CN106338731A - 一种多子带并发的mimo‑sar雷达成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多子带并发的MIMO‑SAR雷达成像方法，其主要思路为：确定多子带并发的MIMO‑SAR雷达对地观测录取回波的几何模型，依次计算MIMO‑SAR雷达接收的第k个子带的基频信号和距离匹配滤波后MIMO‑SAR雷达接收的第k个子带的基频信号，并计算MIMO‑SAR雷达第k'个子带的有效频谱带宽，进而计算MIMO‑SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S，对S进行频谱幅度校正，得到频谱幅度校正后MIMO‑SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'；对S'依次进行距离向IFFT和使用距离徙动算法进行成像，得到多子带并发的MIMO‑SAR雷达成像。

Description

一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法，即一种多子带并发的多输入多输出-合成孔径雷达(Multiple-Input Multiple-Output-SAR)成像方法，适用于频带合成的多发多收MIMO-SAR雷达成像，以及大场景下MIMO-SAR雷达的高分辨成像处理。

背景技术

近年来，随着SAR雷达技术的不断发展和硬件性能的不断提升，民用以及军事领域对星载以及机载SAR雷达成像分辨率的指标要求也越来越高；考虑到数模采样速率(A/D采样率)的影响，以及国内1GHz带宽信号已经很成熟，SAR雷达单个子带发射信号得到的SAR雷达成像也将近达到0.15米的分辨率；因此在不增加SAR雷达设计成本的基础上，SAR雷达发射若干个不同载频的子带MIMO-SAR雷达信号，并对接收到的多子带MIMO-SAR雷达回波通过数字信号处理技术进行各个子带信号带宽合成，以此获得更高的带宽，即利用步进调频信号合成大宽带信号，从而实现高分辨成像；其中，多子带MIMO-SAR雷达信号其实是由一组载频递增(递减)、且具有确定带宽的子脉冲组成，进而带宽合成方法能够获得等价的大带宽信号。由于其实现简单，并且对发射机、接收机的瞬间带宽要求较低，大大降低了MIMO-SAR雷达的设计成本，因而被广泛应用于高分辨雷达成像中。

在理想情况下，MIMO-SAR雷达各子带信号仅仅中心频率不同，此时采用典型的子带拼接法得到全频带MIMO-SAR雷达成像，经过子带合成后，等效得到一个调频率不变、脉冲宽度增加的发射信号，由于等效脉宽增长，因此，拼接后的信号具有更大的频带宽度。然而在实际MIMO-SAR雷达实验中，由于MIMO-SAR雷达硬件等不可避免地存在各种误差，以及挂飞实验运动误差的影响，导致MIMO-SAR雷达接收端接收各子带信号的幅相等方面不一致，从而影响MIMO-SAR雷达成像质量。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法，该种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法是一种能够实现全带宽合成的高分辨MIMO-SAR雷达成像方法，基于此方法能够得到高分辨成像，便于后期目标检测和识别处理。

为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法，包括以下步骤：

步骤1，确定多子带并发的MIMO-SAR雷达对地观测录取回波的几何模型，在所述几何模型中，多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射N个中心频率不同的子带线性调频脉冲信号，每个子带线性调频脉冲信号的带宽为B₀，每个子带线性调频脉冲信号的脉冲长度为T₀；多子带并发的MIMO-SAR雷达包含N个子带，其中相邻子带间频率间隔为f_step，N为大于0的奇数；

步骤2，初始化：k∈{1,2,...,N-1}，k表示MIMO-SAR雷达第k个子带；k'∈{1,2,...,N-1}，k'表示第k'迭代，k'也表示MIMO-SAR雷达第k'个子带，N表示MIMO-SAR雷达包含的子带个数；

步骤3，依次计算MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频脉冲信号的中心频率f_c(k)和MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频脉冲信号s_o(t,k)，然后根据MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频脉冲信号的中心频率f_c(k)，计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的相参本振信号s_ref，并根据MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频脉冲信号s_o(t,k)，计算得到MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号其中，t表示方位采样时刻；

