CN103235308A - 雷达正前视扫描相干成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达正前视扫描相干成像方法，具体通过高速平台搭载扫描雷达天线，在航向正前方扫描，发射毫米波或亚毫米波线性调频信号，并获取回波；然后将回波以正前视方向为分界线分成左右两部分，分别对左右两部分数据进行子块处理去多普勒质心模糊、并进行相干积累及拼接，最终实现正前视区域高分辨成像。本发明的方法能够快速有效实现正前方地域的高分辨成像，克服场景类型的约束、平台尺寸的限制，避免复杂的同步、运动补偿等问题。

Description

雷达正前视扫描相干成像方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达技术领域，涉及雷达成像，具体涉及高速平台雷达前视成像方法。

背景技术

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR），利用雷达平台相对地面目标的方位向运动引起的多普勒频率变化获得方位向高分辨图像。与光学传感器相比，其具有穿透性、全天时和全天候工作能力的独特优点，目前侧视、斜视SAR已被广泛应用在地球遥感、资源勘探、侦察、测绘、灾情预报等领域。

然而当天线波束指向正前视时，航向两侧左右对称地面目标的回波多普勒频率将存在模糊，同时由于平台速度慢及载波频率小，及波束指向前视的原因，多普勒频率变化较小，致使常规单基地SAR无法实现正前视高分辨成像。而发展雷达正前视成像能力，对于自主着陆、自主导航及前视侦察等领域具有重要的意义。

针对运动平台雷达正前视成像，特别是其中如何提高方位分辨率的问题，文献《机载雷达单脉冲前视成像算法》（《中国图象图形学》2010，15（3）：P462-469）采用单脉冲技术进行波束锐化，该技术基于单脉冲测角原理，适用于强点目标，而对于复杂地貌情况，由于存在多散射中心，将会出现严重的角闪烁现象；文献“A new Sector Imaging Radar forEnhanced Vision–SIREV”（SPIE Conference on Enhanced and Synthetic Vision,1999,pp.39-47,Florida），采用阵列天线形成孔径，实现正前视成像，但由于平台的尺寸限制了天线孔径的拓展，致使方位分辨率提高受限；文献“Bistatic Forward-looking Synthetic ApertureRadar”(International Conference on Radar Systems,2004,pp1-5)采用双基地SAR几何配置，可以形成等多普勒线与等距离线的近似正交分割，具备正前视成像的潜力，但是由于收发平台分置，不可避免的涉及复杂的同步、运动补偿问题，实际应用难度大；文献“Improvingangular resolution based on maximum a posteriori criterion for scanning radar（IEEERadarConferenc,2012,pp.451-454）通过将雷达回波方位向信号建模为卷积过程，通过解卷积的技术手段实现前视区域超分辨成像，但由于该方法对噪声、多普勒比较敏感，致使高速平台及低信噪比条件下成像效果差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，研究设计一种针对高速运动平台的雷达正前视扫描相干成像方法。本发明的解决方案是首先通过高速平台搭载扫描雷达天线，在航向正前方扫描，发射毫米波或亚毫米波线性调频信号，并获取回波；然后将回波以正前视方向为分界线分成左右两部分，分别对左右两部分数据进行子块处理去多普勒质心模糊、并进行相干积累及拼接，最终实现正前视区域高分辨成像。

本发明方法所采用的技术方案为：一种雷达正前视扫描相干成像方法，流程示意图如图1所示，具体包括如下步骤：

A．回波获取：在运动平台上安装扫描天线，使其从航向一侧扫描至航向另一侧，按一定脉冲重复频率发射毫米波或者亚毫米波段线性调频脉冲信号，并接收存储二维回波数据；

B．距离向脉冲压缩：对步骤A所获取发射信号的二维回波数据，进行距离向傅里叶变换；构造频域匹配函数，然后进行距离向脉冲压缩；

C．距离走动校正：判断距离走动量ΔR是否跨越距离单元Δr；若满足ΔR>Δr，将步骤B获得的距离压缩频域数据乘以距离走动校正函数H(f_r,t)，然后进行距离向IFFT，获得距离压缩时域方位时域数据；否则，直接进行距离向IFFT，获得距离压缩时域方位时域数据；

