CN104166141A - 基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，包括雷达波形产生模块产生各发射阵元发射所需的正交编码信号；雷达以M个发射阵元同时发射信号，以N个接收阵元同时接收回波信号；每个接收阵元通过主接收通道接收回波信号，通过子接收通道从主接收通道接收到的回波信号中提取自身需要的部分回波信号，每个接收阵元具有M个子接收通道；对M个子接收通道得到的部分回波信号进行信号重构；对重构后的信号在距离向进行子带合成。本发明采用基于子脉冲线性调频步进体制即子带合成的方位多孔径MIMOSAR系统，成倍降低了系统的瞬时工作带宽及采样率，可在SAR模式下可以实现远距离高分辨率宽观测带成像。
Description
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达技术领域，尤其是一种基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法。
背景技术
随着合成孔径雷达(SAR)系统和信号处理技术的不断发展，同时实现高分辨率宽测绘带已成为新一代SAR系统的研制目标。为了突破脉冲重复频率（PRF）对观测带宽和方位向分辨率的限制，Currie等提出多相位中心SAR模式。然而，一发多收（MISO） SAR采用方位向单发多收的体制，可用的空间采样数目受限于接收阵元的数目。考虑到实际的机/星载运动平台尺寸、有效载荷等限制，MISO SAR的接收阵元数目和阵列尺寸不能大量增加。因此，MISO SAR在解决方位分辨力和测绘带宽矛盾方面的能力有限。
多输入多输出（MIMO）体制能够带来更高的阵列得益和空间分集增益，可以更为有效地缓解PRF的压力。另外距离分辨率同系统发射信号的带宽成反比, 分辨率越高要求的系统发射信号的带宽越大。若要达到0.1m分辨率，则要求的系统发射信号的带宽高达1.8GHz以上，大带宽带来了宽带发射、宽带解调、宽带采样等一系列难题，当前器件水平很难满足大带宽系统要求，为了解决这一矛盾，可以采用子脉冲线性调频步进体制，即子带合成。中国电子科技集团公司第三十八所在2009年采用子带合成的体制率先在国内实现了优于0.1米×0.1米的SAR成像，但是子带合成体制的不足之处在于增大了系统的PRF，在应用中受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够成倍降低系统的瞬时工作带宽及采样率，有效地解决了常规子带合成SAR系统中存在的PRF限制的问题，在SAR模式下可以实现远距离高分辨率宽观测带成像的基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）雷达波形产生模块产生各发射阵元发射所需的正交编码信号；
（2）雷达以M个发射阵元同时发射信号，以N个接收阵元同时接收回波信号；
（3）每个接收阵元通过主接收通道接收回波信号，通过子接收通道从主接收通道接收到的回波信号中提取自身需要的部分回波信号，每个接收阵元具有M个子接收通道；
（4）对M个子接收通道得到的部分回波信号进行信号重构；
（5）对重构后的信号在距离向进行子带合成。
所述发射信号波形采用线性调频步进子脉冲信号，各连续发射的两个子带中心频率非相邻；各发射阵元在方位向发射在同一脉冲重复周期PRT内同频段、在多个脉冲重复周期PRT内步进载频子带合成的正交编码信号。
通过子接收通道从接收到的回波信号中等间隔提取自身需要的部分回波信号之后，通过常数相位补偿，对由空间采样代替时间采样引入的等效相位中心误差进行补偿。
在通过主接收通道接收回波信号后，先经匹配滤波将回波信息分离，等间隔地提取出需要的部分回波信号，再利用多普勒模糊算法计算出回波的多普勒速度信息，用于信号重构；在进行信号重构时，对所有子接收通道的部分回波信号均匀重构，各方位的回波信号可用以下矩阵表示：
其中，SMN为第M个发射阵元和第N个接收阵元对应的回波信号，在SAR成像模式下，将矩阵的每一列相干叠加等效于一个空间采样点，矩阵的列数即是成像模式在一个PRT内等效的空间采样点数。
在进行信号重构时，仅针对范围内的信号进行重构，其中，PRF为脉冲重复频率，Va为雷达的载机地速，D为雷达的天线方位向口径，N为接收阵元的个数。
