CN106961837B - 多相位中心多波束合成孔径雷达方位向相位校正与信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于合成孔径雷达信号处理技术领域。是一种多相位中心多波束合成孔径雷达方位信号处理方法，包括：第一步，根据雷达辅助数据中携带的雷达当前纬度、天线视角等信息计算波束中心照射的地面点目标的纬度，计算各接收波束回波的方位向相位误差；第二步，根据第一步计算出的各接收波束相位误差，对各接收波束的回波数据进行方位向相位校正，补偿相位误差；第三步，将第二步相位校正后的各接收波束回波数据按照飞行先后顺序逐脉冲排列，形成具有完整方位相位历程的回波数据，以完成各接收波束回波数据的合成；第四步，各接收波束回波数据合成后，得到了完整的方位向相位历程，接着就对所得数据通过二维压缩处理成像。

Description

多相位中心多波束合成孔径雷达方位向相位校正 与信号处理方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达信号处理技术领域。针对一种合成孔径雷达新体制——多相位中心多波束合成孔径雷达，提出一种方位向相位误差校正和方位向信号处理方法，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向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，可采用多相位中心多波束(MPCMB：Multiple Phase CentersMulti-Beam)体制，在这种体制中，雷达沿方位向安排多个子天线，各子天线波束宽度相同，覆盖同一地域，中间子天线发射信号，各子天线同时接收来自同一地域的回波信号。附图1为多相位中心多波束技术工作原理示意图，对于每一个发射脉冲，可沿方位向同时得到N_B(波束数)组回波信号采样值，只要适当设置各子天线间相位中心间距d(使得V_s为卫星速度)，可使各组回波信号样本之间彼此独立，从而允许脉冲重复频率降低N_B(波束数)倍仍能保证回波信号在方位向的正确采样。这样，通过利用沿方位向的空间维采样的增加换取时间维采样的减少，可在保证一定方位分辨率的情况下，允许降低系统工作脉冲重复频率，使得测绘带宽得以展宽；或者在一定的脉冲重复频率(对应一定的测绘带宽)下，提高了回波信号的方位向等效采样率，允许展宽方位向多普勒带宽，使得方位向分辨率得以提高。

多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方位向相位误差校正和方位信号处理方法。

在合成孔径雷达的其它研究领域，如干涉SAR、动目标检测等，也有采用多个子天线的系统结构，但由于研究方向不同，要解决的问题也不同，因而系统工作方式也不同，与本项研究中采用多相位中心多波束技术实现高分辨率宽测绘带是完全不同的两个问题。

发明内容

本发明的目的是提出多相位中心多波束合成孔径雷达的方位向相位误差校正方法和方位信号处理方法。利用多相位中心多波束合成孔径雷达各子波束接收的回波数据，经相位误差校正后合成具有完整方位向相位历程的方位向回波数据，使得在压缩处理后得到方位分辨率的提高。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种多相位中心多波束合成孔径雷达方位向相位校正与信号处理方法，包括下列步骤：

第一步，计算相位误差：根据雷达辅助数据中携带的雷达当前纬度、天线视角信息计算波束中心照射的地面点目标的纬度，计算各接收波束回波的方位向相位误差；

第二步，相位校正：根据第一步计算出的各接收波束相位误差，对各接收波束的回波数据进行方位向相位校正，补偿相位误差；

第三步，数据合成：将第二步相位校正后的各接收波束回波数据按照飞行先后顺序逐脉冲排列，形成具有完整方位相位历程的回波数据，以完成各接收波束回波数据的合成；

第四步，压缩处理：各接收波束回波数据合成后，得到了完整的方位向相位历程，接着就对所得数据通过二维压缩处理成像。

所述的方法，其所述第一步中，各接收波束回波的方位向相位误差，其中：

发射波束左侧接收波束相位误差可表示为：

发射波束右侧接收波束相位误差可表示为：

式中，k为从发射波束向两侧排列的接收波束序号与发射波束序号的差值，PRF为系统工作脉冲重复频率，R_c为地球半径，ω_e为地球自转角速度，Φ_t为当前时刻地面目标T点的纬度，δ为T点处纬度圆的切线TA与雷达视线的夹角，N_B为波束数。