$\mathrm{\ΔR}=v\·\frac{{\mathrm{\θ}}_w}{\mathrm{\ω}}$

$\mathrm{\Δr}=\frac{c}{2B}$

$H(f_r,t)=\exp (j2\mathrm{\π}\·f_r\·\frac{v\·t}{c})$

其中，v为平台运动速度，θ_w为波束宽度，ω为天线扫描速度，c为光速，B为发射信号带宽，f_r为距离向频率，t为方位时间；

D．数据分割：对步骤C获得的距离走动校正数据，以正前视方向为中轴线，分成左右两部分；

E.去除多普勒模糊：对于左半部分-θ_l°～0°的数据，其中，θ_l表示天线扫描范围，θ为空间方位角，根据多普勒频率的定义

λ为载波波长，计算左半部分数据边界点质心

在-θ_l°～0°范围内根据

得-θ_l1°，其中，PRF为脉冲重复频率；然后提取-θ_l°～-θ_l1°这块数据，以这块数据中心点为参考，对该部分数据在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dl1t}，其中

在-θ_l1°～0°范围内根据

得-θ_l2°，对-θ_l1°～-θ_l2°这块数据，以这块数据的中心点为参考，在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dl2t}，其中

以此类推，直至

对-θ_lN°～0°这块数据，以这块数据的中心点为参考，在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dlNt}，其中

对于右半部分的数据（0°～θ_r°），提取θ_r1°～θ_r°这块数据，以这块数据中心点为参考，对该部分数据在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dr1t}，对θ_r2°～θ_r1°这块数据，以这块数据的中心点为参考，在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dr2t}，以此类推，对0°～θ_rN°这块数据，以这块数据的中心点为参考，在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_drNt}，所述θ_r=θ_l，θ_r1=θ_l1，θ_r2=θ_l2，…，θ_rN=θ_lN；

F．相干积累与数据拼接：对步骤E中得到的左半部分各块数据沿方位向作FFT，实现相干积累，然后根据步骤E中确定的每块数据的多普勒质心变化范围，提取每块数据去除多普勒质心后的频谱，即-θ_l°～-θ_l1°范围内数据取其频谱-θ_l1°～-θ_l2°范围内数据取其频谱

依次类推，提取出频谱后，按扫描角度顺序-θ_l°～-θ_l1°，-θ_l1°～-θ_l2°，……，-θ_lN°～0°，将所有结果进行拼接组合。对于右半部分数据θ_r1°～θ_r°，取其频谱

将其频谱反转，实现频谱变化与角度变化对应，θ_r2°～θ_r1°范围内数据取其频谱

并反转，以此类推，将所有得到的频谱按扫描角度顺序0°～θ_rN°，……，θ_r2°～θ_r1°，θ_r1°～θ_r°进行拼接组合，最后将左右两边得到结果拼接在一起，实现整个前视区域的高分辨成像。

本发明的有益效果：本发明的方法利用扫描天线获取回波数据，采用高速运动平台及发射高载波频率信号获得大的多普勒频率变化量，通过方位双重分块去除多普勒模糊，最后通过相干积累与图像拼接，能够快速有效实现正前方地域的高分辨成像，有效克服场景类型的约束、平台尺寸的限制，避免复杂的同步、运动补偿等问题。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图（方框图）；

图2为本实施方式机载雷达工作示意图；

图3为本实施方式成像原始场景；

图4为本实施方式获取回波数据；

图5为本实施方式距离压缩及走动校正后数据；

图6为本实施方式相干成像结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

本实施方式的具体测定方法为：

A.本实施方式雷达前视扫描工作示意图如图2所示，其中雷达天线方位波束宽度为θ_w=3°，天线在载机正前方±10°区域扫描，扫描区域场景如图3所示，扫描速度为ω=30°/s，载机运动速度为v=600m/s，PRF=1500Hz，发射机发射信号波长为λ=0.0086m、带宽为B=2MHz、调频斜率为K_r=3.33×10¹⁰Hz/s的线性调频脉冲信号，前视扫描雷达点目标回波信号经相干解调后，表示为：

$s(t,\mathrm{\τ})=\mathrm{rect}\left[\frac{\mathrm{\τ}-2R\left(t\right)/C}{T}\right]\·\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}R\left(t\right)\}\·\exp \left\{\mathrm{j\π}{K}_r{[\mathrm{\τ}-\frac{2}{c}R\left(t\right)]}^2\right\}---\left(2\right)$