步骤4，对MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号依次进行距离频域变换和距离匹配滤波，得到距离匹配滤波后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₂(f_r,k)；f_r表示距离向频率；

步骤5，分别将MIMO-SAR雷达第k个子带的理想距离匹配滤波信号记为S_ref(f_r,k)，将MIMO-SAR雷达第k个子带的实测内定标信号记为S_d(f_r,k)，然后计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的脉压相位校正补偿因子φ(k)，进而计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号S₃(f_r,k)；

步骤6，根据MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号S₃(f_r,k)，计算得到时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号s₄(f_r,k)，并将时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k+1个子带的距离脉压相位校正信号记为s₄(f_r,k+1)，计算得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差角度theta(k'+1)，进而得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)；

步骤7，对第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)进行频谱搬移，即将所述相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)从低频端搬移到高频端，得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带的频谱和第k+1个子带的频谱，所述第k个子带的频谱的带宽为B_p，所述第k+1个子带的频谱的带宽为B_p，且第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间不重叠的频谱带宽为f_step，第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的重叠频谱带宽为(B_p-f_step)，并将所述第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间不重叠的频谱带宽f_step，作为MIMO-SAR雷达第k'个子带的有效频谱带宽；f_step表示相邻子带间频率间隔；

步骤8，分别令k和k'加1,重复步骤2到步骤7，直到得到MIMO-SAR雷达第N-1个子带的有效频谱带宽；MIMO-SAR雷达第N个子带的有效频谱带宽为B_p；

然后将此时得到的MIMO-SAR雷达第1个子带的有效频谱带宽到MIMO-SAR雷达第N-1个子带的有效频谱带宽，以及MIMO-SAR雷达第N个子带的有效频谱带宽进行合成，得到MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S；

步骤9，对MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S进行频谱幅度校正，得到频谱幅度校正后MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'；

步骤10，对所述频谱幅度校正后MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'进行距离向逆快速傅立叶变换，将所述频谱幅度校正后MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'转换到距离时域，然后利用距离徙动算法进行成像，得到多子带并发的MIMO-SAR雷达成像。

本发明的有益效果：本发明方法针对多子带并发的MIMO-SAR雷达成像问题，利用频域带宽合成方法将各子带信号进行匹配滤波，并分别进行脉压相位校正；对相邻子带信号进行不一致校正，使得相邻子带的时间相同，相位连续；其次进行删除重叠频谱和幅度校正，合成得到大带宽信号；最后利用常规的插值类成像算法(如距离徙动算法)进行成像，进而得到多子带并发的MIMO-SAR雷达高分辨成像。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法流程图；

图2是本发明一种多子带并发的MIMO-SAR雷达发射端几何模型示意图；

图3(a)为频谱搬移后MIMO-SAR雷达第1个子带的距离频谱图，横轴表示方位时域单元，单位为采样单元，纵轴表示距离频域单元，单位为采样单元；

图3(b)为频谱搬移后MIMO-SAR雷达第2个子带的距离频谱图，横轴表示方位时域单元，单位为采样单元，纵轴表示距离频域单元，单位为采样单元；

图3(c)为频谱搬移后MIMO-SAR雷达第3个子带的距离频谱图，横轴表示方位时域单元，单位为采样单元，纵轴表示距离频域单元，单位为采样单元；

图4是使用本发明方法得到的MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S的示意图，横轴表示方位时域单元，单位为采样单元，纵轴表示距离频域单元，单位为采样单元；

图5是MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S在距离向上的幅度变化曲线图，横轴表示距离频域单元，单位为采样单元，纵轴表示距离频域单元幅度，单位为幅度单元；

图6是MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S在距离向上的幅度变化向量图，横轴表示距离频域单元，单位为采样单元，纵轴表示距离频域单元幅度，单位为幅度单元；

