CN107942327A - 基于脉冲相位编码的单通道hrws‑sar成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于脉冲相位编码的单通道HRWS‑SAR成像方法，主要解决现有单通道SAR系统中高分辨与宽测绘带的矛盾问题。其技术方案为：配置SAR系统参数，并保证在主波束照射范围内只出现一次距离模糊；对发射脉冲信号的进行相位编码；对整个回波信号进行解码；将解码后的整个回波信号变换到距离‑多普勒域，并在距离‑多普勒域提取无模糊回波信号和模糊回波信号；利用提取出来的无模糊回波信号和模糊回波信号分别对无模糊和模糊区域进行成像。本发明突破了最小天线面积对单通道SAR系统的约束，系统复杂度低，占用空间资源少，易于实时处理，可用于地形测绘、环境和灾害监视、地质探测、海洋监测以及侦查。

Description

基于脉冲相位编码的单通道HRWS-SAR成像方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种单通道高分辨率宽测绘带HRWS合成孔径雷达SAR的成像的方法，可用于地形测绘、环境和灾害监视、地质探测、海洋监测以及侦查。
背景技术
合成孔径雷达SAR是一种高分辨成像雷达，其具有二维高分辨能力，通过发射大带宽信号，经脉冲压缩后，获得距离上的高分辨率；依靠雷达与目标间的相对运动形成大的合成孔径，经相干处理后，实现方位上的高分辨率。SAR具有全天候、全天时和远距离的信息获取能力，能够在复杂环境下完成光学雷达和红外雷达难以完成的任务，例如宽测绘带、环境和灾害监视、地质探测、海洋监测以及侦查。
随着各研究应用领域的发展，人们对SAR的要求越来越高，同时获得高分辨和宽测绘带的SAR图像成为必然的发展趋势。为了获得宽测绘带，要求天线具有较小的纵向尺寸，并且为了避免距离模糊要求脉冲重复频率PRF不能太高；而方位高分辨率则需要方位尺寸不能过大，同时为了避免方位模糊而要求PRF不能太低。因此，对于为确保不存在距离和方位模糊而受最小天线面积限制的传统单通道SAR系统，宽测绘带和高分辨率图像是一对不可调和的矛盾。
为了解决上述宽测绘带与高分辨率的矛盾，研究者们大多采用多通道SAR技术。M.Suess,B.Grafmueler等人在其发表的论文“A novel high resolution,wide swath SARsystem”(IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium)中提出采用多个方位和俯仰的子孔径来获得高分辨宽测绘带，但是这会导致系统设计复杂，并且需较大空间位置，导致成本太高。对于多通道SAR系统，由于其将面临通道间幅相不一致的问题，这无疑会造成栅瓣和相位误差的问题，从而影响SAR图像质量。
中国科学院电子学研究所在其申请的专利“一种高分辨、宽测绘带的星载SAR体制实现方法”(申请号：201410020544.4，公开号：CN103728618A)中提出了一种基于方位向多发多收体制的高分辨、宽测绘带的星载SAR实现方法，其采用滑动聚束模式，N个发射子孔径发射频带互不相交的线性调频信号，在对各子孔径接收的子带回波信号进行分离后，进行一系列的预处理和成像处理，最终获得的测绘带宽是单发单收滑动聚束体制的N倍，同时距离和方位分辨是单发单收滑动聚束体制的1/N。但这种方法的实现体制不仅要解决通道间幅相不一致的问题，而且要处理信号分离带来的误差问题，同时该体制系统复杂度过高，不易实现实时处理。
G.Krieger等人在其发表的论文“Unambiguous SAR signal reconstructionfrom nonuniform displaced phase center sampling”(IEEE Geoscience and RemoteSensing Letters)中提出一种高分辨看测绘带成像方法，该方法采用多维编码信号结合数字波束形成技术实现，但该方法由于受到硬件条件和波形设计的限制，难以在实际应用中实现。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于脉冲相位编码的单通道高分辨宽测绘带SAR成像方法，以充分利用PRF过高时回波信号的多普勒频率域，减小系统复杂度和成本，实现通过单通道SAR获得高分辨宽测绘带。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)对发射脉冲信号的相位进行编码，得到回波信号的编码相位：