其中：τ表示距离快时间，变化范围由发射机到目标的双程距离决定，t为方位时间，变化范围为[-1/3  1/3]秒，rect[·]为矩形窗函数，exp(·)为指数函数，R(t)为发射机到目标再到接收机的距离，有：

其中：R₀=10km分别为波束中心扫描到目标时，天线到目标的距离；α为天线波束中心与载机航向的夹角，其变化范围为[-10°+10°]，

为波束入射角，本实施例中，假定载机高度为零，则波束入射角

同时，方程（2）变为

$R\left(t\right)=\sqrt{R_0^2+{\left(\mathrm{vt}\right)}^2-2R_0\mathrm{vt}\cos \mathrm{\α}}---\left(3\right)$

将方程（3）泰勒展开并保留至一次项，得到

R(t)≈R₀-vcosα·t                      （4）

如图4所示，为本实施例前视扫描雷达回波。

B.首先对回波进行距离向FFT,得到，

$S(t,f_r)=\mathrm{rect}\left(\frac{f_r}{B}\right)\·\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}(f_c+f_r)}{C}R\left(t\right)\}\·\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{f_r^2}{K_r}\right\}---\left(5\right)$

其中：f_r为距离向频率，变化范围为[-1.2  1.2]MHz；f_c为载波频率，等于35GHz；C为光速，等于3×10⁸m/s。

然后通过距离向乘以匹配滤波器频域匹配函数H(f_r)，

$H\left(f_r\right)=\exp (-\mathrm{j\π}\frac{f_r^2}{K_r})---\left(6\right)$

得到距离压缩频域数据SS(t,f_r)，

$\mathrm{SS}(t,f_r)=\mathrm{rect}\left(\frac{f_r}{B}\right)\·\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}(f_c+f_r)}{C}R\left(t\right)\}---\left(7\right)$

C.一个完整波束扫过目标所经历的距离走动量ΔR为

$\mathrm{\ΔR}=v\·\frac{{\mathrm{\θ}}_w}{\mathrm{\ω}}---\left(8\right)$

根据系统参数可得ΔR=60m，而根据发射信号带宽，可知距离分辨单元大小为

$\mathrm{\Δr}=\frac{C}{2B}$

得到Δr=75m。因为ΔR<Δr，不会出现距离走动跨越距离单元，因而这里不需乘以距离走动校正函数H(f_r,t)，反之，则需要乘以H(f_r,t)以完成距离走动校正，

$H(f_r,t)=\exp (j2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;f_r\&CenterDot;\frac{v\&CenterDot;t}{c})---\left(9\right)$

然后进行距离向IFFT，获得距离压缩时域方位时域数据，如图5所示，为本实施例脉冲压缩后前视扫描雷达回波。

D.对步骤C获得的距离走动校正数据，以飞行航向即正前视方向为中轴线，分成左右两部分。

E．对于左半部分-10°～0°范围的数据，计算左半部分数据边界点质心 $f_{{\mathrm{d\&theta;}}_l}=\frac{2v\cos (10*\mathrm{pi}/180)}{\mathrm{\&lambda;}}=137420\mathrm{Hz};$ 在-10°～0°范围内根据

得-θ_l1°=-8°，然后对-10°～-8°这块数据以-9°为参考点，在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dl1t}，其中 $f_{\mathrm{dl}1}=\frac{2v\cos (-9*\mathrm{pi}/180)}{\mathrm{\&lambda;}}.$ 在-8°～0°范围内根据得-θ_l2°=-5°，对-8°～-5°这块数据在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dl2t}，其中

对于-5°～0°这块数据，频谱范围小于PRF/2，在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dl3t}，

右半部分0?～10?范围内数据，提取8°～10°这块数据，以9°为参考，对该部分数据在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dr1t}，其中

对5°～8°这块数据在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dr2t}，其中

对0°～5°这块数据在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dr3t}，其中 $f_{\mathrm{dr}3}=\frac{2v\cos (2.5*\mathrm{pi}/180)}{\mathrm{\&lambda;}}.$

F．相干积累与数据拼接：对E中得到的左半部分3块数据沿方位向作FFT，-10°～-8°范围内数据取其频谱

-8°～-5°范围内数据取其频谱

-5°～0°范围内数据取其频谱

其中

右半部分8°～10°范围内数据，提取频谱

并将其频谱反转，5°～8°范围内数据取其频谱

并反转，0°～5°范围内数据取其频谱(f_dr2-f_dr3)～(f_d0-f_dr3)并反转，然后按扫描角度顺序-10°～-8°，-8°～-5°，……，8°～10°将所有处理结果进行拼接，从而实现整个前视区域的高分辨成像，如图6所示。

