CN106291489A - 适用于多种发射信号波形的合成孔径雷达回波仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于多种发射信号波形的合成孔径雷达回波仿真方法，步骤如下：步骤一：设定雷达发射信号波形。步骤二：对每一个雷达发射信号分别进行傅里叶变换，得到雷达发射信号频谱。步骤三：计算合成孔径雷达传递函数。步骤四：将步骤二所得到的雷达发射信号频谱与步骤三所得到的合成孔径雷达传递函数相乘，得到SAR回波信号的方位时域距离频域谱。步骤五：对步骤四所得结果沿距离频率f_r进行逆傅里叶变换。本发明方法可以根据实际需求灵活地选择发射信号波形，使SAR回波信号仿真器可以对雷达发射信号的建模更为灵活、逼真；发射波形的建模与雷达工作模式、目标散射特性的建模、雷达平台的建模等相对独立，不会相互制约。

Description

适用于多种发射信号波形的合成孔径雷达回波仿真方法

【技术领域】

本发明属于合成孔径雷达和信号处理领域，具体涉及合成孔径雷达回波信号的仿真技术，特别是一种适用于多种发射信号波形的合成孔径雷达回波仿真方法。

【背景技术】

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)回波信号仿真器对于研究SAR成像算法、验证SAR系统方案等具有重要作用。目前，现有SAR回波信号仿真技术不仅能够用于传统的条带模式SAR，也可用于聚束SAR，TopSAR等多种SAR数据获取模式；不仅能够用于传统的单站SAR系统，也可用于双站SAR、SAR动目标指示等新体制SAR系统。一些SAR回波信号仿真技术考虑了电磁波的二次或多次散射、阴影效应等因素，使目标散射特性的建模更为逼真；一些SAR回波信号仿真技术考虑了雷达平台的偏航、波束指向误差等因素，使雷达平台的建模更为逼真。

然而，现有的高效SAR回波信号仿真技术面临着无法灵活地选择雷达发射信号波形的技术瓶颈。例如，A.Khwaja,L.Ferro-Famil,and E.Pottier,“Efficient SAR rawdata generation for anisotropic urban scenes based on inverse processing,”IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,vol.6,no.4,pp.757–761,2009中公开的逆成像仿真技术，以及G.Franceschetti,A.Iodice,S.Perna,and D.Riccio,“Efficientsimu-lation of airborne SAR raw data of extended scenes,”IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing,vol.44,no.10,pp.2851–2860,2006中公开的频域仿真技术等，无一例外的假设了雷达发射信号波形为线性调频信号的形式，且在雷达成像期间发射信号不随时间发生变化。对发射信号波形的限制无疑不利于雷达发射信号建模的灵活性和逼真性。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提出了一种适用于多种发射信号波形的合成孔径雷达回波仿真方法。

为了达到上述目的，本发明的适用于多种发射信号波形的合成孔径雷达回波仿真方法，采取的技术方案如下：

步骤一：设定雷达发射信号波形。根据实际需求灵活地选择雷达发射信号波形，可以设定雷达发射信号波形为理想线性调频信号、或由于器件不理想导致失真的线性调频信号、或非线性调频信号、或相位编码信号、或具有抗干扰功能的波形捷变信号等脉冲形式的信号。

步骤二：对每一个雷达发射信号分别进行傅里叶变换，得到雷达发射信号频谱。

步骤三：计算合成孔径雷达传递函数。合成孔径雷达传递函数的定义式为

${\mathrm{hh}}_{tran}({\stackrel{\→}{l}}_r,f_r)=\underset{{\stackrel{\→}{l}}_s}{\Σ}{s}_{amp}({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}R({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)}{c}{f}_r)---\left(1\right)$

其中，代表雷达的瞬时位置。f_r为雷达发射信号的频率分量，又称距离频率。代表雷达成像场景中任一散射中心的位置。代表一个以为自变量的函数在其定义域上的求和运算。exp(·)代表指数函数。j为虚数符号。c为电磁波传播速度。代表当雷达位于位置时，对于位于位置的散射中心而言，雷达信号在发射、传输、目标散射、雷达接收过程中发生的幅度衰减，

$s_{amp}({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)=\frac{\mathrm{\ω}\left(\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}\right({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s),{\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_0\left({\stackrel{\→}{l}}_r\right))\mathrm{\σ}\left({\stackrel{\→}{l}}_s\right)}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{3/2}R{({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)}^2}---\left(2\right)$

其中，代表天线波束方向性引起的幅度调制。代表当雷达位于位置时，位于位置的散射中心相对雷达的方向向量；||·||为范数运算符号。代表当雷达位于位置时，雷达波束指向向量。代表位于位置的散射中心的散射系数。代表当雷达位于位置时，位于位置的散射中心与雷达之间的距离。

