一种对SAR的通常要求是探测在一个普遍缺少特征的区域中相对较小的目标，例如，海洋上的一艘舰船。在这种情形下，雷达足印期望在与“沿雷达平台航迹”方向成直角的“穿越航迹”方向上具有宽的地带，以便扫描尽可能大的区域。如将在下文中说明的，以及如图1所示的，宽的地带要求低的脉冲重复频率(PRF)。使SAR工作在低PRF中可能在“沿雷达平台航迹”方向引入模糊。它们是在相邻波瓣中引起的“幻”像，并且类似于当单色光投射到粗糙的衍射光栅时产生的光栅波瓣。

当工作在SAR模式时，通常要求雷达以高的速率，即在沿着雷达跟踪的轨迹(孔径将被合成的位置)采样时，以足够高的速率发射脉冲(见图1)，即，从而采样间隔大于一个波长时不可避免的光栅波瓣被沿航迹方向的图形充分地衰减，其中该图形与雷达发射和接收的真实孔径传播脉冲相关。这个准则是对于雷达工作必须所处的PRF的基本条件。PRF是真实孔径长度(当该长度减小时，真实波束会变宽并且可能包含更多光栅波瓣，以至于不得不提高PRF来引入更多样本并且提高这些光栅波瓣之间的角间隔)和平台移动的速度(低轨道地球卫星以7500m/s左右的速度运动)的函数。采样间隔的一个好的工作值是应当稍微小于真实孔径长度的一半。

高PRF的一个后果在于，对来自穿越航迹方向的模糊回应敏感。从雷达到目标距离的所有测量都以脉冲之间的间隔为模来实现。所以，为了在测量离雷达距离时有非模糊的性能，脉冲之间的间隔应该大于被雷达波束穿越航迹方向的宽度辐照的地面/表面的距离。这意味着采用低PRF。但是，低的PFR又会在沿航迹方向引入模糊(ambiguities)。

US-A-5,749,069提出采用一种提供可辨别子脉冲的发射机格式，例如频分或码分格式来消除模糊方面的考虑。但是，这是一个复杂的解决方案，要求增加信号处理开销，并且有可能在图像中引入盲区，这与高PRF脉冲传输引起接收链中的饱和(或通过消隐避免)有关。

发明内容

本发明的目的是提供一种合成孔径雷达，它可以工作在低的PRF下，但是具有对于沿航迹范围模糊的减少的灵敏度。

本发明的构思在于，在从给定位置获取回波期间偏移或改变PRF。例如，对于与其它PRF不同的给定PRF的每一个脉冲集合，特定的波瓣间距产生于冲击响应函数(IRF)内。只有主瓣从一个集合到另一个集合都是符合的。所以叠加不同集合的接收脉冲显示的处理结果是增强的主瓣和衰减的旁瓣。

本发明的第一方面提供了一种在低PRF模式下操作合成孔径雷达的方法，包括产生雷达脉冲流，在所述流上施加脉冲重复频率(PRF)的预定调制，将所述流导向目标区域，并且处理接收的脉冲，包括将所述接收的脉冲分离为一系列的集合，并且叠加所述集合中的接收的雷达脉冲，以此增强接收的主瓣并且衰减旁瓣。在上下文中，一个集合将包括一个或多个脉冲。

在第二个方面，本发明提供了一种工作在低PRF模式下的合成孔径雷达，包括产生雷达脉冲流的装置，在所述雷达脉冲流上施加脉冲重复频率(PRF)的调制的装置，将所述流导向目标区域的装置，处理接收的脉冲的装置，包括将所述接收的雷达脉冲分为一系列的集合的装置，以及叠加所述多个集合中的接收的雷达脉冲，以此增强接收的主瓣并且衰减旁瓣的装置。

出于说明的目的，“低PRF”被用来指这样的一个脉冲重复频率，即它足够低以致在沿航迹的目标分辨率上引入明显的模糊。

施加在PRF上的调制可以是任何方便的类型。例如，它可以被以如下方式实现：(1)在不同PRF下的多个脉冲集合，(2)重复频率根据在相对较小的频率偏移范围内的连续频率调制进行调整的脉冲，(3)时间分离按照伪随机模式变化的脉冲。将接收到的雷达脉冲分离为一个系列的集合可以以任何方便的方式执行。若发射脉冲包括多个脉冲的集合，每个集合都具有不同的PRF，则所述接收的脉冲将自然地被分离成相同的集合。若PRF被一个伪随机序列调制，则每个集合可以包含该序列的一个重复。若脉冲被频率调制，则每个集合可以包含该频率调制带的一个扫频。

