CN105259552A

CN105259552A - 一种基于非线性调频信号的合成孔径雷达成像方法和装置

Info

Publication number: CN105259552A
Application number: CN201510595722.0A
Authority: CN
Inventors: 王伟; 王宇; 王翔宇; 邓云凯; 张志敏; 徐伟; 李宁
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2035-09-17
Also published as: CN105259552B; EP3144702A1; EP3144702B1

Abstract

本发明公开了一种基于非线性调频信号的合成孔径雷达(SAR)成像方法，根据发射的非线性调频信号，对回波数据进行距离向脉冲压缩，并根据确定的斜距误差补偿参考距离处的运动误差，再采用改进的Stolt映射，最后补偿残余运动误差，并进行方位向聚焦，完成非线性调频信号的成像。本发明还同时公开了一种基于非线性调频信号的SAR成像装置。

Description

一种基于非线性调频信号的合成孔径雷达成像方法和装置

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(SAR，SyntheticApertureRadar)技术，尤其涉及一种基于非线性调频信号的SAR成像方法和装置。

背景技术

SAR是一种高分辨率成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像，SAR通常装在飞机或卫星上，按平台的运动航迹来测距和二维成像。线性调频(LFM，LinearFrequencyModulation)信号是SAR中最常用的发射波形，将这种波形通过匹配滤波后，生成的响应函数，经归一化后的峰值旁瓣比(PSLR，PeakSideLobeRatio)为-13dB。为了抑制旁瓣的高度，通常采用加权窗函数、自适应滤波和优化算法，但这些方法使得匹配滤波器失配，降低输出的信噪比(SNR，SignaltoNoiseRatio)。

相比于LFM信号，非线性调频(NLFM，Non-LinearFrequencyModulation)信号的脉冲压缩结果可以获得很低的PSLR，并且，这一过程并没有损失输出SNR。通过相关实验，NLFM信号可以避免SNR的1-2dB损失，相当于节省天线发射功率25％。对于能量紧缺的雷达系统中，采用NLFM信号作为发射波形可以提升系统性能。

但是，常用的SAR成像算法都是针对LFM开发，因此，不能将这些算法照搬到NLFM的SAR数据处理中，给出针对NLFM为发射波形的SAR成像方法是非常必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种基于非线性调频信号的SAR成像方法和装置，能够使SAR有效使用NLFM信号作为发射波形，获得聚焦良好的图像，从而提升系统性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种基于非线性调频信号的SAR成像方法，包括：