使用单通道SAR系统，考虑正侧条带模式下的无模糊区域和其相邻的较远距离模糊区域，设发射的脉冲信号为线性调频信号，用对发射的第k个脉冲信号进行相位编码，其中，j为虚数符号，为编码相位，k＞0；
设当前发射脉冲序号k与模糊回波对应的发射脉冲序号的差为p，在第k个接收窗接收到的整个回波信号中，无模糊回波信号和模糊回波信号的编码相位分别为和
(2)利用无模糊回波信号的编码相位对整个回波信号进行解码，解码后，无模糊回波信号的剩余编码相位为0，而模糊回波信号的剩余编码相位为：
(3)对(2)中解码后的整个回波信号沿方位慢时间做傅里叶变换，变换到距离-多普勒域，得到两个完全被分开的无模糊回波信号和模糊回波信号；
(4)用两个滤波器，在距离-多普勒域提取出无模糊回波信号Xua和频谱错位的模糊回波信号Xa，然后在距离-多普勒域将Xa的频谱中心恢复到零频位置，得到频谱正常的模糊回波信号
(5)利用无模糊回波信号Xua和频谱正常的模糊回波信号通过成像算法分别对无模糊区域和模糊区域进行成像，并将模糊区域的图像变换到相应的距离区域，得到高分辨宽测绘带的SAR图像。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1)本发明由于对发射脉冲信号进行相位编码，因此可以使得在距离-多普勒域，无模糊回波与模糊回波被完全分开且可分别被提取，消除了模糊回波对无模糊区域成像质量的影响，解决了PRF较高时的距离模糊问题，从而突破了最小天线面积对单通道SAR系统设计的约束；
2)本发明由于在距离-多普勒域使用滤波器将无模糊回波与模糊回波分别提取出来，因此可通过对无模糊区域和模糊区域的单独成像，实现单通道HRWS-SAR成像，从而解决了单通道SAR系统中高分辨与宽测绘带的矛盾问题；
3)本发明由于采用了单通道SAR系统，使得HRWS-SAR成像系统复杂度较低，并且节省了平台空间资源。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明中使用单通道SAR系统的无模糊区域和模糊区域示意图；
图3为本发明中解码前模糊回波和无模糊回波信号的编码相位以及解码后模糊回波的剩余编码相位的示意图；
图4为本发明中对整个回波信号解码后的无模糊回波信号与频谱错位的模糊回波信号的多普勒谱示意图；
图5为本发明中对发射脉冲信号进行相位编码和未进行相位编码这两种情况下整个回波信号的距离-多普勒谱仿真图；
图6为本发明中用滤波器所提取的无模糊回波信号和频谱正常的模糊回波信号这两种回波信号的距离-多普勒域频谱仿真图；
图7为本发明中对发射脉冲信号进行相位编码和未进行相位编码这两种情况下测绘区域的成像仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更清楚、更完整的描述。
参照图1，本发明的实施步骤如下。
步骤1，预设SAR系统参数。
本发明使用单通道SAR系统，考虑正侧条带模式下的无模糊区域和其相邻的较远距离模糊区域，并以点目标为例，其预设SAR系统的参数包括：平台速度Vr、平台高度H、脉冲重复频率fprf、脉宽Tp、发射信号带宽Bs、多普勒带宽Bd、下视角θ、载频f0、幅宽Wr；
参照图2，为了在天线主波束照射范围内只发生一次距离模糊，则要对上述预设参数中的脉冲重复频率fprf进行限定，使fprf要满足：其中c表示电磁波在空间中的传播速度，同时，为了保证能在距离-多普勒域完全提取出模糊回波信号，还要求fprf满足：fprf＞2Bd。
步骤2，对发射脉冲信号的相位进行编码，得到回波信号的编码相位。
(2a)设发射的脉冲信号为线性调频信号，用对发射的第k个脉冲信号进行相位编码，得到发射信号形式为：
其中，k＞0，j为虚数符号，为距离快时间，tk为方位慢时间，γ为调频斜率，rect(·)为距离窗函数，wa(·)为天线方位窗函数，编码相位按顺序组成的序列为：0,0,π,π,0,0,π,π,...；
(2b)忽略rect(·)和wa(·)，则第k个接收窗接收到的回波信号形式为：
其中，第一个信号为无模糊回波信号，第二个信号为模糊回波信号，p为当前发射脉冲序号k与模糊回波对应的发射脉冲序号的差，αp和αp-1分别为无模糊回波信号和模糊回波信号的后向散射系数，τk为tk时刻回波信号的时延，为无模糊回波信号的编码相位，为模糊回波信号的编码相位；
所述按顺序组成的序列为：0,0,π,π,0,0,π,π,...，所述按顺序组成的序列为：0,π,π,0,0,π,π,0,...，如图3中第一行和第二行所示。
步骤3，对整个回波信号进行解码。
