CN105785327A - 频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法，主要解决现有技术在高分辨成像模式下测绘带宽受限问题。其实现步骤是：1.设计频率分集阵列的频率增量；2.频率分集阵列根据频率增量确定并发射信号集；3.频率分集阵列接收回波信号，并对该回波信号依次进行矢量化输出和接收波束形成，得到回波信号的快拍矢量；4.对回波信号的快拍矢量进行距离解模糊，得到无距离模糊的回波信号；5.对无距离模糊的回波信号进行成像，得到整个场景的高分辨宽测绘带成像结果。本发明能在空间频率域有效分解距离模糊的回波信号，通过对距离解模糊后的回波信号进行成像，得到高分辨宽测绘带的合成孔径雷达图像，可用于海洋观测和全球测绘。

Description

频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及合成孔径雷达SAR高分辨宽测绘带成像技术，可用于海洋观测和全球测绘。

背景技术

合成孔径雷达SAR具有全天时、全天候和远距离对地成像能力，在地形测绘、海洋监测、环境及灾害监视和侦察等方面具有广泛的需求和应用，机载/星载合成孔径雷达逐渐得到各国的广泛研究和应用。一方面，很多实际应用需要对观测场景进行高分辨率成像，例如海洋和陆地监测、地图测绘以及灾害评估等；另一方面，也需要进行大幅宽、宽测绘带的大面积成像，例如土地规划、海洋观测和全球测绘等，宽测绘带成像能够缩短重访时间，大大提高测绘效率。随着地球遥感应用的发展，人们逐渐对合成孔径雷达SAR提出了更高的要求，同时获得高分辨率和宽测绘带合成孔径雷达SAR图像成为一种必然趋势。

合成孔径雷达具有高分辨率成像能力，现有合成孔径雷达能够生成亚米级分辨率的微波遥感图像，其在距离向的高分辨率依靠发射带宽波形信号及脉冲压缩技术来实现，而方位向高分辨率要求雷达与目标具有较大的相对运动从而得到较大的多普勒带宽。然而传统单通道合成孔径雷达系统在高分辨率成像模式下无法实现宽测绘带场景成像，这是因为方位向高分辨率意味着较大的多普勒带宽，为了避免多普勒模糊需要以足够高的脉冲重复频率PRF进行方位采样，然而宽测绘带要求采用低脉冲重复频率PRF来保证测绘带内无距离模糊，高分辨率成像和宽测绘带成像对系统的脉冲重复频率提出了截然相反的要求，这一矛盾在星载雷达中尤为突出。为了解决方位高分辨率与宽测绘带的矛盾，满足实际应用对观测场景同时高分辨率和宽测绘带成像的需求，需要解决多普勒模糊和距离模糊问题。设计新体制的合成孔径雷达系统和有效的解模糊方法是高分辨宽测绘带成像的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提出一种频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法，以解决上述已有技术矛盾，在方位向高分辨率成像模式下大幅提高测绘带宽度。

本发明的基本思路是：通过频率分集阵列发射正交波形信号，通过对接收回波信号的矢量化及接收波束形成，通过补偿回波信号的距离依赖特性和发射波束形成实现距离解模糊，通过对所得无距离模糊回波信号进行成像处理，进而得到无模糊成像结果。其实现方案如下：

1)设计频率分集阵列的频率增量Δf：

根据平台速度v和方位分辨率ρ_a得到脉冲重复频率f_r＝1.2v/ρ_a，其中比例系数1.2为设计裕量；

根据测绘带宽W_g和脉冲重复频率f_r得到距离模糊次数其中表示向上取整；

根据脉冲重复频率f_r和距离模糊次数N_a设计载频的频率增量：

Δf＝(u+q)f_r，

其中u为整数部分，q为小数部分，取q＝1/N_a，其中B_w为发射信号带宽，表示向下取整；

2)频率分集阵列发射信号集{s_n(t)}_n＝1,...,N，其中s_n(t)为第n个天线的发射信号，为包络信号，n＝1,...,N，N为天线数，f₀为第一个天线载频，即参考天线的载频；