所述的方法，其所述δ角满足下式：

式中，雷达与目标T点所夹的地心角为α，Φ_s与Φ_t分别为当前时刻雷达与T点的纬度，斜距ST表示为R₀，卫星高度为H，地球半径为R_e。

所述的方法，其所述第二步中，在一定的卫星纬度变化范围内，若相位误差变化量小于π/2，这段时间内采用固定的相位校正量，该相位校正量是在卫星纬度变化范围的中点处由式和式计算出的相位校正量。

所述的方法，其卫星纬度变化造成的相位误差变化，可用它引起的目标点T纬度变化及δ角变化进行计算：

其中，与可通过sinΦ_t＝sinΦ_scosα-sinαcosi式和式计算，i为轨道倾角。

所述的方法，其所述第二步中，在相位补偿时还要考虑斜距变化引起的相位误差变化，在一定数量的距离门内，只要相位误差变化量小于π/2，对这些距离门内回波进行相位校正时，采用固定的相位校正量。

所述的方法，其所述第三步中的数据合成，对于N_B个波束的情况，若沿雷达飞行方向最前面的波束编号为1，往后依次为2，3，…，N_B，在数据合成时，先将第1波束第一个脉冲的回波数据排在最前，其次排列第2波束第一个脉冲的回波数据，而后再排第3波束第一个脉冲的回波数据，……最后再排第N_B波束第一个脉冲的回波数据，后面再排第1波束第二个脉冲的回波数据，然后依此类推，完成各接收波束回波数据的合成。

所述的方法，其所述第四步中，通过二维压缩处理成像，其压缩算法是采用常规单波束高分辨率星载合成孔径雷达的压缩算法。

所述的方法，其所述各接收波束回波的方位向相位误差，同一方位位置不同距离门的回波，其相位误差也不相同。

所述的方法，其所述斜距变化造成的相位误差变化量的计算过程为：斜距的变化，导致目标点与卫星所夹地心角α变化，因此斜距变化造成的相位误差变化率可用它引起的目标点纬度变化率及δ角变化率表示：

其中，与可通过sinΦ_t＝sinΦ_scosα-sinαcosi式和式计算。

所述的方法，其逐距离门完成各接收波束回波数据的合成操作，合成后的回波数据相当于以等效脉冲重复频率工作的常规单波束系统的回波数据。

所述的方法，应用于运行在晨昏轨道的S波段系统时，在卫星运动的±75°纬度范围内，成像效果最佳。

附图说明

图1多相位中心多波束工作原理图；

图2各波束与地面点目标位置关系图；

图3计算路径差的星地几何关系图。

具体实施方式

下面对多相位中心多波束合成孔径雷达的方位向相位误差校正方法和方位信号处理方法的过程作具体说明。

为了后面叙述方便，引入几个概念，一个是工作脉冲重复频率PRF，即系统实际发射脉冲的重复频率；另一个是等效脉冲重复频率PRF_c，即前文所述采用多相位中心多波束技术后获得的提高了的回波信号的方位向等效采样率，相当于脉冲重复频率提高了N_B倍，这一提高了的脉冲重复频率称为等效脉冲重复频率，其倒数称为等效脉冲重复时间。再一个是等效单波束系统，是指与文中所述多相位中心多波束系统具有相同轨道参数、工作频率和空间分辨率的常规单波束系统。

一、相位误差分析

由于地球的自转，在卫星飞行过程中，地面成像区也在不断运动，由多相位中心多波束的接收波束回波模拟等效单波束系统对应位置的回波时，会引入较大的相位误差。采用多相位中心多波束技术时，对每一发射脉冲可得到N_B组回波数据，这N_B组回波数据都来自当前时刻点目标的反射，在雷达发射下一个脉冲时，地面点目标转过了一定距离，在这一过程中两侧接收波束的回波经历的传播路径出现跳跃性变化，造成回波距离历程的不连续，相应的引起回波相位历程不连续。附图2示出了卫星飞行过程中各波束及地面目标点的相对位置关系，S₀为中间波束位置，S_L和S_H分别为两侧相邻接收波束的位置，S_-1和S₊₁分别为以等效脉冲重复频率工作的等效单波束系统的对应位置，T_-1和T₊₁为相应的地面点目标位置，T₀为当前时刻点目标位置。S_L处接收回波模拟的是等效单波束系统S_-1处的回波，其单程距离历程为而等效单波束系统在S_-1处的单程距离历程为|S_-1T_-1|，两者距离差对频段较高的系统来说会造成较大的相位误差。该距离差可近似为|T_-1T₀|在|S_-1T₀|上的投影，其中|T_-1T₀|为一个等效脉冲重复时间内点目标转过的距离。该距离差引起的相位误差在卫星飞行过程中缓慢变化，在一个合成孔径时间内可近似认为是常数。