在距离向进行子带合成时，采用子脉冲线性调频体制频域合成宽带信号，在多个PRT内发射K个载频步进的线性调频信号，对同个PRT内的多通道信号均匀重构后形成单通道接收信号，在频域对每个步进频率信号进行匹配滤波，通过频谱搬移将各步进频率信号在频域进行相干合成宽带信号，最后再进行逆傅里叶变换；
回波模型如下：
，
其中，为第k个子带载频中心角频率，为与发射线性调频信号调频斜率相关的参数，为子带信号脉冲宽度，为作用距离，为光速，为相邻子带脉冲起始时间间隔，为子带总数，设为发射的第n个脉冲是第k个子带信号时接收的回波信号，为观测区域之间的目标反射系数；
令，，上式可表示为：
，
令，上式可表示为如下卷积形式：
为的一个子频带域观察。回波信号经接收机下变频处理为：
对上式进行Fourier变换得：
其中，为基带信号频率范围，为发射第n个脉冲时接收到的基带信号频谱，为第n个发射脉冲的基带频谱， 为距离目标函数的第n个基带观察频谱；
对上式进行变频处理为：
经Fourier变换得：
其中，是的复共轭，表示频域匹配滤波；将个脉冲所得到的进行相干合成得：
于是可得一维距离像：
可见，第一次变频处理由接收机硬件实现，第二次变频处理通过K个子带回波信号经匹配滤波后的频谱进行搬移即可实现，最后将K个经过频谱搬移后的频谱进行相干合成便得到了距离函数的空间频率域响应，对之进行逆Fourier变换便可得到一维距离像。
在距离向子带合成时，对各子带频谱进行相干相加，补偿由不同波长带来的延迟相位因子，其中，为参考距离，为第i个步进载频信号的中心频率，c为光速。
方位向子带合成MIMO SAR系统的信噪比表示为：
。
其中，为雷达发射峰值功率，为发射脉冲宽度，为子孔径天线发射增益，为子孔径天线接收增益，为发射信号波长，为距离向分辨率，为目标后向散射截面积，为玻尔兹曼常数，为绝对温度，为噪声系数，为雷达损耗系数，为平台巡航速度，为雷达作用距离，为擦地角，N为接收阵元的个数。
由上述技术方案可知，本发明针对传统单通道SAR系统无法同时实现方位向高分辨率和远距离大测绘带宽的不足，采用基于子脉冲线性调频步进体制即子带合成的方位多孔径MIMO SAR 系统，该系统具有常规子带合成SAR系统的优势，成倍降低了系统的瞬时工作带宽及采样率，同时利用MIMO SAR技术有效地解决了常规子带合成SAR系统PRF限制的问题，可在SAR模式下可以实现远距离高分辨率宽观测带成像。
附图说明
图1是本发明的设计方法流程图。
图2是本发明的信号处理流程图。
图3是本发明子带合成载频步进顺序示意图。
图4是本发明基于MIMO的三发三收系统实施例的工作状态示意图。
图5是图4的均匀采样的相位中心示意图。
图6是图4的非均匀采样的相位中心示意图。
图7是本发明中方位向重构流程图。
图8是本发明中距离向子带合成流程图。
图9是本发明距离向子带合成仿真结果示意图。
图10是本发明距离向子带合成示意图。
图11是本发明距离向子带合成相位误差补偿前后脉压效果对比图。
具体实施方式
一种基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，该方法包括：（1）雷达波形产生模块产生各发射阵元发射所需的正交编码信号；（2）雷达以M个发射阵元同时发射信号，以N个接收阵元同时接收回波信号；（3）每个接收阵元通过主接收通道接收回波信号，通过子接收通道从主接收通道接收到的回波信号中提取自身需要的部分回波信号，每个接收阵元具有M个子接收通道；（4）对M个子接收通道得到的部分回波信号进行信号重构；（5）对重构后的信号在距离向进行子带合成，如图1所示。所述发射信号波形采用线性调频步进子脉冲信号，各连续发射的两个子带中心频率非相邻；各发射阵元在方位向发射在同一脉冲重复周期PRT内同频段、在多个脉冲重复周期PRT内步进载频子带合成的正交编码信号。
如图2所示，雷达以M个发射阵元在方位向同时发射单个PRT内同频段、多个PRT内不同载频的正交编码信号，以N个接收阵元同时接收回波信号，M和N可以相同也可以不同，一次信号收发最多可获得M·N个不同的等效空间采样。考虑到平台的安装限制，一般设计为收发共用N个阵元，一次收发最多可获得(2N-1)个不同的等效空间采样，经步骤三和四对空间采样进行后续处理实现信号重构。由于应用了MIMO技术，可推知，与单通道合成孔径雷达SAR相比，应用了MIMO技术的SAR，脉冲重复频率PRF可降低1/(2N-1)倍，如图4的三发三收系统，即N=3，PRF可降低1/(2×3-1)倍，缓解了PRF的设计压力。再经步骤五对重构后的信号在距离信号进行子带合成，对于K个载频步进的线性调频脉冲，与单个子带系统相比，子带合成后，分辨率提高了K倍；与合成后相同发射带宽系统相比，其瞬时带宽与采样率约降低了K倍。
