CN107102327A - 基于lfm‑pc复合调制信号和极坐标格式算法的sar成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于LFM‑PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法，该方法利用相位编码信号调制LFM信号，得到了一种新的复合调制信号——LFM‑PC信号，将LFM‑PC复合调制信号作为雷达发射信号，利用PFA进行成像处理。由于相位编码信号调制LFM信号后得到的LFM‑PC信号的相位调制函数连续，因此，基于LFM‑PC信号和极坐标格式算法的SAR成像方法可行。同时，LFM‑PC信号的多普勒容限与相位编码信号相比有很大改善，因此，小斜视角下，本发明方法可以取得良好的成像效果，且抗干扰性能好。

Description

基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法

技术领域

本发明涉及一种合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)成像处理方法，具体涉及基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法，属于雷达成像技术领域。

背景技术

SAR通过成像的方式来获得目标的信息，是对地观测和空间侦察的重要手段。自20世纪50年代首次被提出以来，取得了飞速发展，在军用和民用领域都发挥着重大作用。在民用方面，SAR可以用于地表测绘、海洋监测和灾情观测等；在军用方面，SAR可用于战场侦察和目标识别等。

线性调频(Linear Format Modulation，LFM)信号、非线性调频(Non-linearFormat Modulation，NLFM)信号、相位编码信号和混沌类信号是几种常用的雷达信号。目前，SAR常用LFM信号作为雷达发射信号，但是LFM信号的自相关性能差，信号形式简单，抗干扰性能差。与LFM信号相比，NLFM信号没有信噪比的损失，自相关函数具有较低的旁瓣，但是精确的NLFM信号难以设计、生成和处理，且NLFM信号对多普勒敏感，因此并不常用。相位编码信号和混沌类信号正交性能好，具有良好的抗干扰性能，但是这两种信号都是多普勒敏感信号，只能用于目标多普勒变化范围较窄的场合。

随着SAR成像技术的发展，出现了很多成像模式，如：条带模式、聚束模式、扫描模式、滑动聚束模式等。对于聚束SAR，极坐标格式算法(Polar Format Algorithm，PFA)是一种比较合适的算法。PFA适用于高分辨率、小场景成像，通过两维重采样和两维傅里叶变换实现。由于处理过程较为简单，因此被广泛应用。传统的基于LFM信号和极坐标格式算法的SAR成像方法可以取得很好的成像效果，但抗干扰性能差。相位编码信号的采样与一个脉冲内光滑的LFM信号的采样不同，因此不能利用PFA成像。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法，能在小斜视角下，依然取得良好的成像效果，且抗干扰性能好。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法，包括如下步骤：

步骤1，利用相位编码信号调制LFM信号，得到LFM-PC复合调制信号，将LFM-PC复合调制信号作为雷达发射信号发射出去；

步骤2，对雷达回波数据进行距离向傅里叶变换，得到包含距离频域和方位时域的二维数据；

步骤3，将二维数据乘以参考函数，实现距离压缩和场景中心相位矫正；

步骤4，对步骤3得到的数据，通过尺度变换进行距离向插值处理，得到变换后的距离频率变量；

步骤5，通过重采样，均匀化雷达天线相位中心瞬时方位角的正切，得到方位时间变量；

步骤6，通过尺度变换进行方位向插值处理，得到变换后的方位时间变量；

步骤7，对经过距离向和方位向插值处理后的数据做二维傅里叶变换，实现对点目标的成像。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述参考函数的表达式为：

其中，H₁表示参考函数，f_τ为距离向频率，U_LFM-PC(f_τ)为LFM-PC信号的频谱，*为共轭运算，j为虚数单位，c为光速，f_c为雷达中心频率，R_a为雷达天线相位中心与场景中心之间的瞬时距离。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述距离向插值的公式为：

f_τ＝f_c(δ_r-1)+δ_rf_τ'，

其中，f_τ为距离向频率，f_c为雷达中心频率，为距离频率尺度变换因子，为孔径中心时刻天线相位中心的俯仰角，θ和分别为雷达天线相位中心的瞬时方位角和俯仰角，f_τ'为变换后的距离频率变量。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤5的公式为：