从图上可以看出，本发明的方法通过方位双重分块去除多普勒模糊，最后通过相干积累与图像拼接，能够快速有效实现正前方地域的高分辨成像，克服场景类型的约束、平台尺寸的限制，避免复杂的同步、运动补偿等问题。

Claims (1)

1.一种雷达正前视扫描相干成像方法，具体包括如下步骤：

A．回波获取：在运动平台上安装扫描天线，使其从航向一侧扫描至航向另一侧，按一定脉冲重复频率发射毫米波或者亚毫米波段线性调频脉冲信号，并接收存储二维回波数据；

B．距离向脉冲压缩：对步骤A所获取发射信号的二维回波数据，进行距离向傅里叶变换；构造频域匹配函数，然后进行距离向脉冲压缩；

C．距离走动校正：判断距离走动量ΔR是否跨越距离单元Δr；若满足ΔR>Δr，将步骤B获得的距离压缩频域数据乘以距离走动校正函数H(f_r,t)，然后进行距离向IFFT，获得距离压缩时域方位时域数据；否则，直接进行距离向IFFT，获得距离压缩时域方位时域数据；

$\mathrm{\&Delta;R}=v\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&theta;}}_w}{\mathrm{\&omega;}}$

$\mathrm{\&Delta;r}=\frac{c}{2B}$

$H(f_r,t)=\exp (j2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;f_r\&CenterDot;\frac{v\&CenterDot;t}{c})$

其中，v为平台运动速度，θ_w为波束宽度，ω为天线扫描速度，c为光速，B为发射信号带宽，f_r为距离向频率，t为方位时间；

D．数据分割：对步骤C获得的距离走动校正数据，以正前视方向为中轴线，分成左右两部分；

E.去除多普勒模糊：对于左半部分-θ_l°～0°的数据，其中，θ_l表示天线扫描范围，θ为空间方位角，根据多普勒频率的定义

λ为载波波长，计算左半部分数据边界点质心

在-θ_l°～0°范围内根据

得-θ_l1°，其中，PRF为脉冲重复频率；然后提取-θ_l°～-θ_l1°这块数据，以这块数据中心点为参考，对该部分数据在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dl1t}，其中在-θ_l1°～0°范围内根据

得-θ_l2°，对-θ_l1°～-θ_l2°这块数据，以这块数据的中心点为参考，在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dl2t}，其中

以此类推，直至

对-θ_lN°～0°这块数据，以这块数据的中心点为参考，在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dlNt}，其中

对于右半部分的数据（0°～θ_r°），提取θ_r1°～θ_r°这块数据，以这块数据中心点为参考，对该部分数据在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dr1t}，对θ_r2°～θ_r1°这块数据，以这块数据的中心点为参考，在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_dr2t}，以此类推，对0°～θ_rN°这块数据，以这块数据的中心点为参考，在时域中乘以相位因子exp{-j2πf_drNt}，所述θ_r=θ_l，θ_r1=θ_l1，θ_r2=θ_l2，…，θ_rN=θ_lN；

F．相干积累与数据拼接：对步骤E中得到的左半部分各块数据沿方位向作FFT，实现相干积累，然后根据步骤E中确定的每块数据的多普勒质心变化范围，提取每块数据去除多普勒质心后的频谱，即-θ_l°～-θ_l1°范围内数据取其频谱

-θ_l1°～-θ_l2°范围内数据取其频谱

依次类推，提取出频谱后，按扫描角度顺序-θ_l°～-θ_l1°，-θ_l1°～-θ_l2°，……，-θ_lN°～0°，将所有结果进行拼接组合。对于右半部分数据θ_r1°～θ_r°，取其频谱

将其频谱反转，实现频谱变化与角度变化对应，θ_r2°～θ_r1°范围内数据取其频谱

并反转，以此类推，将所有得到的频谱按扫描角度顺序0°～θ_rN°，……，θ_r2°～θ_r1°，θ_r1°～θ_r°进行拼接组合，最后将左右两边得到结果拼接在一起，实现整个前视区域的高分辨成像。

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