CN104880699A - 一种合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种合成孔径雷达脉冲重复频率下限值的确定方法，可突破雷达工作平台和工作模式的限制，得到准确的脉冲重复频率下限值。该方法包括如下步骤：确定合成孔径雷达目标回波信号的多普勒带宽；确定所述合成孔径雷达目标回波信号的多普勒中心偏移带宽；根据所述多普勒带宽和所述多普勒中心偏移带宽的和，确定所述合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值。

Description

一种合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值的确定方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达技术领域，具体的涉及一种合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值的确定方法，可突破雷达工作平台和工作模式的限制，得到准确的脉冲重复频率下限值。

背景技术

弹载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)导引头在导弹末制导阶段采用聚束模式，通过控制天线波束对目标场景持续照射，可以突破雷达波束宽度限制，实现对目标区域的二维高分辨聚焦成像，为匹配定位提供准确的目标场景信息。弹载SAR系统在脉冲重复频率(Pulse RepetitionFrequency，PRF)参数设计时需要考虑方位模糊性设置、距离模糊性设置、测绘带全孔径数据无模糊、高度向杂波干扰等因素。其中，方位模糊性限制决定了PRF的下限值。尽管传统机载、星载、弹载SAR成像系统PRF下限设计方法理论得到不断完善，但在运用于弹载下降段大前斜聚束SAR成像系统时仍面临以下问题：

谢华英等在《弹载平台聚束SAR成像脉冲重复频率设计》中提出了一种基于穷举法的聚束SAR成像导引头PRF设计方法，该方法在分析方位模糊性限制时，只推导了PRF设计的一个合理下界而非确定的下界值。虽然其优点是计算方法简单方便，但存在发射脉冲数较大及PRF参数无法设计的问题，从而影响PRF参数的设定。

郑陶冶等在《弹载SAR脉冲重复频率设计研究》中提出了一种弹载SAR在导弹平飞段采用条带模式时PRF下限设计方法，该方法由于雷达工作模式为条带模式，因此不能适用于弹载聚束SAR成像系统PRF下限值设计。

井伟等研究了星载SAR工作在条带模式下系统参数设计方法。这类方法由于平台运动特性差异，这些方法并不能直接用于弹载下降段大斜视聚束SAR系统PRF下限值设计。

发明内容

针对上述已有技术的不足，本发明的目的在于提出一种合成孔径雷达PRF下限值的确定方法，以突破雷达工作平台和工作模式的限制，得到准确的合成孔径雷达的PRF下限值。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值的确定方法，包括如下步骤：

步骤1、确定合成孔径雷达目标回波信号的多普勒带宽；

步骤2、确定所述合成孔径雷达目标回波信号的多普勒中心偏移带宽；

步骤3、根据所述多普勒带宽和所述多普勒中心偏移带宽的和，确定所述合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)步骤1具体包括如下子步骤：

(1a)建立所述合成孔径雷达成像的几何模型；

(1b)根据所述几何模型，确定在慢时间t_m时刻所述合成孔径雷达到目标的瞬时斜距；

(1c)根据所述瞬时斜距，确定所述合成孔径雷达的方位调频率；

(1d)根据所述合成孔径雷达的方位时间宽度和所述瞬时斜距，计算所述多普勒带宽。

(2)步骤2具体包括如下子步骤：

(2a)确定所述合成孔径雷达波束照射范围内的目标散射点对应的等效斜视角

(2b)计算其中，表示所述合成孔径雷达波束照射范围内的第m个目标散射点对应的等效斜视角，表示所述合成孔径雷达波束照射范围内的第n个目标散射点对应的等效斜视角，且表示的最大值，表示的最小值；

(2c)计算所述合成孔径雷达在一个波束范围内的最大多普勒中心频偏△f_dcmax，其中，λ为所述合成孔径雷达发射信号的波长，v为所述合成孔径雷达的运动速度；

(2d)根据所述最大多普勒中心频偏△f_dcmax，确定所述多普勒中心偏移带宽。

更进一步的，子步骤(2a)还具体包括如下子步骤:

(a)确定所述合成孔径雷达波束照射范围内的目标散射点的单位斜距矢量

(b)根据确定所述合成孔径雷达波束照射范围内的目标散射点对应的等效斜视角为所述合成孔径雷达的单位速度矢量。

(3)步骤3具体为：

prf_{Low_value}＝α·(B_a+B_d)

其中，prf_{Low_value}为所述脉冲重复频率下限值，α为加权系数，α≥1，B_a为所述多普勒带宽，B_d为所述多普勒中心偏移带宽。

进一步的，加权系数α＝1.2。

本发明具有以下优点：(1)本发明既能用于弹载平台，也能用于机载和星载平台，具有不受雷达工作平台限制的优点；(2)本发明既适用于雷达工作在聚束模式下，也适用于条带模式，具有不受雷达工作模式限制的优点；(3)本发明能得到准确的PRF下限值，从而减少了发射脉冲数，具有降低回波数据量的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的技术方案的流程示意图；

