CN108919267B - 合成孔径雷达的编解码方法 - Google Patents

合成孔径雷达的编解码方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种合成孔径雷达的编解码方法，该方法包括以下步骤：S1、根据合成孔径雷达的最远作用距离和发射信号脉冲宽度对发射信号进行调制，实现发射信号的多相编码；以及S2、对发射信号对应的回波信号进行低通滤波，实现回波信号的多相解码，其中，多相编码和多相解码能够抑制合成孔径雷达的方位向模糊和距离向模糊。根据本发明的编解码方法对合成孔径雷达的发射功率的利用率较高，在解决高速远作用距离带来的方位向和距离向模糊的同时，降低了后续信号处理的压力，使得高速平台上的合成孔径雷达能够获取远作用距离的图像，同时避免由此引起的距离向和方位向模糊的问题。

Description

合成孔径雷达的编解码方法
技术领域
本发明涉及雷达波形设计领域，尤其涉及一种合成孔径雷达的编解码方法。
背景技术
应用于高速平台上的远作用距离的大型合成孔径雷达系统是合成孔径雷达一个重要的发展方向，而这种大型合成孔径雷达系统所面临的难题是如何保证实现雷达远作用距离和大测绘宽度的前提下，抑制方位向和距离向模糊。
平台高速运行会使得方位向多普勒带宽很大，例如：X波段雷达(中心频率：9.5GHz，波长：0.03m)安装在飞行速度为300m/s的飞机上，天线方位向波束宽度为2°，此时产生回波信号方位向带宽为698Hz；如果飞机的速度为60m/s，对应的回波信号方位向带宽为140Hz。两者之间相差了5倍。根据乃奎斯特采样定理，方位向采样率(PRF)必须大于多普勒带宽，所以在高速平台上，PRF必须大于698Hz，考虑到天线的方位向旁瓣的影响，PRF值还要更高一些，否则会产生方位向模糊。这就高出中速或低速平台上合成孔径雷达所需要PRF值很多。
机载合成孔径雷达的远作用距离的实现为：发射一个脉冲，等到最远距离所有回波都回来后才发射下一个脉冲。如果这里的最远距离以技术指标上的最远作用距离为参考得到脉冲的收发周期，带来的问题是比它远的目标回波就会与下一个脉冲的近处的目标回波混叠在一起，从而产生距离向模糊。因此，为了防止距离模糊，如果最远作用距离为250km，对应的最大PRF为500Hz。
因此，对于安装在速度为300m/s的飞机上的合成孔径雷达，要达到250km的作用距离，传统方法无法选择合适的PRF值，保证既不距离向模糊，又不方位向模糊。
发明内容
为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种合成孔径雷达的编解码方法，能够同时抑制距离向模糊和方位向模糊，并且可以极大的减轻距离匹配滤波的压力。
根据本发明的一个方面，提供一种合成孔径雷达的编解码方法，该方法包括以下步骤：S1、根据合成孔径雷达的最远作用距离和发射信号脉冲宽度对发射信号进行调制，实现发射信号的多相编码；以及S2、对发射信号对应的回波信号进行低通滤波，实现回波信号的多相解码，其中，多相编码和多相解码能够抑制合成孔径雷达的方位向模糊和距离向模糊。
根据本发明的合成孔径雷达的编解码方法的一些实施例，步骤S1包括：S1.1、根据合成孔径雷达参数设置发射信号的脉冲宽度，根据脉冲宽度得到对应的距离宽度；S1.2、将合成孔径雷达的最远作用距离和距离宽度的和分为N等份，N为正整数；以及S1.3、将多相编码中相位的数目设置为N，发射信号采用不同的初相进行调制，实现发射信号的多相编码。
根据本发明的合成孔径雷达的编解码方法的一些实施例，步骤S1.1中的合成孔径雷达参数包括：雷达中心频率，载机的飞行速度、方位向波束宽度、最远作用距离、测绘带宽和发射机的工作比。
根据本发明的合成孔径雷达的编解码方法的一些实施例，通过下式确定N的值：
Figure BDA0001778090440000021
其中，α表示发射机的工作比，Rmax表示最远作用距离，W表示测绘带宽。
