CN110346798A - 一种双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法，属于雷达探测与成像技术领域。本发明用于提升双基合成孔径雷达成像处理效率。首先根据双基雷达的几何构型，得出出双基合成孔径雷达回波信号模型；其次，利用空间谱处理效率与旋转坐标系之间的关系，得到出不同旋转坐标系下的回波成像处理效率；而后，利用旋转角与处理效率之间的关系，计算出最高效的旋转角度；最后，根据最高效的旋转角度建立旋转坐标系将回波数据投影到空间谱域，利用二维FFT实现目标的高效成像处理。本发明方法，根据双基合成孔径雷达旋转角与空间谱处理效率之间的关系，通过求解高效的回波投影旋转角度，提升了双基合成孔径雷达成像处理效率。

Description

一种双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法

技术领域

本发明属于雷达探测与成像技术领域，特别涉及一种双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法。

背景技术

雷达成像在自然灾害监控和对地测绘中具有重要的应用价值。双基合成孔径雷达通过收发平台分离，使得观测更加灵活，在目标检测、抗干扰和高分辨成像的各种高效势被广泛研究。但是双基合成孔径雷达成像过程中，其成像处理效率仍有待提升。

现有技术中，有一种双基快速背投影算法实现目标重建的方法，然而，由于需要遍历每个目标的回波轨迹，该方法相对耗时。另外，也有将压缩感知技术应用于雷达成像，实现了数据维度的减少和计算复杂度的降低的方法，但是矩阵求逆的压缩感知技术难以在工程中实现。

发明内容

本发明的目的在于针对传统双基合成孔径雷达成像处理方法存在计算复杂度高，效率低的问题，提出了一种双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法。

一种双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法，所述双基合成孔径雷达包括至少一个发射天线和接收天线，所述方法包括以下步骤：

S1、所述接收天线接收所述发射天线传播的回波信号，在空间谱域建立坐标系，将所述回波信号投影至空间谱域；

S2、基于不同旋转角的旋转坐标系，将所述回波信号投影至所述空间谱域，得到不同旋转角的旋转坐标系下的回波成像处理效率；

S3、根据所述回波成像处理效率和旋转角的关系，建立目标函数，计算得到目标旋转角，根据所述目标旋转角建立目标旋转坐标系，将所述回波信号在所述目标旋转坐标系下的空间谱域投影，采用快速傅里叶反变换进行成像处理。

进一步地，所述步骤S1包括：

在三维坐标系中，所述发射天线和接收天线处于高度为H的平面，以速度v沿x轴方向运动；目标场景中一点P的坐标为(x_p,y_p)，目标点P与发射天线之间的距离为R_T(T)，与接收天线之间的距离为R_R(T)；目标点P与发射天线之间方位角和俯仰角为θ_T和与接收天线之间的方位角和俯仰角为θ_R和

所述发射天线发射的宽带线性调频信号为

其中，A(t)表示发射天线的幅度调制，T_r表示发射信号时宽，f_c表示发射信号载频，K_r表示调频率；

发射信号传播至点P，经过目标点的散射后，接收天线接收到的回波信号为

其中，τ＝[R_T(T)+R_R(T)]/c表示传输时延，c表示光速；

通过解调制和距离向匹配滤波处理，将所述回波信号转化为距离频率域

其中，B_r表示调频带宽，f_r表示距离向频率变量，R_p(T)表示目标点P的距离历史和；

在所述目标场景Ω中选取参考点O(x₀,y₀)∈Ω，校正回波相位并将回波转化为

其中，x_p和y_p表示p的x-y坐标，和分别表示发射天线和接收天线的俯仰角，θ_T(T)和θ_R(T)分别表示发射天线和接收天线的方位角；

在空间谱域建立坐标系

基于该坐标系，将回波投影至空间谱域转化为

其中，σ(x_p,y_p)表示目标点散射系数。

进一步地，所述步骤S2包括：

基于不同的坐标系，回波投影至空间谱域得到不同的模型

其中，k′_x和k_y′表示旋转坐标系，表示旋转角，得到旋转回波数据为

其中，基于旋转坐标系，P点坐标(x_p,y_p)转化为(x′_p,y′_p)

回波成像处理效率为η。

进一步地，所述步骤S3包括：

回波成像处理效率为回波投影至空间谱域的面积与最小外部矩阵的比值，表示为

其中，S_real表示回波在空间谱域的分布面积，由四个三角形面积S₁、S₂、S₃、S₄表示；S_rect表示回波在空间谱域中最小分布面积，为矩形的面积，由[max(k′_x)-min(k′_x)]*[max(k′_y)-min(k′_y)]计算得到；