根据发射的非线性调频信号，对回波数据进行距离向脉冲压缩，确定距离向脉冲压缩的数据；

确定斜距误差，根据斜距误差对距离向脉冲压缩的数据补偿参考距离处的运动误差，得到补偿后的数据；

对补偿后的数据采用改进的Stolt映射，得到距离徙动校正(RCMC，RangeCellMigrationCorrection)和距离方位耦合项补偿的数据；

对RCMC和距离方位耦合项补偿的数据补偿残余运动误差，并进行方位向聚焦。

上述方案中，所述根据发射的非线性调频信号，对回波数据进行距离向脉冲压缩，确定距离向脉冲压缩的数据，包括：

对回波数据进行解调，并进行二维傅里叶变换，得到距离频域的回波数据；

将发射的非线性调频信号两端补零，补至回波数据的长度，进行傅里叶变换，并取共轭，得到处理后的非线性调频信号；

将处理后的非线性调频信号与距离频域的回波数据相乘，并将结果进行逆傅里叶变换，得到距离向脉冲压缩的数据。

上述方案中，所述确定斜距误差，根据斜距误差对距离向脉冲压缩的数据补偿参考距离处的运动误差，得到补偿后的数据，包括：

根据东、北、天向速度，拟合出真实运动轨迹，确定与理想运动轨迹沿视线方向的斜距误差；

将距离向脉冲压缩的数据变换到距离频域，并乘以所述斜距误差对应的相位，得到补偿后的数据。

上述方案中，所述对补偿后的数据采用改进的Stolt映射，得到RCMC和距离方位耦合项补偿的数据，包括：

对补偿后的数据进行方位傅里叶变换，并进行改进的Stolt映射，得到RCMC和距离方位耦合项补偿的数据；

所述改进的Stolt映射表达式为：

f_{2} = \sqrt{{(f_{c} + f_{t})}^{2} - \frac{c^{2} f_{η}^{2}}{4 V_{s}^{2}}} - \sqrt{f_{c}^{2} - \frac{c^{2} f_{η}^{2}}{4 V_{s}^{2}}}

其中f₂表示新的距离频率变量，V_s表示雷达速度，c表示光速，f_t表示距离向频率，f_η表示方位向频率，f_c表示雷达载波频率。

上述方案中，所述对RCMC和距离方位耦合项补偿的数据补偿残余运动误差，并完成方位向聚焦，包括：

将RCMC和距离方位耦合项补偿的数据进行二维逆傅里叶变换，并采用空变的运动补偿方法补偿残余运动误差，得到补偿残余运动误差后的数据；

将补偿残余运动误差后的数据变换到距离多普勒域，并进行方位向压缩处理。

本发明实施例还提供了一种基于非线性调频信号的SAR成像装置，包括：脉冲压缩模块、第一补偿模块、映射模块、第二补偿模块和方位向聚焦模块，其中，

所述脉冲压缩模块，用于根据发射的非线性调频信号，对回波数据进行距离向脉冲压缩，确定距离向脉冲压缩的数据；

所述第一补偿模块，用于确定斜距误差，根据斜距误差对距离向脉冲压缩的数据补偿参考距离处的运动误差，得到补偿后的数据；

所述映射模块，用于对补偿后的数据采用改进的Stolt映射，得到RCMC和距离方位耦合项补偿的数据；

所述第二补偿模块，用于对RCMC和距离方位耦合项补偿的数据补偿残余运动误差；

所述方位向聚焦模块，用于对完成补偿残余运动误差的数据进行方位向聚焦。

上述方案中，所述脉冲压缩模块，具体用于，

将发射的非线性调频信号两端补零，补至回波数据的长度，并进行傅里叶变换，并取共轭，得到处理后的非线性调频信号；

上述方案中，所述第一补偿模块，具体用于，

根据东北天向速度，拟合出真实运动轨迹，确定与理想运动轨迹沿视线方向的斜距误差；

将数据距离向脉冲压缩的数据变换到距离频域，并乘以所述斜距误差对应的相位，得到补偿后的数据。

上述方案中，所述映射模块，具体用于，

所述改进的Stolt映射表达式为：

f_{2} = \sqrt{{(f_{c} + f_{t})}^{2} - \frac{c^{2} f_{η}^{2}}{4 V_{s}^{2}}} - \sqrt{f_{c}^{2} - \frac{c^{2} f_{η}^{2}}{4 V_{s}^{2}}}

上述方案中，所述第二补偿模块，具体用于，

所述方位向聚焦模块，具体用于将补偿残余运动误差后的数据变换到距离多普勒域，并进行方位向压缩处理。

本发明实施例所提供的基于非线性调频信号的SAR成像方法和装置，根据发射的非线性调频信号，对回波数据进行距离向脉冲压缩，确定距离向脉冲压缩的数据，确定斜距误差，根据斜距误差对距离向脉冲压缩的数据补偿参考距离处的运动误差，得到补偿后的数据；对补偿后的数据采用改进的Stolt映射，得到RCMC和距离方位耦合项补偿的数据；对RCMC和距离方位耦合项补偿的数据补偿残余运动误差，并进行方位向聚焦。如此，能够使SAR有效使用NLFM信号作为发射波形，获得聚焦良好的图像，从而提升系统性能。

