CN104181533A - 一种基于时延离散化的sar回波仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达回波信号领域，尤其涉及一种基于时延离散化的SAR回波仿真：首先把回波时延离散化，将散射单元的回波时延范围离散成确定的几个回波时延，从而得到对应离散后时延的等效散射单元，再计算每个散射单元的回波时延和回波增益幅度，然后根据每个散射单元的回波时延，将可以合并到同一个离散回波时延的散射单元的回波增益幅度进行叠加，获得等效散射单元的回波增益幅度，最后根据所有等效散射单元的回波增益幅度进行SAR回波计算。

Description

一种基于时延离散化的SAR回波仿真方法
技术领域
本发明属于雷达回波信号领域，尤其涉及一种基于时延离散化的SAR回波仿真。
背景技术
合成孔径雷达(SAR：Synthetic Aperture Radar)仿真技术是一种用仿真的方法来研究SAR的技术，它在SAR的研究和研制工作中，具有十分重要的作用。仿真结果的逼真度和仿真运算效率是制约SAR仿真技术实际应用的两个因素，而这两大要素均与SAR回波仿真这一SAR仿真中的关键步骤密切相关。SAR回波仿真的逼真度可以通过对成像区域高精度的三维建模，高精度电磁散射特性仿真计算和适当的建模手段来保证；仿真效率可以通过设计高效的仿真结构，选择高性能仿真计算平台来保证。
随着SAR系统朝着高分辨的方向发展，SAR回波仿真的场景分辨率越来越高，SAR回波仿真所需的计算量也越来越大。SAR仿真技术的发展趋势就是可以高效率、高精度的完成不同成像方式下的SAR回波仿真，在保证仿真平台通用性的前提下提高仿真效率，尽量做到实时仿真。
SAR回波信号仿真中有两点非常重要，一是方位回波信号要保持一定的相位关系，产生多普勒相位函数；二是距离徙动的存在，不同方位向回波信号在距离向存在徙动。要快速、准确地生成这样的SAR原始回波信号，需要进行大量的数值计算。到目前为止，国内外很多SAR研究机构在进行SAR系统研究过程中提出了很多有效的回波信号生成算法，其中最具有代表性的是距离时域脉冲相干(RTPC)、距离频域脉冲相干(RFPC)法和二维频域快速傅氏变换(2DFFT)法等3种算法。
距离时域脉冲相干算法是一种精度很高的仿真算法，但是仿真计算量大，因此为了在保证运算精度的前提下提高运算效率，需要一种快速时域SAR回波仿真方法。
对于一个由M个散射单元组成的场景，使用距离时域脉冲相干计算，其SAR回波表达式为：其中，发射信号为s(t)，第i个散射单元的回波增益幅度为Ai，第i个散射单元的时延为ηi。如果发射的是线性调频信号，则 s ( t ) = rect ( t T r ) exp ( j 2 π f c t + jπK t 2 ) = rect ( t T r ) exp [ φ ( t ) ] , 其中，fc为发射信号的载频，K为调频率。由于计算机计算sin和cos函数的时间较长，因此回波仿真主要耗费的时间在于计算exp[φ(t)]。
散射单元的时延η是一个介于脉冲采样开始时间tstart和采样结束时间tend之间的连续随机变量。为了提高运行效率，将[tstart,tend]这段时间以间隔T离散化，即将场景散射单元可能连续取值的时延离散为确定的几个值τ1,τ2...τN，这样计算exp[φ(t)]的时候只需要对这N个时延的虚拟等效散射单元进行计算，而不需要对场景中所有的散射单元进行计算。
