CN103323818A - 多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的方法，确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理；按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像；按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像，将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像；本发明同时还公开了一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的装置，同过本发明的方案，能够有效的解决奇异点造成的频域重建滤波器失效的问题，并通过图像补偿的方法获得更好的图像信噪比。

Description

多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的方法和装置

技术领域

本发明涉及多通道非均匀采样重建技术，尤其涉及一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的方法和装置。

背景技术

多通道合成孔径雷达（SAR）技术是解决合成孔径雷达方位向分辨率和成像带宽矛盾的关键技术，对合成孔径雷达的发展和应用有着非常重要的意义。

多通道合成孔径雷达系统主要存在的技术问题是：在偏离均匀采样的脉冲重复周期（PRF）的情况下，会出现采样的非均匀性。一般可以通过频域重建滤波器实现非均匀采样的重建，但对于特殊PRF位置，频域重建滤波器会出现奇异点而失效，得到失败的重建效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的方法和装置，能够有效解决多通道非均匀采样重建中的奇异点问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供的一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的方法，该方法包括：

确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理；

按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像；

按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像，将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像。

上述方案中，所述确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理，为：多通道合成孔径雷达系统对采集到的原始回波的数据进行脉冲重复频率PRF计算，当PRF满足

时，当前的N-k的值为非均匀采样重建的奇异点，取前N-k个通道的原始回波的数据进行重建处理，舍弃掉后k个通道的原始回波的数据，其中，N为子通道数，k=1,2，...,N-1，PRFuni为对采集到的原始回波的数据均匀采样时的脉冲重复频率。

上述方案中，所述按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像，为：

将舍弃处理后保留的前N-k个通道的原始回波的数据通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第一图像。

上述方案中，所述按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像，为：

将舍弃后的k个通道的原始回波的数据，与前N-k个通道中的后N-2k个通道的原始回波的数据结合为N-k个通道的原始回波的数据，通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第二图像。

本发明提供的一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的装置，该装置包括：舍弃处理模块、第一成像模块、第二成像模块、合成模块；其中，

所述舍弃处理模块，用于确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理，将舍弃处理后保留的数据发送给第一成像模块，将舍弃的数据发送给第二成像模块；

所述第一成像模块，用于按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像；

所述第二成像模块，用于按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像；

所述合成模块，用于将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像。

上述方案中，所述舍弃处理模块，具体用于对原始回波的数据进行PRF计算，当PRF满足

时，当前的N-k的值为非均匀采样重建的奇异点，将前N-k个通道的原始回波的数据发送给第一成像模块，将后k个通道的原始回波的数据发送给第二成像模块，其中，N为子通道数，k=1,2，...,N-1，PRFuni为对采集到的原始回波的数据均匀采样时的脉冲重复频率。

上述方案中，所述第一成像模块，具体用于将舍弃处理后保留的前N-k个通道的原始回波的数据通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第一图像。

上述方案中，所述第二成像模块，具体用于将舍弃后的k个通道的原始回波的数据，与前N-k个通道中的后N-2k个通道的原始回波的数据结合为N-k个通道的原始回波的数据，通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第二图像。

本发明提供了一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的方法和装置，确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理；按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像；按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像，将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像；如此，能够有效的解决奇异点造成的频域重建滤波器失效的问题，并通过图像补偿的方法获得更好的图像信噪比。

附图说明

图1为本发明提供的多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中对多通道原始回波做数据舍弃处理的示意图；

图3为本发明实施例中对多通道原始回波做数据进行重建的示意图；

图4为本发明实施例中第三图像和第一图像的系统方位模糊仿真数据示意图；

图5为本发明实施例中第三图像和第一图像的系统灵敏度仿真数据示意图；

图6为本发明实施例中第三图像和第一图像的单点目标分析结果示意图；

图7为本发明还提供的多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理；按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像；按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像，将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像。

下面通过附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明实现一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的方法，如图1所示，该方法包括以下几个步骤：

步骤101：确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理；

具体的，当脉冲重复频率（PRF）满足

时，多通道合成孔径雷达系统的采样等效为单通道的均匀采样，多通道合成孔径雷达系统得到的回波可以完全等效为N倍PRF发射时单通道接收得到的回波，Vs为平台飞行速度，N为子通道数，Δx为相位中心间距；

实际上，多通道合成孔径雷达系统由于设计参数限制、波位选择等原因，很多情况下不能取等效均匀采样的PRF，这样，就会造成非均匀采样，若不经过处理，将会造成方位向多普勒频谱混叠，导致成像后假目标的出现；通过分析，多通道信号可以看做单通道信号通过一个预滤波器H(f)得到，只要能求出预滤波器的逆P(f)=H^-1(f)，即可还原单通道的带限信号；