附图说明

图1为本发明实施例一种非线性调频信号的生成方法的流程示意图；

图2为设计的成像场景示意图；

图3为聚焦后的点目标成像结果示意图；

图4为点目标P1、P2、P3插值后结果示意图；

图5为机载SAR实测数据成像结果以及强点目标的放大显示示意图；

图6为强点目标的插值后结果示意图；

图7为本发明实施例一种非线性调频信号的生成装置的组成结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例中，根据发射的非线性调频信号，对回波数据进行距离向脉冲压缩，确定距离向脉冲压缩的数据，确定斜距误差，根据斜距误差对距离向脉冲压缩的数据补偿参考距离处的运动误差，得到补偿后的数据；对补偿后的数据采用改进的Stolt映射，得到RCMC和距离方位耦合项补偿的数据；对RCMC和距离方位耦合项补偿的数据补偿残余运动误差，并进行方位向聚焦。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提供的基于非线性调频信号的SAR成像方法，如图1所示，包括：

步骤101：根据发射的非线性调频信号，对回波数据进行距离向脉冲压缩，确定距离向脉冲压缩的数据；

具体的，对回波数据进行解调，SAR发射信号在遇到障碍物后形成反射，对于一个反射点其回波模型经过解调后，可以用表示式(1)表示为：

r(t,η)＝A₀·w_r(t-2R(η)/c)·w_a(η-η_c)

(1)

·exp(-j4πf_cR(η)/c)·exp(j2πφ(t-2R(η)/c))

其中，r(t,η)表示解调后和回波模型，A₀是复常数，表示信号的幅度，η表示方位时间，η_c表示波束中心偏移时间，R(η)表示瞬时斜距，w_r和w_a分别表示距离包络和方位包络，c表示光速。

在理想情况下，SAR被安装在飞行器上，飞行器的飞行轨迹为直线，那么，SAR的飞行轨迹同样为直线，此时点目标的瞬时斜距可以表示为r表示最近斜距，V_s表示雷达速度。

经过二维傅里叶变换，将表达式(1)变换到频域，得到距离频域的回波数据R(f_t,f_η)，用表示式(2)表示为：

R(f_t,f_η)＝A₁·W_r(f_t)·W_a(f_η-f_ηc)·exp(jθ_2df(f_t,f_η))(2)

其中，A₁表示频谱的幅度，W_r和W_a分别表示距离向和方位向的频率包络，f_ηc表示多普勒中心频率，其中相位项θ_2df(f_t,f_η)，用表示式(3)表示为：

θ_{2 d f} (f_{t}, f_{η}) = - \frac{4 π r}{c} \sqrt{{(f_{c} + f_{t})}^{2} - \frac{c^{2} f_{η}^{2}}{4 V_{s}^{2}}} + Θ (f_{t}) - - - (3)

其中，Θ(f_t)表示非线性调频信号基带频谱的相位项。

发射的非线性调频信号为s(t)，将s(t)两端补零，补至回波数据的长度，补零后的信号为s′(t)，对s′(t)进行傅里叶变换，并取共轭，得到处理后的非线性调频信号H_r(f_t)，用表示式(4)表示为：

H_r(f_t)＝exp(-jΘ(f_t))＝[FT[s′(t)]]^*(4)

其中，FT[□]表示傅里叶变换。

将处理后的非线性调频信号表达式(4)和距离频域的回波数表达式(2)相乘，可以消除Θ(f_t)项。此时，信号的二维频谱R₁(f_t,f_η)，用表示式(5)表示为：

R_{1} (f_{t}, f_{η}) = A_{1} \cdot W_{r} (f_{t}) \cdot W_{a} (f_{η} - f_{η_{c}}) \cdot \exp (j (- \frac{4 π r}{c} \sqrt{{(f_{c} + f_{t})}^{2} - \frac{c^{2} f_{η}^{2}}{4 V_{s}^{2}}})) - - - (5)

