CN106961836B - 单相位中心多波束合成孔径雷达方位信号预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷达技术领域，属于合成孔径雷达信号处理方法，特别是一种方位信号预处理方法。单相位中心多波束合成孔径雷达系统各子波束回波的方位频谱经脉冲重复频率(PRF)采样后在频率轴上彼此部分重叠，可在频域进行处理，利用FFT的移频等手段，合成宽的多普勒频谱。经该信号处理方法处理后合成具有较宽多普勒带宽的方位向回波数据，使得在方位压缩处理后方位分辨率得以提高。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，属于合成孔径雷达信号处理，针对一种合成孔径雷达新体制——单相位中心多波束合成孔径雷达，提出一种方位信号预处理方法，为这种新体制系统的工程化提供设计参考。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)能够全天候全天时地实现对地球表面的观测，获得地面目标的高分辨率图像，在国民经济和国防领域有着广泛的应用前景。星载合成孔径雷达系统设计中的一个基本限制是测绘带宽和方位分辨率之间的矛盾，这一矛盾来源于它们对系统脉冲重复频率(PRF)的不同要求。增加测绘带宽需要降低脉冲重复频率，而要提高方位分辨率，由于回波多普勒带宽的增加，需要提高作为回波方位采样频率的脉冲重复频率，因此目前人们在常规单波束星载合成孔径雷达(SAR)的系统设计中，总是在测绘带宽与方位分辨率之间折中。在提高一个指标的同时，必然要牺牲另一个指标，如有的系统追求测绘带的展宽，采用诸如扫描模式等工作模式，会成倍地降低方位分辨率指标；也有的系统追求方位分辨率的提高，采用聚束模式，一方面使测绘带宽减小，另一方面也使成像不连续。
如果既要在距离向获得较宽的测绘带，又要在方位向获得较高的分辨率，可采用单相位中心多波束(SPCMB)体制，即在方位向产生多个子波束，利用各子波束的回波经信号处理后可生成较宽的方位带宽，获得较高的方位分辨率，而系统工作脉冲重复频率可以较低，只要满足各子波束回波的Nyquist采样率即可，这样在不影响测绘带宽的前提下，使方位分辨率得到了提高。
单相位中心多波束技术在国际上尚处于理论研究阶段，有可能作为下一代星载合成孔径雷达的工作模式加以采用，目前还没有专门针对这一新体制的信号处理方法，本发明正好填补这一空白。
发明内容
本发明的目的是提出一种单相位中心多波束合成孔径雷达的方位信号预处理方法，利用单相位中心多波束合成孔径雷达各子波束接收的回波数据，经该信号预处理方法处理后合成具有较宽多普勒带宽的方位向回波数据，使得在方位压缩处理后方位分辨率得以提高。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种单相位中心多波束合成孔径雷达方位信号预处理方法：在单相位中心多波束合成孔径雷达系统各子波束回波的方位频谱经脉冲重复频率(PRF)采样后周期延拓，使它们在频率轴上彼此部分重叠，为了对各波束回波进行频谱合成，在频域进行处理，要合成获得方位高分辨率所需的宽频谱，可采用带通滤波器选出各子波束的实际方位频谱成分而后直接相加。为了避免滤波器设计的困难，各子波束回波数据合成的处理过程可在频域进行，利用FFT的移频等手段，合成宽的多普勒频谱。
所述的方位信号预处理方法，其包括下列步骤：
(a)首先对各波束编号，最左侧波束编号为1，往右依次为2，3，…，NB。选取中间波束m为参考波束，其多普勒中心频率可由该波束中心指向地面点目标的时刻卫星位置Rs、地面点目标位置Rt以及卫星飞行速度V等参数根据下式计算：
fdm＝(-2/λRc)[V·(Rs-Rt)+ωe·(Rs×Rt)] (1)
