CN103630880A - 用于阵列sar三维成像的波形分集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于阵列SAR三维成像的波形分集方法，以OFDM-Chirp正交波形编/解码方式实现多发多收阵列SAR的发射天线同时发射波形，接收天线得到的回波中区分对应不同发射天线的通道响应，作为三维成像的数据输入。本发明波形分集方法中各发射天线同时发射同频带正交波形，克服了传统的时间分集方法带来的脉冲重复频率压力过大的问题和频率分集方法中系统带宽需求过大、去相干的问题，同时，发射信号具有线性调频信号的常模特性，且具有理想的自相关特性，较常规波形分集方法，更符合阵列SAR三维成像应用需求。

Description

用于阵列SAR三维成像的波形分集方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种用于阵列SAR三维成像的波形分集方法。

背景技术

使用多发多收天线阵列是SAR三维成像的一种实现方式。在阵列SAR三维成像中，雷达通过载机平台的运动在航迹方向形成合成孔径进行该方向分辨；雷达通过沿高程方向发射宽带信号然后进行脉冲压缩进行该方向分辨；除此之外，雷达通过沿机翼方向分布的多发多收天线阵列形成实孔径进行该方向分辨，从而实现观测区域的三维分辨成像。

然而，为了抑制信号模糊，多发多收天线阵列SAR需要特有的分集方法才能形成实孔径。在接收天线同时接收回波的情况下，一种分集方法是时间分集，即各发射天线在不同的发射周期内轮流发射同一个信号波形，接收回波在时间上区分出各发射天线的分量，但该方法需要大量的时间开销，为系统脉冲重复频率参数设计带来压力；一种分集方法是频率分集，即各发射天线同时发射不同的、占用不同频带的信号波形，从接收回波中区分出各发射天线的分量，但该方法除在系统硬件上需要更大的带宽支持外，还会由于目标随频率变化的散射特性而引入不可忽略的去相干效应；另一种分集方法是波形分集，即各发射天线同时发射不同的、占用相同频带的、经过波形编码的信号波形，对接收回波进行解码区分出各发射天线的分量。目前，国内外就波形分集方法设计展开了一些研究([1]J.Li，P.Stoica，and X.Zheng，“Signal synthesis and receiver design for MIMO radarimaging，”IEEE Transactions on Signal Processing，Vol.56，No.8，pp.3959-3968，2008.[2]Deng，“Discrete frequency-coding waveform designfor netted radar systems，”IEEE Signal Processing Letters，Vol.11，No.2，pp.179-182，2004.)，但这些方法在用于成像应用时存在局限性，一方面由于未采用常模包络的信号波形因而不能充分利用系统发射机功率放大器；一方面由于复杂的滤波器设计而不能和已有的成像处理器集成；另一方面由于非理想的自相关特性而不适用于分布目标场景的成像。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于阵列SAR三维成像的波形分集方法，以涂过现有波形分集方法在成像应用时的局限性。

(二)技术方案

本发明提供了一种用于阵列SAR三维成像的波形分集方法，通过OFDM-Chirp正交波形编码/解码实现多发多收阵列的M^T个发射天线同时发射波形，M^R个接收天线得到的回波中区分对应不同发射天线的共M^TM^R个通道响应，作为三维成像的数据输入，该方法包括：

步骤A：根据系统初级线性调频信号生成参数包括脉冲宽度T_p、调频率K_r、DA采样率F_s，确定子载波间隔Δf、数字波形长度N以及初级信号的频域数字波形序列S；由初级信号的频域数字波形序列S通过逐级前/后向内插零的方式生成多个基带发射OFDM-Chirp信号数字波形序列

将每个数字波形序列

经IFFT变换和DA转换变换成模拟形式的基带发射OFDM-Chirp信号；

步骤B：针对步骤A生成的M^T个模拟基带发射OFDM-Chirp信号q＝0，1...M^T-1，将每个

通过正交调制上变频到载波频率f_c上去，得到M^T个射频发射OFDM-Chirp信号

分别通过M^T个发射天线同时辐射出去；

步骤C：对M^R个接收天线同时接收到的回波信号r_j(t)，j＝0，1...M^R-1，使用正交解调将每一个回波信号从载频f_c下变频到基带，生成I路基带信号和Q路基带信号

