CN104007438A - 一种基于回波数据的步进频率合成孔径雷达频差估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于回波数据的步进频率合成孔径雷达频差估计方法，涉及雷达信号处理领域，包括以下步骤：步骤1，雷达接收目标的原始回波信号，两个子带的初始载频差为f_diff；再对两个子带信号分别解调并采样；步骤2，对解调采样后的两个子带信号分别进行脉冲压缩处理；步骤3，得到频移操作后的子带信号S'_r1(t)和S'_r2(t)；步骤4，根据干涉信号S_int(t)的表达式获取相位信息；步骤5，根据干涉信号S_int(t)的相位信息构造该强目标的相位步骤6，用强目标的相位构造时间序列x(t)；步骤7，主能量频点的位置为载频差的误差估计值Δf；步骤8，利用载频差的误差估计值Δf对初始载频差值f_diff进行修正；本发明实现频率差的精确估计，用于合成孔径雷达系统和逆合成孔径雷达系统。

Description

一种基于回波数据的步进频率合成孔径雷达频差估计方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，涉及调频步进合成孔径雷达系统中的频带合成技术，尤其涉及一种基于回波数据的步进频率合成孔径雷达频差估计方法，应用于合成孔径雷达系统和逆合成孔径雷达系统。

背景技术

SAR系统为了获得高分辨率的图像，在距离向通过发射大带宽的信号，并对回波进行匹配滤波而获得高分辨距离像。实现大带宽信号的一种比较经济的方式是通过发射调频步进信号，利用步进信号的频带合成技术，得到大带宽信号。这样可以降低对雷达接收机带宽的要求，同时降低AD采样频率，便于系统实现。步进信号的频带合成技术在SAR(Synthetic Aperture Radar，SAR)和ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)上面都得到了广泛应用。

在带宽合成技术中一个重要参数就是子带之间的步进频差(或者载频差)，其精度影响到各个子带信号在合成后的全频段信号中的位置。因此，必须要非常精确的确定各个子带的载频，即精确确定步进频率的大小。

在一般的机载或星载系统中，步进频差的值是在系统载荷工作前预先设定好的。但是，在实际中，系统所处环境中的温度、湿度等是不可控的，同时随着系统器件的老化，步进频差会出现变化，预设的值不再满足精度要求，因此需要从采集到的原始回波数据中估计出精确的步进频差，通过信号处理的方法，对预设值进行修正。这样才能对带宽进行有效相干合成，进而提高图像分辨率。

发明内容

针对现有技术中通道间载频差易受环境、器件等影响而较难提前得知这一问题，本发明提出一种基于回波数据的步进频率合成孔径雷达频差估计方法，实现频率差的精确估计。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于回波数据的步进频率合成孔径雷达频差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，雷达接收目标的原始回波信号，原始回波信号中包括第一子带信号和第二子带信号两个子带信号，第一子带信号和第二子带信号的初始载频差为f_diff；再对第一子带信号和第二子带信号分别解调并采样；

步骤2，对解调采样后的第一子带信号和第二子带信号分别进行脉冲压缩处理，经过脉冲压缩处理后的第一子带信号S_r1(t)和第二子带信号S_r2(t)的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{r1}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c1}R)\\ S_{r2}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c2}R)\end{array}\right.$

其中，t表示快时间，R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，f_c1第一子带信号的载频和f_c2表示第二子带信号的载频；δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数；

步骤3，利用初始载频差值f_diff构造相位函数；利用相位函数对经过脉冲压缩处理后的第一子带信号S_r1(t)和经过脉冲压缩处理后的第二子带信号S_r2(t)进行频移操作，得到频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)；

步骤4，通过频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)得到干涉信号S_int(t)；根据干涉信号S_int(t)的表达式获取相位信息；

步骤5，对雷达的成像场景中所有目标求取能量值；选择能量值最大的目标为强目标；

根据干涉信号S_int(t)的相位信息构造该强目标的相位其中，t表示快时间，Δf为载频差的误差估计值；

步骤6，用强目标的相位构造时间序列x(t)；

其中，t表示快时间，Δf为载频差的误差估计值；

步骤7，对时间序列x(t)进行傅里叶变换，通过频谱分析得到其主能量频点，该主能量频点的位置为载频差的误差估计值Δf；

步骤8，利用载频差的误差估计值Δf对初始载频差值f_diff进行修正，得到载频差f_d＝f_diff+Δf。

上述技术方案的特点和进一步改进在于：

(1)步骤3包括以下子步骤：

3a)根据初始载频差f_diff构造相位函数，相位函数如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_1\left(t\right)=\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t\right)\\ H_2\left(t\right)=\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t)\end{array}\right.$