所述脉冲流被导向的目标区域可能是单个宽地带，如在SAR模式中所称之STRIPMAP，如图12所示，其中雷达波束的足印被局域化地保持在仅仅一个地带上，即地带的近边缘是用雷达波束足印的近边缘来定义，而地带远边缘是用雷达波束足印的远边缘来定义。然而，目标区域可能宽度较小，例如在称为SCANSAR的雷达模式下(图12)，其中雷达波束的足印花费一段时间来辐照相邻的子地带并且接收来自相邻的子地带的回波(如在RADASAT-1卫星上以及在ENVISAT卫星的ASAR中所使用的)。

另外，一个子模式可以被应用，在回波的接收期间，它连续地复位接收波束的瞄准线，使得瞄准线总是指向地带的那个(小)部分，回波从该部分被瞬时地接收。当雷达波束被配置来辐照宽地带时，这个子模式被用来增加灵敏度，但它并不是本发明基本原理的本质。

附图说明

现在结合附图来说明本发明的优选实施例，附图中：

图1是说明低PRF SAR的构思的示意图；

图2是本发明的优选实施例的示意框图；

图3是工作在低PRF时典型方位IRF的轮廓图；

图4是按照本发明工作时方位IRF的轮廓图；

图5A显示方位IRF，图5B显示合成杂乱回波的不同程度；

图6A和图6B显示来自本发明PRF＝7000Hz的示例的结果；

图7A和图7B显示来自PRF＝4000Hz的示例的结果；

图8A和图8B显示来自PRF＝2000Hz的示例的结果；

图9A和图9B显示来自PRF＝1000Hz的示例的结果；

图10A和图10B显示来自PRF＝500Hz的示例的结果；

图11A和图11B显示来自PRF＝200Hz的示例的结果；

图12是SAR模式下不同工作模式的示意图；

图13A和图13B显示当雷达按照现有技术工作在固定的低PRF模式时的IRF；

图14A和图14B显示当雷达在发射-接收事件的脉冲间周期工作时的IRF，其中所述脉冲间周期通过加上正的或负的伪随机增量周期而被改变。

具体实施方式

考虑到其对于高度模糊的方位冲击响应函数的承受能力，低PRF模式情形在SAR工作的上下文中并不常见。这将导致在包含分辨率单元的目标中引入高度的杂乱回波信号。

当工作在该模式下时，方位冲击响应函数的形式与方便起见而称为“常规的”SAR工作中的形式明显的不同。这里，在给定的观测序列期间，雷达工作在与常态SAR模式相关的通常的高PRF模式，并且方位冲击响应函数是被幅度很小的旁瓣环绕的单个主瓣预先占据。当工作在这些“常规”模式时，光栅波瓣依然存在，但幅度很小。

低PRF模式下的方位IRF

当工作在低PRF模式时的典型方位IRF的轮廓如图3所示。在这个光栅波瓣阵列中，主瓣被期望用作包含波瓣的目标。如果这样一种模式被用来对常规场景成像，例如经常由SAR系统收集的陆地图像，则该图像将会呈现为所述场景的图像的阵列，每个像与其他像依次有一个距离，该距离与IRF中的波瓣间距相关。总的结果将会是高度模糊的几乎无用的图像。

然而，如果低PRF模式被用来对海洋场景成像，该场景的主要特征是散布着稀疏随机分布的舰船目标的海洋，则这两个特征可以被用作有利条件。目标对着其成像的背景场景相对均匀，尤其是处于较大的入射角(远离最低点)时，表面反射率较小使得杂乱回波的贡献较小。

在这种情况下，如同陆地情形，IRF中的光栅波瓣导致各个背景单元内的海面反射的重叠。海面的细节将依然高度模糊，以致对特征的观测，如反射率值和海面本身反射率值很接近的舰船航迹，将很难(甚至不可能)被探测。