利用无模糊回波信号的相位对步骤2中得到的整个回波信号进行解码，得到解码后的整个回波信号为：
其中，为解码后的无模糊回波信号，其剩余编码相位为0，为解码后的模糊回波信号，其剩余编码相位为 按顺序组成的序列为：0,π,0,π,0,π,0,π,...，如图3中第三行所示。
步骤4，对解码后的整个回波信号沿方位向做傅里叶变换。
对无模糊回波信号和模糊回波信号的公共信号沿方位慢时间进行傅里叶变换后，得到距离-多普勒域的信号为
对解码后的整个回波信号沿方位慢时间做傅里叶变换后，得到距离-多普勒域的整个回波信号为：
其中，fa表示方位频率，为距离-多普勒域的无模糊回波信号，为距离-多普勒域的模糊回波信号，可以看出，模糊回波信号相对于无模糊回波信号在多普勒域将被平移了脉冲重复频率的一半，即fprf/2，由于在步骤1中设置fprf＞2Bd，所以无模糊回波信号和模糊回波信号在多普勒域是完全分开的，如图4所示。
步骤5，用滤波器在距离-多普勒域分别提取出无模糊回波信号和模糊回波信号。
在距离-多普勒域，利用低通滤波器滤出无模糊回波信号利用高通滤波器滤出频谱错位的模糊回波信号
在距离-多普勒域将Xa的频谱中心恢复到零频位置，得到频谱正常的模糊回波信号
步骤6，对无模糊区域和模糊区域分别成像，得到高分辨宽测绘带的SAR图像。
利用步骤5中得到的无模糊回波信号Xua和模糊回波信号通过成像算法分别对无模糊区域和模糊区域进行成像，步骤如下：
(6a)对模糊回波信号Xua和无模糊回波信号分别沿距离向进行傅里叶变换，得到距离频率-多普勒域的模糊回波信号Xua1和无模糊回波信号
(6b)对距离频率-多普勒域的模糊回波信号Xua1和无模糊回波信号分别进行距离徙动校正，得到距离徙动校正后的模糊回波信号Xua2和无模糊回波信号
(6c)对距离徙动校正后的模糊回波信号Xua2和无模糊回波信号分别进行距离脉冲压缩，得到距离脉冲压缩后的模糊回波信号Xua3和无模糊回波信号
(6d)对距离脉冲压缩后的模糊回波信号Xua3和无模糊回波信号分别进行方位压缩，得到无模糊区域和模糊区域的SAR图像；
(6e)将模糊区域的图像变换到相应的距离区域，得到高分辨宽测绘带的SAR图像。
本发明成像方法的成像效果可以通过以下实验仿真结果进一步说明：
1)仿真条件：
实验仿真参数如表1所示，实验中，使用单通道SAR系统，考虑正侧条带模式下的无模糊区域和其相邻的较远距离模糊区域，以点目标为例，同时令无模糊回波信号幅度是模糊回波信号幅度的2倍。
表1系统仿真参数
系统参数 参数值 系统参数 参数值
平台高度 6km 平台速度 100m/s
载波频率 9.6GHz 距离分辨率 1m
脉冲重复频率 440Hz 方位分辨率 0.5m
多普勒带宽 200Hz 脉冲宽度 10μs
LFM信号带宽 150MHz 幅宽 50km
下视角 35°
2)仿真内容与结果分析
为了形成对比，实验中考虑对发射脉冲进行相位编码和未进行相位编码这两种情况。
仿真1，在对发射脉冲信号未进行相位编码的情况下，将整个回波信号沿方位向进行傅里叶变换，在对发射脉冲信号进行相位编码的情况下，将解码后的整个回波信号沿方位向进行傅里叶变换，结果如图5所示，其中：
图5(a)为对发射脉冲信号未进行相位编码的情况下整个回波信号的距离-多普勒谱；
图5(b)为对发射脉冲信号进行相位编码的情况下解码后的整个回波信号的距离-多普勒谱；
由图5(a)可以看出，在对发射脉冲信号未进行相位编码的情况下，无模糊回波信号与模糊回波信号在距离-多普勒域是完全重合的，这将导致在所成的SAR图像中，模糊区域的SAR图像与无模糊区域的SAR图像重叠，即发生重影现象；
由图5(b)可以看出，在对发射脉冲信号进行相位编码的情况下，无模糊回波信号与模糊回波信号在距离-多普勒域是完全分开的。
仿真2，在对发射脉冲信号进行相位编码的情况下，在距离-多普勒域，用低通滤波器滤出无模糊回波信号，用高通滤波器滤出频谱错位的模糊回波信号，并将频谱错位的模糊回波信号的频谱恢复正常，得到频谱正常的模糊回波信号，如图6所示，其中：
图6(a)为无模糊回波信号的距离-多普勒谱；
图6(b)为频谱正常的模糊回波信号的距离-多普勒谱；
从图6可以看出，在对发射脉冲信号进行了相位编码的情况下，可以使用滤波器将无模糊回波信号和模糊回波信号在距离-多普勒域分别提取出来。
仿真3，在对发射脉冲信号进行相位编码和未进行相位编码这两种情况下，对测绘区域进行成像，结果如图7所示，其中：
图7(a)为对发射脉冲未进行相位编码情况下的成像结果；
图7(b)为对发射脉冲进行了相位编码的情况下无模糊区域的成像结果；