接着，将数据通过傅里叶逆变换，变换回二维时域，得到距离向脉冲压缩的数据；

本实施例中，为了消除Θ(f_t)项，也可以将数据变换到距离频域之后与表达式(4)相乘，较少运算量。以上推导的表达式是为了直观表达数据二维频谱的变化情况。

步骤102：所述确定斜距误差，对距离向脉冲压缩的数据补偿参考距离处的运动误差，得到补偿后的数据；

具体的，由于载机飞行不平稳，实际飞行轨迹会偏离理想航迹，记录飞机在每个发射脉冲时的东、北、天向速度，通过计算，可以拟合出飞机的真实运动轨迹。从真实运动轨迹中，计算载机与SAR发射信号的覆盖范围中心(即景中心目标)沿视线方向的真实斜距，与理想斜距斜距相减，得到真实的斜距误差。这个误差在时域相当于延时误差，但是这个延时通常带有小数延迟，因此补偿的办法是，通过将所述距离向脉冲压缩的数据变换到距离频域，乘以一个对应的相位，补偿掉这个误差。通过上述步骤，可以补偿参考距离处的运动误差，得到补偿后的数据。本实施例中，可以采用搭载的惯性导航系统，记录飞机在每个发射脉冲时的东、北、天向速度。

步骤103：对补偿后的数据采用改进的Stolt映射，得到RCMC和距离方位耦合项补偿的数据；

具体的，补偿后的数据首先通过方位傅里叶变换，变换到二维频域，然后进行改进的Stolt映射；这里，所述改进是在传统Stolt映射的基础上，将距离徙动校正，距离-方位耦合补偿与方位压缩分开，这样做的目的是为了在方位压缩之前，补偿空变的运动误差。改进的Stolt映射的表达式为：

f_{2} = \sqrt{{(f_{c} + f_{t})}^{2} - \frac{c^{2} f_{η}^{2}}{4 V_{s}^{2}}} - \sqrt{f_{c}^{2} - \frac{c^{2} f_{η}^{2}}{4 V_{s}^{2}}} - - - (6)

其中，f₂是新的距离频率变量，f_t表示距离向频率，f_η表示方位向频率，f_c表示雷达载波频率；进行完改进的Stolt映射后，数据的二维频谱R₁(f_t,f_η)用表示式(7)表示为：

R_{1} (f_{t}, f_{η}) = A_{1} \cdot W_{r} (f_{t}) \cdot W_{a} (f_{η} - f_{η_{c}}) \cdot \exp (- j \frac{4 π r}{c} (\sqrt{f_{c}^{2} - \frac{c^{2} f_{η}^{2}}{4 V_{s}^{2}}} + f_{2})) - - - (7)

由表达式(7)可以看出，相位项中的平方根项只与方位频率有关，而与距离频率无关；此时，可以应用空变的运动误差补偿，得到RCMC和距离方位耦合项补偿的数据。

步骤104：对RCMC和距离方位耦合项补偿的数据补偿残余运动误差，并进行方位向压缩；

具体的，将RCMC和距离方位耦合项补偿的数据进行二维逆傅里叶变换，变换到二维时域，数据存在除参考距离处的残余运动误差，还有一些未知的误差，比如系统本身的误差，还有非运动误差，采用空变的运动补偿方法补偿残余运动误差，得到补偿残余运动误差后的数据，本实施例中，空变的运动补偿方法可以是PGA的自聚焦方法。

完成上述步骤后，将补偿残余运动误差后的数据变换到距离多普勒域，并进行方位向压缩处理，方位向距离匹配滤波函数用表示式(8)表示为：

H_{a} (r, f_{η}) = \exp (j \frac{4 π r}{c} \sqrt{f_{c}^{2} - \frac{c^{2} f_{η}^{2}}{4 V_{s}^{2}}}) - - - (8)