具体来看，首先，基于MIMO系统的信号分离应当从发射波形选择和接收信号分选两个环节设计。多个发射机发射信号时，为了有效实现回波分离形成空间连续采样，需要合理设计发射波形，可使用的方法有频谱搬移法、时间偏移子脉冲法、相位正交编码法、时域正交编码法、空时编码法等。接收的回波中包含不同发射机发射信号的回波，若采用M发N收的MIMO阵列获得空时等效采样，需在每个接收阵元后并接M路子接收通道，M路子接收通道与M个发射阵元一一对应，子接收通道通过匹配滤波，将回波经相应的匹配滤波器分离后，在通过解多普勒模糊算法，可区分并等间隔提取出各自对应的子发射信号的回波，进行多通道回波信号的均匀重构，空间采样率可获得很大提高，从而降低时间采样率。通过多通道回波信号均匀重构，将M路子接收通道的回波等间隔地插入到一个PRT内，形成较高的等效，相对于原先要求的，将PRF的设计压力缓解了2N-1倍，在相同的PRF下，可允许更宽的多普勒带宽，从而获得更高的方位分辨率。其次，在距离向进行子带合成时，采用子脉冲线性调频体制频域合成宽带信号，在多个PRT内发射K个载频步进的线性调频信号，对同个PRT内的多通道信号均匀重构后形成单通道接收信号，在频域对每个步进频率信号进行匹配滤波，通过频谱搬移将各步进频率信号在频域进行相干合成宽带信号，最后再进行逆傅里叶变换。通过子脉冲线性调频信号子带合成方法，保留了子带步进信号低采样率及窄带处理的优点，同时具备线性调频信号大时宽积的特点，子带信号频域相干合成宽带信号后，可使用常规成像算法进行成像，可或得更高的距离向分辨率。本发明在相同的RPF下，可允许更大的多普勒带宽，实现窄带处理和采样率的同时，可合成宽带信号，从而实现高分辨、远距离宽测绘带成像。
上述过程中，由于空间采样代替时间采样时等效相位中心处理的应用，会引入等效相位中心误差。通过子接收通道从接收到的回波信号中等间隔提取自身需要的部分回波信号之后，通过常数相位补偿，对由空间采样代替时间采样引入的等效相位中心误差进行补偿；通过常数相位补偿环节，可有效补偿等效相位中心误差，此时系统可等效为单发单收的工作方式。
上述过程中，发射信号采用步进载频子脉冲线性调频形式，为避免系统距离模糊，继续发射的两个字的中心频率不能相邻，以K=5个载频信号为例，设计步进顺序为1-3-5-2-4，如图3所示。
在距离向子带合成时，对各子带频谱进行相干相加，补偿由不同波长带来的延迟相位因子，其中，为参考距离，为第i个步进载频信号的中心频率，c为光速。对于不同载频子脉冲而言，由相同的参考距离带来的固定相位并不相同，如果不对其进行补偿，将导致合成期间各子脉冲直接的非相干合成。
图4所示的三发三收系统使用收发共用阵元，天线的3个子孔径同时发射信号，然后同时接收回波信号，子孔径长度为D，子孔径间距为d，图5所示为三发三收系统的均匀采样的相位中心示意图，其中，三个阵元A1、A2和A3对应的发射相位中心分别为T1、T2和T3；接收相位中心分别为R1、R2和R3。阵元A1的等效相位中心为E11、E12、E13；阵元A2的等效相位中心为E21、E22、E23；阵元A3的等效相位中心为E31、E32、E33。则一次发射等效的相位中心为P11、P12、P13、P14、P15，因而在每个PRT内，在整个天线长度对目标有5次空间采样，也就是2N-1，N=3的情况。在此情况下，PRF的设计应满足下式：
其中，由于平台速度与实际发射的PRF不能满足上式条件，多通道接收到的回波数据会表现出非均匀采样特性，引起压缩后图像出现成对虚假目标，即所谓的空时不等效现象，需要对回波数据进行数据重构。
图6为非均匀采样的相位中心示意图，研究发现当时，重构后的均匀采样数据仍然欠采样，因此只需考虑的情况，即图5的，对信号进行重构。也就是说，在进行信号重构时，仅针对范围内的信号进行重构，其中，PRF为脉冲重复频率，Va为雷达的载机地速，D为雷达的天线方位向口径，N为接收阵元的个数。