图2是本发明实施例建立的弹载下降段SAR成像立体几何模型示意图；

图3是本发明实施例的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的描述。以下实施例以弹载合成孔径雷达为例进行说明。

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，确定合成孔径雷达目标回波信号的多普勒带宽。

步骤1具体包括如下子步骤：

(1a)建立合成孔径雷达成像的几何模型。

如图2建立弹载下降段聚束SAR成像几何模型。坐标原点O为方位慢时间t_m＝0时刻合成孔径中心在地平面的投影，X轴为导弹运动速度v在水平面的投影，Z轴为高度向，Y轴为垂直于X轴的方向。在一个孔径时间内，导弹的运动可以近似看作以速度v，加速度a，在XOZ面内沿直线AB斜向下作匀加速运动，弹道倾角为θ₂。面O′FW为成像平面，SAR孔径中心O′到场景中心P₀的距离为R_s(场景中心P₀的坐标为(x_c,y_c,0)(场景中任意点目标P_m坐标为(x_p,y_p,0)。

(1b)根据所述几何模型，确定在慢时间t_m时刻所述合成孔径雷达到目标的瞬时斜距。

由图2几何关系可以得到慢时间t_m时刻SAR到目标P_m的瞬时斜距：

式中，R₀为导弹与目标点的初始距离，为导弹速度矢量v和瞬时斜距矢量的夹角。

(1c)根据所述瞬时斜距，确定所述合成孔径雷达的方位调频率。

对步骤(1b)中求出的瞬时斜距方程关于慢时间t_m求二阶偏导得到方位调频率γ：

式中，λ为合成孔径雷达发射信号的波长。

(1d)根据所述合成孔径雷达的方位时间宽度和所述瞬时斜距，计算所述多普勒带宽。

根据多普勒带宽计算公式:

得到合成孔径雷达目标回波信号的多普勒带宽B_a；T_a为合成孔径雷达的方位时间宽度。

步骤2，确定所述合成孔径雷达目标回波信号的多普勒中心偏移带宽。

步骤2具体包括如下子步骤：

(2a)确定所述合成孔径雷达波束照射范围内的目标散射点对应的等效斜视角

子步骤(2a)还具体包括以下子步骤：

(a)确定所述合成孔径雷达波束照射范围内的目标散射点的单位斜距矢量

在步骤(1a)建立的成像几何模型中XOY平面上建立坐标系X′PY′，得到SAR波束覆盖椭圆在X′PY′坐标系下的方程：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{x^{\′2}}{a^2}+\frac{y^{\′2}}{b^2}=1& (x^{\′}\∈[-a,a],y^{\′}[-b,b\left]\right)\\ a=\frac{w_{r-\mathrm{ground}}}{2},& b=\frac{w_{a-\mathrm{ground}}}{2}\end{array}\right.$

其中，w_r-ground表示地平面上椭圆的长径宽度，称作地平面距离向场景宽度；W_a-ground＝R_s△θ_a，W_a-ground表示地平面上椭圆的短径宽度，称作地平面方位向场景宽度；△θ_r为俯仰向波束宽度；△θ_a为方位向波束宽度；β为下视角，即图2中中心斜距R_s与Z轴负方向的夹角，H为坐标原点O到雷达孔径中心O′的距离。

对X′PY′坐标系下的椭圆沿X′方向平移x₀，得到椭圆在X″OY″坐标系下的方程：

$\frac{{(x^{\′\′}-x_0)}^2}{a^2}+\frac{y^{\′\′2}}{b^2}=1,(x^{\′\′}\∈[x_0-a,x_0+a],y^{\′\′}\∈[-b,b\left]\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x^{\′\′}-x_0\\ y^{\′}=y^{\′\′}\end{array}\right.$

对坐标系X″OY″以O点为中心，旋转θ₁后得到XOY坐标系下的椭圆方程：

$\frac{{(x\cos {\mathrm{\θ}}_1+y\sin {\mathrm{\θ}}_1-x_0)}^2}{a^2}+\frac{{(y\cos {\mathrm{\θ}}_1-x\sin {\mathrm{\θ}}_1)}^2}{b^2}=1$

其中，θ₁为坐标系X″OY″旋转的角度。

由XOY坐标系下的椭圆方程，得到椭圆上散射点在成像立体几何模型中的三维坐标(x₁,y₁,0)，利用SAR孔径中心O′点坐标(0,0,H)减去椭圆上散射点坐标计算出场景中各散射点的单位斜距矢量