步骤D：针对步骤C得到的对应M^R个接收天线的共M^R对I路基带信号和Q路基带信号

j＝0，1...M^R-1，对每一路信号都使用和DA采样率相同的AD采样率F_s进行采样，然后将采样后的I路基带信号和Q路基带信号合成复数信号

步骤E：针对步骤D得到的M^R个复数形式离散信号

j＝0，1...M^R-1，n＝0，1...2^LN+K-1，通过OFDM-Chirp解调得到对应不同发射/接收天线组合的共M^TM^R个通道响应；最后将得到的M^TM^R个通道响应作为阵列SAR三维成像的输入。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种用于阵列SAR三维成像的波形分集方法具有以下有益效果：

(1)发射波形具有线性调频信号的常模包络特性，因而可以提高雷达系统功率放大器的工作效率；

(2)不同发射波形的正交性由OFDM子载波的正交性提供，具有理想的自相关特性，适用于分布目标场景的三维成像应用；

(3)波形分集方法简单易行，基带OFDM信号解调在数字域进行，便于和后续信号处理器操作进行集成。

附图说明

图1为本发明实施例波形分集方法的流程图；

图2为本发明实施例波形分集方法中基带发射OFDM-Chirp信号频域数字序列逐级生成示意图。

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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明提供了一种用于阵列SAR三维成像的波形分集方法。该方法通过将常规雷达采用的线性调频信号与OFDM技术相结合，产生正交的OFDM-Chirp信号，供阵列中多个发射天线同时发射；对各接收天线接收信号进行解调，提取对应于一对发射/接收天线对的通道响应，作为后续三维成像处理的输入。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于阵列SAR三维成像的波形分集方法。请参照图1，本实施例波形分集方法，包括：

步骤A：根据系统初级线性调频信号生成参数包括脉冲宽度T_p、调频率K_r、DA采样率F_s，确定子载波间隔Δf、数字波形长度N以及初级信号的频域数字波形序列S；由初级信号的频域数字波形序列S通过逐级前/后向内插零的方式生成多个基带发射OFDM-Chirp信号数字波形序列

将每个数字波形序列经IFFT变换和DA转换变换成模拟形式的基带发射OFDM-Chirp信号；

该步骤进一步又可以包括：

子步骤A1，根据系统初级线性调频信号生成参数包括脉冲宽度T_p、调频率K_r、DA采样率F_s，确定子载波间隔Δf为：

$\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T_p}---\left(1\right)$

确定数字波形长度N为：

N＝F_sT_p               (2)

以及初级信号的频域数字波形序列S为：

$\left\{\begin{array}{cc}S\left(f\right)=\mathrm{rect}\left[\frac{f}{K_r{T}_p}\right]\exp (-\frac{\mathrm{j\π}{f}^2}{K_r})---\left(3\right)& \\ S={\left[S\right[0],S[1],\·\·\·,S[N-1\left]\right]}^T={[S\left(f_0\right),S\left(f_1\right),\·\·\·,S\left(f_{N-1}\right)]}^T---\left(4\right)& \end{array}\right.$

其中f_p＝pΔf，p＝0，1...N；

子步骤A2，请参照图2，针对，步骤A1生成的初级信号的频域数字波形序列S，将其作为

采用逐级前/后向内插零的方式生成多个基带发射OFDM-Chirp信号数字波形序列

p＝0，1...2^LN-1，其中上标L表示第L级内插零过程，下标q＝0，1...2^L-1表示第L级内插零过程中产生的第q个数字波形；L的取值由同时进行信号发射的天线个数M^T通过下式确定：

minL s.t.M^T≤2^L             (5)

$\left\{\begin{array}{cc}{S}_q^{\left(l\right)}=T_F\left\{S_{\frac{q+1}{2}}^{(l-1)}\right\}---\left(6\right)& \\ S_{q+1}^{\left(l\right)}=T_B\left\{S_{\frac{q+1}{2}}^{(l-1)}\right\}---\left(7\right)& \end{array}\right.$