其中λ为雷达工作波长，Rc为波束m的中心指向地面点目标的时刻雷达到地面点目标的斜距，ωe为地球自转角速度矢量。其它各波束的多普勒中心频率可由下式近似计算：
fdk＝fdm+(m-k)·BaM，k＝1，2，…，NB (2)
(b)FFT变换：首先将各波束回波数据进行方位向FFT变换，得到各波束回波的0～PRF之间的频谱。令mod(m，n)表示对m做模n运算，即m除以n后的余数，并且结果总为正；各波束的方位频谱中心在FFT输出中对应的频率分别为mod(fdk，PRF)，k＝1，2，…，NB，其中fdk可由(2)式计算。
(c)频谱展宽：在各波束频谱的最后补零扩展长度为原来的NB倍；
(d)移频：合成后回波数据的等效脉冲重复频率为NB·PRF，合成后信号多普勒中心频率在FFT输出中对应的频率应为mod(fdm，NB·PRF)附近，因而需将各波束频谱进行移频处理，各波束移频规律如下：
对于第k波束，分两种情况：
·若mod(fdk，PRF)＞PRF/2，则波束频谱从0到阻带部分右移量为mod(fdk，NB·PRF)-mod(fdk，PRF)+PRF，从阻带到PRF之间部分向右移频量为mod(fdk，NB·PRF)-mod(fdk，PRF)；
·若mod(fdk，PRF)＜PRF/2，则波束频谱从0到阻带部分向右频移mod(fdk，NB·PRF)-mod(fdk，PRF)，从阻带到PRF之间部分向右移频mod(fdk，NB·PRF)-mod(fdk，PRF)-PRF；
(e)IFFT变换：将经过以上处理的各子波束频谱分别进行IFFT变换，相当于方位采样率提高了NB倍，并将它们按时间顺序从左波束到右波束排列就得到了合成后的方位回波数据；
(f)对每一距离门的回波数据重复以上步骤，完成各波束回波数据的合成。
所述的方位信号预处理方法，其所述左侧波束指前斜视波束，右侧波束指后斜视波束。
附图说明
图1本发明单相位中心多波束合成孔径雷达(SAR)示意图；
图2本发明单相位中心多波束合成孔径雷达(SAR)距离模型；
图3本发明单相位中心多波束合成孔径雷达(SAR)各波束瞬时多普勒频率及频谱分布；
图4本发明单相位中心多波束合成孔径雷达方位信号预处理过程。
具体实施方式
下面对此过程进行说明，为了便于理解，首先介绍单相位中心多波束合成孔径雷达的系统模型和信号特征，之后提出单相位中心多波束合成孔径雷达的方位信号预处理方法。
单相位中心多波束合成孔径雷达的系统模型与信号特征：
单相位中心多波束技术的基本原理是在雷达天线的方位向产生多个具有共同相位中心的相邻子波束(以NB表示子波束数)，这些子波束具有不同的斜视角，利用NB个独立的接收通道接收回波。对每一发射脉冲有NB组回波，这NB组回波数据按照雷达的瞬时方位位置的先后顺序排列，相当于按瞬时多普勒频率排列，由于各子波束的相对斜视角是预先已知的，可据此计算得到各子波束的多普勒中心频率。
回波信号的采样只要满足各子波束对应的Nyquist率即可，虽然每个子波束的回波信号经方位向采样后其频谱会折叠到零多普勒频率附近，但利用已知的各子波束的实际多普勒中心频率，可在数据处理过程中将回波数据恢复到其实际频谱位置，经频率校正后，各子波束回波数据可进行合成得到带宽较每个子波束带宽扩大NB倍的多普勒带宽，利用合成后的回波数据进行方位压缩，可使方位分辨率提高NB倍。因此采用多个方位波束，在不降低系统工作脉冲重复频率的前提下，可使方位分辨率提高一个约等于波束数的倍数。附图1示出了单相位中心多波束SAR工作的示意图。
为了考察单相位中心多波束合成孔径雷达(SAR)各波束距离历程，进而研究各波束回波信号特征，附图2给出了单相位中心多波束合成孔径雷达(SAR)的距离模型。以三波束情况为例，中间波束为正侧视波束，左侧波束为前斜视波束，右侧波束为后斜视波束，斜视角均为θ，各波束彼此邻接意味着相邻波束的半功率点在同一方向上。对于长为D的天线，中间波束的宽度为两侧波束宽度为
