CN112034460A - 基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达 - Google Patents

基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达 Download PDF

Info

Publication number
CN112034460A
CN112034460A CN202010823804.7A CN202010823804A CN112034460A CN 112034460 A CN112034460 A CN 112034460A CN 202010823804 A CN202010823804 A CN 202010823804A CN 112034460 A CN112034460 A CN 112034460A
Authority
CN
China
Prior art keywords
radar
arc
imaging
compensation
antenna
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010823804.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112034460B (zh
Inventor
宋千
王鹏宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hunan Jianwei Intelligent Technology Co ltd
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN202010823804.7A priority Critical patent/CN112034460B/zh
Priority claimed from CN202010823804.7A external-priority patent/CN112034460B/zh
Publication of CN112034460A publication Critical patent/CN112034460A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112034460B publication Critical patent/CN112034460B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/904—SAR modes
    • G01S13/9056—Scan SAR mode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明涉及基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达。一种基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，包括步骤：S1、获得雷达天线相位特性矩阵；S2、将圆弧孔径雷达固定在预定位置，对雷达探测区域进行成像网络剖分；S3、计算每个所述成像像素点的距离延迟、方位角与俯仰角；S4、计算得到每个像素点的相位补偿因子；S5、同时对各个所述成像像素点进行空变补偿，进而根据所述相位补偿矩阵得到当前所述圆弧合成孔径的子图像；S6、将各个所述圆弧合成孔径得到的所述子图像进行相干叠加得到最终成像。本发明是通过对形成的各个成像像素点进行相位不一致性的补偿，使Arc‑SAR的检测突破了天线3dB波束角的限制，增大了Arc‑SAR成像积累角。