对第l级的数字波形序列

和

由第l-1级的分别通过前向内插零和后向内插零得到。

其中，T_F表示前向内插零算子：

T_F{S[p]}＝[S[0]，0，S[1]，0，…，S[N-1]，0]^T      (8)

T_B表示后向内插零算子：

T_B{S[p]}＝[0，S[0]，0，S[1]，…，0，S[N-1]]^T    (9)

子步骤A3，针对子步骤A2生成的2^L个基带发射OFDM-Chirp信号数字波形序列

取其前M^T个分别对应M^T个发射天线。将每个数字波形序列

经IFFT变换和DA转换变换成模拟形式的基带发射OFDM-Chirp信号

其中DA采样率为F_s；

步骤B：针对步骤A生成的M^T个模拟基带发射OFDM-Chirp信号q＝0，1...M^T-1，将每个

通过正交调制上变频到载波频率f_c上去，得到M^T个射频发射OFDM-Chirp信号分别通过M^T个发射天线同时辐射出去；

步骤C：对M^R个接收天线同时接收到的回波信号r_j(t)，j＝0，1...M^R-1，使用正交解调将每一个回波信号从载频f_c下变频到基带，生成I路基带信号和Q路基带信号

所述I路基带信号和Q路基带信号分别是复基带信号

的实部和虚部：

${\stackrel{\‾}{r}}_j^I\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{{\stackrel{\‾}{r}}_j\left(t\right)\right\}---\left(10\right)$

${\stackrel{\‾}{r}}_j^Q\left(t\right)=\mathrm{Im}\left\{{\stackrel{\‾}{r}}_j\left(t\right)\right\}---\left(11\right)$

复基带信号为：

${\stackrel{\‾}{r}}_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M^T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}{\mathrm{\σ}}_P{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_c{{\mathrm{\τ}}^P}_{i,j}}{s}_i(t-{{\mathrm{\τ}}^P}_{i,j})\mathrm{d\τ}---\left(12\right)$

其中，σ_P表示在以时间为量纲的场景测绘带支撑区Ω上的一点目标P的后向散射系数；

表示发射信号从第i个发射天线到达点目标P，再反射到第j个接收天线的延时。

步骤D：针对步骤C得到的对应M^R个接收天线的共M^R对I路基带信号和Q路基带信号

j＝0，1...M^R-1，对每一路信号都使用和DA采样率相同的AD采样率F_s进行采样，然后将采样后的I路基带信号和Q路基带信号合成复数信号：

${\stackrel{\‾}{r}}_j\left[n\right]={\stackrel{\‾}{r}}_j^I\left[n\right]+{j\stackrel{\‾}{r}}_j^Q\left[n\right]$

$=\left(\underset{i=1}{\overset{M^T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i\left(k\right)s_i\right[n-k\left]\right)\mathrm{rect}\left[\frac{n}{2^{L}N+K}\right],---\left(13\right)$

其中n＝0，1...2^LN+K-1；K表示采样窗内的散射点个数；

步骤E：针对步骤D得到的M^R个复数形式离散信号

j＝0，1...M^R-1，n＝0，1...2^LN+K-1，通过OFDM-Chirp解调得到对应不同发射/接收天线组合的共M^TM^R个通道响应；最后将得到的M^TM^R个通道响应作为阵列SAR三维成像的输入；该步骤包括：

子步骤E1，对步骤D得到的每个信号

使用圆移操作使其长度由2^LN+K降为2^LN，得到：

$r_j\left[n\right]=\underset{i=1}{\overset{M^T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i\left(k\right)s_i\left[{\⟨n-k\⟩}_{2^{L}N}\right]---\left(14\right)$

子步骤E2，对子步骤E2得到的每个圆移后的信号进行2^LN点FFT变换，得到其频谱R_j[p]：

$R_j\left[p\right]=\underset{i=1}{\overset{M^T}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{ij}}{S}_i\left[p\right],$ p＝0，1...2^LN-1       (15)

其中H_ij[p]表示对应第i个发射天线和第j个接收天线的通道响应：

$H_{\mathrm{ij}}=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{2^{L}N}\mathrm{kp}}.---\left(16\right)$