本发明主要包括两方面内容，一是方位向相位误差校正方法，一是方位向信号处理方法。这两方面内容是雷达回波数据在压缩成像前需进行处理的两个步骤，相位误差的校正是方位向信号处理的前提和基础。

二、相位误差估算方法

由以上分析可知，在卫星飞行过程中，星下点的纬度在变化，波束中心视线照射的地面点的纬度也在变化。采用多相位中心多波束技术时，因地球自转造成的信号传播路径不连续引入的相位误差也随之变化。另一方面，在测绘带宽内不同距离门上，由于斜距不同，入射角不同，该项相位误差也会不同。下面着重分析不同纬度下测绘带中心处回波相位误差的估算方法，至于测绘带内不同距离门的相位误差变化，可根据各距离门相对测绘带中心的角度变化加以估算。

计算地球自转引起的回波传播路程差时的星地几何关系如附图3所示，图中T为雷达S的视线照射到地面上的点，对应的天线视角为γ，0为地心，雷达与目标点T所夹的地心角为a，δ为T点处纬度圆的切线TA与雷达视线的夹角，Φ_s与Φ_t分别为当前时刻雷达与T点的纬度，斜距ST表示为R₀，卫星高度为H，地球半径为R_e。经推导，发射波束左侧接收波束信号传播路径差相位误差可表示为：

其中k为从发射波束向两侧排列的接收波束序号与发射波束序号的差值，PRF为系统工作脉冲重复频率。对应的相位误差可表示为：

类似地，右侧接收波束相位误差可表示为：

其中ω_e为地球自转角速度。δ角满足下式：

三、多相位中心多波束合成孔径雷达方位向相位校正

对多相位中心多波束合成孔径雷达的回波数据，成像之前首先要做的是方位向的相位校正。校正的主要对象是由地球自转效应造成的回波相位历程不连续引起的相位误差。

由于在一个等效脉冲重复时间内地球表而上的点转过的距离与该点到雷达距离相比小得多，因此在雷达飞行过程中相位误差的变化非常缓慢，这就允许我们在计算相位校正量时，不必在卫星的每个位置都计算，可在卫星运动的一定范围内采用一个固定的相位校正量。

参照附图3，在卫星飞行过程中，卫星纬度Φ_s、波束中心照射的地面点的纬度Φ_t、δ角等都在变化，而且这些量之间有内在联系。卫星纬度变化造成的相位误差变化率可用它引起的目标点纬度变化率及δ角变化率表示：

而与可通过下式和(4)式计算：

sinΦ_t＝sinΦ_scosα-sinαcosi

(6)

其中i为卫星轨道倾角。因此卫星纬度变化与相位误差变化之间具有一一对应关系，据此可计算卫星纬度变化造成的相位误差变化量。只要在一定的卫星纬度变化范围内，相位误差变化量小于π/2，这段时间内就可采用固定的相位校正量，该相位校正量是在卫星纬度变化范围的中点处由(2)，(3)式计算出的相位校正量。

同一方位位置不同距离门的回波，其相位误差也不相同。由于斜距的变化，导致目标点与卫星所夹地心角α变化，通过式(1)---(4)和式(6)可看出会造成相位误差的变化，与卫星纬度变化引起的相位误差变化情况类似，斜距变化造成的相位误差变化率可用它引起的目标点纬度变化率及δ角变化率表示：

而与可通过(6)式和(4)式计算。利用以上关系可计算出斜距变化引起的相位误差变化量，在一定数量的距离门内，只要相位误差变化量小于π/2，对这些距离门内回波进行相位校正时，也可采用固定的相位校正量，该相位校正量是在距离变化范围的中心位置利用(2)，(3)式计算出的相位校正量。