图7是单子带数据没有使用本发明方法得到的MIMO-SAR雷达成像示意图，横轴表示方位向，单位为采样单元，纵轴表示距离向，单位为采样单元；

图8是使用本发明方法得到的MIMO-SAR雷达成像示意图，横轴表示方位向，单位为采样单元，纵轴表示距离向，单位为采样单元；

图9是图7中白色距离框的放大图，横轴表示方位向，单位为采样单元，纵轴表示距离向，单位为采样单元；

图10是图8中白色距离框的放大图，横轴表示方位向，单位为采样单元，纵轴表示距离向，单位为采样单元；

图11是使用本发明方法得到的图7和图8中同一个特显点的距离剖面图，横轴表示距离单元，单位为采样单元，纵轴表示幅度，单位为分贝(dB)。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法流程图；所述多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法，包括以下步骤：

步骤1，确定多子带并发的MIMO-SAR雷达对地观测录取回波的几何模型，在所述几何模型中，多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射N个中心频率(载频)不同的子带线性调频脉冲信号，每个子带线性调频脉冲信号的带宽为B₀，每个子带线性调频脉冲信号的脉冲长度为T₀；多子带并发的MIMO-SAR雷达包含N个子带，其中相邻子带间频率间隔(频率步长)为f_step；N为大于0的奇数。

具体地，确定多子带并发的MIMO-SAR雷达对地观测录取回波的几何模型，在所述几何模型中，多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射N个中心频率(载频)不同的子带线性调频脉冲信号，每个子带线性调频脉冲信号的带宽为B₀，每个子带线性调频脉冲信号的脉冲长度为T₀；多子带并发的MIMO-SAR雷达包含N个子带，其中相邻子带间的频率间隔(频率步长)为f_step；N为大于0的奇数；本实施例中N＝3。

步骤2，初始化：k∈{1,2,...,N-1}，k表示MIMO-SAR雷达第k个子带；k'∈{1,2,...,N-1}，k'表示第k'迭代，k'也表示MIMO-SAR雷达第k'个子带，N表示MIMO-SAR雷达包含的子带个数。

步骤3，依次计算MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频(LMF)脉冲信号的中心频率f_c(k)和MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频(LMF)脉冲信号s_o(t,k)，然后根据MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频(LMF)脉冲信号的中心频率f_c(k)，计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的相参本振信号s_ref，并根据MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频(LMF)脉冲信号s_o(t,k)，计算得到MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号其中，t表示方位采样时刻。

具体地，为了得到MIMO-SAR雷达完整的全带宽信号，相邻子带间频率间隔(频率步长)f_step必须小于或等于每个子带线性调频脉冲信号的带宽B₀，因此计算得到MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频(LMF)脉冲信号的中心频率f_c(k)，其表达式为：

$f_c\left(k\right)=f_c+(k-\frac{1}{2}-\frac{N}{2})\×f_{step}$

其中，f_c表示第个子带线性调频脉冲信号的中心频率，f_step表示相邻子带间频率间隔；参照图2，为本发明一种多子带并发的MIMO-SAR雷达发射端几何模型示意图；其中，N＝3，f_c(1)表示MIMO-SAR雷达发射的第1个子带线性调频(LMF)脉冲信号的中心频率，f_c(2)表示MIMO-SAR雷达发射的第2个子带线性调频(LMF)脉冲信号的中心频率，f_c(3)表示MIMO-SAR雷达发射的第3个子带线性调频(LMF)脉冲信号的中心频率。

进而计算得到MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频(LMF)脉冲信号s_o(t,k)，其表达式为：

$s_o(t,k)=rect\left(\frac{t}{T_0}\right)\exp \[j2{\mathrm{\πf}}_c\left(k\right)t\]\exp \[{\mathrm{j\π\γt}}^2\]$

其中，rect(·)表示距离矩形窗，t表示方位采样时刻，γ表示全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率，所述全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率为多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射的N个中心频率不同的子带线性调频脉冲信号；T₀表示每个子带线性调频(LMF)脉冲信号的脉冲长度，f_step表示相邻子带间频率间隔，f_c(k)表示MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频(LMF)脉冲信号的中心频率，exp表示指数函数。