子步骤E3，对子步骤E3得到的频谱R_j[p]进行多相分解，再与第i个发射天线的基带发射信号频谱

进行匹配滤波得到对应第i个发射天线和第j个接收天线的通道响应估计值

${\hat{H}}_{\mathrm{ij}}=R_j[\mathrm{Np}+i-1]\·S_i^{*}\left[p\right],---\left(17\right)$

至此，已经结合附图对本实施例一种用于阵列SAR三维成像的波形分集方法进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明用于阵列SAR三维成像的波形分集方法有了清楚的认识。

此外，上述波形分集方法中部分步骤并不仅限于实施方式中提到的各种具体形式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)步骤A中的初级线性调频信号不仅可使用正调频率信号，也可使用负调频率信号；

(2)步骤D中对I/Q路基带信号进行AD采样的采样率除可设置成严格与DA采样率相同都是F_s之外，还可设置成F_s整数倍，然后对采样后信号进行抽取等效为F_s。

综上所述，本发明提供用于阵列SAR三维成像的波形分集方法。该方法以线性调频信号的数字波形为基础，通过逐级前/后向内插零生成OFDM-Chirp基带发射数字波形，再通过OFDM调制到正交的子载波上去；在信号接收端，通过特有的解调方式，区分出不同发射天线/接收天线组合对应的通道响应，作为阵列SAR三维成像的输入。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于阵列SAR三维成像的波形分集方法，其特征在于，通过OFDM-Chirp正交波形编码/解码实现多发多收阵列的M^T个发射天线同时发射波形，M^R个接收天线得到的回波中区分对应不同发射天线的共M^TM^R个通道响应，作为三维成像的数据输入，包括如下步骤：

步骤A：根据系统初级线性调频信号生成参数包括脉冲宽度T_p、调频率K_r、DA采样率F_s，确定子载波间隔Δf、数字波形长度N以及初级信号的频域数字波形序列S；由初级信号的频域数字波形序列S通过逐级前/后向内插零的方式生成多个基带发射OFDM-Chirp信号数字波形序列

将每个数字波形序列

经IFFT变换和DA转换变换成模拟形式的基带发射OFDM-Chirp信号；

步骤B：针对步骤A生成的M^T个模拟基带发射OFDM-Chirp信号

q＝0，1...M^T-1，将每个

通过正交调制上变频到载波频率f_c上去，得到M^T个射频发射OFDM-Chirp信号

分别通过M^T个发射天线同时辐射出去；

步骤C：对M^R个接收天线同时接收到的回波信号r_j(t)，j＝0，1...M^R-1，使用正交解调将每一个回波信号从载频f_c下变频到基带，生成I路基带信号

和Q路基带信号

步骤D：针对步骤C得到的对应M^R个接收天线的共M^R对I路基带信号和Q路基带信号

j＝0，1...M^R-1，对每一路信号都使用和DA采样率相同的AD采样率F_s进行采样，然后将采样后的I路基带信号和Q路基带信号合成复数信号

步骤E：针对步骤D得到的M^R个复数形式离散信号j＝0，1...M^R-1，n＝0，1...2^LN+K-1，通过OFDM-Chirp解调得到对应不同发射/接收天线组合的共M^TM^R个通道响应；最后将得到的M^TM^R个通道响应作为阵列SAR三维成像的输入。

2.根据权利要求1所述的波形分集方法，其特征在于，所述步骤A包括：

子步骤A1，根据系统初级线性调频信号生成参数包括脉冲宽度T_p、调频率K_r、DA采样率F_s，确定子载波间隔Δf、数字波形长度N以及初级信号的频域数字波形序列S；

子步骤A2，针对子步骤A1生成的初级信号的频域数字波形序列S，将其作为

采用逐级前/后向内插零的方式生成多个基带发射OFDM-Chirp信号数字波形序列p＝0，1...2^LN-1，其中上标L表示第L级内插零过程，下标q＝0，1...2^L-1表示第L级内插零过程中产生的第q个数字波形；