基于旋转角和回波成像处理效率之间的关系，建立目标函数

求解得到最高效旋转角，即目标旋转角，根据所述目标旋转角建立目标旋转坐标系，得到所述目标旋转坐标系下的空间谱域投影，采用快速傅里叶反变换进行成像处理，得到成像结果。

本发明的有益效果：本发明提供了一种双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法，通过建立双基合成孔径雷达系统几何模型与回波信号模型，分析不同旋转坐标下的空间投影。而后，根据旋转角与回波空间谱投影关系，求解空间投影高效视角，利用最高效视角投影得到的空间谱进行成像处理，可显著提高双基合成孔径雷达成像处理效率。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为本发明实施例的双基合成孔径雷达的几何构型图。

图3为本发明实施例的空间谱域投影结果图。

图4为本发明实施例的另一空间谱投影结果图。

图5为本发明实施例的投影角度与处理效率的函数关系图。

图6为传统空间谱投影成像结果对比图。

图7为采用本发明方法得到的高效空间谱投影成像结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

请参阅图1，本发明提出了一种双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法，通过以下步骤实现：

S1、接收天线接收发射天线传播的回波信号，在空间谱域建立坐标系，将回波信号投影至空间谱域。

本实施例中，双基合成孔径雷达的几何构型如图2所示，双基合成孔径雷达包括至少1个发射天线和接收天线。

在图2所示的三维坐标系中，发射天线和接收天线处于高度为H的平面，以速度v沿x轴方向运动；目标场景中一点P的坐标为(x_p,y_p)，目标点P与发射天线之间的距离为R_T(T)，与接收天线之间的距离为R_R(T)；目标点P与发射天线之间方位角和俯仰角为θ_T和与接收天线之间的方位角和俯仰角为θ_R和首先，根据双基合成孔径雷达成像的几何结构和发射信号，可根据目标点位置计算出接收机接受到的回波信号；然后，利用解调制和距离维匹配滤波可将回波信号转换到距离频率域并矫正回波相位；最后，在空间谱建立一个坐标系，将回波信号转化到空间谱域得到目标点的散射系数，以此实现高分辨成像。具体为：

发射天线发射的宽带线性调频信号为

其中，A(t)表示发射天线的幅度调制，T_r表示发射信号时宽，f_c表示发射信号载频，K_r表示调频率。

发射信号传播至点P，经过目标点的散射后，接收天线接收到的回波信号为

其中，τ＝[R_T(T)+R_R(T)]/c表示传输时延，c表示光速。

通过解调制和距离向匹配滤波处理，将回波信号转化为距离频率域

其中，B_r表示调频带宽，f_r表示距离向频率变量，R_p(T)表示目标点P的距离历史和。

在目标场景Ω中选取参考点O(x₀,y₀)∈Ω，校正回波相位并将回波转化为

其中，x_p和y_p表示p的x-y坐标，和分别表示发射天线和接收天线的俯仰角，θ_T(T)和θ_R(T)分别表示发射天线和接收天线的方位角。

在空间谱域建立坐标系

基于该坐标系，将回波投影至空间谱域转化为

其中，σ(x_p,y_p)表示目标点散射系数。

S2、基于不同旋转角的旋转坐标系，将回波信号投影至空间谱域，得到不同旋转角的旋转坐标系下的回波成像处理效率。

本实施例中，将回波投影至不同旋转角的旋转坐标系，得到不同的空间谱域投影

其中，k′_x和k_y′表示旋转坐标系，表示旋转角，得到旋转回波数据为

其中，基于旋转坐标系，P点坐标(x_p,y_p)转化为(x′_p,y′_p)

对于不同旋转角的投影旋转坐标系，其空间谱域投影结果也不一样，回波成像处理效率η也会因此改变，本步骤中参数如表1所示，以此可以得到不同投影坐标系空间谱投影结果如图3和4所示。由于空间谱处理为一个长方形阵列，从图中可以发现，选择不同的投影角度可以实现处理效率的提升，若利用传统方法，空间谱处理效率明显低于选择合适的投影坐标系实现的处理效率。

参数名称	值
		发射机原始位置	(50,-1000,400)m
接收机原始位置	(-400,-100,400)m
		发射机速度	(0,100cos(15°),0)m/s
接收机速度	(0,100cos(15°),0)m/s
		脉冲发射频率	2000Hz
载频	10GHz
		时宽	4us
带宽	100MHz
		采样频率	150MHz
旋转角	-0.72°

表1空间谱域投影分析参数表

S3、根据回波成像处理效率和旋转角的关系，建立目标函数，计算得到目标旋转角，根据目标旋转角建立目标旋转坐标系，将回波信号在目标旋转坐标系下的空间谱域投影，采用快速傅里叶反变换进行成像处理。