根据MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频(LMF)脉冲信号的中心频率f_c(k)，计算得到MIMO-SAR雷达的第k个子带的相参本振信号s_ref，s_ref＝exp(j2πf_c(k)t)，所述相参本振信号s_ref的载频与MIMO-SAR雷达发射的N个中心频率不同的子带线性调频(LMF)脉冲信号的载频相同；t表示方位采样时刻；将MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频(LMF)脉冲信号s_o(t,k)和所述相参本振信号s_ref进行混频后，得到MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号其表达式为：

${\hat{s}}_o(t,k)=rect\left(\frac{t-2R_t/C}{T_0}\right)\exp \[j\frac{4{\mathrm{\πf}}_c\left(k\right)}{C}{R}_t\]\exp \[j\mathrm{\π}\mathrm{\γ}{(t-\frac{2R_t}{C})}^2\]$

其中，rect(·)表示距离矩形窗，f_c(k)表示MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频(LMF)脉冲信号的中心频率，t表示方位采样时刻，T₀表示每个子带线性调频(LMF)脉冲信号的脉冲长度，γ表示全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率，所述全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率为多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射的N个中心频率不同的子带线性调频脉冲信号；C表示光速，R_t表示斜距历程，x表示目标和MIMO-SAR雷达载机在X轴上的初始坐标差，y表示目标和

MIMO-SAR雷达载机在Y轴上的初始坐标差，z表示目标和MIMO-SAR雷达载机在Z轴上的初始坐标差，V表示MIMO-SAR雷达载机速度,exp表示指数函数。

步骤4，对MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号依次进行距离频域变换和距离匹配滤波，得到距离匹配滤波后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₂(f_r,k)；f_r表示距离向频率，t表示方位采样时刻。

具体地，对MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号进行距离频域变换，即对所述MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₁(f_r,k)，其表达式为：

$S_1(f_r,k)=FFT\left({\hat{s}}_o\right(t,k\left)\right)$

其中，f_r表示距离向频率，FFT(·)表示快速傅里叶操作；然后确定MIMO-SAR雷达接收的第k个子带基频信号的匹配滤波函数H_r(k)，并根据快速傅里叶变换后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₁(f_r,k)，计算得到距离匹配滤波后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₂(f_r,k)，其表达式为：

$H_r\left(k\right)=W\left(f_r\right)\×\exp \[j\frac{\mathrm{\π}\×{f_r}^2}{\mathrm{\γ}}\]$

S₂(f_r,k)＝S₁(f_r,k)×H_r(k)

其中，W(·)表示距离频域窗函数，f_r表示距离向频率，γ表示全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率，所述全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率为多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射的N个中心频率不同的子带线性调频脉冲信号。

步骤5，分别将MIMO-SAR雷达第k个子带的理想距离匹配滤波信号记为S_ref(f_r,k)，将MIMO-SAR雷达第k个子带的实测内定标信号记为S_d(f_r,k)，然后计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的脉压相位校正补偿因子φ(k)，进而计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号S₃(f_r,k)。

具体地，由于本发明方法涉及高分辨成像，其中单子带的带宽已经接近1GHz，受国内工业水平限制，实际MIMO-SAR雷达产生1GHz的线性调频信号是不完全的线性调频信号，使得利用步骤4中确定的MIMO-SAR雷达接收的第k个子带基频信号的匹配滤波函数H_r(k)，对快速傅里叶变换后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₁(f_r,k)进行脉冲压缩时会存在距离脉压失配现象，因此需要对快速傅里叶变换后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带基频信号进行距离匹配滤波后再进行距离脉压相位校正操作。

具体为：分别将MIMO-SAR雷达第k个子带的理想距离匹配滤波信号记为S_ref(f_r,k)，f_r表示距离向频率，γ表示全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率，所述全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率为多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射的N个中心频率不同的子带线性调频脉冲信号；exp表示指数函数。

将MIMO-SAR雷达第k个子带的实测内定标信号记为S_d(f_r,k)，然后将所述实测内定标信号S_d(f_r,k)与所述理想距离匹配滤波信号S_ref(f_r,k)共轭相乘后进行快速傅里叶变换(FFT)转到时域，再完成取相位操作，从而计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的脉压相位校正补偿因子φ(k)，然后根据距离匹配滤波后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₂(f_r,k)，计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号S₃(f_r,k)，其具体计算过程为：