tanθ＝Ωt_a cosθ_s，

其中，θ为雷达天线相位中心瞬时方位角，Ω＝v/y_a，v为雷达平台飞行速度，y_a为点目标的纵坐标，t_a为方位时间变量，θ_s为斜视角。

作为本发明的一种优选方案，步骤6所述方位向插值处理的公式为：

其中，f_τ为距离向频率，f_c为雷达中心频率，t_a为方位时间变量，t'_a为变换后的方位时间变量。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明利用相位编码信号调制LFM信号得到了一种新的复合调制信号——LFM-PC信号，利用LFM-PC信号的正交性进行抗干扰，克服了LFM信号抗干扰性能差的问题。

2、本发明提出的LFM-PC信号的相位调制函数连续，因此基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法可行。LFM-PC信号的多普勒容忍性与相位编码信号相比有很大改善。

附图说明

图1是聚束SAR成像几何模型图。

图2是本发明基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法的流程图。

图3是点目标仿真结果，其中，(a)、(b)、(c)分别对应斜视角为0°、5°、10°。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明利用相位编码信号调制LFM信号得到一种新的复合调制信号——LFM-PC信号，将LFM-PC信号作为雷达发射信号，利用PFA进行成像处理。由于LFM-PC信号的相位调制函数连续，因此基于LFM-PC信号和极坐标格式算法的SAR成像方法可行。同时，LFM-PC信号的多普勒容限与相位编码信号相比有很大改善，因此小斜视角下，依然可以取得良好的成像效果。

本发明所有步骤、结论都用仿真数据在MATLAB和IDL上验证正确，实施例利用SAR仿真数据对本发明方法进行验证和分析，仿真数据设置如下：载频为5.3GHz，LFM信号的带宽为20MHz，信号时宽为40μs，脉冲重复频率PRF为1700Hz，飞行平台速度为7100m/s，场景中心斜距为850km，飞行平台高度为800km，相位编码信号的码长取P＝160。斜视角分别取0°、5°、10°进行仿真。

参考上述参数，LFM-PC复合调制信号包含如下性质：

性质1：LFM-PC信号的时域表达式如(1)所示：

其中，t为时间，T_r＝40μs为信号时宽，P＝160为相位编码信号码长，为相位编码序列，为相位调制序列，为子脉冲的复包络，为矩形窗，或t_b＝0.25μs为子脉冲宽度，j为虚数单位，K＝5×10¹¹Hz/s为LFM信号的调频率。

性质2：LFM-PC信号的频域表达式如(2)所示：

其中，表示卷积运算，U_PC(f)和U_LFM(f)分别为相位编码信号和LFM信号的频谱。则LFM-PC信号的带宽如(3)所示：

B≈B_P+B_L (3)

其中，B≈24MHz为LFM-PC信号的带宽，B_P＝4MHz为相位编码信号的带宽，B_L＝20MHz为LFM信号的带宽。

性质3：LFM-PC信号的模糊函数表达式如(4)所示：

其中，τ为延迟时间，ξ为多普勒频率，{s_k}和{s_l}分别对应两个相位编码序列，为矩形脉冲p_k(t)和p_l(t)的互模糊函数。

性质4：LFM-PC信号的多普勒范围表达式如(5)所示：

性质5：选取一组正交的相位编码信号调制LFM信号，可以得到正交的LFM-PC信号。

如图1所示，为聚束SAR成像几何模型，其中，飞行平台速度为v，高度为H，场景中心O定义为坐标原点，雷达天线相位中心(Antenna Phase Center，APC)的瞬时坐标为(x_a,y_a,H)，点目标Q的坐标为(x_t,y_t,0)。θ和分别为APC的瞬时方位角和俯仰角。APC与场景中心和目标的瞬时距离矢量分别定义为和场景中心到目标的瞬时距离矢量定义为它们之间的瞬时距离分别对应为R_a、R_t和r_t。