根据本发明的合成孔径雷达的编解码方法的一些实施例，步骤S1.3包括：计算出方位向采样率，并根据方位向采样率得到采样周期，在不同的采样周期对发射信号采用不同的初相进行调制。
根据本发明的合成孔径雷达的编解码方法的一些实施例，通过下式计算出方位向采样率：
Figure BDA0001778090440000031
其中，PRF表示方位向采样率，c表示光速，Rt表示脉冲宽度对应的距离宽度。
根据本发明的合成孔径雷达的编解码方法的一些实施例，第m个采样周期所对应的初相为：
Figure BDA0001778090440000032
其中，φm表示第m个采样周期对应的初相，φm-1表示第m-1个采样周期对应的初相，
Figure BDA0001778090440000033
表示与N相关的常数，m为正整数。
根据本发明的合成孔径雷达的编解码方法的一些实施例，步骤S2包括：
S2.1、接收回波信号并进行量化处理；
S2.2、根据回波信号中信息信号对应的序号和当前发射脉冲的序号，对回波信号中的信息信号和模糊信号进行调制；
S2.3、对调制后的信号进行低通滤波，提取出信息信号，过滤模糊信号，实现回波信号的多相解码。
与现有技术相比，本发明至少具有如下优点之一：
(1)解决了方位向模糊的问题；
(2)解决了距离向模糊的问题；
(3)降低了后续信号处理的难度，提高了效率。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1是根据本发明实施例的合成孔径雷达的编解码方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的合成孔径雷达的编解码方法的多相编码的信号收发示意图；
图3是根据本发明实施例的合成孔径雷达的编解码方法进行解码后信号的频谱图；
图4是根据本发明实施例的合成孔径雷达的编解码方法得到的雷达图像。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明提供一种合成孔径雷达的编解码方法，其应用于高速平台的远作用距离合成孔径雷达。这种编码方式对雷达发射功率的利用率较高，在解决高速远作用距离带来的方位向和距离向模糊的同时，降低了后续信号处理的压力。从而使得高速平台上的合成孔径雷达能够获取远作用距离的图像，同时避免由此引起的距离向和方位向模糊的问题。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
图1是根据本发明实施例的合成孔径雷达的编解码方法的流程图。如图1所示，合成孔径雷达的编解码方法包括如下步骤：
S1、根据合成孔径雷达的最远作用距离和发射信号脉冲宽度对发射信号进行调制，实现发射信号的多相编码。本实施例中的最远作用距离不是技术指标上的最远作用距离，而是合成孔径雷达在实际照射中所能够达到的最远作用距离。
根据优选的实施例，步骤S1包括如下步骤：
S1.1、根据合成孔径雷达参数设置发射信号的脉冲宽度，根据脉冲宽度得到对应的距离宽度。合成孔径雷达参数包括：雷达中心频率fc，载机的飞行速度v、方位向波束宽度θ、最远作用距离Rmax、测绘带宽W和发射机的工作比α。
S1.2、将合成孔径雷达的最远作用距离和距离宽度的和分为N等份，N为正整数。
雷达的最远作用距离Rmax和发射信号脉冲宽度所对应的距离宽度Rt被分割成为N等份，每一份对应的宽度为：
Figure BDA0001778090440000051
上述宽度决定了PRF频率，具体见下式：
Figure BDA0001778090440000052
其中：c表示光速。
根据合成孔径雷达成像原理可知：PRF频率必须大于由平台速度v和天线工作频率λ及方位向波束宽度θ决定的多普勒频率带宽，即：
Figure BDA0001778090440000053