φ(k)＝arg{FFT{S_ref(f_r,k)×[S_d(f_r,k)]^*}}

S₃(f_r,k)＝S₂(f_r,k)×exp(φ(k))

其中，[·]^*表示取共轭处理，FFT(·)表示快速傅立叶变换操作，arg(·)表示相位处理操作，exp表示指数函数。

步骤6，根据MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号S₃(f_r,k)，计算得到时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号s₄(f_r,k)，并将时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k+1个子带的距离脉压相位校正信号记为s₄(f_r,k+1)，计算得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差角度theta(k'+1)，进而得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)。

步骤6的子步骤为：

6.1根据MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号S₃(f_r,k)，计算得到时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号s₄(f_r,k)，其表达式为：

s₄(f_r,k)＝IFFT{FFT[S₃(f_r,k)]×exp(j2π×△t_k)}

其中，FFT(·)表示快速傅立叶变换操作，IFFT(·)表示逆快速傅立叶变换操作，s₃(f_r,k)表示时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k个子带的回波信号，△t_k表示MIMO-SAR雷达第k个子带的实测信号时间延迟，时间延迟可由内定标信号或强点相关计算。

6.2根据时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号s₄(f_r,k)，将时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k+1个子带的距离脉压相位校正信号记为s₄(f_r,k+1)，计算得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差角度theta(k'+1)，其表达式为：

theta(k'+1)＝angle(sum(s₄(f_r,k)×[s₄(f_r,k+1)]^*))

其中，angle(·)表示取相角操作，sum(·)表示沿着方位向累加处理，[·]^*表示去共轭处理，f_r表示距离向频率。

6.3利用第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差角度theta(k'+1)，对时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号s₄(f_r,k)进行相位误差补偿，得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)，其表达式为：

s₅(f_r,k'+1)＝s₄(f_r,k+1)×exp(j×theta(k'+1))

步骤7，对第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)进行频谱搬移，即将所述相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)从低频端搬移到高频端，得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带的频谱和第k+1个子带的频谱，所述第k个子带的频谱的带宽为B_p，所述第k+1个子带的频谱的带宽为B_p，且第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间不重叠的频谱带宽为f_step，第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的重叠频谱带宽为(B_p-f_step)，并将所述第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间不重叠的频谱带宽f_step，作为MIMO-SAR雷达第k'个子带的有效频谱带宽；f_step表示相邻子带间频率间隔。

具体地，本发明利用频域带宽合成方法将MIMO-SAR雷达的每一个子带信号进行匹配滤波，并分别进行脉压相位校正；对相邻子带信号进行不一致校正，使得相邻子带的时间相同，相位连续；本实施例中MIMO-SAR雷达包含的子带个数N＝3，参照图3(a)—图3(c)，图3(a)为频谱搬移后MIMO-SAR雷达第1个子带的距离频谱图，图3(b)为频谱搬移后MIMO-SAR雷达第2个子带的距离频谱图，图3(c)为频谱搬移后MIMO-SAR雷达第3个子带的距离频谱图；其中图3(a)—图3(c)中的横轴分别表示方位时域单元，单位为采样单元，纵轴分别表示距离频域单元，单位为采样单元。

步骤8，分别令k和k'加1,重复步骤2到步骤7，直到得到MIMO-SAR雷达第N-1个子带的有效频谱带宽；由于k＝N时MIMO-SAR雷达不存在第N+1个子带与第N个子带之间的重叠频谱，因此将第N-1次迭代后MIMO-SAR雷达第N个子带中带宽为B_p的频谱，作为MIMO-SAR雷达第N个子带的有效频谱带宽。

然后将此时得到的MIMO-SAR雷达第1个子带的有效频谱带宽到MIMO-SAR雷达第N-1个子带的有效频谱带宽，以及MIMO-SAR雷达第N个子带的有效频谱带宽进行合成，得到MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S；其中，所述大带宽信号S的有效频谱带宽为(N-1)×f_step+B_p；所述MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S为依次经过进行重叠频谱删除和幅度校正后合成得到大带宽信号，