以左波束为例说明单相位中心多波束合成孔径雷达(SAR)的距离方程。图2中在左波束照射区有一点目标P，设t＝0时刻该点目标位于波束中心，则该点目标到雷达的斜距可表示成：
其中：Rc为t＝0时点目标到雷达斜距，vst为卫星相对于地面点目标的运动速度。回波信号的瞬时多普勒频率为：
其中：λ为雷达工作波长。左波束回波信号的多普勒中心和多普勒斜率分别为：
相应地左波束回波多普勒带宽为：
改变斜视角θ的值可分别得到中间波束和右侧波束的回波信号特性：中间波束：右波束：由于斜视角一般都很小，有：fdrL≈fdrM≈FdrR，BaL≈BaM≈BaR，并且fdcL-fdcM＝fdcM-fdcR≈BaM，即相邻波束多普勒中心之差约为每一子波束的多普勒带宽。各波束回波信号的瞬时多普勒频率与信号频谱分布如图3所示。
实施例
在卫星平台飞行过程中，单相位中心多波束合成孔径雷达(SAR)系统的各子波束同时接收回波，由于各子波束斜视角的不同，得到的方位向回波信号在频谱上也分别处于不同位置。对于星载合成孔径雷达(SAR)来说，由于地球自转效应的影响，即使对于中间正侧视波束，其回波的方位多普勒中心频率也不为0。
各子波束的方位频谱经脉冲重复频率(PRF)采样后周期延拓，使它们在频率轴上彼此部分重叠，为了得到较高的方位分辨率，在方位压缩前需将各子波束频谱拼接起来形成较宽的方位谱，同时为了保证方位回波信号得到正确采样，方位向采样频率也应提高NB倍，这可通过信号处理的方法实现。
下面结合三波束情况说明这一信号处理方法的具体实施过程(以下叙述中左波束指前斜视波束，右波束指后斜视波束)。
方位信号处理需要在频域进行。假设卫星运行轨道倾角＞90°时，天线右侧视情况下，北半球回波多普勒中心为负。多普勒中心频率可由卫星位置、地面点目标位置以及卫星飞行速度等参数根据下式计算：
fdc＝(-2/λRc)[V·(Rs-Rt)+ωe·(Rs×Rt)] (7)
左、中、右三个波束方位频谱的实际位置分别如附图4(a)中的单斜线阴影部分，经脉冲重复频率(PRF)在方位向采样后周期延拓。要合成获得方位高分辨率所需的宽频谱，可采用带通滤波器选出各子波束的实际方位频谱成分而后直接相加即可，即三个子波束回波数据合成的处理过程可在频域进行。频域处理的常用工具是FFT变换，而FFT计算的直接结果是信号位于零频和采样频率之间的频谱，因此三个波束回波数据合成的处理过程就是利用0～PRF之间的各波束频谱拼成合成波束的0～NB·PRF之间的频谱(NB为波束数)，这一处理过程的步骤如下：
①FFT变换：首先将各波束回波数据进行方位向FFT变换，得到各波束回波的0～PRF之间的频谱。令mod(m，n)表示对m做模n运算，即m除以n后的余数，并且结果总为正。左、中、右三个波束的方位频谱中心在FFT输出中对应的频率分别为mod(fdcL，PRF)、mod(fdcM，PRF)及mod(fdcR，PRF)，其中fdcM可由(7)式计算，fdcL、fdcM、fdcR分别为左中右波束频谱中心，BaM为各波束多普勒带宽，且fdcL＝fdcM+BaM，fdcR＝fdcM-BaM。
②频谱展宽：在各波束频谱的最后补零扩展长度为原来的NB＝3倍。
③移频：合成后回波数据的等效脉冲重复频率为NB·PRF，合成后信号多普勒中心频率在FFT输出中对应的频率应为mod(fdcN，NB·PRF)，因而需将各波束频谱进行移频处理：
各波束频谱移频分两种情况：
·若mod(fdcx，PRF)＞PRF/2，则波束频谱从0到阻带部分右移量为mod(fdcx，NB·PRF)-mod(fdcx，PRF)+PRF，从阻带到PRF之间部分向右移频量为mod(fdcx，NB·PRF)-mod(fdcx，PRF)；
