CN110376564B - Geo和leo双基构型合成雷达地面运动成像方法 - Google Patents

Geo和leo双基构型合成雷达地面运动成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种GEO和LEO双基构型合成雷达地面运动成像方法，通过依次构造参考信号向量、距离走动校正矩阵、Chirp傅里叶变换矩阵、并对其进行一系列的计算，得到目标成像结果图。本发明克服了已有SAR成像技术无法对地球同步轨道和低轨道卫星双基构型合成雷达地面非合作运动目标进行成像将出现散焦现象，可以对地球同步轨道星和低轨道卫星双基构型合成雷达非合作目标走动进行自适应校正，以达到对非合作目标进行良好聚焦的效果。

Description

GEO和LEO双基构型合成雷达地面运动成像方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及一种地球同步轨道卫星(GEO)和低轨道卫星(LEO)双基构型合成雷达(Bi-SAR)地面运动目标成像算法，适用于地球同步轨道卫星和低轨道卫星双基合成孔径雷达对地面运动目标进行成像处理。
背景技术
双基地合成孔径雷达(Bistatic Synthetic Aperture Radar,Bi-SAR)因其收发天线分置，接收雷达不易被侦察发现，具有较好的隐身和抗干扰性能；并且通过合理配置收发天线几何构型，系统在自然目标和人造目标观测方面具有极大的自由度，有利于SAR图像解译，具有非常重要的军事和民事应用价值。地球同步轨道(GEO)发射-近地轨道(LEO)接收体制下的Bi-SAR系统更是因其战场生存能力强以及便捷、频繁、大范围对地观测能力得到了国内外的关注与研究。在地球同步轨道(GEO)发射-近地轨道(LEO)接收体制下研究地面运动目标探测技术也具有非常重要的军事和民事应用价值。
对于地面运动目标探测，面临的关键问题是地面运动成像聚焦问题。由于地球同步轨道和低轨道卫星双基构型合成雷达地面运动目标存在非合作特性，直接利用已有SAR成像技术，将无法对地面运动目标进行有效成像聚焦。
发明内容
要解决的技术问题
针对已有SAR成像技术无法对地球同步轨道和低轨道卫星双基构型合成雷达地面非合作运动目标进行聚焦成像，本发明的目的在于提出一种地球同步轨道星和低轨道卫星双基构型合成雷达地面运动成像算法，该方法可以有效对非合作运动目标进行成像聚焦。
技术方案
一种地球同步轨道卫星和低轨道卫星双基构型合成雷达地面运动成像方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：获取的杂波抑制之后雷达系统回波信号是二维矩阵S(i,j)，S(i,j)为nrn×nan维矩阵，对矩阵S(i,j)列进行FFT处理，将结果分别保存在矩阵S(i,j)中；
步骤2：根据已知的雷达参数，构造参考信号向量
Figure BDA0002148201770000021
S_ref(i,1)为nrn×1向量；其中，γ表示调频率，γ＝B/Tp，B表示发射信号带宽，Tp表示发射脉冲宽度，fm表示为距离向频域坐标，
Figure BDA0002148201770000022
Δf为距离频域间隔，
Figure BDA0002148201770000023
Figure BDA0002148201770000029
nrn表示距离向点数；
步骤3：取出步骤1得到的S(i,j)的每一列，均点乘参考信号向量S_ref(i,1)的共轭，得到距离脉压后的数据矩阵S(fm,xn)；其中，xn表示方位向时域坐标，
Figure BDA0002148201770000024
L表示为合成孔径长度，n＝0,1,...,nan-1，nan表示方位向点数；
步骤4：根据已知的雷达参数，构造距离走动校正矩阵
Figure BDA0002148201770000025
S_LRCMC(i,j)为nrn×nan矩阵；其中，fc表示雷达发射信号的载频，c为电磁波的传播速度，tm为方位慢时间，
Figure BDA0002148201770000026
为多普勒中心；
步骤5：取出步骤3得到的S(fm,xn)点乘参考信号向量S_LRCMC(i,j)的共轭，得到走动校正之后的数据矩阵S′(fm,xn)；
步骤6：根据已知的雷达参数，构造Chirp傅里叶变换矩阵
Figure BDA0002148201770000027
ST_chirp(i,j)为nrn×nan矩阵；其中
Figure BDA0002148201770000028
Vr为低轨道卫星速度，θr为低轨道卫星的斜视角，VT为地球同步轨道卫星速度，θT为低轨道卫星的斜视角，vT,a为地面运动目标相对发射天线的径向速度，RT为地面运动目标相对发射天线的场景中心斜距，va,r为地面运动目标相对接收天线的径向速度，Rr为地面运动目标相对接收天线的场景中心斜距；
步骤7：取出步骤5得到的S′(fm,xn)点乘参考信号向量ST_chirp(i,j)的共轭，得到Chirp傅里叶变换之后的数据矩阵S″(fm,xn)；
步骤8：取出步骤7得到的S″(fm,xn)，沿方位慢时间进行插值处理，处理之后得到Sout(fm,x′n)，同时对矩阵Sout(fm,x′n)行进行FFT处理，将结果分别保存在矩阵Simage(fm,x′n)中，即为获得的聚焦地面运动目标成像结果图。
有益效果
本发明提出的一种地球同步轨道卫星和低轨道卫星双基构型合成雷达地面运动成像方法，克服了已有SAR成像技术无法对地球同步轨道和低轨道卫星双基构型合成雷达地面非合作运动目标进行成像将出现散焦现象，可以对地球同步轨道星和低轨道卫星双基构型合成雷达非合作目标走动进行自适应校正，以达到对非合作目标进行良好聚焦的效果。