本步骤完成后，表明已完成了非线性调频信号的成像。

下面结合具体实施例一对本发明再作进一步详细的描述。

采用非线性调频信号作为发射波形(其自相关函数旁瓣为-35dB)，仿真的系统参数如表1所示。

工作模式	条带
		雷达速度	150m/s
波长	0.0566m
		多普勒带宽	150Hz

脉冲重复频率(PRF)	195Hz
		景中心斜距	20km
发射信号带宽	120MHz
		脉冲宽度	15us

表1

设计的成像场景为九个点目标，如图2所示。使用上述步骤，对点目标进行聚焦。在实施例一中，本次仿真没有引入运动误差，因此步骤102和步骤104中的两次运动补偿可以跳过，聚焦后的点目标结果如图3所示。

对图2所示的点P1、P2、P3进行插值，得到的点目标幅度轮廓图，距离向剖面和方位向剖面如图4，其中(a)表示P1点的幅度轮廓图，(b)表示P1点的距离向剖面，(c)表示P1点的方位向剖面，(d)表示P2点的幅度轮廓图，(e)表示P2点的距离向剖面，(f)表示P2点的方位向剖面，(h)表示P3点的幅度轮廓图，(i)表示P3点的距离向剖面，(j)表示P3点的方位向剖面；对应的点目标质量评估参数如表2所示。

表2

下面结合具体实施例二对本发明再作更进一步详细的描述。

采用C波段机载SAR，发射波形为非线性调频信号(其自相关函数旁瓣为-35dB)，对其回波数据进行成像。由于机载平台飞行不稳定，存在运动误差，因此采用所述步骤对数据进行成像，成像结果如图5所示，其中，红框内为一个强点目标的放大显示。

对图5所示的强点目标进行插值，得到的幅度轮廓图，距离向剖面和方位向剖面如图6所示，其中(a)表示幅度轮廓图，(b)表示距离向剖面，(c)表示方位向剖面。

可以看出，此强点目标得到了良好聚焦，同时距离向剖面的PSLR在-35dB左右，与理想值相吻合。

从上面的描述中可以看出，采用本发明提供的方法，能精确地对发射波形为非线性调频信号的SAR数据进行成像。

本发明实施例提供的基于非线性调频信号的SAR成像装置，如图7所示，包括：脉冲压缩模块71、第一补偿模块72、映射模块73、第二补偿模块74和方位向聚焦模块75，其中，

所述脉冲压缩模块71，用于根据发射的非线性调频信号，对回波数据进行距离向脉冲压缩，确定距离向脉冲压缩的数据；

对回波数据进行解调，SAR发射信号在遇到障碍物后形成反射，对于一个反射点其回波模型经过解调后，可以用表示式(1)表示，其中，r(t,η)表示解调后和回波模型，A₀是复常数，表示信号的幅度，η表示方位时间，η_c表示波束中心偏移时间，R(η)表示瞬时斜距，w_r和w_a分别表示距离包络和方位包络，c表示光速。在理想情况下，SAR被安装在飞行器上，飞行器的飞行轨迹为直线，那么，SAR的飞行轨迹同样为直线，此时点目标的瞬时斜距可以表示为r表示最近斜距，V_s表示雷达速度。

经过二维傅里叶变换，将表达式(1)变换到频域，得到距离频域的回波数据R(f_t,f_η)，用表示式(2)表示，其中A₁表示频谱的幅度，W_r和W_a分别表示距离向和方位向的频率包络，f_ηc表示多普勒中心频率，其中相位项θ_2df(f_t,f_η)，用表示式(3)表示，其中Θ(f_t)表示非线性调频信号基带频谱的相位项。

发射的非线性调频信号为s(t)，将s(t)两端补零，补至回波数据的长度，补零后的信号为s′(t)，对s′(t)进行傅里叶变换，并取共轭，得到处理后的非线性调频信号H_r(f_t)，用表示式(4)表示，其中，FT[□]表示傅里叶变换。