3)频率分集阵列接收回波信号，并对该回波信号依次进行矢量化输出和接收波束形成，得到接收回波信号的快拍矢量其中l＝1,...,L，k＝1,...,M，L为距离门个数，M为脉冲个数；

4)对回波信号的快拍矢量进行距离解模糊：

4a)距离依赖特性补偿：

设计补偿函数：h_l＝[1exp(j2πf_R,l)...exp(j2πf_R,l(N-1))]^T，

其中R_l为参考区域的第l个距离门的斜距，j表示虚数，c为光速，(·)^T表示转置；

用补偿函数h_l对回波信号的快拍矢量进行距离依赖特性补偿，得到补偿后回波信号的快拍矢量：其中□为哈达玛积；

4b)发射波束形成：

设计发射波束权值：w_p＝a(f_s,p)，

其中a(f_s,p)＝[1exp(-j2πf_s,p)...exp(-j2πf_s,p(N-1))]^T为频率分集阵列的发射导向矢量，为第p距离模糊区域的空间频率，p＝1,...,N_a，N_a为最大距离模糊次数，R_u＝1/f_r为最大无模糊距离，d为相邻天线间距，λ＝c/f₀为波长，θ₀为发射波束指向；

采用发射波束权值w_p对补偿后的回波信号快拍矢量进行发射波束形成，即用权矢量w_p对快拍矢量的各元素进行加权求和，得到无距离模糊的回波信号：

$x_{p,l}\left(k\right)={w_p}^H{\tilde{x}}_l\left(k\right),$

其中(·)^H表示共轭转置；

5)对无距离模糊的回波信号x_p,l(k)进行成像，得到整个观测场景的高分辨宽测绘带成像结果。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明利用频率分集阵列的发射导向矢量的距离和角度二维依赖性，能够在空间频率域有效区分距离模糊的回波信号，通过发射波束形成在空间频率域滤波，实现对回波信号的距离解模糊，从而得到无距离模糊的成像结果。

第二，本发明通过设计频率分集阵列的频率增量Δf，能够改善回波信号在空间频率域的频谱结构，从而简化发射波束形器的设计，降低系统信号处理复杂度。

附图说明

图1是本发明的使用场景图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是距离多普勒算法对距离模糊回波信号的成像结果图；

图4是本发明方法对距离模糊回波信号的成像结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例及效果作进一步的详细描述。

参照图1，本发明的使用场景为：采用高速运动的低轨卫星作为雷达平台，平台高度为H，运动速度为v。频率分集阵列可等效为一维等距线阵，阵元数为N，阵列轴线平行于雷达运动方向，阵列发射信号的脉冲重复频率为f_r，第n个天线的发射载频为f_n。天线波束指向阵列正侧方的地面观测场景，观测场景的宽度即为测绘带宽，用W_g表示。系统要求的方位分辨率为ρ_a，测绘带宽为W_g，系统的最大无模糊距离R_u＝1/f_r，当W_g>R_u时，测绘带内的观测场景产生距离模糊，距离模糊次数

参照图2，本发明的实现步骤如下。

步骤1，设计频率分集阵列的频率增量Δf。

根据平台速度v和方位分辨率ρ_a得到脉冲重复频率f_r＝1.2v/ρ_a，其中比例系数1.2为设计裕量；

根据测绘带宽W_g和脉冲重复频率f_r得到距离模糊次数其中表示向上取整；

根据脉冲重复频率f_r和距离模糊次数N_a设计载频的频率增量：

Δf＝(u+v)f_r，

其中u为整数部分，v为小数部分，取v＝1/N_a，其中B_w为发射信号带宽，表示向下取整。

上述频率增量Δf的设计对于优化系统的距离解模糊性能至关重要，所设计的频率增量Δf能够使相邻距离模糊区域的信号在空间频率域f_s∈[-0.5,0.5]上的间距最大化，有利于在空间频率域区分距离模糊的回波信号，也能够简化后续分解滤波器的设计，降低信号处理复杂度。

步骤2，频率分集阵列发射信号集{s_n(t)}_n＝1,...,N。

频率分集阵列同时发射信号集{s_n(t)}_n＝1,...,N中的所有信号，其中不同天线发射信号集中的不同信号，s_n(t)为第n个天线的发射信号，为包络信号，n＝1,...,N，N为天线数，f₀为第一个天线载频，即参考天线的载频。