如果场景散射单元的时延划分为N个值，即计算每个脉冲回波时将场景等效为N个不同时延的虚拟等效散射单元，则SAR回波表达式为其中，Bj为离散化后时延为τj的虚拟等效散射单元的等效增益幅度，Aj,i是时延η可以离散化为τj的散射单元回波增益幅度。如果不考虑时延离散化后增益幅度合并的时间，即计算的时间，则时延离散化后的运算时间是之前的N/M倍。一般情况下M＞10N，所以将散射单元时延离散化可以显著提高运行效率。而合并同一个时延增益的计算，因为做的是判断和加法，这部分是由CPU使用多线程来完成，占整个计算的时间很少的部分。
据此提出了使用时延离散化的方法计算SAR回波数据从而在保证运算精度的前提下提高了运算效率。
发明内容
本发明的主要目的是为了针对SAR仿真系统随着仿真场景分辨率提高，仿真场景中散射单元数目增加所带来的回波仿真计算量大的问题，研究设计的一种基于时延离散化的SAR回波仿真方法：首先把回波时延离散化，将散射单元的回波时延范围离散成确定的几个回波时延，从而得到对应离散后时延的等效散射单元，再计算每个散射单元的回波时延和回波增益幅度，然后根据每个散射单元的回波时延，将可以合并到同一个离散回波时延的散射单元的回波增益幅度进行叠加，获得等效散射单元的回波增益幅度，最后根据所有等效散射单元的回波增益幅度进行SAR回波计算。
一种基于时延离散化的SAR回波仿真方法，包括如下步骤：
S1、确定SAR回波仿真每个脉冲回波采样的开始时间tstart和结束时间tend，得到回波时延的范围[tstart,tend]；
S2、将S1所述回波时延采样范围[tstart,tend]按照等间隔时间T离散化为N个时延τ1,τ2...τN，即可得到对应该N个时延的N个虚拟等效散射单元；
S3、计算每个脉冲回波时，确定平台在该脉冲位置时场景中每个散射单元的回波时延η和回波增益幅度A；
S4、将S3所述回波时延可以等效为同一个离散时延τ的散射单元所对应的增益幅度合并为该虚拟等效散射单元的增益幅度，即其中，Aj,i是时延η可以离散化为τj的散射单元回波增益幅度，1≤j≤N，mj是时延可以等效为τj的散射单元的数目，1≤i≤mj；
S5、根据S4所述等效散射单元的回波增益幅度Bj计算SAR回波，即其中，s(t)是发射信号，t是时间。
进一步地，S2所述等间隔离散化时，采样的间隔其中，f为采样信号的最大频率。
进一步地，S3所述确定场景中的每个散射单元的回波时延和回波增益幅度，具体如下：
S31、将场景中每个散射单元的空间坐标信息转换到天线坐标系下，计算出天线增益和散射单元距离天线的距离R；
S32、根据S31所述R得到场景中的每个散射单元的回波时延η＝2R/c，其中，c为光速；
S33、根据雷达距离方程计算每个散射单元的回波功率Pr，其中，G为天线增益，λ为信号波长σ为该散射单元的RCS；
S34、根据回波增益幅度A与回波功率Pr的关系Pr＝A2/2计算每个散射单元的回波增益幅度A。
本发明的有益效果是：
利用等效的散射单元来完成SAR回波的计算，通过减少sin和cos函数的计算次数，来提高系统的计算效率，同时保证了计算的精度。
附图说明
图1是本发明的实施例流程图。
图2是时延离散化等效示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，根据输入的仿真参数对仿真系统进行初始化。
S1、确定SAR回波仿真每个脉冲回波采样的开始时间tstart和结束时间tend，得到回波时延的范围[tstart,tend]。
S2、将S1所述回波时延采样范围[tstart,tend]按照等间隔时间T离散化为N个时延τ1,τ2...τN，即可得到对应该N个时延的N个虚拟等效散射单元，采样的间隔其中，f为采样信号的最大频率。
由于使用时延离散化的方法是用一个等效的散射单元时延τj来近似实际该散射单元的回波时延η，因此不可避免的会引入一些误差，所以需要分析时延离散化间隔对误差的影响，以及怎么样的时延间隔T才是仿真系统可以承受的。