参照图4，为使用本发明方法得到的MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S的示意图，横轴表示方位时域单元，单位为采样单元，纵轴表示距离频域单元，单位为采样单元。

步骤9，对MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S进行频谱幅度校正，得到频谱幅度校正后MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'。

具体地，首先将MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S沿着方位向进行叠加，得到MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S在距离向上的幅度变换曲线，所述幅度变换曲线的两端由于距离向过采样，因此所述幅度变换曲线的两端幅度值分别为0；参照图5，为MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S在距离向上的幅度变化曲线图，表明所述MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S的频谱幅度得到了校正；其中，横轴表示距离频域单元，单位为采样单元，纵轴表示距离频域单元幅度，单位为幅度单元。

然后对所述幅度变化曲线进行拟合，得到大带宽信号S在距离向上的幅度变化向量D，参照图6，为MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S在距离向上的幅度变化向量图，横轴表示距离频域单元，单位为采样单元，纵轴表示距离频域单元幅度，单位为幅度单元；最后将所述大带宽信号S距离向的每一列均乘以所述幅度变化向量D，进而得到频谱幅度校正后MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'。

步骤10，对所述频谱幅度校正后MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'进行距离向逆快速傅立叶变换(IFFT)，将所述频谱幅度校正后MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'转换到距离时域，然后利用距离徙动算法进行成像，得到多子带并发的MIMO-SAR雷达成像。

通过对以下多子带并发MIMO-SAR雷达实测数据的处理实验来进一步验证本发明方法的有效性。

(一)MIMO-SAR多子带并发实测数据实验

在实测数据实验中，选用多子带并发的MIMO-SAR雷达进行SAR雷达回波录取实验，实测数据基本参数如表一所示。

表一

未对MIMO-SAR并发子带数据进行带宽合成的成像如图7所示，图7是单子带数据没有使用本发明方法得到的MIMO-SAR雷达成像示意图，横轴表示方位向，单位为采样单元，纵轴表示距离向，单位为采样单元；

图7中目标分辨率很低，场景目标能见度低，单个目标的信噪比也差，严重影响了图像质量，使其不能应用于SAR雷达成像后期解析；利用本发明方法得到的多子带并发的MIMO-SAR雷达成像如图8所示，图8是使用本发明方法得到的MIMO-SAR雷达成像示意图，横轴表示方位向，单位为采样单元，纵轴表示距离向，单位为采样单元。

图8中目标分辨率很高，场景目标能见度高，单个目标的信噪比也高；对比明显，能够用于MIMO-SAR雷达成像地后期解析；此外还对图7和图8相同局部区域进行提取放大处理，分别如图9和图10所示，图9是图7中白色距离框的放大图，图10是图8中白色距离框的放大图，图9和图10中的横轴分别表示方位向，单位为采样单元，纵轴分别表示距离向，单位为采样单元。

从图9和图10中明显发现相对图9，图10的中目标房顶棱廓清晰明了，MIMO-SAR雷达成像的信噪比高，非常方便用于MIMO-SAR雷达成像地后期进一步解析。此外本发明还对图7和图8中同一个特显点进行距离剖面分析，结果如图11所示，图11是使用本发明方法得到的图7和图8中同一个特显点的距离剖面图，横轴表示距离单元，单位为采样单元，纵轴表示幅度，单位为分贝(dB)；所述同一个特显点为图9和图10中的白色距离框。

图11中虚线表示子带合成前的分辨率，实线表示本发明的特显点距离分辨率，明显发现本发明的分辨率更好，距离旁瓣更低。

综上所述，实测实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定多子带并发的MIMO-SAR雷达对地观测录取回波的几何模型，在所述几何模型中，多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射N个中心频率不同的子带线性调频脉冲信号，每个子带线性调频脉冲信号的带宽为B₀，每个子带线性调频脉冲信号的脉冲长度为T₀；多子带并发的MIMO-SAR雷达包含N个子带，其中相邻子带间频率间隔为f_step，N为大于0的奇数；