附图说明
图1是本发明的仿真数据处理结果图：(a)距离走动校正之后的地面运动目标2维频谱信号；(b)距离压缩之后的地面运动目标信号；(c)经常chirp傅里叶变换之后的运动目标回波信号；(d)经过keystone变换聚焦的运动目标成像结果；(e)进行插值之后的运动目标成像结果。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种地球同步轨道星和低轨道卫星双基构型合成雷达地面运动成像算法，具体包括以下步骤：
步骤1，获取的杂波抑制之后雷达系统回波信号是二维矩阵S(i,j)，S(i,j)为nrn×nan维矩阵，对矩阵S(i,j)列进行FFT处理，将结果分别保存在矩阵S(i,j)中；
步骤2，根据已知的雷达参数，构造参考信号向量S_ref(i,1)，S_ref(i,1)为nrn×1向量；
其中，nrn表示距离向点数；
步骤3，取出步骤1得到的S(i,j)的每一列，均点乘参考信号向量S_ref(i,1)的共轭，得到距离脉压后的数据矩阵S(fn,xm)；
其中，fm表示为距离向频域坐标，
Figure BDA0002148201770000041
B为发射信号带宽，Δf为距离频域间隔，
Figure BDA0002148201770000042
nrn表示距离向点数，xm表示方位向时域坐标，
Figure BDA0002148201770000043
L表示为合成孔径长度，m＝0,1,...,nan-1，nan表示方位向点数；
步骤4，根据已知的雷达参数，构造距离走动校正矩阵S_LRCMC(i,j)，S_LRCMC(i,j)为nrn×nan矩阵；
其中，nrn表示距离向点数，nan表示方位向点数；
步骤5，取出步骤3得到的S(fn,xm)点乘参考信号向量S_LRCMC(i,j)的共轭，得到走动校正之后的数据矩阵S′(fn,xm)；
步骤6，根据已知的雷达参数，构造Chirp傅里叶变换矩阵ST_chirp(i,j)，ST_chirp(i,j)为nrn×nan矩阵；
步骤7，取出步骤5得到的S′(fn,xm)点乘参考信号向量ST_chirp(i,j)的共轭，得到Chirp傅里叶变换之后的数据矩阵S″(fn,xm)；
步骤8，取出步骤7得到的S″(fn,xm)，沿方位慢时间进行插值处理，处理之后得到Sout(fn,x′m)，同时对矩阵Sout(fn,x′m)行进行FFT处理，将结果分别保存在矩阵Simage(fn,x′m)中，即为获得的聚焦地面运动目标成像结果图；
上述技术方案的特点和进一步改进在于：
步骤2具体操作如下：
根据已知的雷达参数，参考信号向量
Figure BDA0002148201770000051
其中，γ表示调频率，γ＝B/Tp，B表示发射信号带宽，Tp表示发射脉冲宽度，fn表示为距离向频域坐标，
Figure BDA0002148201770000052
B为发射信号带宽，Δf为距离频域间隔，
Figure BDA0002148201770000053
nrn表示距离向点数。
步骤4具体操作如下：
根据已知的雷达参数，构造距离走动校正矩阵为
Figure BDA0002148201770000054
其中，fc表示雷达发射信号的载频，c为电磁波的传播速度，
Figure BDA0002148201770000055
B为发射信号带宽，Δf为距离频域间隔，
Figure BDA0002148201770000056
nrn表示距离向点数，tm为方位慢时间，
Figure BDA0002148201770000057
为多普勒中心。
步骤6具体操作如下：
根据已知的雷达参数，构造Chirp傅里叶变换矩阵ST_chirp(i,j)为
Figure BDA0002148201770000058
其中
Figure BDA0002148201770000059
fc表示雷达发射信号的载频，c为电磁波的传播速度，Vr为低轨道卫星速度，θr为低轨道卫星的斜视角，VT为地球同步轨道卫星速度，θT为低轨道卫星的斜视角，vT,a为地面运动目标相对发射天线的径向速度，RT为地面运动目标相对发射天线的场景中心斜距，va,r为地面运动目标相对接收天线的径向速度，Rr为地面运动目标相对接收天线的场景中心斜距，
Figure BDA00021482017700000510
B为发射信号带宽，Δf为距离频域间隔，
Figure BDA0002148201770000061
nrn表示距离向点数，tm为方位慢时间。
至此，一种地球同步轨道卫星和低轨道卫星双基构型合成雷达地面运动目标成像算法基本完成。
以下通过仿真实验数据来进一步验证本发明的有效性。
(一)仿真实验
1.仿真参数
为了验证本发明方法的有效性，此处给出了表1中的仿真参数。
表1仿真数据参数
载频 9.7GHz 通道数 2
同步轨道卫星速度 855m/s 低轨道卫星速度 2164km
同步轨道卫星高度 4915.4km 低轨道卫星高度 117.97km
同步轨道卫星斜距 36122km 低轨道卫星斜距 2164km
同步轨道卫星斜视角 0.2° 同步轨道卫星斜视角 0.1°
脉冲重复频率 2400Hz 发射信号带宽 250MHz
2.仿真内容
图1示意了利用本发明提出的地球同步轨道卫星和低轨道卫星双基构型合成雷达地面运动目标数据处理结果。从图中可以看出本发明方法的地面运动目标成像聚焦效果，采用本发明方法的可以有效解决双基构型情况下地面运动目标成像问题。
综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