本实施例中，通过回波成像处理效率与旋转角之间的关系，即可得到最优的旋转角，从而提升双基合成孔径雷达成像处理效率。具体为：

回波成像处理效率为回波投影至空间谱域的面积与最小外部矩阵的比值，表示为

其中，S_real表示回波在空间谱域的分布面积，由四个三角形面积S₁、S₂、S₃、S₄表示；S_rect表示回波在空间谱域中最小分布面积，为矩形的面积，由[max(k′_x)-min(k′_x)]*[max(k′_y)-min(k′_y)]计算得到。

基于旋转角和回波成像处理效率之间的关系，建立目标函数

通过求解该目标函数，得到最高效旋转角，即目标旋转角，根据目标旋转角建立目标旋转坐标系，得到目标旋转坐标系下的空间谱域投影，采用快速傅里叶反变换进行成像处理，得到成像结果。

根据表1的参数，得到处理效率与投影角度的关系函数如图5所示，以此可以求解出最高效投影角度，可以发现最高效投影角度在-0.72°，处理效率相较于传统方法从89.74％提升到99.94％。

利用本发明方法得到的最高效投影角度进行成像处理可以得到成像结果如图7所示，由图6和图7中可以看出成像结果分辨率未发生明显改变，而效率得到了明显提高。

综上，本发明提出的一种双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法，利用空间谱投影方法可以提升双基合成孔径雷达空间谱处理效率，同时也保持了其成像性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法，所述双基合成孔径雷达包括至少一个发射天线和接收天线，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、所述接收天线接收所述发射天线传播的回波信号，在空间谱域建立坐标系，将所述回波信号投影至空间谱域；

S2、基于不同旋转角的旋转坐标系，将所述回波信号投影至所述空间谱域，得到不同旋转角的旋转坐标系下的回波成像处理效率；

S3、根据所述回波成像处理效率和旋转角的关系，建立目标函数，计算得到目标旋转角，根据所述目标旋转角建立目标旋转坐标系，将所述回波信号在所述目标旋转坐标系下的空间谱域投影，采用快速傅里叶反变换进行成像处理。

2.如权利要求1所述的双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

在三维坐标系中，所述发射天线和接收天线处于高度为H的平面，以速度v沿x轴方向运动；目标场景中一点P的坐标为(x_p,y_p)，目标点P与发射天线之间的距离为R_T(T)，与接收天线之间的距离为R_R(T)；目标点P与发射天线之间方位角和俯仰角为θ_T和与接收天线之间的方位角和俯仰角为θ_R和

所述发射天线发射的宽带线性调频信号为

其中，A(t)表示发射天线的幅度调制，T_r表示发射信号时宽，f_c表示发射信号载频，K_r表示调频率；

发射信号传播至点P，经过目标点的散射后，接收天线接收到的回波信号为

其中，τ＝[R_T(T)+R_R(T)]/c表示传输时延，c表示光速；

通过解调制和距离向匹配滤波处理，将所述回波信号转化为距离频率域

其中，B_r表示调频带宽，f_r表示距离向频率变量，R_p(T)表示目标点P的距离历史和；

在所述目标场景Ω中选取参考点O(x₀,y₀)∈Ω，校正回波相位并将回波转化为

其中，x_p和y_p表示p的x-y坐标，和分别表示发射天线和接收天线的俯仰角，θ_T(T)和θ_R(T)分别表示发射天线和接收天线的方位角；

在空间谱域建立坐标系

基于该坐标系，将回波投影至空间谱域转化为

其中，σ(x_p,y_p)表示目标点散射系数。

3.如权利要求2所述的双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

基于不同的坐标系，回波投影至空间谱域得到不同的模型

其中，k′_x和k_y′表示旋转坐标系，表示旋转角，得到旋转回波数据为

其中，基于旋转坐标系，P点坐标(x_p,y_p)转化为(x′_p,y′_p)

回波成像处理效率为η。

4.如权利要求3所述的双基合成孔径雷达波数域高效成像处理方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

回波成像处理效率为回波投影至空间谱域的面积与最小外部矩阵的比值，表示为

其中，S_real表示回波在空间谱域的分布面积，由四个三角形面积S₁、S₂、S₃、S₄表示；S_rect表示回波在空间谱域中最小分布面积，为矩形的面积，由[max(k′_x)-min(k′_x)]*[max(k′_y)-min(k′_y)]计算得到；

基于旋转角和回波成像处理效率之间的关系，建立目标函数

求解得到最高效旋转角，即目标旋转角，根据所述目标旋转角建立目标旋转坐标系，得到所述目标旋转坐标系下的空间谱域投影，采用快速傅里叶反变换进行成像处理，得到成像结果。