四、多相位中心多波束合成孔径雷达方位信号处理

由于多相位中心多波束的各接收波束较宽，而各自的方位向采样频率(系统工作脉冲重复频率)与采样定理的要求相比降低了N_B倍，因而各子波束回波数据的方位向采样是不完整的。根据多相位中心多波束技术原理，如果把各子波束回波数据按照飞行方向的先后顺序重新排列，则各接收波束回波正好可以弥补由于脉冲重复频率降低引起的采样空缺，从而使得合成后的数据方位向等效采样率满足采样定理的要求，得到完整的方位向相位历程。

因此，采用多相位中心多波束技术时，在对回波数据进行成像处理前，应先对各接收波束回波信号进行方位向处理，处理的步骤如下：

①计算相位误差：根据雷达辅助数据中携带的雷达当前纬度、天线视角等信息计算波束中心照射的地面点目标的纬度，利用(1)---(4)式计算各接收波束回波的方位向相位误差。

②相位校正：根据上面计算出的各接收波束相位误差，对各接收波束的回波数据进行方位向相位校正，补偿相位误差。

③数据合成：将相位校正后的各接收波束回波数据按照飞行先后顺序逐脉冲排列，形成具有完整方位相位历程的回波数据。例如对于三波束情况，若左波束在前，在数据合成时，先将左波束第一个脉冲的回波数据排在最前，其次排列中间波束第一个脉冲的回波数据，而后再排右波束第一个脉冲的回波数据，后面再排左波束第二个脉冲的回波数据，然后依此类推，完成各接收波束回波数据的合成。合成后的回波数据，对每一个发射脉冲，得到N_B组回波数据样本，相当于方位向等效采样频率提高了N_B倍，满足了采样定理的要求。

④压缩处理：各接收波束回波数据合成后，得到了完整的方位向相位历程，接着就可通过二维压缩处理成像，压缩算法可采用常规单波束高分辨率星载合成孔径雷达的压缩算法。

Claims (7)

1.一种多相位中心多波束合成孔径雷达方位向相位校正与信号处理方法，其特征在于包括下列步骤：

第一步，计算相位误差：根据雷达辅助数据中携带的雷达当前纬度、天线视角信息计算波束中心照射的地面点目标的纬度，计算各接收波束回波的方位向相位误差；

第二步，相位校正：根据第一步计算出的各接收波束相位误差，对各接收波束的回波数据进行方位向相位校正，补偿相位误差；

第三步，数据合成：将第二步相位校正后的各接收波束回波数据按照飞行先后顺序逐脉冲排列，形成具有完整方位相位历程的回波数据，以完成各接收波束回波数据的合成；

第四步，压缩处理：各接收波束回波数据合成后，得到了完整的方位向相位历程，接着就对所得数据通过二维压缩处理成像。

所述第一步中，各接收波束回波的方位向相位误差计算方法如下：

发射波束左侧接收波束相位误差可由下式计算：

${\mathrm{\φ}}_{cL}=-\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}R=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·k\·\frac{{\mathrm{\ω}}_c{R}_e{\mathrm{cos\Φ}}_{t}cos\mathrm{\δ}}{N_B\·PRF}$

发射波束右侧接收波束相位误差可由下式计算：

${\mathrm{\φ}}_{cR}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}R=-\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·k\·\frac{{\mathrm{\ω}}_c{R}_e{\mathrm{cos\Φ}}_{t}cos\mathrm{\δ}}{N_B\·PRF}$

式中，k为从发射波束向两侧排列的接收波束序号与发射波束序号的差值，PRF为系统工作脉冲重复频率，R_e为地球半径，ω_c为地球自转角速度，Φ_t为当前时刻地面目标T点的纬度，δ为T点处纬度圆的切线TA与雷达视线的夹角，N_B为波束数；

所述δ角满足下式：

$cos\mathrm{\δ}=\frac{R_e+H}{R_0}\·\frac{\sqrt{\[\cos \left({\mathrm{\Φ}}_s+{\mathrm{\Φ}}_t\right)+\cos \mathrm{\α}\]\[\cos \left({\mathrm{\Φ}}_s-{\mathrm{\Φ}}_t\right)-\cos \mathrm{\α}\]}}{{\mathrm{cos\Φ}}_t}$

