CN111965644A - 一种行波天线合成孔径雷达成像方法 - Google Patents

一种行波天线合成孔径雷达成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种行波天线合成孔径雷达成像方法，包括：对雷达回波进行方位向插值；对插值后的雷达回波进行空变多普勒搬移，将信号频带内的每个频率的不同多普勒谱都搬移到基带；对搬移后的多普勒谱进行低通滤波，得到无模糊的基带多普勒谱；对无模糊的基带多普勒谱进行空变多普勒反搬移，得到具有无模糊原始多普勒谱的信号；对具有无模糊原始多普勒谱的信号进行合成孔径雷达成像处理，得到高分辨雷达图像。本发明的方法不需要增加雷达系统的脉冲重复频率(PRF)，即可解决行波天线波束色散引起的合成孔径雷达多普勒模糊问题，从而避免了增加PRF给雷达系统带来的时序、功耗和数据率压力。

Description

一种行波天线合成孔径雷达成像方法
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达信号处理领域，具体涉及一种行波天线合成孔径雷达成像方法。
背景技术
行波天线是一类简单而常见的天线形式，属于频率扫描天线，其主波束方向随着天线工作频率的变化而变化，即波束具有色散特性。与驻波天线相比，行波天线具有较宽的阻抗带宽和较好的定向辐射特性，同时成本较低，其应用领域十分广泛。当行波天线应用于合成孔径雷达，尤其是高分辨率的宽带合成孔径雷达时，需要考虑波束色散的影响。高分辨率合成孔径雷达通常采用宽带信号以获得距离向高分辨率，此时波束色散问题不能忽略。当波束色散发生在方位向，会造成雷达回波的多普勒谱展宽，从而导致雷达成像出现多普勒模糊，这限制了行波天线在合成孔径雷达中的应用。
发明内容
本发明的目的在于，克服波束色散带来的多普勒模糊问题，提出一种适用于行波天线合成孔径雷达的成像方法，实现高分辨成像。
为了实现上述目的，本发明提供了一种行波天线合成孔径雷达成像方法，所述方法包括：
对雷达回波进行方位向插值；
对插值后的雷达回波进行空变多普勒搬移，将信号频带内的每个频率的不同多普勒谱都搬移到基带；
对搬移后的多普勒谱进行低通滤波，得到无模糊的基带多普勒谱；
对无模糊的基带多普勒谱进行空变多普勒反搬移，得到具有无模糊原始多普勒谱的信号；
对具有无模糊原始多普勒谱的信号进行合成孔径雷达成像处理，得到高分辨雷达图像。
作为上述方法的一种改进，所述对雷达回波进行方位向插值，具体包括：
原始雷达回波为s0(t,ta)，其中t为快时间，ta为慢时间；
对s0(t,ta)按照插值倍数m进行方位向插值，插值后的雷达回波记为s1(t,t′a)，t′a为插值后的慢时间序列：
s1(t,t′a)＝interp{s0(t,ta)}
其中，interp为插值函数；插值倍数m满足下式：
Figure BDA0002585173550000021
其中，θ0为信号最高频率的波束指向角，β为波束宽度，λ为波长，V为雷达行进速度，PRF为脉冲重复频率。
作为上述方法的一种改进，所述对插值后的雷达回波进行空变多普勒搬移，将信号频带内的每个频率的不同多普勒谱都搬移到基带；具体包括：
对插值后的雷达回波信号s1(t,t′a)做距离向傅立叶变换转换到信号频域，得到频域信号s2(f,t′a)：
s2(f,t′a)＝FFTr{s1(t,t′a)}
其中，FFTr为距离向傅里叶变换；
计算每个频率f的多普勒中心fdc(f)：
Figure BDA0002585173550000022
其中，θ(f)为波束指向角，随信号频率变化而变化，c为光速；
根据计算的多普勒中心，对频域信号s2(f,t′a)乘以相应的相位，将信号频带内的每个频率的多普勒谱都搬移到基带，得到搬移后的信号s3(f,t′a)：
s3(f,t′a)＝s2(f,t′a)·exp(-j2π·fdc(f)·t′a)
对搬移后的信号s3(f,t′a)做方位向傅里叶变换，得到二维频域信号s4(f,fd)：
s4(f,fd)＝FFTa{s3(f,t′a)}
其中，FFTa为方位向傅里叶变换，fd为多普勒频率。
作为上述方法的一种改进，所述对搬移后的多普勒谱进行低通滤波，得到无模糊的基带多普勒谱；具体包括：
计算无波束色散时的多普勒谱宽：
Figure BDA0002585173550000023
根据多普勒谱宽度对搬移后的多普勒谱进行低通滤波，得到无模糊的基带多普勒谱信号s5(f,fd)：
s5(f,fd)＝s4(f,fd)·A(fd)
其中A(fd)为滤波函数：
Figure BDA0002585173550000031
作为上述方法的一种改进，所述对无模糊的基带多普勒谱进行空变多普勒反搬移，得到具有无模糊原始多普勒谱的信号；具体包括：