上式同样表示方位向采样率必须大于有用目标回波的多普勒带宽。一般情况下，这个条件很容易满足。另外，抑制距离向模糊是通过方位滤波处理完成，方位滤波需要使有用目标回波的频谱和无用目标信号的频谱分开，也即是信息信号的频谱和噪声信号的频谱是分开的。这就需要PRF满足以下条件：
Figure BDA0001778090440000054
由此可以得到：
Figure BDA0001778090440000055
上式说明了最远作用距离决定的方位向采样率必须大于多普勒带宽。在基本要求满足的条件下，需要确定发射信号脉冲宽度T，发射信号的脉冲宽度由两个方面决定：PRF和雷达发射机的工作比α。在合成孔径雷达系统设计的时候一般都是假设发射机的工作比最大，所以，由PRF和雷达发射机的工作比决定的发射信号的脉冲宽度T为：
Figure BDA0001778090440000061
通过发射机的脉冲宽度T可以计算得到发射信号脉冲宽度对应的作用距离宽度Rt，如下式：
Figure BDA0001778090440000062
测绘宽度W是系统设计时的输入指标，可以认为是已知的，据此确定每一等份距离的最小值为：2Rt+W。由此可以进一步确定分割的份数N必须满足下面的式子：
Figure BDA0001778090440000063
进一步的，可以通过下式确定N的值：
Figure BDA0001778090440000064
其中，α表示发射机的工作比，Rmax表示最远作用距离，W表示测绘带宽。
S1.3、将多相编码中相位的数目设置为N，发射信号采用不同的初相进行调制，实现发射信号的多相编码。
根据优选的实施例，可以计算出方位向采样率，并根据方位向采样率得到采样周期，在不同的采样周期对发射信号采用不同的初相进行调制。可以通过下式计算出方位向采样率：
Figure BDA0001778090440000065
其中，PRF表示方位向采样率，c表示光速，Rt表示脉冲宽度对应的距离宽度。
第m个采样周期所对应的初相为：
Figure BDA0001778090440000071
其中，φm表示第m个采样周期对应的初相，φm-1表示第m-1个采样周期对应的初相，
Figure BDA0001778090440000072
表示与N相关的常数，m为正整数。第m个采样周期对应于第m个脉冲。发射信号用不同的初相φm进行调制，即发射信号乘以exp(jφm)，实现发射信号的多相编码。
S2、对发射信号对应的回波信号进行低通滤波，实现回波信号的多相解码。
根据优选的实施例，步骤S2包括：
S2.1、接收回波信号并进行量化处理。按照雷达正常的工作流程接收回波信号并进行量化处理。
S2.2、根据回波信号中信息信号对应的序号和当前发射脉冲的序号，对回波信号中的信息信号和模糊信号进行调制。因为N个不同距离的回波都混叠在同一个PRF周期的接收窗口中，所以首先确定有用回波信号，即信息回波信号，对应的N份中的序号k。根据k和当前发射脉冲的序号m，对当前的回波信号调制一个固定相位项exp(-jφm-k+1)，实现有用信号的解调和无用信号的调制，也即是对回波信号中的信息信号和模糊信号进行调制。
S2.3、对调制后的信号进行低通滤波，提取出信息信号，过滤模糊信号，实现回波信号的多相解码。对原始回波数据矩阵进行转置，对每一条距离线进行低通滤波，取出有用信号，滤除模糊区的无用信号，也即是提取出信息信号，过滤模糊信号，从而实现回波信号的多相解码。
图2是根据本发明实施例的合成孔径雷达的编解码方法的多相编码的信号收发示意图。如图2所示，每一个发射脉冲的脉冲宽度相同，脉冲之间的间隔相等。图中T表示发射信号的脉冲宽度。
图3是根据本发明实施例的合成孔径雷达的编解码方法进行解码后信号的频谱图。图3给出了第8段相位匹配后回波信号方位向频谱，a表示有用信号，即信息信号；b表示无用信号，即模糊信号。如图3所示，有用信号和无用信号在频域处于分开状态。图中横坐标表示方位向采样率，单位为Hz，图中纵坐标表示回波信号的幅值，单位为dB。