步骤2，初始化：k∈{1,2,...,N-1}，k表示MIMO-SAR雷达第k个子带；

k'∈{1,2,...,N-1}，k'表示第k'迭代，k'也表示MIMO-SAR雷达第k'个子带，N表示MIMO-SAR雷达包含的子带个数；

步骤3，依次计算MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频脉冲信号的中心频率f_c(k)和MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频脉冲信号s_o(t,k)，然后根据MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频脉冲信号的中心频率f_c(k)，计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的相参本振信号s_ref，并根据MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频脉冲信号s_o(t,k)，计算得到MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号其中，t表示方位采样时刻；

步骤4，对MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号依次进行距离频域变换和距离匹配滤波，得到距离匹配滤波后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₂(f_r,k)；f_r表示距离向频率；

步骤5，分别将MIMO-SAR雷达第k个子带的理想距离匹配滤波信号记为S_ref(f_r,k)，将MIMO-SAR雷达第k个子带的实测内定标信号记为S_d(f_r,k)，然后计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的脉压相位校正补偿因子φ(k)，进而计算得到MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号S₃(f_r,k)；

步骤6，根据MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号S₃(f_r,k)，计算得到时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号s₄(f_r,k)，并将时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k+1个子带的距离脉压相位校正信号记为s₄(f_r,k+1)，计算得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差角度theta(k'+1)，进而得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)；

步骤7，对第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)进行频谱搬移，即将所述相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)从低频端搬移到高频端，得到第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带的频谱和第k+1个子带的频谱，所述第k个子带的频谱的带宽为B_p，所述第k+1个子带的频谱的带宽为B_p，且第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间不重叠的频谱带宽为f_step，第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的重叠频谱带宽为(B_p-f_step)，并将所述第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间不重叠的频谱带宽f_step，作为MIMO-SAR雷达第k'个子带的有效频谱带宽；f_step表示相邻子带间频率间隔；

步骤8，分别令k和k'加1,重复步骤2到步骤7，直到得到MIMO-SAR雷达第N-1个子带的有效频谱带宽；MIMO-SAR雷达第N个子带的有效频谱带宽为B_p；

然后将此时得到的MIMO-SAR雷达第1个子带的有效频谱带宽到MIMO-SAR雷达第N-1个子带的有效频谱带宽，以及MIMO-SAR雷达第N个子带的有效频谱带宽进行合成，得到MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S；

步骤9，对MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S进行频谱幅度校正，得到频谱幅度校正后MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'；

步骤10，对所述频谱幅度校正后MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'进行距离向逆快速傅立叶变换，将所述频谱幅度校正后MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号S'转换到距离时域，然后利用距离徙动算法进行成像，得到多子带并发的MIMO-SAR雷达成像。

2.如权利要求1所述的一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法，其特征在于，在步骤3中，所述MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频脉冲信号的中心频率f_c(k)、所述MIMO-SAR雷达发射的第k个子带线性调频脉冲信号s_o(t,k)、所述MIMO-SAR雷达第k个子带的相参本振信号s_ref和所述MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号其表达式分别为：

$f_c\left(k\right)=f_c+(k-\frac{1}{2}-\frac{N}{2})\×f_{step}$

$s_o(t,k)=rect\left(\frac{t}{T_0}\right)\exp \[j2{\mathrm{\πf}}_c\left(k\right)t\]\exp \[{\mathrm{j\π\γt}}^2\]$

s_ref＝exp(j2πf_c(k)t)

${\hat{s}}_o(t,k)=rect\left(\frac{t-2R_t/C}{T_0}\right)\exp \[j\frac{4{\mathrm{\πf}}_c\left(k\right)}{C}{R}_t\]\exp \[j\mathrm{\π}\mathrm{\γ}{(t-\frac{2R_t}{C})}^2\]$