(b)根据确定所述合成孔径雷达波束照射范围内的目标散射点对应的等效斜视角为所述合成孔径雷达的单位速度矢量。

根据计算公式(表示导弹的单位速度矢量)，利用计算机遍历的方式得到所述合成孔径雷达波束照射范围内的目标散射点对应的等效斜视角

(2b)计算其中，表示所述合成孔径雷达波束照射范围内的第m个目标散射点对应的等效斜视角，表示所述合成孔径雷达波束照射范围内的第n个目标散射点对应的等效斜视角，且表示的最大值，表示的最小值。

(2c)计算所述合成孔径雷达在一个波束范围内的最大多普勒中心频偏△f_dcmax，其中，λ为所述合成孔径雷达发射信号的波长，v为所述合成孔径雷达的运动速度。

(2d)根据所述最大多普勒中心频偏△f_dcmax，确定所述多普勒中心偏移带宽。

利用多普勒中心偏移带宽B_d计算公式:

得到多普勒中心偏移带宽。

步骤3、根据所述多普勒带宽和所述多普勒中心偏移带宽计算所述合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值。

通过PRF下限值计算公式:

prf_{Low_value}＝α·(B_a+B_d)

其中，prf_{Low_value}为PRF下限值，α为加权系数，由于prf_{Low_value}是大于B_a+B_d的，因此系数α大于等于1，根据经验确定α＝1.2。

本发明的效果可以通过以下实测进一步说明：

1.仿真条件：通过聚束下降段SAR成像弹道进行PRF下限值设计仿真。实验仿真参数为：雷达波长0.015m，信号带宽50MHz，雷达运动速度17242m/s，加速度)15.56m/s²。俯仰和方位波束宽度4°，导弹飞行高度16832m，孔径中心到场景中心距离26029m，斜视角70.14°，下视角为49.71°。接收机保护时间为0.5us。脉冲宽度设计为T_p＝10us，方位向分辨率为3m。

2.仿真结果：仿真弹道及椭圆成像场景在XOY平面投影如图(3)所示。

在不考虑运动偏差、雷达波束展宽及加速度的影响时，表1为本发明实施例提供的脉冲重复频率下限值的确定方法与谢华英提出的方法算出的PRF的上限和下限。本文方法求得的B_a＝303Hz，B_d＝5439Hz。

表1 PRF下限值

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定合成孔径雷达目标回波信号的多普勒带宽；

步骤2、确定所述合成孔径雷达目标回波信号的多普勒中心偏移带宽；

步骤3、根据所述多普勒带宽和所述多普勒中心偏移带宽的和，确定所述合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值。

2.根据权利要求1所述的合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值的确定方法，其特征在于，步骤1具体包括如下子步骤：

(1a)建立所述合成孔径雷达成像的几何模型；

(1b)根据所述几何模型，确定在慢时间t_m时刻所述合成孔径雷达到目标的瞬时斜距；

(1c)根据所述瞬时斜距，确定所述合成孔径雷达的方位调频率；

(1d)根据合成孔径雷达的方位时间宽度和所述瞬时斜距，计算所述多普勒带宽。

3.根据权利要求1所述的合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值的确定方法，其特征在于，步骤2具体包括如下子步骤：

(2a)确定所述合成孔径雷达波束照射范围内的目标散射点对应的等效斜视角

(2b)计算其中，表示所述合成孔径雷达波束照射范围内的第m个目标散射点对应的等效斜视角，表示所述合成孔径雷达波束照射范围内的第n个目标散射点对应的等效斜视角，且 表示的最大值，表示的最小值；

(2c)计算所述合成孔径雷达在一个波束范围内的最大多普勒中心频偏△f_dcmax，其中，λ为所述合成孔径雷达发射信号的波长，v为所述合成孔径雷达的运动速度；

(2d)根据所述最大多普勒中心频偏△f_dcmax，确定所述多普勒中心偏移带宽。

4.根据权利要求3所述的合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值的确定方法，其特征在于，子步骤(2a)还具体包括如下子步骤:

(a)确定所述合成孔径雷达波束照射范围内的目标散射点的单位斜距矢量

(b)根据确定所述合成孔径雷达波束照射范围内的目标散射点对应的等效斜视角 为所述合成孔径雷达的单位速度矢量。

5.根据权利要求1所述的合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值的确定方法，其特征在于，步骤3具体为：

prf_{Low_value}＝α·(B_a+B_d)

其中，prf_{Low_value}为所述脉冲重复频率下限值(α为加权系数，α≥1，B_a为所述多普勒带宽，B_d为所述多普勒中心偏移带宽。

6.根据权利要求5所述的合成孔径雷达的脉冲重复频率下限值的确定方法，其特征在于，加权系数α＝1.2。