式中雷达与目标T点所夹的地心角为α，Φ_s与Φ_t分别为当前时刻雷达与T点的纬度，斜距ST表示为R₀，卫星高度为H，地球半径为R₀。

所述第二步中，在一定的卫星纬度变化范围内，相位误差变化量小于π/2，这段时间内采用固定的相位校正量，该相位校正量是在卫星纬度变化范围的中点处由式和式计算出的相位校正量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：卫星纬度变化造成的相位误差变化率可用它引起的目标点T纬度变化率及δ角变化率进行计算：

$\frac{{\mathrm{d\φ}}_{eL}}{{\mathrm{d\Φ}}_s}=-\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·k\·\frac{{\mathrm{\ω}}_e{R}_e}{N_B\·PRF}\[\left({\mathrm{sin\Φ}}_t\cos \mathrm{\δ}\right)\frac{{\mathrm{d\Φ}}_t}{{\mathrm{d\Φ}}_s}+\left({\mathrm{cos\Φ}}_t\sin \mathrm{\δ}\right)\frac{d\mathrm{\δ}}{{\mathrm{d\Φ}}_s}\]$

$\frac{{\mathrm{d\φ}}_{eR}}{{\mathrm{d\Φ}}_t}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·k\·\frac{{\mathrm{\ω}}_e{R}_e}{N_B\·PRF}\[\left({\mathrm{sin\Φ}}_t\cos \mathrm{\δ}\right)\frac{{\mathrm{d\Φ}}_t}{{\mathrm{d\Φ}}_s}+\left({\mathrm{cos\Φ}}_t\sin \mathrm{\δ}\right)\frac{d\mathrm{\δ}}{{\mathrm{d\Φ}}_s}\]$

其中，与可通过sinΦ_t＝sinΦ_scosα-sinαcosi式和式计算，i为轨道倾角。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第二步中，在相位补偿时还要考虑斜距变化引起的相位误差变化，在一定数量的距离门内，只要相位误差变化量小于π/2，对这些距离门内回波进行相位校正时，采用固定的相位校正量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第三步中的数据合成，对于N_B个波束的情况，若沿雷达飞行方向最前面的波束编号为1，往后依次为2，3，…，N_R，在数据合成时，先将第1波束第一个脉冲的回波数据排在最前，其次排列第2波束第一个脉冲的回波数据，而后再排第3波束第一个脉冲的回波数据，……最后再排第N_B波束第一个脉冲的回波数据，后面再排第1波束第二个脉冲的回波数据，然后依此类推，完成各接收波束回波数据的合成。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第四步中，通过二维压缩处理成像，其压缩算法是采用常规单波束高分辨率星载合成孔径雷达的压缩算法。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于：斜距的变化，导致目标点与卫星所夹地心角α变化，因此斜距变化造成的相位误差变化率可用它引起的目标点纬度变化率及δ角变化率表示：

$\frac{{\mathrm{d\φ}}_{eL}}{d\mathrm{\α}}=-\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·k\·\frac{{\mathrm{\ω}}_e{R}_e}{N_B\·PRF}\[\left({\mathrm{sin\Φ}}_t\cos \mathrm{\δ}\right)\frac{{\mathrm{d\Φ}}_t}{d\mathrm{\α}}+\left({\mathrm{cos\Φ}}_t\sin \mathrm{\δ}\right)\frac{d\mathrm{\δ}}{d\mathrm{\α}}\]$

$\frac{{\mathrm{d\φ}}_{eR}}{d\mathrm{\α}}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·k\·\frac{{\mathrm{\ω}}_e{R}_e}{N_B\·PRF}\[\left({\mathrm{sin\Φ}}_t\cos \mathrm{\δ}\right)\frac{{\mathrm{d\Φ}}_t}{d\mathrm{\α}}+\left({\mathrm{cos\Φ}}_t\sin \mathrm{\δ}\right)\frac{d\mathrm{\δ}}{d\mathrm{\α}}\]$

其中，与可通过sinΦ_t＝sinΦ_scosα-sinαcosi式和式计算。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：逐距离门完成各接收波束回波数据的合成操作，合成后的回波数据相当于以等效脉冲重复频率工作的常规单波束系统的回波数据。