本步骤具体为：多通道合成孔径雷达系统对采集到的原始回波的数据进行PRF计算，当PRF满足

时，当前的N-k的值为非均匀采样重建的奇异点，其中，N为子通道数，k=1,2，...,N-1，PRFuni为对采集到的原始回波的数据均匀采样时的脉冲重复频率；取前N-k个通道的原始回波的数据进行重建处理，舍弃掉后k个通道的原始回波的数据，如图2所示，可以看出，这种情况下不考虑后k个通道的原始回波的数据，前N-k个通道的原始回波的数据即是N-k通道均匀采样的信号。

步骤102：按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像；

具体的，如图3所示，将舍弃处理后保留的前N-k个通道的原始回波的数据通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第一图像；所述N-k阶频域重建滤波器对前N-k个通道的原始回波的数据进行预滤波器的逆运算（P₁(f)，P₂(f)，…P_N-k(f)）。

步骤103：按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像，将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像；

具体的，如图3所示，将舍弃后的k个通道的原始回波的数据，与前N-k个通道中的后N-2k个通道的原始回波的数据结合为N-k个通道的原始回波的数据，通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第二图像，将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像；

所述将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像，可以为：将第一图像与第二图像的复数数据进行线性叠加得到第三图像；

下面通过比较第一图像和第三图像的信噪比，说明本发明的方法能够得到更好的图像信噪比。

舍弃通道数据的情况等效为部分天线未使用，会造成系统信噪比的损失，考虑系统成像后的信噪比，成像后的信噪比（SNR）为：

$\mathrm{SNR}=\frac{P_{\mathrm{tx}}\·G_{\mathrm{tx}}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\·G_{\mathrm{rx},j}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\·{\mathrm{\λ}}^3\·\mathrm{PRFuni}\·\mathrm{\τ}\·N\·c_0}{4\·{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3\·R_0{\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)}^3\·L_{\mathrm{az}}\·L\·v_s\·\sin \left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\·{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}\·k\·\mathrm{Br}\·T\·F}\·{\mathrm{\σ}}^0---\left(1\right)$

其中：P_tx为天线发射的峰值功率，G_tx为发射天线增益，G_rx为接收天线增益，λ为载波波长，τ为发射脉宽，σ为后向散射系数，C₀为光速，R₀为斜距，L_az为方位向积分损失，L为系统损耗，Br为发射带宽，T为系统温度，F为接收机噪声系数，Θ_i为卫星入射角，

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}=N\·\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}E[{\left|P_j\left(f\right)\right|}^2\·\mathrm{rect}\left(\frac{f}{B_D}\right)]---\left(2\right)$

其中，f为方位向频率轴，B_D为处理多普勒带宽；

式（2）表征了噪声信号通过了重建网络后对系统噪声的影响因子，当

时，Φ_bf，Bd因为频域重建滤波器的奇异性变的无线放大，导致SNR急剧变差；

由前N-k个通道的原始回波的数据得到的第一图像的SNR₂为：

${\mathrm{SNR}}_2=\frac{P_{\mathrm{tx}}\·G_{\mathrm{tx}}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\·G_{\mathrm{rx},j}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\·{\mathrm{\λ}}^3\·\mathrm{PRFuni}\·\mathrm{\τ}\·(N-k)\·c_0}{4\·{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3\·R_0{\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)}^3\·L_{\mathrm{az}}\·L\·v_s\·\sin \left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\·{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd},N-k}\·k\·\mathrm{Br}\·T\·F}\·{\mathrm{\σ}}^0---\left(3\right)$

这里，设N-k≥k；

设第一图像的幅度为P，能量谱P_S,1为：

P_S,1=p²       （4）

N个通道的噪声信号设为n_i，i＝1,2....N，则第一图像的噪声功率谱Noise₁为：

Noise₁=E[(n₁+n₂+…+n_N-k)²]       （5）

由于系统白噪声互不相关且功率谱相等，所以可得：

Noise₁＝(N-k)·P_N        （6）

其中：

$P_N=E\left(n_i^2\right)(i=\mathrm{1,2}....N)---\left(7\right)$

将第一图像与第二图像叠加起来后，由于成像区域未变，叠加后的第三图像的幅度也为P，则叠加后能量谱P_S,2为：

P_S,2=4p²           （8）

叠加后的噪声功率谱Noise₂为：

Noise₂＝E[4(n₁+…+n_N-k)²+(n_N-n₁-…-n_k)²+4(n_N-n₁-…-n_k)·(n₁+…+n_N-k)]    （9）

由于各个通道间噪声不相关，所以式（9）展开可得：

Noise₂＝(4N-6k)·P_N            （10）

结合式（3）、（4）、（6）、（8）、（10），第三图像的SNR₃为：

${\mathrm{SNR}}_3=\frac{2N-2k}{2N-3k}\·{\mathrm{SNR}}_2---\left(11\right)$

由于k≥1，则

因此，第三图像的信噪比SNR₃比第一图像的SNR₂有所提高。

图4给出了第三图像和第一图像的系统方位模糊仿真数据示意图，其中，横坐标为脉冲重复频率PRF，纵坐标为方位模糊度（AASR），以方框描点的曲线为第一图像的系统方位模糊仿真数据，以圆圈描点曲线为第三图像的系统方位模糊仿真数据，箭头指向的峰值为奇异点位置，可以看出，在奇异点位置，第三图像的系统方位模糊仿真数据有较大幅度降低；