将处理后的非线性调频信号表达式(4)和距离频域的回波数表达式(2)相乘，可以消除Θ(f_t)项。此时，信号的二维频谱R₁(f_t,f_η)，用表示式(5)表示；

所述第一补偿模块72，用于确定斜距误差，对距离向脉冲压缩的数据补偿参考距离处的运动误差，得到补偿后的数据；

所述映射模块73，用于对补偿后的数据采用改进的Stolt映射，得到RCMC和距离方位耦合项补偿的数据；

具体的，补偿后的数据首先通过方位傅里叶变换，变换到二维频域，然后进行改进的Stolt映射；这里，所述改进是在传统Stolt映射的基础上，将距离徙动校正，距离-方位耦合补偿与方位压缩分开，这样做的目的是为了在方位压缩之前，补偿空变的运动误差。改进的Stolt映射的表达式如表达式(6)所示，其中，f₂是新的距离频率变量，f_t表示距离向频率，f_η表示方位向频率，f_c表示雷达载波频率；进行完改进的Stolt映射后，数据的二维频谱R₁(f_t,f_η)，用表示式(7)表示，由表达式(7)可以看出，相位项中的平方根项只与方位频率有关，而与距离频率无关；此时，可以应用空变的运动误差补偿，得到RCMC和距离方位耦合项补偿的数据。

所述第二补偿模块74，用于对RCMC和距离方位耦合项补偿的数据补偿残余运动误差；

所述方位向聚焦模块75，用于对完成补偿残余运动误差的数据进行方位向聚焦；

完成上述步骤后，将补偿残余运动误差后的数据变换到距离多普勒域，并进行方位向压缩处理，方位向距离匹配滤波函数用表示式(8)表示。

完成后，表明已完成了非线性调频信号的成像。

在实际应用中，所述脉冲压缩模块71、第一补偿模块72、映射模块73、第二补偿模块74和方位向聚焦模块75均可由SAR装置的中央处理器(CPU)、微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)、或现场可编程门阵列(FPGA)实现；

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于非线性调频信号的合成孔径雷达SAR成像方法，其特征在于，所述方法包括：

对补偿后的数据采用改进的Stolt映射，得到距离徙动校正RCMC和距离方位耦合项补偿的数据；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据发射的非线性调频信号，对回波数据进行距离向脉冲压缩，确定距离向脉冲压缩的数据，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定斜距误差，根据斜距误差对距离向脉冲压缩的数据补偿参考距离处的运动误差，得到补偿后的数据，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对补偿后的数据采用改进的Stolt映射，得到RCMC和距离方位耦合项补偿的数据，包括：

所述改进的Stolt映射表达式为：

f_{2} = \sqrt{{(f_{c} + f_{t})}^{2} - \frac{c^{2} {f_{η}}^{2}}{4 {V_{s}}^{2}}} - \sqrt{{f_{c}}^{2} - \frac{c^{2} {f_{η}}^{2}}{4 {V_{s}}^{2}}}

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对RCMC和距离方位耦合项补偿的数据补偿残余运动误差，并完成方位向聚焦，包括：

6.一种基于非线性调频信号的合成孔径雷达SAR成像装置，其特征在于，所述装置包括：脉冲压缩模块、第一补偿模块、映射模块、第二补偿模块和方位向聚焦模块，其中，

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述脉冲压缩模块，具体用于，

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一补偿模块，具体用于，

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述映射模块，具体用于，

所述改进的Stolt映射表达式为：

f_{2} = \sqrt{{(f_{c} + f_{t})}^{2} - \frac{c^{2} {f_{η}}^{2}}{4 {V_{s}}^{2}}} - \sqrt{{f_{c}}^{2} - \frac{c^{2} {f_{η}}^{2}}{4 {V_{s}}^{2}}}

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二补偿模块，具体用于，