其中，t表示快时间，f_diff表示初始载频差；

3b)利用相位函数对经过脉冲压缩处理后的第一子带信号S_r1(t)和经过脉冲压缩处理后的第二子带信号S_r2(t)进行频移操作，得到频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)，即

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{r1}^{\′}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c1}R)\·\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t\right)\\ S_{r2}^{\′}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c2}R)\·\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t)\end{array}\right.$

其中，t表示快时间，f_diff表示初始载频差，R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，f_c1表示第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频，δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数。

(2)步骤4包括以下子步骤：

4a)对频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)进行干涉处理，即频移操作后的子带信号S'_r1(t)和S'_r2(t)进行共轭相乘，得到干涉信号S_int(t)；

干涉信号S_int(t)表达式为下式：

$S_{\mathrm{int}}\left(t\right)=S_{r1}^{\′}\left(t\right)*\mathrm{conj}\left(S_{r2}^{\′}\left(t\right)\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}(f_{c1}-f_{c2})}{c}R)\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{diff}}t)$

其中，其中，t表示快时间，f_diff表示初始载频差，R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，f_c1表示第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频，*表示乘法，conj(·)表示共轭，δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数；

4b)根据雷达双程传输公式得原始回波信号的延迟时间τ＝2R/c；

4c)根据延迟时间化简干涉信号S_int(t)表达式，得到干涉信号S_int(t)的简化表达式为下式：

$S_{\mathrm{int}}=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp \left(j2\mathrm{\π\Δf\τ}\right)$

其中，t表示快时间，延迟时间τ＝2R/c,R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，载频差的误差估计值Δf＝f_c1-f_c2+f_diff，f_c1表示第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频，f_diff表示初始载频差，δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数；

4d)从干涉信号S_int(t)的简化表达式得到干涉信号相位信息为2πΔfτ。

与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。本发明与现有方法相比，具有以下优点：

该方法通过对回波数据中第一子带信号和第二子带信号两个子带信号解调采样，脉冲压缩处理、频移操作和干涉处理就得到干涉信号的相位信息；再利用干涉信号的相位信息构造成像场景中的强目标的相位信息，构造时间序列，通过时间段序列得到载频差的误差估计值，再利用载频差的误差估计值得到最后的载频差，利用该频率差，子带信号可以精确地合成，进而提高成像质量。

附图说明

图1是本发明估计载频差的流程图；

图2是现有技术仅用初始载频差值进行成像处理的结果图，其中，(a)为成像结果，(b)为(a)局部放大图；

图3是用本发明中的算法估计出载频差再成像处理的结果图，其中，(a)为成像结果，(b)为(a)图局部放大图。

具体实施方式

参照图1，说明本发明的一种基于回波数据的步进频率合成孔径雷达频差估计方法，本发明应用于合成孔径雷达系统和逆合成孔径雷达系统，其具体步骤如下：

步骤1，雷达接收目标的原始回波信号，原始回波信号中包括第一子带信号和第二子带信号两个子带信号，第一子带信号和第二子带信号的初始载频差为f_diff；再对第一子带信号和第二子带信号分别解调并采样。

步骤2，对解调采样后的第一子带信号和第二子带信号分别进行脉冲压缩处理，经过脉冲压缩处理后的第一子带信号S_r1(t)和经过脉冲压缩处理后的第二子带信号S_r2(t)的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{r1}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c1}R)\\ S_{r2}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c2}R)\end{array}\right.$

其中，t表示快时间，R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，f_c1表示第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频，δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数。

步骤3，利用初始载频差值f_diff构造相位函数；利用相位函数对经过脉冲压缩处理后的第一子带信号S_r1(t)和经过脉冲压缩处理后的第二子带信号S_r2(t)进行频移操作，得到频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)。

3a)根据初始载频差f_diff构造相位函数，相位函数如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_1\left(t\right)=\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t\right)\\ H_2\left(t\right)=\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t)\end{array}\right.$