图7(c)为对发射脉冲进行了相位编码的情况下模糊区域的成像结果；
由图7(a)看出，在对发射脉冲未进行相位编码的情况下，无模糊像点和模糊像点在无模糊区域完全重合，由图7(b)和图7(c)可以看出，在对发射脉冲进行了相位编码的情况下，成功的实现了对无模糊区域和模糊区域的成像。
上述仿真结果表明，本发明通过对发射脉冲信号进行相位编码，可以在单通道SAR系统的条件下有效地实现分别对无模糊区域和模糊区域成像，得到高分辨宽测绘带SAR图像。实验结果证明了本发明的正确性和有效性。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明的思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.基于脉冲相位编码的单通道HRWS-SAR成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对发射脉冲信号的相位进行编码，得到回波信号的编码相位：
使用单通道SAR系统，考虑正侧条带模式下的无模糊区域和其相邻的较远距离模糊区域，设发射的脉冲信号为线性调频信号，用对发射的第k个脉冲信号进行相位编码，其中，j为虚数符号，为编码相位，k＞0；
设当前发射脉冲序号k与模糊回波对应的发射脉冲序号的差为p，在第k个接收窗接收到的整个回波信号中，无模糊回波信号和模糊回波信号的编码相位分别为和
(2)利用无模糊回波信号的编码相位对整个回波信号进行解码，解码后，无模糊回波信号的剩余编码相位为0，而模糊回波信号的剩余编码相位为：
(3)对(2)中解码后的整个回波信号沿方位慢时间做傅里叶变换，变换到距离-多普勒域，得到两个完全被分开的无模糊回波信号和模糊回波信号；
(4)用两个滤波器，在距离-多普勒域提取出无模糊回波信号Xua和频谱错位的模糊回波信号Xa，然后在距离-多普勒域将Xa的频谱中心恢复到零频位置，得到频谱正常的模糊回波信号
(5)利用无模糊回波信号Xua和频谱正常的模糊回波信号通过成像算法分别对无模糊区域和模糊区域进行成像，并将模糊区域的图像变换到相应的距离区域，得到高分辨宽测绘带的SAR图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的编码相位按顺序组成的序列为：0,0,π,π,0,0,π,π,...。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中无模糊回波信号按顺序组成的序列为：0,0,π,π,0,0,π,π,...。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中模糊回波信号的编码相位按顺序组成的序列为：0,π,π,0,0,π,π,0,...。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中对步骤(2)中解码后的整个回波信号沿方位慢时间做傅里叶变换，是在设置的脉冲重复频率fprf大于两倍的多普勒带宽Bd这个限定条件下进行，即fprf＞2Bd，以保证通过对解码后的整个回波信号沿方位慢时间做傅里叶变换之后，在距离-多普勒域，得到两个完全被分开的无模糊回波信号和模糊回波信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中用两个滤波器，在距离-多普勒域提取出无模糊回波信号Xua和频谱错位的模糊回波信号Xa，是利用低通滤波器滤出无模糊回波信号Xua，利用高通滤波器滤出频谱错位的模糊回波信号Xa。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中通过成像算法分别对无模糊区域和模糊区域进行成像，按如下步骤进行：
(5a)对模糊回波信号Xua和无模糊回波信号分别沿距离向进行傅里叶变换，得到距离频率-多普勒域的模糊回波信号Xua1和无模糊回波信号
(5b)对距离频率-多普勒域的模糊回波信号Xua1和无模糊回波信号分别进行距离徙动校正，得到距离徙动校正后的模糊回波信号Xua2和无模糊回波信号
(5c)对距离徙动校正后的模糊回波信号Xua2和无模糊回波信号分别进行距离脉冲压缩，得到距离脉冲压缩后的模糊回波信号Xua3和无模糊回波信号
(5d)对距离脉冲压缩后的模糊回波信号Xua3和无模糊回波信号分别进行方位压缩，得到无模糊区域和模糊区域的SAR图像。
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