步骤四：将步骤二所得到的雷达发射信号频谱与步骤三所得到的合成孔径雷达传递函数相乘，得到SAR回波信号的方位时域距离频域谱。

步骤五：对步骤四所得结果沿距离频率f_r进行逆傅里叶变换。

经过以上五个步骤，得到设定雷达发射信号波形条件下的SAR回波信号。

本发明的适用于多种发射信号波形的合成孔径雷达回波仿真方法，其有益效果主要包括：

第一，可以根据实际需求灵活地选择发射信号波形，使SAR回波信号仿真器可以对雷达发射信号的建模更为灵活、逼真。可供选择的发射信号波形包括理想线性调频信号、失真的线性调频信号、非线性调频信号、相位编码信号、抗干扰模式下的波形捷变信号等脉冲形式的信号。

第二，发射波形的建模与雷达工作模式、目标散射特性的建模、雷达平台的建模等相对独立，不会相互制约。

【附图说明】

图1是合成孔径雷达成像的几何示意图。

图2是本发明方法流程图。

图3是以距离-多普勒成像算法对本发明方法仿真的单个散射中心的回波信号进行成像后的图像结果、距离向剖面和方位向剖面。

图4是以距离-多普勒成像算法对本发明方法仿真的扩展场景的SAR回波信号进行成像后的图像结果。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步解释。图1在三维几何空间中展现了SAR成像的几何示意图。可不失一般性的假设雷达平台运动方向为x轴方向；雷达位置坐标为散射中心坐标为

本发明适用于多种发射信号波形的合成孔径雷达回波仿真方法，采用如图3所示的五个步骤。

步骤一：设定雷达发射信号波形s_T(x,t_r)，其中t_r为雷达快时间。由于雷达平台的运动，雷达位置的x坐标随着雷达慢时间t_a而发生变化。对于一个固定的雷达位置x坐标，s_T(x,t_r)代表特定慢时间t_a时的雷达雷达发射信号，其波形不仅可以设定为理想线性调频信号、或由于器件不理想导致失真的线性调频信号、或非线性调频信号、或相位编码信号等多种脉冲信号形式。在不同的雷达位置x坐标上，可设置s_T(x,t_r)为常量值；也可设置雷达发射信号波形为具有抗干扰功能的波形捷变信号，此时s_T(x,t_r)随雷达位置x坐标发生变化。雷达发射信号波形可以根据实际需求灵活地选择，只要是脉冲形式的信号即可。

采用数字信号处理的方式实现本发明方法时，雷达信号沿雷达快时间t_r的采样率f_s应满足奈奎斯特采样率的要求，大于复数形式的雷达发射信号带宽；雷达信号沿雷达快时间t_r的采样点数N_s应满足N_s/f_s大于雷达发射信号时宽。本发明方法对沿雷达位置x坐标的采样率无要求，但沿雷达慢时间t_a的采样率一般大于合成孔径雷达多普勒带宽。

步骤二：在每一个雷达位置x坐标上，对各个雷达发射信号分别进行傅里叶变换，得到雷达发射信号频谱。采用数字信号处理的方式实现本发明方法时，应首先在雷达发射信号末端补零。补零后的雷达发射信号点数N_fft应满足N_fft/f_s大于雷达发射信号的时宽加上目标时宽，其中目标时宽等于2L_r/c，L_r为目标的距离向长度，c为电磁波传播速度。补零后，进行N_fft点快速傅里叶变换，即可得到雷达发射信号频谱在[f_c-f_s/2,f_c+f_s/2]频带范围内以f_s/N_fft为间隔的N_fft个采样值。

步骤三：计算合成孔径雷达传递函数。合成孔径雷达传递函数的定义式为

${\mathrm{hh}}_{tran}({\stackrel{\→}{l}}_r,f_r)=\underset{{\stackrel{\→}{l}}_s}{\Σ}{s}_{amp}({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}R({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)}{c}{f}_r)---\left(3\right)$

其中，代表雷达的瞬时位置。f_r为雷达发射信号的频率分量。代表雷达成像场景中任一散射中心的位置。代表一个以为自变量的函数在其定义域上的求和运算。exp(·)代表指数函数。j为虚数符号。代表当雷达位于位置时，对于位于位置的散射中心而言，雷达信号在发射、传输、目标散射、雷达接收过程中发生的幅度衰减，

$s_{amp}({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)=\frac{\mathrm{\ω}\left(\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}\right({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s),{\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_0\left({\stackrel{\→}{l}}_r\right))\mathrm{\σ}\left({\stackrel{\→}{l}}_s\right)}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{3/2}R{({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)}^2}---\left(4\right)$

其中，代表天线波束方向性引起的幅度调制。代表当雷达位于位置时，位于位置的散射中心相对雷达的方向向量；||·||为范数运算符号。代表当雷达位于位置时，雷达波束指向向量。代表位于位置的散射中心的散射系数。代表当雷达位于位置时，位于位置的散射中心与雷达之间的距离。

采用数字信号处理的方式实现本发明方法时，合成孔径雷达传递函数沿雷达位置x坐标的采样位置应与步骤一中雷达发射信号沿雷达位置x坐标的采样位置一致；合成孔径雷达传递函数沿频率f_r的采样位置应与步骤二所得雷达发射信号频谱沿频率f_r的采样位置一致，因此应在[f_c-f_s/2,f_c+f_s/2]频带范围内以f_s/N_fft为间隔。