其中，t表示快时间，f_diff表示初始载频差。

3b)利用相位函数对经过脉冲压缩处理后的第一子带信号S_r1(t)和经过脉冲压缩处理后的第二子带信号S_r2(t)进行频移操作，得到频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)，即

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{r1}^{\′}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c1}R)\·\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t\right)\\ S_{r2}^{\′}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c2}R)\·\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t)\end{array}\right.$

其中，t表示快时间，f_diff表示初始载频差，R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，，f_c1表示第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频，δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数。

步骤4，通过频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)得到干涉信号S_int(t)；根据干涉信号S_int(t)的表达式获取相位信息。

4a)对频移操作后的子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)进行干涉处理，即频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)进行共轭相乘，得到干涉信号S_int(t)；

干涉信号S_int(t)表达式为下式：

$S_{\mathrm{int}}\left(t\right)=S_{r1}^{\′}\left(t\right)*\mathrm{conj}\left(S_{r2}^{\′}\left(t\right)\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}(f_{c1}-f_{c2})}{c}R)\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{diff}}t)$

其中，其中，t表示快时间，f_diff表示初始载频差，R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，f_c1表示第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频，*表示乘法，conj(·)表示共轭，δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数。

4b)根据雷达双程传输公式得原始回波信号的延迟时间τ＝2R/c。

4c)根据延迟时间化简干涉信号S_int(t)表达式，得到干涉信号S_int(t)的简化表达式为下式：

$S_{\mathrm{int}}=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp \left(j2\mathrm{\π\Δf\τ}\right)$

其中，t表示快时间，延迟时间τ＝2R/c,R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，载频差的误差估计值Δf＝f_c1-f_c2+f_diff，f_c1表示第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频，f_diff表示初始载频差，δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数。

4d)从干涉信号S_int(t)的简化表达式得到干涉信号相位信息为2πΔfτ。

步骤5，对雷达的成像场景中所有目标求取能量值；选择能量值最大的目标为强目标；

根据干涉信号S_int(t)的相位信息构造该强目标的相位其中，t表示快时间，Δf为载频差的误差估计值。

步骤5通过选取强目标点是为了抑制噪声。

步骤6，用强目标的相位构造时间序列x(t)；

其中，t表示快时间，Δf为载频差的误差估计值。

步骤7，对时间序列x(t)进行傅里叶变换，通过频谱分析得到其主能量频点，该主能量频点的位置为载频差的误差估计值Δf。

由于在处理过程中采用快速傅里叶变换FFT，本发明的速度快，效率高。

在执行步骤7过程中，根据在没有噪声信号的情况下，时间序列x(t)是一个单频信号，所以得到其主能量频点。

步骤8，利用载频差的误差估计值Δf对初始载频差值f_diff进行修正，得到载频差f_d＝f_diff+Δf。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

1.实测数据采集系统参数

测试数据由国内某机载合成孔径雷达SAR获得，其为一发双收系统。第一子带信号带宽和第二子带信号带宽均为90MHz，子带采样采样频率为100MHz，PRF(脉冲重复频率)为1667Hz。预设载频差(初始载频差)为90MHz，实际精确的载频差为73.2MHz。

2.实测数据成像处理内容及结果

实测数据成像处理1：仅用数据事先给定的载频差(初始载频差)90MHz对合成孔径雷达SAR回波进行带宽合成及成像处理，处理结果如图2所示，图中水平方向为距离向，垂直方向为方位向。

实测数据成像处理2：先用本发明中的算法估计出精确载频差，然后再进行带宽合成和成像处理。成像结果如图3所示，图中水平方向为距离向，垂直方向为方位向。

3.成像结果分析

本算法估计到的载频差为73.19853MHz，与实际精确的载频差(73.2MHz)相比，相对误差小于千分之一，这表明本发明估计载频差的精度高，完全能够满足带宽合成和成像的要求。

图2(a)是仅用初始载频差值进行成像处理的结果，图2(b)是图2(a)局部放大图；

图3(a)是用本发明中的算法估计出载频差再成像处理的结果，图3(b)是图3(a)局部放大图；

可以看出，仅用初始载频差值进行成像处理，图2(b)中有明显的距离向栅瓣，这导致图像距离向分辨率的退化，而采用本发明方法估计载频差再进行成像处理，图3(b)中没有明显的距离向栅瓣，图像中的信噪比，对比度以及细节能力都得到了提高。这表明，采用本发明进行子带信号合成再成像处理能够提高成像质量。

Claims (3)

1.一种基于回波数据的步进频率合成孔径雷达频差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，雷达接收目标的原始回波信号，原始回波信号中包括第一子带信号和第二子带信号两个子带信号，第一子带信号和第二子带信号的初始载频差为f_diff；再对第一子带信号和第二子带信号分别解调并采样；

步骤2，对解调采样后的第一子带信号和第二子带信号分别进行脉冲压缩处理，经过脉冲压缩处理后的第一子带信号S_r1(t)和经过脉冲压缩处理后的第二子带信号S_r2(t)的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{r1}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c1}R)\\ S_{r2}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c2}R)\end{array}\right.$

其中，t表示快时间，R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，f_c1表示第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频；δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数；

步骤3，利用初始载频差值f_diff构造相位函数；利用相位函数对经过脉冲压缩处理后的子带信号第一子带信号S_r1(t)和经过脉冲压缩处理后的第二子带信号S_r2(t)进行频移操作，得到频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)；

步骤4，通过频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和频移操作后的第二子带信号S'_r2(t)得到干涉信号S_int(t)；根据干涉信号S_int(t)的表达式获取相位信息；

步骤5，对雷达的成像场景中所有目标求取能量值；选择能量值最大的目标为强目标；

根据干涉信号S_int(t)的相位信息构造该强目标的相位其中，t表示快时间，Δf为载频差的误差估计值；

步骤6，用强目标的相位构造时间序列x(t)；

其中，t表示快时间，Δf为载频差的误差估计值；

步骤7，对时间序列x(t)进行傅里叶变换，通过频谱分析得到其主能量频点，该主能量频点的位置为载频差的误差估计值Δf；

步骤8，利用载频差的误差估计值Δf对初始载频差值f_diff进行修正，得到载频差f_d＝f_diff+Δf。

2.根据权利要求1所述的一种基于回波数据的步进频率合成孔径雷达频差估计方法，其特征在于，步骤3包括以下子步骤：

3a)根据初始载频差f_diff构造相位函数，相位函数如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_1\left(t\right)=\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t\right)\\ H_2\left(t\right)=\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t)\end{array}\right.$

其中，t表示快时间，f_diff表示初始载频差；

3b)利用相位函数对经过脉冲压缩处理后的第一子带信号S_r1(t)和第二子带信号S_r2(t)进行频移操作，得到频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和第二子带信号S'_r2(t)，即

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{r1}^{\′}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c1}R)\·\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t\right)\\ S_{r2}^{\′}\left(t\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_{c2}R)\·\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{diff}}}{2}t)\end{array}\right.$

其中，t表示快时间，f_diff表示初始载频差，R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，f_c1第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频，δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数。

3.根据权利要求1所述的一种基于回波数据的步进频率合成孔径雷达频差估计方法，其特征在于，步骤4包括以下子步骤：

4a)对频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和第二子带信号S'_r2(t)进行干涉处理，即对频移操作后的第一子带信号S'_r1(t)和第二子带信号S'_r2(t)进行共轭相乘，得到干涉信号S_int(t)；

干涉信号S_int(t)表达式为下式：

$S_{\mathrm{int}}\left(t\right)=S_{r1}^{\′}\left(t\right)*\mathrm{conj}\left(S_{r2}^{\′}\left(t\right)\right)=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}(f_{c1}-f_{c2})}{c}R)\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{diff}}t)$

其中，其中，t表示快时间，f_diff表示初始载频差，R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，f_c1第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频，*表示乘法，conj(·)表示共轭，δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数；

4b)根据雷达双程传输公式得原始回波信号的延迟时间τ＝2R/c；

4c)根据延迟时间化简干涉信号S_int(t)表达式，得到干涉信号S_int(t)的简化表达式为下式：

$S_{\mathrm{int}}=\mathrm{\δ}(t-\frac{2R}{c})\exp \left(j2\mathrm{\π\Δf\τ}\right)$

其中，t表示快时间，延迟时间τ＝2R/c,R表示雷达与目标的斜距，c表示光速，载频差的误差估计值Δf＝f_c1-f_c2+f_diff，f_c1第一子带信号的载频，f_c2表示第二子带信号的载频，f_diff表示初始载频差，δ(·)表示冲激函数，exp(·)表示指数函数；

4d)从干涉信号S_int(t)的简化表达式得到干涉信号相位信息为2πΔfτ。