图5给出了第三图像和第一图像的系统灵敏度仿真数据示意图，其中，横坐标为脉冲重复频率PRF，纵坐标为系统灵敏度NESZ，以方框描点的曲线为第一图像的系统灵敏度仿真数据，以圆圈描点曲线为第三图像的系统灵敏度仿真数据，箭头指向的峰值为奇异点位置，可以看出，在奇异点位置附近，第三图像的系统灵敏度仿真数据得到有效改善。

图6给出了单点目标分析（方位向切片）,（a）图表示了第一图像的成像结果，横坐标为方位向距离（Range in azimuth），纵坐标为归一化幅度（Magnitude）可以看出成像效果很差，有幅度很高的假目标存在，对于成像质量有很大的影响，（b）图表示了第三图像的成像结果，假目标被完美抑制。

为了实现上述方法，本发明还提供一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的装置，如图7所示，该装置包括：舍弃处理模块21、第一成像模块22、第二成像模块23、合成模块24；其中，

所述舍弃处理模块21，用于确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理，将舍弃处理后保留的数据发送给第一成像模块22，将舍弃的数据发送给第二成像模块23；

所述第一成像模块22，用于按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像；

所述第二成像模块23，用于按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像；

所述合成模块24，用于将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像；

所述舍弃处理模块21，具体用于对原始回波的数据进行PRF计算，当PRF满足

时，当前的N-k的值为非均匀采样重建的奇异点，将前N-k个通道的原始回波的数据发送给第一成像模块22，将后k个通道的原始回波的数据发送给第二成像模块23，其中，N为子通道数，k=1,2，...,N-1，PRFuni为对采集到的原始回波的数据均匀采样时的脉冲重复频率；

所述第一成像模块22，具体用于将舍弃处理后保留的前N-k个通道的原始回波的数据通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第一图像；

所述第二成像模块23，具体用于将舍弃后的k个通道的原始回波的数据，与前N-k个通道中的后N-2k个通道的原始回波的数据结合为N-k个通道的原始回波的数据，通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第二图像。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的方法，其特征在于，该方法包括：

确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理；

按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像；

按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像，将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理，为：多通道合成孔径雷达系统对采集到的原始回波的数据进行脉冲重复频率PRF计算，当PRF满足

时，当前的N-k的值为非均匀采样重建的奇异点，取前N-k个通道的原始回波的数据进行重建处理，舍弃掉后k个通道的原始回波的数据，其中，N为子通道数，k=1,2，...,N-1，PRFuni为对采集到的原始回波的数据均匀采样时的脉冲重复频率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像，为：

将舍弃处理后保留的前N-k个通道的原始回波的数据通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第一图像。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像，为：

将舍弃后的k个通道的原始回波的数据，与前N-k个通道中的后N-2k个通道的原始回波的数据结合为N-k个通道的原始回波的数据，通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第二图像。

5.一种多通道合成孔径雷达系统非均匀采样奇异点的装置，其特征在于，该装置包括：舍弃处理模块、第一成像模块、第二成像模块、合成模块；其中，

所述舍弃处理模块，用于确定奇异点位置，对多通道原始回波做数据舍弃处理，将舍弃处理后保留的数据发送给第一成像模块，将舍弃的数据发送给第二成像模块；

所述第一成像模块，用于按照频域重建滤波器算法对舍弃处理后保留的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第一图像；

所述第二成像模块，用于按照频域重建滤波器算法对舍弃的数据进行重建，得到重建后的回波信号，并成像得到第二图像；

所述合成模块，用于将第一图像与第二图像叠加，得到第三图像。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述舍弃处理模块，具体用于对原始回波的数据进行PRF计算，当PRF满足

时，当前的N-k的值为非均匀采样重建的奇异点，将前N-k个通道的原始回波的数据发送给第一成像模块，将后k个通道的原始回波的数据发送给第二成像模块，其中，N为子通道数，k=1,2，...,N-1，PRFuni为对采集到的原始回波的数据均匀采样时的脉冲重复频率。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一成像模块，具体用于将舍弃处理后保留的前N-k个通道的原始回波的数据通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第一图像。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二成像模块，具体用于将舍弃后的k个通道的原始回波的数据，与前N-k个通道中的后N-2k个通道的原始回波的数据结合为N-k个通道的原始回波的数据，通过N-k阶频域重建滤波器，得到等效于单通道的回波信号，通过成像算法对所述回波信号进行成像处理，得到成像后的第二图像。

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