Claims (1)

1.一种地球同步轨道卫星和低轨道卫星双基构型合成雷达地面运动成像方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：获取的杂波抑制之后雷达系统回波信号是二维矩阵S(i,j)，S(i,j)为nrn×nan维矩阵，对矩阵S(i,j)列进行FFT处理，将结果分别保存在矩阵S(i,j)中；
步骤2：根据已知的雷达参数，构造参考信号向量
Figure FDA0003719721340000011
S_ref(i,1)为nrn×1向量；其中，γ表示调频率，γ＝B/Tp，B表示发射信号带宽，Tp表示发射脉冲宽度，fm表示为距离向频域坐标，
Figure FDA0003719721340000012
Δf为距离频域间隔，
Figure FDA0003719721340000013
m＝0,1,...,nrn-1，nrn表示距离向点数；nrn大于1；
步骤3：取出步骤1得到的S(i,j)的每一列，均点乘参考信号向量S_ref(i,1)的共轭，得到距离脉压后的数据矩阵S(fm,xn)；其中，xn表示方位向时域坐标，
Figure FDA0003719721340000014
L表示为合成孔径长度，n＝0,1,...,nan-1，nan表示方位向点数；nan大于1；
步骤4：根据已知的雷达参数，构造距离走动校正矩阵
Figure FDA0003719721340000015
S_LRCMC(i,j)为nrn×nan矩阵；其中，fc表示雷达发射信号的载频，c为电磁波的传播速度，tm为方位慢时间，
Figure FDA0003719721340000016
为多普勒中心；
步骤5：取出步骤3得到的S(fm,xn)点乘参考信号向量S_LRCMC(i,j)的共轭，得到走动校正之后的数据矩阵S′(fm,xn)；
步骤6：根据已知的雷达参数，构造Chirp傅里叶变换矩阵
Figure FDA0003719721340000017
ST_chirp(i,j)为nrn×nan矩阵；其中
Figure FDA0003719721340000018
Vr为低轨道卫星速度，θr为低轨道卫星的斜视角，VT为地球同步轨道卫星速度，θT为地球同步轨道卫星的斜视角，vT,a为地面运动目标相对发射天线的径向速度，RT为地面运动目标相对发射天线的场景中心斜距，va,r为地面运动目标相对接收天线的径向速度，Rr为地面运动目标相对接收天线的场景中心斜距；
步骤7：取出步骤5得到的S′(fm,xn)点乘参考信号向量ST_chirp(i,j)的共轭，得到Chirp傅里叶变换之后的数据矩阵S″(fm,xn)；
步骤8：取出步骤7得到的S″(fm,xn)，沿方位慢时间进行插值处理，处理之后得到Sout(fm,x′n)，同时对矩阵Sout(fm,x′n)行进行FFT处理，将结果分别保存在矩阵Simage(fm,x′n)中，即为获得的聚焦地面运动目标成像结果图。
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