子步骤A3，针对子步骤A2生成的2^L个基带发射OFDM-Chirp信号数字波形序列

取其前M^T个分别对应M^T个发射天线，将每个数字波形序列

经IFFT变换和DA转换变换成模拟形式的基带发射OFDM-Chirp信号

其中DA采样率为F_s。

3.根据权利要求1所述的波形分集方法，其特征在于，所述步骤E包括：

子步骤E1，对步骤D得到的每个信号使用圆移操作使其长度由2^LN+K降为2^LN，得到r_j[n]；

子步骤E2，对子步骤E2得到的每个圆移后的信号进行2^LN点FFT变换，得到其频谱R_j[p]；

子步骤E3，对子步骤E3得到的频谱R_j[p]进行多相分解，再与第i个发射天线的基带发射信号频谱

进行匹配滤波得到对应第i个发射天线和第j个接收天线的通道响应

共得到M^TM^R个通道响应。

4.根据权利要求1所述的波形分集方法，其特征在于，所述步骤A中根据系统初级线性调频信号生成参数包括脉冲宽度T_p、调频率K_r、DA采样率F_s，其中所述子载波间隔Δf由下式确定：

$\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T_p}$

所述数字波形长度N由下式决定：

N＝F_sT_p

所述初级信号的频域数字波形序列S由下式决定：

$\left\{\begin{array}{c}S\left(f\right)=\mathrm{rect}\left[\frac{f}{K_r{T}_p}\right]\exp (-\frac{\mathrm{j\π}{f}^2}{K_r})\\ S={\left[S\right[0],S[1],\·\·\·,S[N-1\left]\right]}^T={[S\left(f_0\right),S\left(f_1\right),\·\·\·,S\left(f_{N-1}\right)]}^T\end{array}\right.$

其中f_p＝pΔf，p＝0，1...N；K_r＞0表示正扫频信号，K_r＜0表示负扫频信号。

5.根据权利要求1所述的波形分集方法，其特征在于，所述步骤A中基带发射OFDM-Chirp信号数字波形序列

通过采用逐级前/后向内插零的方式生成，即对第l级的数字波形序列

和

由第l-1级的分别通过前向内插零和后向内插零得到：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_q^{\left(l\right)}=T_F\left\{S_{\frac{q+1}{2}}^{(l-1)}\right\}\\ S_{q+1}^{\left(l\right)}=T_B\left\{S_{\frac{q+1}{2}}^{(l-1)}\right\}\end{array}\right.$

其中，T_F表示前向内插零算子：

T_F{S[p]}＝[S[0]，0，S[1]，0，…，S[N-1]，0]^T

T_B表示后向内插零算子：

T_B{S[p]}＝[0，S[0]，0，S[1]，…，0，S[N-1]]^T

总共需要的级数L的取值由同时进行信号发射的天线个数M^T通过下式确定：

minL s.t.M^T≤2^L。

6.根据权利要求1所述的波形分集方法，其特征在于，所述步骤E中的圆移操作旨在将采样信号的长度从2^LN+K降为2^LN，以防止DFT窗口截断而导致的信号正交性破坏，圆移后得到：

$r_j\left[n\right]=\underset{i=1}{\overset{M^T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i\left(k\right)s_i\left[{\⟨n-k\⟩}_{2^{L}N}\right]$

所述多相分解和匹配滤波是由下式实现：

${\hat{H}}_{\mathrm{ij}}=R_j[\mathrm{Np}+i-1]\·S_i^{*}\left[p\right],$

其中，

是是对应第i个发射天线和第j个接收天线的通道响应H_ij的估计值：

$H_{\mathrm{ij}}=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{2^{L}N}\mathrm{kp}}.$

7.根据权利要求1所述的波形分集方法，其特征在于，所述的OFDM-Chirp编/解码是对线性调频信号应用OFDM正交子载波调制/解调，发射波形兼具线性调频信号和OFDM的特性，其中发射波形的包络由基带OFDM-Chirp信号数字波形序列决定，具有线性调频信号的常模包络特性；不同发射波形的正交性由OFDM子载波的正交性提供，具有理想的自相关特性。

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