图4是根据本发明实施例的合成孔径雷达的编解码方法得到的雷达图像。该图像证明了本发明提出的编解码方法是可行的。
本发明提供的合成孔径雷达的编解码方法在距离方向将发射信号传输到最远作用距离的时间间隔分成N等份，每一份发射一个脉冲，等效于PRF值被增加了N倍，方位向采样率提高，解决了方位向模糊问题。
虽然PRF值提高了解决了方位向模糊的问题，但是距离向模糊的问题变得更加严重了。本发明提供的合成孔径雷达的编解码方法采用脉冲信号相位调制的方法，将有用的信号的频谱搬移到零频位置，将无用信号的频谱搬移到其他的地方，然后通过低通滤波的方法保留有用信号，滤除无用信号。实现了距离向信号的去模糊处理。
根据合成孔径雷达方程，雷达的远作用距离需要相当大的发射机平均功率。在峰值功率固定的情况下，平均功率的提高要求增加发射机的工作比，即发射大脉冲宽度的雷达信号，在测绘带宽一定的情况下，大脉冲宽度在测绘带宽对应的回波信号的时间宽度中占据的比重很大，这给后面距离向匹配滤波带来了巨大的压力，需要完成64K或128K以上点的快速傅氏变换(FFT变换)，而这给FPGA或DSP等带来的挑战非常大。采用本发明的合成孔径雷达的编解码方法后，大脉冲宽度被分成了N等份，每一份只有原来宽度的1/N，这就极大了减轻了后续距离匹配滤波的压力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种合成孔径雷达的编解码方法，其特征在于，所述编解码方法包括以下步骤：
S1、根据合成孔径雷达的最远作用距离和发射信号脉冲宽度对发射信号进行调制，实现所述发射信号的多相编码；其中，步骤S1包括：
S1.1、根据所述合成孔径雷达参数设置所述发射信号的脉冲宽度，根据所述脉冲宽度得到对应的距离宽度；其中，所述合成孔径雷达参数包括：雷达中心频率，载机的飞行速度、方位向波束宽度、最远作用距离、测绘带宽和发射机的工作比；
S1.2、将所述合成孔径雷达的最远作用距离和所述脉冲宽度对应的距离宽度的和分为N等份，N为正整数；
通过下式确定N的值：
Figure FDA0002881438520000011
其中，α表示发射机的工作比，Rmax表示最远作用距离，W表示测绘带宽；
S1.3、将多相编码中相位的数目设置为N，发射信号采用不同的初相进行调制，实现所述发射信号的多相编码；
以及
S2、对所述发射信号对应的回波信号进行低通滤波，实现回波信号的多相解码，
其中，所述多相编码和多相解码能够抑制所述合成孔径雷达的方位向模糊和距离向模糊。
2.根据权利要求1所述的合成孔径雷达的编解码方法，其特征在于，步骤S1.3包括：计算出方位向采样率，并根据所述方位向采样率得到采样周期，在不同的采样周期对发射信号采用不同的初相进行调制。
3.根据权利要求2所述的合成孔径雷达的编解码方法，其特征在于，通过下式计算出所述方位向采样率：
Figure FDA0002881438520000021
其中，PRF表示方位向采样率，c表示光速，Rt表示脉冲宽度对应的距离宽度。
4.根据权利要求3所述的合成孔径雷达的编解码方法，其特征在于，第m个采样周期所对应的初相为：
Figure FDA0002881438520000022
其中，φm表示第m个采样周期对应的初相，φm-1表示第m-1个采样周期对应的初相，
Figure FDA0002881438520000023
表示与N相关的常数，m为正整数。
5.根据权利要求4所述的合成孔径雷达的编解码方法，其特征在于，步骤S2包括：
S2.1、接收回波信号并进行量化处理；
S2.2、根据回波信号中信息信号对应的序号和当前发射脉冲的序号，对回波信号中的信息信号和模糊信号进行调制；
S2.3、对调制后的信号进行低通滤波，提取出信息信号，过滤模糊信号，实现回波信号的多相解码。
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