其中，f_c表示第个子带线性调频脉冲信号的中心频率，f_step表示相邻子带间频率间隔，rect(·)表示距离矩形窗，t表示方位采样时刻，T₀表示每个子带线性调频脉冲信号的脉冲长度，γ表示全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率，所述全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率为多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射的N个中心频率不同的子带线性调频脉冲信号；C表示光速，R_t表示斜距历程，x表示目标和MIMO-SAR雷达载机在X轴上的初始坐标差，y表示目标和MIMO-SAR雷达载机在Y轴上的初始坐标差，z表示目标和MIMO-SAR雷达载机在Z轴上的初始坐标差，V表示MIMO-SAR雷达载机速度,exp表示指数函数。

3.如权利要求1所述的一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法，其特征在于，在步骤4中，所述得到距离匹配滤波后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₂(f_r,k)，其过程为：

对所述MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₁(f_r,k)，其表达式为：然后确定MIMO-SAR雷达接收的第k个子带基频信号的匹配滤波函数H_r(k)，并根据快速傅里叶变换后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₁(f_r,k)，计算得到距离匹配滤波后MIMO-SAR雷达接收的第k个子带的基频信号S₂(f_r,k)，其表达式分别为：

$H_r\left(k\right)=W\left(f_r\right)\×\exp \[j\frac{\mathrm{\π}\×f_r^2}{\mathrm{\γ}}\]$

S₂(f_r,k)＝S₁(f_r,k)×H_r(k)

其中，W(·)表示距离频域窗函数，f_r表示距离向频率，FFT(·)表示快速傅里叶操作，γ表示全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率，所述全带宽线性调频(LMF)脉冲信号的距离调频率为多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射的N个中心频率不同的子带线性调频脉冲信号。

4.如权利要求1所述的一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法，其特征在于，在步骤5中，将所述MIMO-SAR雷达第k个子带的理想距离匹配滤波信号记为S_ref(f_r,k)、MIMO-SAR雷达第k个子带的脉压相位校正补偿因子φ(k)和所述MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号S₃(f_r,k)，其表达式分别为：

$S_{ref}(f_r,k)=\exp \[j\frac{\mathrm{\π}\×f_r^2}{\mathrm{\γ}}\]$

φ(k)＝arg{FFT{S_ref(f_r,k)×[S_d(f_r,k)]^*}}

S₃(f_r,k)＝S₂(f_r,k)×exp(φ(k))

其中，f_r表示距离向频率，γ表示全带宽线性调频脉冲信号的距离调频率，所述全带宽线性调频脉冲信号的距离调频率为多子带并发的MIMO-SAR雷达同时发射的N个中心频率不同的子带线性调频脉冲信号；[·]^*表示取共轭处理，FFT(·)表示快速傅立叶变换操作，arg(·)表示相位处理操作。

5.如权利要求1所述的一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法，其特征在于，在步骤6中，所述时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k个子带的距离脉压相位校正信号s₄(f_r,k)、所述第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差角度theta(k'+1)和所述第k'次迭代后MIMO-SAR雷达第k个子带和第k+1个子带之间的相位误差补偿信号s₅(f_r,k'+1)，其表达式分别为：

s₄(f_r,k)＝IFFT{FFT[S₃(f_r,k)]×exp(j2π×△t_k)}

theta(k'+1)＝angle(sum(s₄(f_r,k)×[s₄(f_r,k+1)]^*))

s₅(f_r,k'+1)＝s₄(f_r,k+1)×exp(j×theta(k'+1))

其中，FFT(·)表示快速傅立叶变换操作，IFFT(·)表示逆快速傅立叶变换操作，s₃(f_r,k)表示时间延迟校正后MIMO-SAR雷达第k个子带的回波信号，△t_k表示MIMO-SAR雷达第k个子带的实测信号时间延迟，angle(·)表示取相角操作，sum(·)表示沿着方位向累加处理，[·]^*表示去共轭处理，f_r表示距离向频率。

6.如权利要求1所述的一种多子带并发的MIMO-SAR雷达成像方法，其特征在于，在步骤8中，所述MIMO-SAR雷达N个有效频谱带宽合成后的大带宽信号，所述大带宽信号S的有效频谱带宽为(N-1)×f_step+B_p。