如图7所示，以一个脉冲重复周期内收发共用阵列的M发N收SAR系统为例，各方位的回波信号可用以下矩阵表示：
其中，SMN为第M个发射阵元和第N个接收阵元对应的回波信号，在SAR成像模式下，将矩阵的每一列相干叠加等效于一个空间采样点，矩阵的列数即是成像模式在一个PRT内等效的空间采样点数。
在通过主接收通道接收回波信号后，先经匹配滤波将回波信息分离，等间隔地提取出需要的部分回波信号，再利用多普勒模糊算法计算出回波的多普勒速度信息，用于信号重构；在进行信号重构时，对所有子接收通道的部分回波信号均匀重构。
如图8所示，回波模型如下：
，
其中，为第k个子带载频中心角频率，为与发射线性调频信号调频斜率相关的参数，为子带信号脉冲宽度，为作用距离，为光速，为相邻子带脉冲起始时间间隔，为子带总数，设为发射的第n个脉冲是第k个子带信号时接收的回波信号，为观测区域之间的目标反射系数；
令，，上式可表示为：
，
令，上式可表示为如下卷积形式：
为的一个子频带域观察。回波信号经接收机下变频处理为：
对上式进行Fourier变换得：
其中，为基带信号频率范围，为发射第n个脉冲时接收到的基带信号频谱，为第n个发射脉冲的基带频谱， 为距离目标函数的第n个基带观察频谱；
对上式进行变频处理为：
经Fourier变换得：
其中，是的复共轭，表示频域匹配滤波；将个脉冲所得到的进行相干合成得：
于是可得一维距离像：
可见，第一次变频处理由接收机硬件实现，第二次变频处理通过K个子带回波信号经匹配滤波后的频谱进行搬移即可实现，最后将K个经过频谱搬移后的频谱进行相干合成便得到了距离函数的空间频率域响应，对之进行逆Fourier变换便可得到一维距离像。
图9为对5个带宽为400MHz的子带合成、合成后距离脉压的仿真结果，子带合成带宽为MHz宽带信号；图10是距离向子带合成示意图。
图11是本发明距离向子带合成相位误差补偿前后脉压效果对比图，在误差相位补偿过程中，由于参考距离不能精确的测量得出，因此以图像对比度为原则，对一定参考距离范围内的误差相位进行搜索，当对比度最大时可获得最佳距离分辨，此时的误差相位即为需要补偿的相位因子。
本发明方位向由N个子天线组成，经过子带合成脉冲压缩后，信噪比增益为，其中为发射脉宽，为频谱合成后的信号带宽，为子带带宽，不考虑子带间的重叠，则，kr表示加权及其它因素造成的压缩后信噪比达不到理想倍数的一个系数。方位向高分辨率聚焦处理获得的信噪比增益为，其中合成孔径时间， 为方位向子孔径尺寸，为MIMO SAR系统的脉冲重复频率，ka表示加权及其它因素造成的压缩后信噪比达不到理想倍数的一个系数。另外合成后的距离向分辨率提高了近似N倍，约为，其中为子带对应的距离向分辨率。如此，
方位向子带合成MIMO SAR系统的信噪比表示为：
。
其中，为雷达发射峰值功率，为发射脉冲宽度，为子孔径天线发射增益，为子孔径天线接收增益，为发射信号波长，为距离向分辨率，为目标后向散射截面积，为玻尔兹曼常数，为绝对温度，为噪声系数，为雷达损耗系数，为平台巡航速度，为雷达作用距离，为擦地角，N为接收阵元的个数。
表1为对雷达波长0.0314m，平台巡航高度为40km，巡航速度为1020m/s，天线方位向尺寸为4.28m，MIMO SAR系统设计结果：
表1
综上所述，本发明针对传统单通道SAR系统无法同时实现方位向高分辨率和远距离大测绘带宽的不足，采用基于子脉冲线性调频步进体制即子带合成的方位多孔径MIMO SAR 系统，该系统具有常规子带合成SAR系统的优势，成倍降低了系统的瞬时工作带宽及采样率，同时利用MIMO SAR技术有效地解决了常规子带合成SAR系统PRF限制的问题，可在SAR模式下可以实现远距离高分辨率宽观测带成像。
Claims (8)
1.一种基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，其特征在于该方法包括下列顺序的步骤：
（1）雷达波形产生模块产生各发射阵元发射所需的正交编码信号；
（2）雷达以M个发射阵元同时发射信号，以N个接收阵元同时接收回波信号；
（3）每个接收阵元通过主接收通道接收回波信号，通过子接收通道从主接收通道接收到的回波信号中提取自身需要的部分回波信号，每个接收阵元具有M个子接收通道；
（4）对M个子接收通道得到的部分回波信号进行信号重构；
（5）对重构后的信号在距离向进行子带合成。