频率分集阵列利用不同天线发射载频的微小差异，能够区分距离模糊的回波信号，这是因为回波信号的延时由距离与光速决定，而回波信号的相位由距离和波长决定，因此频率分集阵列利用多载频、多波长的优势造成距离模糊回波信号的相位差异，从而具有区分距离模糊回波信号的能力。

步骤3，频率分集阵列接收回波信号，并对该回波信号依次进行矢量化输出和接收波束形成，得到接收回波信号的快拍矢量

3a)频率分集阵列的发射信号经过观测场景的后向散射，被接收阵列接收，得到接收回波信号，这里接收阵列与发射阵列共用一副天线；

3b)对接收回波信号进行匹配滤波，即对回波信号和各滤波器进行时域相关操作，将所有滤波器在同一时刻的输出排成列矢量，得到接收回波信号的矢量化输出x_l(k)，其中l＝1,...,L，k＝1,...,M，L为距离门个数，M为脉冲个数，复数矢量x_l(k)的维数为N²；

3c)对接收回波信号的矢量化输出x_l(k)进行接收波束形成：

3c1)根据频率分集阵列的接收导向矢量b(θ)以及接收波束指向θ₀，得到接收波束权矢量：

$w_R=b\left({\mathrm{\θ}}_0\right)\⊗I_N$

其中 $b\left({\mathrm{\θ}}_0\right)={\left[\begin{array}{cccc}1& \exp (-j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{sin\θ}}_0)& \mathrm{...}& \exp (-j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(N-1\left){\mathrm{sin\θ}}_0\right)\end{array}\right]}^T$ 为接收导向矢量，j表示虚数，d为相邻天线间距，λ＝c/f₀为波长，c为光速，(·)^T表示转置，为克罗内克积，I_N为N×N维单位矩阵；

3c2)用接收波束权矢量w_R对回波信号的矢量化输出x_l(k)进行加权求和，得到接收回波信号的快拍矢量：

其中(·)^H表示共轭转置，为N维复数矢量。

上述步骤(3b)所述的匹配滤波过程，一方面能够获得距离向脉冲压缩的信号处理增益，另一方面能够分离发射信号，恢复发射自由度，为进一步利用发射自由度进行距离解模糊奠定基础。

上述步骤(3c)所述的接收波束形成操作能够获得整个接收阵列的信号增益，提高回波信号的信噪比。

步骤4，对回波信号的快拍矢量进行距离解模糊，得到无距离模糊的回波信号。

4a)距离依赖特性补偿：

由于频率分集阵列的发射导向矢量是距离的函数，因此快拍矢量的空间频率随距离缓慢变化，为了防止不同距离模糊区域的回波信号在空间频率域互相混叠，需要进行距离依赖性补偿，选取第一模糊区域为参考区域，根据参考区域各距离门的斜距设计补偿函数：h_l＝[1exp(j2πf_R,l)...exp(j2πf_R,l(N-1))]^T，其中R_l为参考区域的第l个距离门的斜距；

用补偿函数h_l对回波信号的快拍矢量进行距离依赖性补偿，得到补偿后回波信号的快拍矢量：其中□为哈达玛积；

经过距离依赖性补偿后，同一距离模糊区域的回波信号具有相同的空间频率，而不同距离模糊区域的回波信号具有不同的空间频率，因此不同距离模糊区域的回波信号在空间频率域完全分离，可以通过在空间频率域滤波，即发射波束形成来实现距离解模糊。

4b)发射波束形成，得到无距离模糊的回波信号：

根据距离依赖性补偿后回波信号在空间频率域的分布，设计发射波束权值：

w_p＝a(f_s,p)，其中a(f_s,p)＝[1exp(-j2πf_s,p)...exp(-j2πf_s,p(N-1))]^T为频率分集阵列的发射导向矢量，为第p距离模糊区域的空间频率，p＝1,...,N_a，N_a为最大距离模糊次数，R_u＝1/f_r为最大无模糊距离；