需要说明的是：第一，雷达航迹可以设置为理想的直线航迹，也可以设置为非直线航迹；第二，雷达工作模式可以设置为传统条带模式，此时为常数值；雷达工作模式也可以设置为聚束模式、滑动聚束模式、TopSAR模式等其他模式，此时随雷达平台位置以特定形式发生变化；第三，合成孔径雷达传递函数的计算方式可以根据上式中的定义直接计算，也可以根据定义式设计快速计算方法计算。第四，本发明方法既可用于仿真点散射目标的SAR回波信号，也可用于仿真由大量散射中心构建的目标或扩展场景。

步骤四：在对应的雷达位置x坐标和雷达发射信号频率f_r，将步骤二所得到的雷达发射信号频谱与步骤三所得到的合成孔径雷达传递函数进行点对点相乘，得到SAR回波信号的方位时域距离频域谱。

步骤五：在每一个雷达位置x坐标上，对步骤四所得结果沿距离频率进行逆傅里叶变换。采用数字信号处理的方式实现本发明方法时，可采用N_fft点快速傅里叶变换实现此步骤。

经过以上五个步骤，得到设定雷达发射信号波形条件下的SAR回波信号。

图3至图4是两组仿真实验的结果。仿真实验中，我们以条带SAR为例，设置SAR发射信号为非线性调频信号，距离和方位标称分辨力均为0.5m，载频9GHz，带宽300MHz；设置雷达斜视角θ_sq＝0deg，方位向波束宽度θ_bw＝1.94deg，SAR平台飞行速度180m/s。

第一组仿真实验利用本发明方法产生单个散射中心的SAR回波信号。散射中心与雷达的最近斜距设置为10公里。图3展示了以距离-多普勒成像算法对本发明方法仿真的回波信号进行成像后的图像结果、距离向剖面和方位向剖面。仿真实验结果表明，本发明产生的回波信号具有逼真的雷达回波特性，回波信号经过雷达成像处理能够达到或十分逼近雷达理论分辨力。

第二组仿真实验利用本发明方法产生一个扩展场景的SAR回波信号。扩展场景由6000×7500个散射中心构成，场景中心与雷达的最近斜距设置为10公里。图4展示了以距离-多普勒成像算法对本发明方法仿真的回波信号进行成像后的图像结果。仿真实验结果显示，SAR回波信号在雷达图像中所呈现的场景保留了场景模板精细的点、线、面等构造以及明暗变化，扩展场景的SAR回波信号同样具有逼真的雷达回波特性。

Claims (1)

1.一种适用于多种发射信号波形的合成孔径雷达回波仿真方法，步骤如下：

步骤一：设定雷达发射信号波形；根据实际需求灵活地选择雷达发射信号波形，可以设定雷达发射信号波形为理想线性调频信号、或由于器件不理想导致失真的线性调频信号、或非线性调频信号、或相位编码信号、或具有抗干扰功能的波形捷变信号等脉冲形式的信号；

步骤二：对每一个雷达发射信号分别进行傅里叶变换，得到雷达发射信号频谱；

步骤三：计算合成孔径雷达传递函数；合成孔径雷达传递函数的定义式为

${\mathrm{hh}}_{tran}({\stackrel{\→}{l}}_r,f_r)=\underset{{\stackrel{\→}{l}}_s}{\Σ}{s}_{amp}({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}R({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)}{c}{f}_r)---\left(1\right)$

其中，代表雷达的瞬时位置；f_r为雷达发射信号的频率分量，又称距离频率；代表雷达成像场景中任一散射中心的位置；代表一个以为自变量的函数在其定义域上的求和运算；exp(·)代表指数函数；j为虚数符号；c为电磁波传播速度；代表当雷达位于位置时，对于位于位置的散射中心而言，雷达信号在发射、传输、目标散射、雷达接收过程中发生的幅度衰减，

$s_{amp}({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)=\frac{\mathrm{\ω}\left(\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}\right({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s),{\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_0({\stackrel{\→}{l}}_r\left)\right)\mathrm{\σ}\left({\stackrel{\→}{l}}_s\right)}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{3/2}R{({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)}^2}---\left(2\right)$

其中，代表天线波束方向性引起的幅度调制；代表当雷达位于位置时，位于位置的散射中心相对雷达的方向向量；||·||为范数运算符号；代表当雷达位于位置时，雷达波束指向向量；代表位于位置的散射中心的散射系数；代表当雷达位于位置时，位于位置的散射中心与雷达之间的距离；

步骤四：将步骤二所得到的雷达发射信号频谱与步骤三所得到的合成孔径雷达传递函数相乘，得到SAR回波信号的方位时域距离频域谱；

步骤五：对步骤四所得结果沿距离频率f_r进行逆傅里叶变换；

经过以上五个步骤，得到设定雷达发射信号波形条件下的SAR回波信号。