如图2所示，基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法包括如下步骤：

步骤1，将LFM-PC复合调制信号作为雷达发射信号；

步骤2，对回波数据进行距离向傅里叶变换，得到距离频域、方位时域数据；

步骤3，乘以参考函数以实现距离压缩和场景中心相位矫正。参考函数的表达式如(6)所示：

其中，f_τ为距离向频率，U_LFM-PC(f_τ)为LFM-PC信号的频谱，*为共轭运算，c＝3×10⁸m/s为光速，f_c＝5.3GHz为雷达中心频率，R_a为雷达天线相位中心与场景中心之间的瞬时距离。

步骤4，通过二维插值将数据由极坐标格式转换为矩形格式，其中距离向插值通过尺度变换实现：

f_τ＝f_c(δ_r-1)+δ_rf_τ'(7)

其中，为距离频率尺度变换因子，分别对应斜视角为0°，5°，10°时孔径中心时刻天线相位中心的俯仰角，θ和分别为雷达天线相位中心的瞬时方位角和俯仰角，f_τ'为变换后的距离频率变量。

步骤5，通过重采样使得tanθ均匀化：

tanθ＝Ωt_a cosθ_s (8)

其中，Ω＝v/y_a，v＝7100m/s为雷达平台飞行速度，y_a为点目标的纵坐标，t_a为方位时间变量，θ_s＝0°，5°，10°为斜视角。

步骤6，通过尺度变换实现方位向插值处理：

其中，t'_a为变换后的方位时间变量。

步骤7，对插值后的信号做二维傅里叶变换实现对点目标的成像。

如图3所示，为利用本发明方法得到的点目标仿真结果，其中，(a)、(b)、(c)分别对应斜视角为0°、5°、10°。横轴Range Profile表示距离像，纵轴Azimuth Profile表示方位像。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用相位编码信号调制LFM信号，得到LFM-PC复合调制信号，将LFM-PC复合调制信号作为雷达发射信号发射出去；

步骤2，对雷达回波数据进行距离向傅里叶变换，得到包含距离频域和方位时域的二维数据；

步骤3，将二维数据乘以参考函数，实现距离压缩和场景中心相位矫正；

步骤4，对步骤3得到的数据，通过尺度变换进行距离向插值处理，得到变换后的距离频率变量；

步骤5，通过重采样，均匀化雷达天线相位中心瞬时方位角的正切，得到方位时间变量；

步骤6，通过尺度变换进行方位向插值处理，得到变换后的方位时间变量；

步骤7，对经过距离向和方位向插值处理后的数据做二维傅里叶变换，实现对点目标的成像。

2.根据权利要求1所述基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法，其特征在于，步骤3所述参考函数的表达式为：

<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msup> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>F</mi> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mi>P</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>*</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>exp</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>j</mi> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mi>c</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>,</mo> </mrow>

其中，H₁表示参考函数，f_τ为距离向频率，U_LFM-PC(f_τ)为LFM-PC信号的频谱，*为共轭运算，j为虚数单位，c为光速，f_c为雷达中心频率，R_a为雷达天线相位中心与场景中心之间的瞬时距离。

3.根据权利要求1所述基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法，其特征在于，步骤4所述距离向插值的公式为：

f_τ＝f_c(δ_r-1)+δ_rf_τ'，

其中，f_τ为距离向频率，f_c为雷达中心频率，为距离频率尺度变换因子，为孔径中心时刻天线相位中心的俯仰角，θ和分别为雷达天线相位中心的瞬时方位角和俯仰角，f_τ'为变换后的距离频率变量。

4.根据权利要求1所述基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法，其特征在于，所述步骤5的公式为：

tanθ＝Ωt_acosθ_s，

其中，θ为雷达天线相位中心瞬时方位角，Ω＝v/y_a，v为雷达平台飞行速度，y_a为点目标的纵坐标，t_a为方位时间变量，θ_s为斜视角。

5.根据权利要求1所述基于LFM-PC复合调制信号和极坐标格式算法的SAR成像方法，其特征在于，步骤6所述方位向插值处理的公式为：

<mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>,</mo> </mrow>

其中，f_τ为距离向频率，f_c为雷达中心频率，t_a为方位时间变量，t'_a为变换后的方位时间变量。