2.根据权利要求1所述的基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，其特征在于：所述发射信号波形采用线性调频步进子脉冲信号，各连续发射的两个子带中心频率非相邻；各发射阵元在方位向发射在同一脉冲重复周期PRT内同频段、在多个脉冲重复周期PRT内步进载频子带合成的正交编码信号。
3.根据权利要求1所述的基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，其特征在于：通过子接收通道从接收到的回波信号中等间隔提取自身需要的部分回波信号之后，通过常数相位补偿，对由空间采样代替时间采样引入的等效相位中心误差进行补偿。
4.根据权利要求1所述的基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，其特征在于：在通过主接收通道接收回波信号后，先经匹配滤波将回波信息分离，等间隔地提取出需要的部分回波信号，再利用多普勒模糊算法计算出回波的多普勒速度信息，用于信号重构；在进行信号重构时，对所有子接收通道的部分回波信号均匀重构，各方位的回波信号可用以下矩阵表示：
其中，SMN为第M个发射阵元和第N个接收阵元对应的回波信号，在SAR成像模式下，将矩阵的每一列相干叠加等效于一个空间采样点，矩阵的列数即是成像模式在一个PRT内等效的空间采样点数。
5.根据权利要求1所述的基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，其特征在于：在进行信号重构时，仅针对范围内的信号进行重构，其中，PRF为脉冲重复频率，Va为雷达的载机地速，D为雷达的天线方位向口径，N为接收阵元的个数。
6.根据权利要求1所述的基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，其特征在于：在距离向进行子带合成时，采用子脉冲线性调频体制频域合成宽带信号，在多个PRT内发射K个载频步进的线性调频信号，对同个PRT内的多通道信号均匀重构后形成单通道接收信号，在频域对每个步进频率信号进行匹配滤波，通过频谱搬移将各步进频率信号在频域进行相干合成宽带信号，最后再进行逆Fourier变换；
回波模型如下：
，
其中，为第k个子带载频中心角频率，为与发射线性调频信号调频斜率相关的参数，为子带信号脉冲宽度，为作用距离，为光速，为相邻子带脉冲起始时间间隔，为子带总数，设为发射的第n个脉冲是第k个子带信号时接收的回波信号，为观测区域之间的目标反射系数；
令，，上式可表示为：
，
令，上式可表示为如下卷积形式：
为的一个子频带域观察；
回波信号经接收机下变频处理为：
对上式进行Fourier变换得：
其中，为基带信号频率范围，为发射第n个脉冲时接收到的基带信号频谱，为第n个发射脉冲的基带频谱， 为距离目标函数的第n个基带观察频谱；
对上式进行变频处理为：
经Fourier变换得：
其中，是的复共轭，表示频域匹配滤波；将个脉冲所得到的进行相干合成得：
于是可得一维距离像：
可见，第一次变频处理由接收机硬件实现，第二次变频处理通过K个子带回波信号经匹配滤波后的频谱进行搬移即可实现，最后将K个经过频谱搬移后的频谱进行相干合成便得到了距离函数的空间频率域响应，对之进行逆傅里叶变换便可得到一维距离像。
7.根据权利要求1所述的基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，其特征在于：在距离向子带合成时，对各子带频谱进行相干相加，补偿由不同波长带来的延迟相位因子，其中，为参考距离，为第i个步进载频信号的中心频率，c为光速。
8.根据权利要求1所述的基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达系统设计方法，其特征在于：方位向子带合成MIMO SAR系统的信噪比表示为：
；
其中，为雷达发射峰值功率，为发射脉冲宽度，为子孔径天线发射增益，为子孔径天线接收增益，为发射信号波长，为距离向分辨率，为目标后向散射截面积，为玻尔兹曼常数，为绝对温度，为噪声系数，为雷达损耗系数，为平台巡航速度，为雷达作用距离，为擦地角，N为接收阵元的个数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |