CN104035094B - 接收距离向多孔径宽幅星载sar回波的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法和装置，该方法包括以下步骤：步骤S1，调整由宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波束指向；步骤S2，将已调整的回波波束转化为低频数字型回波波束；步骤S3，将低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。本发明能够在不增加距离向接收子孔径数量的基础上，通过模拟波束指向控制和数字波束合成处理相结合使得星载SAR宽幅测绘模式系统在接收回波时能够在兼顾灵敏度的情况下，利用灵活的子孔径接收波束指向改善所接收的回波的距离向模糊度。

Description

接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法和装置

技术领域

本发明涉及星载合成孔径雷达信号处理领域，特别涉及一种接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法和装置。

背景技术

测绘带幅宽是星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)的一个极其重要的性能指标参数。较大的测绘带幅宽(也可称为宽测绘带)能够在短时间内完成对全球的监测或者对某个特定的区域进行重复监测，因而有利于星载SAR全球覆盖测绘，大幅度降低重要区域的重访时间。目前，宽幅星载SAR成像模式已成为国内外星载SAR系统发展的主要发展趋势之一。改善星载SAR系统宽幅模式的系统灵敏度(Noise-Equivalent SigmaZero，NESZ)和距离向模糊度(Range Ambiguity to Signal Ratio，RASR)是宽幅模式主要需要解决的两大问题，其中，距离向模糊是由于一些区域的回波时延(超前或滞后于测绘带内的回波时延)与测绘带内的回波时延相差脉冲重复周期(Tp＝1/fp)的整数倍，使所要观测的回波与它的前后脉冲回波同时到达星载SAR天线，产生时域的信号重叠现象，这种距离向模糊现象是星载SAR中无法避免的。距离向模糊度是成像测绘带内模糊信号强度与有用信号强度之比，是对距离模糊强度的度量。距离向多孔径接收技术能够大幅度改善星载SAR宽幅模式系统(即该系统具有宽测绘带)灵敏度和距离向模糊度。

然而，现有传统的距离向多孔径接收技术只能将多孔径天线接收到的回波信号相干合成，但合成的接收天线方向图中的波束栅瓣有时反而导致系统距离向模糊度的恶化。基于零陷指向(在固定干扰方向形成一定深度的零点)的数字波束合成技术可以通过零陷指向控制来大幅度改善系统的距离模糊，但该方法需要距离向划分更多的接收孔径个数和相对准确的地形起伏先验信息，因而现有技术中在星载SAR宽幅测绘模式系统下所接收的回波的灵敏度和距离向模糊度较差。

发明内容

本发明所要解决的问题是传统星载SAR宽幅测绘模式系统灵敏度和距离向模糊度较差，提供一种方法，其在不增加距离向接收子孔径数量的基础上，通过模拟波束指向控制和数字波束合成处理相结合使得星载SAR宽幅测绘模式系统在接收回波时能够在兼顾灵敏度的情况下，改善所接收的回波的距离向模糊度。

为了解决上述问题，本发明提供一种接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，调整由宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波束指向；

步骤S2，将已调整的回波波束转化为低频数字型回波波束；

步骤S3，将低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。

作为优选，步骤S1进一步包括：

步骤S11，通过改变回波波束的相位来调整其波束指向。

作为优选，步骤S11进一步包括：

步骤S111，根据预设的宽幅星载SAR的系统参数和预设的模糊度阈值要求改变回波波束的相位，从而来调整其波束指向。

作为优选，步骤S2进一步包括：

步骤S21，对已调整的回波波束进行下变频；

步骤S22，对经过下变频的回波波束进行数字离散采样，从而转化为低频数字型回波波束。

作为优选，步骤S3进一步包括：

步骤S31，通过对低频数字型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤波从而将其合成为高增益接收窄波束。

作为优选，在步骤S3之后，方法进一步包括：

步骤S4，将高增益接收窄波束的灵敏度与预设的灵敏度阈值要求进行比较；

步骤S5，在高增益接收窄波束的灵敏度低于灵敏度阈值要求的情况下，调整发射波束指向、预设的宽幅星载SAR的距离向天线的尺寸和/或距离向子孔径的数量。

本发明还提供一种基于如前述方法的接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的装置，包括：

调整模块，其配置为调整由宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波束指向；

转化模块，其配置为将已调整的回波波束转化为低频数字型回波波束；

合成模块，配置为将低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。

作为优选，调整模块为距离向各接收子孔径模拟波控网络，其包括移相器，移相器配置为改变回波波束的相位来调整其波束指向。

作为优选，转化模块包括混频器，混频器配置为对已调整的回波波束进行下变频；

转化模块包括还包括A/D数字采集器，A/D数字采集器配置为对经过下变频的回波波束进行数字离散采样，从而转化为低频数字型回波波束；

合成模块为数字波束赋形网络，其包括复乘器和时延滤波器，配置为对低频数字型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤波从而将其合成为高增益接收窄波束。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：在不增加距离向接收子孔径数量的基础上，通过模拟波束指向控制和数字波束合成处理相结合使得星载SAR宽幅测绘模式系统在接收回波时能够在兼顾灵敏度的情况下，利用灵活的子孔径接收波束指向改善所接收的回波的距离向模糊度。