采用发射波束权值w_p对补偿后的回波信号快拍矢量进行发射波束形成，即用权矢量w_p对快拍矢量的各元素进行加权求和，得到无距离模糊的回波信号：

$x_{p,l}\left(k\right)={w_p}^H{\tilde{x}}_l\left(k\right).$

步骤5，对无距离模糊的回波信号x_p,l(k)进行成像，得到整个观测场景的高分辨宽测绘带成像结果。

对无距离模糊的回波信号x_p,l(k)，可以采用多种现有算法进行成像，例如，距离多普勒算法、频率变标算法、极坐标格式算法和后向投影算法等。本实施例选取距离多普勒算法进行说明，具体实现步骤如下：

5a)当波束指向θ₀由于非理想因素偏离正侧方时，回波信号存在距离走动现象，需要校正回波信号的距离走动，构造距离走动校正函数H₁＝exp(-j4π(f_e+f₀)vsinθ₀t_a/c)，其中f_e表示距离频率，v为平台速度，t_a为方位时域；

5b)对无距离模糊的回波信号x_p,l(k)沿距离维进行傅立叶变换，将变换结果与距离走动校正函数H₁相乘，得到距离走动校正后的回波信号

5c)当雷达进行高分辨率成像时，雷达与目标的相对运动会跨越距离单元，引起回波信号的距离弯曲现象，且距离弯曲不可忽略，需要对其进行校正，构造距离弯曲校正函数 $H_2=\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}}{c}{R}_0{\left(f_a/f_{aM}\right)}^2{f}_e\right),$ 其中R₀为场景中心斜距，f_a为方位频率，f_aM＝2vcosθ₀/λ为等效的最大多普勒频率；

5d)对距离走动校正后的回波信号沿方位维进行傅立叶变换，将变换结果与距离弯曲校正函数H₂相乘，得到距离弯曲校正后的回波信号

5e)经过上述校正处理后，回波信号在方位向的相位历程为球面相位形式，由此构造方位匹配滤波参考函数其中R_p,l为第p距离模糊区域的第l个离门的斜距；

5f)对距离弯曲校正后的回波信号沿距离维进行逆傅立叶变换，将变换结果与方位匹配滤波参考函数H₃相乘，再对相乘结果进行方位维逆傅立叶变换，得到方位匹配滤波后的回波信号，即观测场景的成像结果。

下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

1.仿真参数：

频率分集阵列合成孔径雷达的参考载频f₀＝5.3GHz，频率增量Δf＝240100Hz，收发阵列共用半波长等距线阵，阵元数N＝8，雷达平台的运动速度v＝7600m/s，平台高度H＝500km，脉冲重复频率f_r＝4000Hz，系统带宽为150MHz，距离分辨率和方位分辨率均为1m，测绘带宽W_g＝150km，最大距离模糊次数N_a＝4。

2.仿真内容：

仿真1，在上述仿真参数下，以第一距离模糊区域为期望成像区域，采用现有距离多普勒算法对距离模糊回波信号进行成像，结果如图3所示。

仿真2，在上述仿真参数下，以第一距离模糊区域为期望成像区域，采用本发明方法对距离模糊回波信号进行成像，结果如图4所示。

对比图3和图4可见，本发明方法能够通过距离解模糊，大大提高距离模糊回波信号的成像质量，能够实现对观测场景的高分辨宽测绘带成像。

本仿真验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。

Claims (3)

1.频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法，包括：

1)设计频率分集阵列的频率增量Δf：

根据平台速度v和方位分辨率ρ_a得到脉冲重复频率f_r＝1.2v/ρ_a，其中比例系数1.2为设计裕量；

根据测绘带宽W_g和脉冲重复频率f_r得到距离模糊次数其中表示向上取整；

根据脉冲重复频率f_r和距离模糊次数N_a设计载频的频率增量：

Δf＝(u+q)f_r，

其中u为整数部分，q为小数部分，取q＝1/N_a，其中B_w为发射信号带宽，表示向下取整；

2)频率分集阵列发射信号集{s_n(t)}_n＝1,...,N，其中s_n(t)为第n个天线的发射信号， 为包络信号，n＝1,...,N，N为天线数，f₀为第一个天线载频，即参考天线的载频；