对时延进行等效的过程会引入时延误差Δτ，时延误差Δτ使得散射单元在每个采样点的相位φ也会存在误差Δφ，从而影响SAR回波数据的准确性。经验表明如果散射单元在回波每个采样点的相位误差Δφ大于π/4，则会对SAR的成像结果造成影响，因此需要对时延离散化引入的误差进行分析。考虑按照T采样间隔将连续的散射单元时延离散化，如图2所示。
由于对时延的近似，时延会存在一个最大误差Δτ＝T/2，则散射单元回波会存在一个最大相位误差，这个相位误差为φ＝2πfΔτ＝πfT，当相位误差φ小于π/4时，认为可以忽略，即因此对时延进行离散化的过程中，采样的间隔T不能大于1/(4f)，否则引入的相位误差会大于π/4，从而会影响回波数据的准确性。对于线性调频信号，信号的频率f在信号持续时间内会发生变化，此时应选取最大的f来计算。
S3、计算每个脉冲回波时，确定平台在该脉冲位置时场景中每个散射单元的回波时延η和回波增益幅度A，具体如下：
S31、将场景中每个散射单元的空间坐标信息转换到天线坐标系下，计算出天线增益和散射单元距离天线的距离R；
S32、根据S31所述R得到场景中的每个散射单元的回波时延η＝2R/c，其中，c为光速；
S33、根据雷达距离方程计算每个散射单元的回波功率Pr，其中，G为天线增益，λ为信号波长σ为该散射单元的RCS；
S34、根据回波增益幅度A与回波功率Pr的关系Pr＝A2/2计算每个散射单元的回波增益幅度A。
S4、将S3所述回波时延可以等效为同一个离散时延τ的散射单元所对应的增益幅度合并为该虚拟等效散射单元的增益幅度，即其中，Aj,i是时延η可以离散化为τj的散射单元回波增益幅度，1≤j≤N，mj是时延可以等效为τj的散射单元的数目，1≤i≤mj。
S5、根据S4所述等效散射单元的回波增益幅度Bj计算SAR回波，即其中，s(t)是发射信号，t是时间。

Claims (3)

1.一种基于时延离散化的SAR回波仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定SAR回波仿真每个脉冲回波采样的开始时间tstart和结束时间tend，得到回波时延的范围[tstart,tend]；
S2、将S1所述回波时延采样范围[tstart,tend]按照等间隔时间T离散化为N个时延τ1,τ2...τN，即可得到对应该N个时延的N个虚拟等效散射单元；
S3、计算每个脉冲回波时，确定平台在该脉冲位置时场景中每个散射单元的回波时延η和回波增益幅度A；
S4、将S3所述回波时延可以等效为同一个离散时延τ的散射单元所对应的增益幅度合并为该虚拟等效散射单元的增益幅度，即其中，Aj,i是时延η可以离散化为τj的散射单元回波增益幅度，1≤j≤N，mj是时延可以等效为τj的散射单元的数目，1≤i≤mj；
S5、根据S4所述等效散射单元的回波增益幅度Bj计算SAR回波，即其中，s(t)是发射信号，t是时间。
2.根据权利要求1所述一种基于时延离散化的SAR回波仿真方法，其特征在于：S2所述等间隔离散化时，采样的间隔其中，f为采样信号的最大频率。
3.根据权利要求1所述一种基于时延离散化的SAR回波仿真方法，其特征在于：S3所述确定场景中的每个散射单元的回波时延和回波增益幅度，具体如下：
S31、将场景中每个散射单元的空间坐标信息转换到天线坐标系下，计算出天线增益和散射单元距离天线的距离R；
S32、根据S31所述R得到场景中的每个散射单元的回波时延η＝2R/c，其中，c为光速；
S33、根据雷达距离方程计算每个散射单元的回波功率Pr，其中，G为天线增益，λ为信号波长σ为该散射单元的RCS；
S34、根据回波增益幅度A与回波功率Pr的关系Pr＝A2/2计算每个散射单元的回波增益幅度A。
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