附图说明

图1为根据本发明实施例的接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法的流程图；

图2为根据本发明的一个实施例接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的装置的结构示意图；

图3为根据本发明的一个实施例对系统参数进行仿真迭代计算的流程图；

图4为根据本发明的一个实施例在100km宽幅模式系统的波位设计结果的示意图；

图5a为采用传统DBF的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距离向灵敏度NESZ的仿真结果；

图5b为采用传统DBF的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距离向模糊度RASR的仿真结果；

图6a为采用根据本发明的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距离向灵敏度NESZ的仿真结果；

图6b为采用根据本发明的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距离向模糊度RASR的仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的进行详细描述。

根据本发明的实施例，提供了一种接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法，如图1所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤S1，调整由宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波束指向，优选地，可以对所接收的回波波束进行放大，尤其可以通过低噪音放大器(Low NoiseAmplifier，LNA)来进行放大，有利地，步骤S1可以包括步骤S11，通过改变回波波束的相位来调整其波束指向，进一步地，步骤S11可以包括步骤S111，根据预设的宽幅星载SAR的系统参数和预设的模糊度阈值要求改变回波波束的相位，从而来调整其波束指向；

步骤S2，将已调整的回波波束转化为低频数字型回波波束，优选地，步骤S2可以分为：步骤S21，对已调整的回波波束进行下变频；以及步骤S22，对经过下变频的回波波束进行数字离散采样，从而转化为低频数字型回波波束；

步骤S3，将低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束，优选地，该步骤S3可以进一步包括步骤S31，即，通过对低频数字型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤波从而将其合成为高增益接收窄波束。

此外，根据本发明的实施例的方法在步骤S3之后，可以进一步包括：步骤S4，将高增益接收窄波束的灵敏度与预设的灵敏度阈值要求进行比较；以及步骤S5，在高增益接收窄波束的灵敏度低于灵敏度阈值要求的情况下，调整发射波束指向、预设的宽幅星载SAR的距离向天线的尺寸和/或距离向子孔径的数量。

本领域技术人员通晓的，下变频是一种对信号频率处理的过程，所得到的信号的频率低于处理前的信号的频率。因此，本发明的低频是指经过下变频后的回波波束频率低于之前回波波束频率，而不是仅仅表征低频的概念。

根据本发明的实施例的方法在不增加距离向接收子孔径数量的基础上，通过模拟波束指向控制和数字波束合成处理相结合使得星载SAR宽幅测绘模式系统在接收回波时能够在兼顾灵敏度的情况下，利用灵活的子孔径接收波束指向改善所接收的回波的距离向模糊度。

根据本发明的实施例，提供了一种基于如上述实施例的方法的接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的装置，该装置可以包括：

调整模块，其配置为调整由宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波束指向；

转化模块，其配置为将已调整的回波波束转化为低频数字型回波波束；

合成模块，配置为将低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。

具体地，调整模块可以为距离向各接收子孔径模拟波控ABF(Adaptive BeamForming，ABF，也可称为自适应天线波束赋形)网络，其可以包括移相器，该移相器配置为改变回波波束的相位来调整其波束指向；转化模块可以包括混频器，该混频器配置为对已调整的回波波束进行下变频；转化模块可以包括还包括A/D数字采集器，该A/D数字采集器配置为对经过下变频的回波波束进行数字离散采样，从而转化为低频数字型回波波束；合成模块为数字波束赋形DBF(Digital Beam Forming，DBF，也可称为数字波束形成或数字波束合成)网络，其包括复乘器和时延滤波器，配置为对低频数字型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤波从而将其合成为高增益接收窄波束。

图2为根据本发明的一个实施例接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的装置的结构示意图。如图2所示，该装置主要包括距离向各接收子孔径模拟波控ABF网络、混频器(图中以f_c表示)、A/D数字采集器和DBF网络，其中，ABF网络包括低噪音放大器LNA和移相器组，DBF网络主要包括导向矢量设备(图中以W₁…W_k表示)和时延滤波器组D₁…D_k。利用图2所示装置接收回波的过程主要包括：

步骤a1，利用距离向各接收子孔径模拟波控网络调整各个子孔径接收波束指向，具体地，通过距离向各接收子孔径接收回波波束，然后通过LNA对接收的回波波束进行放大，然后通过改变各个移相器的相位对距离向子孔径的接收波束指向进行调整，其调整角度可示为Δθ_r，其中，移相器是一种能够对波束的相位进行调整的装置，在本实施例中，一个子孔径对应一组移相器组，移相器组内的移相器的数量可根据需求而自行设置，而LNA的数量与移相器的数量对应；

其中，距离向每个子孔径对应的移相器组的相位为可以表示为

式中，M表示每个子孔径中阵元天线个数，d_e表示阵元天线长度，λ表示雷达波长，θ_L,n和θ_H,n分别表示第n个测绘带的起始视角和终止视角，θ_mid表示阵面天线的法向视角指向，Δθ_r为距离向子孔径的接收波束的调整角度。其中，阵元又叫阵子，用来产生带方向的无线电磁波，智能天线包含有不同方向的阵元，能产生多波束的电磁波；阵面天线θ_mid也可称为智能天线阵列，由多根阵元天线所组成，通过调节各阵元的加权幅度和相伴能改变阵面天线的方向图，从而抵制干扰、提高信干比。

步骤a2，距离向各子孔径接收到回波信号(即回波波束)，此时，该回波信号为高频模拟信号，当该回波信号经下变频(在超外差式接收机中，如果经过混频后得到的中频信号比原始信号低，那么此种混频方式叫做下变频，经过下变频处理能够降低信号的载波频率)之后，变为模拟低频信号(或者称模拟低频高频信号)，该低频信号经由A/D数字采集后变为数字低频信号，然后，利用距离向数字波束赋形网络将该数字信号合成为高增益接收窄波束，其中，DBF网络由距离向多通道信号与导向矢量w(τ)复乘(乘积因子为复数)、时延滤波器组D(τ)和多通道信号合成三部分组成。

其中，该导向矢量w(τ)可以表示为

$w\left(\mathrm{\τ}\right)=[1,\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin (\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\τ}\right)-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mid}})\right),...,\exp \left(j2\mathrm{\π}(K-1)\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin (\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\τ}\right)-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mid}})\right)]---\left(2\right)$

式中，τ表示距离向快时间(距离向的时间称为快时间)，d表示距离向相邻子孔径之间的间隔，θ(τ)表示随快时间变化波束指向角度，j为复数的表达。根据星载SAR成像几何关系，θ(τ)的表达式可以写成

$\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\τ}\right)=\arccos \sqrt{\frac{{(R_e+H)}^2+{(\mathrm{c\τ}/2)}^2-R_e^2}{(R_e+H)\·\mathrm{c\τ}}}---\left(3\right)$

式中，c表示光速，R_e表示地球半径，H表示卫星高度。

作为优选，在步骤S102中，所述的距离向时延滤波器组D(τ)可以表示为

D(τ)＝[D₁(τ),D₂(τ),...,D_K(τ)] (4)

其中

$D_k\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{(k-1)}{c}\·d\·\sin ({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mid}})-\frac{(k-1)f_0}{K_r}\≈\frac{(k-1)}{c}\·d\·\sin \left(\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\τ}\right){\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mid}}\right)-\frac{(k-1)f_0}{K_r}---\left(5\right)$

$f_0=\frac{d}{\mathrm{\λ}}\·\cos (\mathrm{\θ}\left({\mathrm{\τ}}_c\right)-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mid}})\·\frac{\∂\mathrm{\θ}\left({\mathrm{\τ}}_c\right)}{\∂\mathrm{\τ}}---\left(6\right)$

式中，D_k(τ)为第K个距离向时延滤波器，K_r表示发射信号调频率，θ₀表示目标实际对应的视角，τ_c表示测绘带中心对应的快时间，f_o为空间变量。

步骤a3，在采用这种距离向多孔径宽幅星载SAR回波高性能接收方法时，星载SAR系统可以同时调整发射波束指向来改善系统的灵敏度，其中，距离向发射波束指向的调整角度可以示为Δθ_t，该操作可以进一步获取较高的系统灵敏度。

其中，距离向接收波束调整角度Δθ_r和发射波束调整角度Δθ_t的选择过程主要是通过系统参数的反复迭代从而优化而获得。

根据本发明的一个实施例，对接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的过程进行仿真，在实际应用中可以采用有效的仿真结果参数对雷进行设置从而获得想要的结果。图3所示为根据本发明的一个实施例对系统参数进行仿真迭代计算的流程图，其中Δθ_r和Δθ_t的迭代初值设为0，表1为星载SAR的系统参数的列表。

表1

系统参数	值
		卫星高度	700km
雷达中心频率	9.65GHz
		天线尺寸(方位×距离)	15m×0.72m
子孔径数(方位×距离)	10×4

阵元天线数(方位×距离)	80×36
		发射脉冲宽度	80μs
发射脉冲带宽	500/350/240MHz
		发射机峰值功率	64kw
视角范围	18°～50°
		测绘带宽度	100km
测绘带之间的重叠度	≥5％

如图3所示，该仿真迭代计算具体步骤包括：

步骤S31，输入星载SAR系统参数、模糊度阈值要求和灵敏度阀值要求，星载SAR系统参数主要包括表1中示出的各个参数；

步骤S32，设计距离向天线尺寸(主要为天线长度)与通道数，其中，通道数与子孔径数相对应；

步骤S33，计算信号与模糊的几何关系，即，可以理解为计算有用回波信号与无用回波信号之间的角度关系；

步骤S34，利用ABF调整接收子阵天线指向，距离向接收波束的调整角度为Δθ_r；

步骤S35，利用DBF调整发射波束指向，且发射波束的调整角度为Δθ_t，从而调整善NESZ，即，调平NESZ曲线；

步骤S36，判断RASR是否满足预定的模糊度阈值要求，如果不满足要求，返回步骤S34重新计算，如果满足要求，则进行步骤S37；

步骤S37，判断NESZ是否满足预定的灵敏度阈值要求，如果不满足要求，返回步骤S32进行天线尺寸的调整和/或通道数的调整，如果满足要求，则进行步骤S38。此外在实际应用中，如果NESZ偏离灵敏度阈值要求较低(可以预设一个值，以低于此值的情况为较低的标准)，则本步骤37不满足度较低的情况下返回步骤S35调整发射波束指向，图3中未示出；

步骤S38，得到距离向系统参数设计结果，包括天线尺寸、通道数、Δθ_r和Δθ_t。

图4示出根据本发明的一个实施例在100km宽幅模式系统(即该系统的测绘带宽度为100km)的波位设计结果，其中，横轴为PRF(Pulse RecurrenceFrequency，脉冲重复频率)，纵轴为视角，从图4中可以看出共有8个波位，分布在900Hz至1100Hz之间，除代表波位的线条之外，其余的粗线条分别代表星下点和发射时间点等不能接收波束的位置和时间。图5a所示为采用传统DBF的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距离向灵敏度NESZ的仿真结果；图5b所示为采用传统DBF的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距离向模糊度RASR的仿真结果；图6a所示为采用根据本发明的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距离向灵敏度NESZ的仿真结果；图6b所示为采用根据本发明的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距离向模糊度RASR的仿真结果。

从图5b中可以看出，部分波位的RASR大于-25dB无法满足未来星载SAR的应用需求。从图6b与图5b的对比可知，部分系统波位的RASR得到了明显改善。对比图5a和图6a的两种回波接收方法的系统NESZ可以发现，两种方法的系统NESZ基本相当。因此，相比于传统距离向DBF接收方法，本发明的距离向多孔径宽幅星载SAR回波高性能接收方法在能保持较好系统NESZ的同时还能够较好地抑制星载SAR系统的RASR。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，调整由所述宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波束指向；

步骤S2，将已调整的所述回波波束转化为低频数字型回波波束；

步骤S3，将所述低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：

步骤S11，通过改变所述回波波束的相位来调整其波束指向。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S11进一步包括：

步骤S111，根据预设的所述宽幅星载SAR的系统参数和预设的模糊度阈值要求改变所述回波波束的相位，从而来调整其波束指向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：

步骤S21，对已调整的所述回波波束进行下变频；

步骤S22，对经过下变频的回波波束进行数字离散采样，从而转化为所述低频数字型回波波束。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：

步骤S31，通过对所述低频数字型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤波从而将其合成为高增益接收窄波束。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3之后，所述方法进一步包括：

步骤S4，将所述高增益接收窄波束的灵敏度与预设的灵敏度阈值要求进行比较；

步骤S5，在所述高增益接收窄波束的灵敏度低于所述灵敏度阈值要求的情况下，调整发射波束指向、预设的所述宽幅星载SAR的距离向天线的尺寸和/或所述距离向子孔径的数量。

7.一种基于如权利要求1所述的方法的接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的装置，其特征在于，包括：

调整模块，其配置为调整由所述宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波束指向；

转化模块，其配置为将已调整的所述回波波束转化为低频数字型回波波束；

合成模块，配置为将所述低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述调整模块为距离向各接收子孔径模拟波控网络，其包括移相器，所述移相器配置为改变所述回波波束的相位来调整其波束指向。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述转化模块包括混频器，所述混频器配置为对已调整的所述回波波束进行下变频；

所述转化模块还包括A/D数字采集器，所述A/D数字采集器配置为对经过下变频的回波波束进行数字离散采样，从而转化为所述低频数字型回波波束；

所述合成模块为数字波束赋形网络，其包括复乘器和时延滤波器，配置为对所述低频数字型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤波从而将其合成为高增益接收窄波束。