在小的海面反射率的背景下，仅有海面的分辨率单元产生的信号电平可能依然很小。舰船目标可能大得多并且会在暗的海面背景上突出成为显眼的特征。然而，如同在陆地情形一样，方位IRF的波瓣会引起舰船目标重复图像的出现，以致产生的图像会呈现为显示在方位方向上的舰船的阵列。这些重复图像的亮度将依从IRF中光栅波瓣的轮廓，以致于在中央区域会难于精确定位真正的目标。

不同PRF分组的影响

当采用固定的PRF进行观测时，IRF中相邻的光栅波瓣之间的间隔被明确地限定，并且特别地，如果存在很多波瓣，则这些波瓣的峰值的包络严格依从于方位波束的形状。这造成靠近波束中央部分的波瓣具有非常相近的幅度，如图3所示，这使得目标的特定位置的区分比较困难。

但是，如果在从给定位置获取回波期间PRF被偏移，例如成为一组突发脉冲，每个突发都具有稍微不同的PRF，则沿着合成孔径的采样间隔会改变。对于在给定PRF下的每组脉冲，在IRF中产生特定的波瓣间隔，但是起作用的不同PRF产生多个间隔不同的波瓣组，从一组到另一组只有主瓣是符合的。这导致相对于其它旁瓣，主瓣被加强了。这有助于精确的目标定位。

参照图2，其示出了至少就接收机部分而言的本发明的优选实施例。雷达脉冲流被发射并且导向所选目标区域。所述流被分成相继的多个集合，每个集合具有稍微不同的PRF。所述流在接收机10被接收，并且回波数据集被存储在12。所述流在14被分类成为各个具有不同PRF的集合，并且每个集合被分别存储在存储器16-1...16-nn。各个处理器18-1...18-nn根据各个PRF集合，产生辐照目标区域的子像。处理器20相干地叠加这些子像，以便在22提供合成的图像。

在每组脉冲的数量被减少到仅为一个的备选实施例中，脉冲间周期采用标称值的形式，伪随机增量时间周期被叠加在所述标称值上。在所述情况下，多重-PRF处理串中只有一个会被实现。

IRF波瓣对杂乱回波IRF的影响

在从低PRF模式收集到的回波数据产生的图像中，与给定分辨率单元相关的信号是IRF与场景反射率的卷积。所以在海洋情形下，在主瓣位于目标处，IRF的其余部分位于海面区域，并且对于最终与包含目标的主瓣相关的信号，许多海面响应的波瓣都有贡献。这些附加成分的影响是双重的，包含目标的中央单元被不需要的回应所污染，更重要的是，背景单元(那些与目标区不重合的地方)包含着程度提高的杂乱回波。这具有增强平均背景信号电平的效果，以致于错误目标的出现变得更为常见。

中央单元和综合背景的比率定量描述了背景单元的背景信号电平的增加，所述增加是与工作在常规SAR模式(常态，高PRF)下的期望值相比较而言。这在图5中示出，其中可以看到来自一系列PRF中低PRF的IRF的综合响应，随着雷达仪器逐步从低反射率区域(海洋)移到高反射率区域(陆地)，所述一系列PRF逐步从最高的PRF变到最低的PRF。

为了达到足够的灵敏度来探测如上目标，系统将对以下因素敏感：

a.热/仪器噪声。

b.杂乱回波。

杂乱回波是这种情形下的关键问题。雷达采用相干处理方式工作以便增强和局域化目标回应。然而，不利的是，方位冲击相应函数(IRF)是影响常规SAR图像的一项。它高度模糊并且包含很多光栅波瓣。

沿着轨迹的采样间隔a由PRF设定

$a=\frac{v_{\mathrm{satellite}}}{\mathrm{PRF}}$

所以可见，在一个特定的海拔高度，其V_sat为7597m/s时，采样间隔是31.7m。采用该初始实例中描述的天线(长4m，高1.2m)，我们期望工作采样间隔稍小于2m，以使我们免受方位光栅波瓣的干扰。

示例

模拟的输入条件

地面采样间隔：                1.0m

雷达离目标的范围：            1800km

波长：                        0.0311m

IRF空间范围：                 离中心±30km

PRF的步数：                   4

每一步PRF的增量：             1％

目标方位空间分辨率：          40m

从6到11的每幅图显示不同PRF下实现的IRF的形式，从图6中的高PRF下开始，该处模糊程度非常小，并且通过各个较小的PRF直到最低的PRF(图11中所示)。每幅图显示IRF的总的形状(在图中标明为图nnA)，显示主要波瓣的数量逐渐增加，而另外的部分(标明为图nnB)表明定义空间分辨率的主瓣的形状并不随PRF的变化而变化。最后，每一个IRF数据的总的形状包括两个轮廓。它们在黑白图中不容易看到，但是在图中被附加的作图部分强调出来，在所述图中虚线被画出以表示在外部的、固定PRF的包络，而实线表示在内部的、与步进的PRF操作相关的衰减更快的IRF。

图6

PRF＝7000Hz

高PRF      低PRF       子PRF的数量

6603.77    7000.00     4

图7

PRF＝4000Hz

高PRF      低PRF       子PRF的数量

3773.58    4000.00     4

图8

PRF＝2000Hz

高PRF      低PRF       子PRF的数量

1886.79    2000.00     4

图9

PRF＝1000Hz

高PRF      低PRF       子PRF的数量

943.40     1000.00     4

图10

PRF＝500Hz

高PRF      低PRF      子PRF的数量

471.70     500.00     4

图11

PRF＝200Hz

高PRF       低PRF      子PRF的数量

188.68      200.00     4

当雷达工作在固定的、低PRF，从回应中产生的IRF呈梳状强波瓣的形式，其中波瓣间间隔与PRF成反比。这种条件下的结果显示在图13中。

但是，如果通过在发射-接收事件的规则脉冲间周期上加上正或负的伪随机增量周期，该发射-接收事件的规则脉冲间周期被改变，并且回波数据被当作在固定PRF获取的数据进行处理，接着产生的IRF将被表征为以瓣间区域强度增强，但是主要波瓣的幅度迅速衰减。这样的模式显示在图14中。

从采用伪随机间隔的脉冲获得的好处在于，首先，使用该方法定位的目标能够被以比固定PRF情形明显更大的精确度定位，因为有更少的主要波瓣，其次，信号处理负担被减轻。

Claims (12)

1、一种在低PRF模式下操作合成孔径雷达的方法，所述方法包括：

产生雷达脉冲流；

在所述流上施加脉冲重复频率(PRF)的预定调制；

将所述流导向目标区域，以及

处理接收的脉冲，所述处理包括将所述接收的脉冲分离为一系列的集合，并且叠加所述集合中的接收的雷达脉冲，以此增强接收到的主瓣，并且衰减旁瓣。

2、根据权利要求1所述的方法，其中所述调制包括提供所述流作为多个集合的雷达脉冲，每个集合都具有与其它集合不同的PRF。

3、根据权利要求1所述的方法，其中所述调制包括对所述流的PRF进行连续频率调制。

4、根据权利要求1所述的方法，其中所述调制包括在所述流的PRF上施加伪随机序列。

5、根据前面任何一个权利要求所述的方法，其中所述目标区域包括宽地带。

6、根据权利要求1到4中的任何一个所述的方法，其中所述目标区域包括子地带。

7、一种工作在低PRF模式下的合成孔径雷达，包括：

产生雷达脉冲流的装置；

在所述雷达脉冲流上施加脉冲重复频率(PRF)的调制的装置；

将所述流导向目标区域的装置；以及

处理接收的脉冲的装置，其包括将接收的雷达脉冲分离为一系列的集合的装置，以及叠加所述集合中的接收的雷达脉冲，以此增强接收的主瓣并且衰减旁瓣的装置。

8、根据权利要求7所述的雷达，其中所述调制装置包括提供所述流作为多个集合的雷达脉冲的装置，所述每个集合都具有与其它集合不同的PRF。

9、根据权利要求7所述的雷达，其中所述调制装置包括对所述流的PRF进行连续频率调制的装置。

10、根据权利要求7所述的雷达，其中所述调制装置包括在所述流的PRF上施加伪随机序列的装置。

11、根据权利要求7到10中的任何一个所述的雷达，其中所述雷达工作在STRIPMAP模式，并且所述目标区域包括宽地带。

12、根据权利要求7到10中的任何一个所述的雷达，其中所述雷达工作在SCANSAR模式，并且所述目标区域包括子地带。

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