对s5(f,fd)做方位向逆傅里叶变换，得到频域信号s6(f,t′a)：
s6(f,t′a)＝IFFTa{s5(f,fd)}
其中，IFFTa为方位向逆傅里叶变换；将多普勒搬移时所乘的相位取共轭后再与s6(f,t′a)相乘，使得信号频带内的每个频率的多普勒谱由基带搬移回原始位置，得到信号s7(f,t′a)：
s7(f,t′a)＝s6(f,t′a)·exp(j2π·fdc(f)·t′a)
对s7(f,t′a)做距离向逆傅里叶变换，得到时域信号s8(t,t′a)：
s8(t,t′a)＝IFFTr{s7(f,t′a)}
其中，IFFTr为距离向逆傅里叶变换。
本发明的优点在于：
本发明的方法不需要增加雷达系统的脉冲重复频率(PRF)，即可解决行波天线波束色散引起的合成孔径雷达多普勒模糊问题，从而避免了增加PRF给雷达系统带来的时序、功耗和数据率压力。
附图说明
图1为点目标回波的时域信号图；
图2为点目标回波的二维频域图；
图3为本发明的行波天线合成孔径雷达成像方法流程图；
图4为本发明的方位向插值后得到的信号二维频域图；
图5为本发明的多普勒搬移后的信号二维频域图；
图6为本发明的滤波后的信号二维频域图；
图7为本发明的多普勒反搬移后的信号二维频域图；
图8为本发明的方法最终得到的点目标高分辨成像图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
合成孔径雷达最常用的发射信号形式是线性调频脉冲。行波天线的波束色散现象意味着在每个线性调频脉冲内，波束指向都会随时间发生规律的变化。以正侧视合成孔径雷达为例，当方位向存在波束色散，除了信号中心频率能够保持正侧视的方式，其他频率下会出现不同的斜视。以高频率时出现正斜视角、低频率时出现负斜视角为例，图1显示了一个点目标回波的时域信号图，可以看到，雷达回波矩阵的“形状”首先就发生了改变，它的轮廓不再是矩形而是类似平行四边形。图2显示了点目标回波的二维频域图，横坐标为信号频率，纵坐标为多普勒频率。从图中可以看到，不同信号频率对应的多普勒谱不同，除了中心频率处，其他信号频率下的多普勒谱都偏离了基带，色散程度越大偏离越大，很容易造成多普勒频率高于PRF，产生多普勒模糊。但是，从图2可以看出，虽然多普勒谱发生了折叠，但并没有发生混叠，真正的信息并没有模糊，可以用信号处理的手段进行恢复。
如图3所示，本发明提出了一种行波天线合成孔径雷达成像方法，该方法包括：
步骤1)对雷达回波进行方位向插值；
记原始雷达回波为s0(t,ta)，其中t为快时间，ta为慢时间。首先对s0(t,ta)进行方位向插值，插值后的雷达回波记为s1(t,t′a)，t′a为插值后的慢时间序列。
s1(t,t′a)＝interp{s0(t,ta)}
插值倍数m只要满足下式即可：
Figure BDA0002585173550000041
其中θ0为信号最高频率的波束指向角，β为波束宽度，λ为波长，V为雷达行进速度。插值后的信号二维频域图如图4所示，已经得到完整的多普勒谱但还存在冗余模糊需要去除。
步骤2)对插值后的雷达回波进行空变多普勒搬移，将信号频带内的每个频率的不同多普勒谱都搬移到基带；
对s1(t,t′a)做距离向FFT，得到频域信号s2(f,t′a)：
s2(f,t′a)＝FFTr{s1(t,t′a)}
计算每个频率f的多普勒中心：
Figure BDA0002585173550000051
其中θ(f)为波束指向角，随信号频率变化而变化，每个信号频率的多普勒中心也随之变化。对s2(f,t′a)乘以相应的相位，对每个信号频率实现不同的多普勒搬移：
s3(f,t′a)＝s2(f,t′a)·exp(-j2π·fdc(f)·t′a)
对s3(f,t′a)做方位向FFT，得到二维频域信号s4(f,fd)：
s4(f,fd)＝FFTa{s3(f,t′a)}
其中，fd为多普勒频率。
如图5所示，此时，信号频带内每个频率的多普勒谱都已经搬移到基带。
步骤3)对搬移后的多普勒谱进行低通滤波，得到无模糊的基带多普勒谱；
计算无波束色散时的多普勒谱宽度为：
Figure BDA0002585173550000052
根据多普勒谱宽度对搬移后的多普勒谱进行低通滤波：
s5(f,fd)＝s4(f,fd)·A(fd)
Figure BDA0002585173550000053
此时得到无模糊的基带多普勒谱信号，如图6所示。
步骤4)对无模糊的基带多普勒谱进行空变多普勒反搬移，得到具有无模糊原始多普勒谱的信号；
对s5(f,fd)做方位向IFFT回到信号频域：
s6(f,t′a)＝IFFTa{s5(f,fd)}