·若mod(fdcx，PRF)＜PRF/2，则波束频谱从0到阻带部分向右频移mod(fdcx，NB·PRF)-mod(fdcx，PRF)，从阻带到PRF之间部分向右移频mod(fdcx，NB·PRF)-mod(fdcx，PRF)-PRF，其中x＝L，M或R；
频移后各波束方位频谱如附图4(a)中十字阴影部分。
(④IFFT变换：将经过以上处理的三个子波束频谱分别进行IFFT变换，相当于方位采样率提高了NB＝3倍，并将它们按时间顺序从左波束到右波束排列就得到了合成后的方位回波数据。合成后的方位频谱如附图4(b)中十字阴影部分，该频谱相当于单斜线阴影部分的模拟频谱被NB·PRF采样后进行FFT运算的结果。
⑤对每一距离门的回波数据重复以上步骤，完成三个波束回波数据的合成(对波束数大于3的情况，也可参照上述过程实施)。
利用以上合成后的数据就可进行压缩处理生成图像，注意方位压缩过程中构造方位参考函数时用到的脉冲重复频率为等效脉冲重复频率PRFc＝NB·PRF。
Claims (1)
1.一种单相位中心多波束合成孔径雷达方位信号预处理方法，其特征在于：单相位中心多波束合成孔径雷达系统各子波束回波的方位频谱经脉冲重复频率(PRF)采样后周期延拓，使它们在频率轴上彼此部分重叠，为了对各波束回波进行频谱合成，在频域进行处理，利用FFT的移频手段，合成宽的多普勒频谱；
所述的方位信号预处理方法，其中：包括下列步骤：
(a)首先对各波束编号，最左侧波束编号为1，往右依次为2，3，…，NB；选取中间波束m为参考波束，其多普勒中心频率可由该波束中心指向地面点目标时刻的卫星位置Rs、地面点目标位置Rt以及卫星飞行速度V等参数根据下式计算：
fdm＝(-2/μRc)[V·(Rs-Rt)+ωe·(Rs×Rt)]
其中λ为雷达工作波长，Rc为波束m的中心指向地面点目标的时刻雷达到地面点目标的斜距，ωe为地球自转角速度矢量；其它各波束的多普勒中心频率由下式近似计算：
fdk＝fdm+(m-k)·BaM，k＝1，2，…，NB
其中BaM为各波束多普勒带宽，D为天线长度；
(b)FFT变换：将各波束回波数据进行方位向FFT变换，得到各波束回波的0～PRF之间的频谱；令mod(m，n)表示对m做模n运算，即m除以n后的余数，并且结果总为正；各波束的方位频谱中心在FFT输出中对应的频率分别为mod(fdk，PRF)，k＝1，2，…，NB，其中fdk可由fdk＝fdm+(m-k)·BaM式计算；
(c)频谱展宽：在各波束频谱的最后补零扩展长度为原来的NB倍；
(d)移频：合成后回波数据的等效脉冲重复频率为NB·PRF，合成后信号多普勒中心频率在FFT输出中对应的频率应为mod(fdm，NB·PRF)附近，因而需将各波束频谱进行移频处理，各波束移频规律如下：
对于第k波束，分两种情况：
·若mod(fdk，PRF)＞PRF/2，则波束频谱从0到阻带部分向右移频mod(fdk，NB·PRF)-mod(fdk，PRF)+PRF，从阻带到PRF之间部分向右移频mod(fdk，NB·PRF)-mod(fdk，PRF)；
·若mod(fdk，PRF)＜PRF/2，则波束频谱从0到阻带部分向右频移mod(fdk，NB·PRF)-mod(fdk，PRF)，从阻带到PRF之间部分向右移频mod(fdk，NB·PRF)-mod(fdk，PRF)-PRF；
(e)IFFT变换：将经过以上处理的各子波束频谱分别进行工FFT变换，相当于方位采样率提高了NB倍，并将它们按时间顺序从左波束到右波束排列就得到了合成后的方位回波数据；
(f)对每一距离门的回波数据重复以上步骤，完成各波束回波数据的合成，
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