3)频率分集阵列接收回波信号，并对该回波信号依次进行矢量化输出和接收波束形成，得到接收回波信号的快拍矢量其中l＝1,...,L，k＝1,...,M，L为距离门个数，M为脉冲个数；

4)对回波信号的快拍矢量进行距离解模糊：

4a)距离依赖特性补偿：

设计补偿函数：h_l＝[1exp(j2πf_R,l)...exp(j2πf_R,l(N-1))]^T，

其中R_l为参考区域的第l个距离门的斜距，j表示虚数，c为光速，(·)^T表示转置；

用补偿函数h_l对回波信号的快拍矢量进行距离依赖特性补偿，得到补偿后回波信号的快拍矢量：其中□为哈达玛积；

4b)发射波束形成：

设计发射波束权值：w_p＝a(f_s,p)，

其中a(f_s,p)＝[1exp(-j2πf_s,p)...exp(-j2πf_s,p(N-1))]^T为频率分集阵列的发射导向矢量，为第p距离模糊区域的空间频率，p＝1,...,N_a，N_a为最大距离模糊次数，R_u＝1/f_r为最大无模糊距离，d为相邻天线间距，λ＝c/f₀为波长，θ₀为发射波束指向；

采用发射波束权值w_p对补偿后的回波信号快拍矢量进行发射波束形成，即用权矢量w_p对快拍矢量的各元素进行加权求和，得到无距离模糊的回波信号：

$x_{p,l}\left(k\right)={w_p}^H{\tilde{x}}_l\left(k\right),$

其中(·)^H表示共轭转置；

5)对无距离模糊的回波信号x_p,l(k)进行成像，得到整个观测场景的高分辨宽测绘带成像结果。

2.根据权利要求1所述的频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法，其特征在于：步骤3)中对频率分集阵列接收回波信号依次进行矢量化输出和接收波束形成，得到接收回波信号的快拍矢量按如下步骤进行：

3a)频率分集阵列的发射信号经过观测场景的后向散射，被接收阵列接收，得到接收回波信号，这里接收阵列与发射阵列共用一副天线；

3b)对接收回波信号进行匹配滤波，即对回波信号和各滤波器进行时域相关操作，将所有滤波器在同一时刻的输出排成列矢量，得到接收回波信号的矢量化输出x_l(k)；

3c)对接收回波信号的矢量化输出x_l(k)进行接收波束形成，即用接收波束权矢量对回波信号的矢量化输出x_l(k)进行加权求和，得到接收回波信号的快拍矢量：

其中 $b\left({\mathrm{\θ}}_0\right)={\left[\begin{array}{cccc}1& \exp (-j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{sin\θ}}_0)& ...& \exp (-j2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}(N-1){\mathrm{sin\θ}}_0)\end{array}\right]}^T$ 为接收导向矢量，θ₀为发射波束指向，为克罗内克积，I_N为N×N维单位矩阵，为N维复数矢量。

3.根据权利要求1所述的频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法，其特征在于：步骤5)中对无距离模糊的回波信号x_p,l(k)分别进行成像，采用距离多普勒算法，步骤如下：

5a)构造距离走动校正函数H₁＝exp(-j4π(f_e+f₀)vsinθ₀t_a/c)，其中f_e表示距离频率，v为平台速度，θ₀为发射波束指向，t_a为方位时域；

5b)对无距离模糊的回波信号x_p,l(k)沿距离维进行傅立叶变换，将变换结果与距离走动校正函数H₁相乘，得到距离走动校正后的回波信号

5c)构造距离弯曲校正函数其中R₀为场景中心斜距，f_a为方位频率，f_aM＝2vcosθ₀/λ为等效的最大多普勒频率；

5d)对距离走动校正后的回波信号沿方位维进行傅立叶变换，将变换结果与距离弯曲校正函数H₂相乘，得到距离弯曲校正后的回波信号

5e)构造方位匹配滤波参考函数其中R_p,l为第p距离模糊区域的第l个离门的斜距；

5f)对距离弯曲校正后的回波信号沿距离维进行逆傅立叶变换，将变换结果与方位匹配滤波参考函数H₃相乘，再对相乘结果进行方位维逆傅立叶变换，得到方位匹配滤波后的回波信号，即观测场景的成像结果。