将多普勒搬移时所乘的相位取共轭后再与s6(f,t′a)相乘，使得信号频带内的每个频率的多普勒谱由基带搬移回原始位置：
s7(f,t′a)＝s6(f,t′a)·exp(j2π·fdc(f)·t′a)
图7显示了此时信号的二维频域图像，可以看出，此时已得到无模糊的原始多普勒谱。对s7(f,t′a)做距离向IFFT回到时域：
s8(t,t′a)＝IFFTr{s7(f,t′a)}
步骤5)对s8(t,t′a)做常规的合成孔径雷达成像处理即可得到无模糊的高分辨雷达图像，如图8所示。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种行波天线合成孔径雷达成像方法，所述方法包括：
对雷达回波进行方位向插值；
对插值后的雷达回波进行空变多普勒搬移，将信号频带内的每个频率的不同多普勒谱都搬移到基带；
对搬移后的多普勒谱进行低通滤波，得到无模糊的基带多普勒谱；
对无模糊的基带多普勒谱进行空变多普勒反搬移，得到具有无模糊原始多普勒谱的信号；
对具有无模糊原始多普勒谱的信号进行合成孔径雷达成像处理，得到高分辨雷达图像。
2.根据权利要求1所述的行波天线合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述对雷达回波进行方位向插值，具体包括：
原始雷达回波为s0(t,ta)，其中t为快时间，ta为慢时间；
对s0(t,ta)按照插值倍数m进行方位向插值，插值后的雷达回波记为s1(t,t′a)，t′a为插值后的慢时间序列：
s1(t,t′a)＝interp{s0(t,ta)}
其中，interp为插值函数；插值倍数m满足下式：
Figure FDA0002585173540000011
其中，θ0为信号最高频率的波束指向角，β为波束宽度，λ为波长，V为雷达行进速度，PRF为脉冲重复频率。
3.根据权利要求2所述的行波天线合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述对插值后的雷达回波进行空变多普勒搬移，将信号频带内的每个频率的不同多普勒谱都搬移到基带；具体包括：
对插值后的雷达回波信号s1(t,t′a)做距离向傅立叶变换转换到信号频域，得到频域信号s2(f,t′a)：
s2(f,t′a)＝FFTr{s1(t,t′a)}
其中，FFTr为距离向傅里叶变换；
计算每个频率f的多普勒中心fdc(f)：
Figure FDA0002585173540000021
其中，θ(f)为波束指向角，随信号频率变化而变化，c为光速；
根据计算的多普勒中心，对频域信号s2(f,t′a)乘以相应的相位，将信号频带内的每个频率的多普勒谱都搬移到基带，得到搬移后的信号s3(f,t′a)：
s3(f,t′a)＝s2(f,t′a)·exp(-j2π·fdc(f)·t′a)
对搬移后的信号s3(f,t′a)做方位向傅里叶变换，得到二维频域信号s4(f,fd)：
s4(f,fd)＝FFTa{s3(f,t′a)}
其中，FFTa为方位向傅里叶变换，fd为多普勒频率。
4.根据权利要求3所述的行波天线合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述对搬移后的多普勒谱进行低通滤波，得到无模糊的基带多普勒谱；具体包括：
计算无波束色散时的多普勒谱宽：
Figure FDA0002585173540000022
根据多普勒谱宽度对搬移后的多普勒谱进行低通滤波，得到无模糊的基带多普勒谱信号s5(f,fd)：
s5(f,fd)＝s4(f,fd)·A(fd)
其中A(fd)为滤波函数：
Figure FDA0002585173540000023
5.根据权利要求4所述的行波天线合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述对无模糊的基带多普勒谱进行空变多普勒反搬移，得到具有无模糊原始多普勒谱的信号；具体包括：
对s5(f,fd)做方位向逆傅里叶变换，得到频域信号s6(f,t′a)：
s6(f,t′a)＝IFFTa{s5(f,fd)}
其中，IFFTa为方位向逆傅里叶变换；将多普勒搬移时所乘的相位取共轭后再与s6(f,t′a)相乘，使得信号频带内的每个频率的多普勒谱由基带搬移回原始位置，得到信号s7(f,t′a)：
s7(f,t′a)＝s6(f,t′a)·exp(j2π·fdc(f)·t′a)
对s7(f,t′a)做距离向逆傅里叶变换，得到时域信号s8(t,t′a)：
s8(t,t′a)＝IFFTr{s7(f,t′a)}
其中，IFFTr为距离向逆傅里叶变换。
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