Description

基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达
技术领域
本发明涉及雷达成像领域，尤其涉及基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种全天时、全天候、高分辨率的成像雷达，被广泛应用在遥感领域。由于SAR图像具有相位信息，因此可以通过对SAR图像序列的干涉处理，实现对成像区域形变信息的非接触式的高精度提取。鉴于SAR系统的上述优势，它成为了地面形变监测的重要手段之一。但是传统的SAR系统多搭载在卫星和飞机等平台上，这使得雷达的重访时间很长，不能对特定目标持续监测。地基SAR(Ground BasedSAR,GBSAR)是一种小型化、低成本的SAR系统，可实现对特定区域的持续观测。它的重访周期短，监测精度高，结合干涉和差分干涉技术，可以对一个特定场景长时间连续形变监测，被广泛应用于塌陷、滑坡等灾害预警。然而，通常GBSAR都安装在直线轨道上，由于轨道长度有限，GBSAR在方位向的观测范围受到了限制。另一种在上世纪90年代初提出的旋转式合成孔径雷达(Rotor SAR,ROSAR)，通过将雷达置于旋转机械臂上，从而获得了更广的观测范围。ROSAR通常安装在直升机旋翼上，并使用脉冲形式的信号，这使得ROSAR的系统十分复杂。基于ROSAR的运动形式，一种使用调频连续波(Frequency Modulated ContinuousWave,FMCW)体制的改进的旋转式SAR在2012年被提出，并命名为圆弧SAR(Arc-SAR)。
Arc-SAR通过附在旋臂末端的天线旋转生成合成孔径，在保证系统分辨率的前提下，能够在一次观测中覆盖周边360°大范围场景。尽管近年来Arc-SAR的可行性及独特优势已经被验证，但它的成像算法研究仍存在难点：Arc-SAR的天线运动轨迹为弧线，这种特殊的运动轨迹给成像算法增加了难度。目前处理弧线运动轨迹的算法是针对圆迹SAR的，但圆迹SAR与Arc-SAR几何模型不同(圆迹SAR是围绕探测区域做弧线运动从而获取该区域的SAR图像。Arc-SAR是通过旋转天线对平台周围区域进行成像)，因此针对圆迹SAR的成像算法不适用于Arc-SAR。使用时域成像算法虽然能够得到Arc-SAR的高精度成像结果，但时域成像算法计算效率较低。2019年3月，北方工业大学林赟等人(旋转扫描地基SAR大视场快速成像算法，信号处理，第35卷，第3期)提出了一种适用于Arc-SAR的二维频率算法，成像精度与时域算法相当。
对于SAR系统而言，方位积累角越大，方位多普勒带宽越大，方位分辨率就越高。2014年Luo Y等人(Arc FMCW SAR and applications in ground monitoring[J].IEEETransactions on Geoscience and Remote Sensing,2014,52(9):5989–5998)推导出了Arc-SAR方位向的角分辨率和空间分辨率，对于固定目标点而言，系统的积累角越大，上述分辨率越高。但在实际工程应用中，SAR二维成像算法的研究与实现，大多以成像积累角不大于天线3dB波束宽度为限制条件，以避免天线相位方向图不一致性造成方位分辨率的下降，进而影响成像质量。由于天线相位方向图具有空变性，即波束照射范围内的空间任一点的附加天线相位均不同，是关于目标方位角α和俯仰角β的空变函数，使得雷达天线波束照射范围内的各目标点雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)均附加了一个空变的非相干相位误差，在Arc-SAR系统方位累积过程中影响目标回波在方位向的相干累积，造成方位分辨率的降低。
申请号为CN201610846537.9的专利文献公开了一种适用于圆周合成孔径雷达快速时域成像方法，整个流程包括三个处理步骤：第一步，子孔径划分与初始子图像生成；第二步，循环递归子孔径合并和子图像生成；第三步，全孔径合并和最终图像生成。但还是没有有效解决上述问题。
因而现有的圆弧合成孔径雷达成像领域存在不足，还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达，能够解决大积累角条件下圆弧合成孔径雷达方位分辨率受天线方向图不一致性影响而下降的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，包括步骤：
S1、对圆弧孔径雷达的天线方向图进行精准测量，获得雷达天线相位特性矩阵；
S2、将圆弧孔径雷达固定在预定位置，对雷达探测区域进行成像网络剖分，形成若干成像像素点；并将所述圆弧合成孔径雷达的摆臂旋转形成的圆弧划定多个圆弧合成孔径，同时对每个所述圆弧孔径位置的采样回波进行脉冲压缩，得到一维距离像；
S3、获取所述圆弧合成孔径雷达在单一所述圆弧合成孔径上波束照射范围内的所有所述成像像素点，计算每个所述成像像素点与所述圆弧合成孔径之间的距离延迟、方位角与俯仰角；
S4、根据步骤S3中每个所述成像像素点的所述方位角和所述俯仰角结合所述雷达天线相位特性矩阵计算得到每个像素点的相位补偿因子；多个所述相位补偿因子形成相位补偿矩阵；
S5、根据步骤S3中所述成像像素点的所述距离延迟和所述步骤S2得到的所述圆弧合成孔径的一维距离像，将所述一维距离像中的复数值投影至相应的所述成像像素点，同时对各个所述成像像素点进行空变补偿，进而与步骤S4得到的所述相位补偿矩阵复共轭相乘得到当前所述圆弧合成孔径的子图像；
S6、将步骤S2中确定的所有所述圆弧合成孔径均执行步骤S3-S5，将各个所述圆弧合成孔径得到的所述子图像进行相干叠加得到最终成像。
优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤S5具体包括：
S51、根据所述距离延迟将所述一维距离像中的复数值投影至相应的所述成像像素点，同时对所述成像像素点进行多普勒相位和剩余视频相位的空变补偿，得到所述成像像素点的补偿图像；
S52、将得到所述补偿图像与所述相位补偿矩阵进行复共轭相乘，得到所述圆弧合成孔径的所述子图像。
优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，步骤S2中，所述一维距离像的获取步骤包括：
S21、所述圆弧合成孔径雷达对采样回波根据雷达发射信号进行混频后，得到差频信号；
S22、对所述差频信号进行去斜处理，得到时域信号；
S23、对所述时域信号进行傅立叶变换得到采样回波频谱；
S24、根据频率与目标距离的对应关系，得到采样回波的一维距离像。
优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤S21中，所述差频信号的求解过程为：
所述雷达发射信号sT(t)的表达式为：
Figure BDA0002635409170000031
其中，fc为载频；Tp为信号脉宽；t为快时间；θ(α,β)为天线相位因子；Kr为调频率；α为雷达照射目标的方位角；β为雷达照射目标的俯仰角；
所述采样回波的表达式为：
Figure BDA0002635409170000041
其中，c为光速；R(η)为目标与雷达之间的瞬时斜距；τ0为悬臂旋转起始时刻；η＝τn+t，为悬臂以角速度ω旋转一定角度后的当前时刻，τn为慢时间；
所述瞬时斜距R(η)可表示为：
Figure BDA0002635409170000042
其中，r0为雷达转臂旋转轴中心到目标的距离；L为悬臂长度；
混频后的差频信号为：
Figure BDA0002635409170000043
其中，RΔ为距离差值，RΔ＝R(η)-Rref；Rref为参考距离。
优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤S22中，所述时域信号的表达式为：
Figure BDA0002635409170000044
其中，r0为雷达转臂旋转轴中心到目标的距离；RΔ为距离差值，RΔ＝R(η)-Rref；Rref为参考距离；τ0为起始时刻；θ(α,β)为天线相位因子；Tp为信号脉宽；Kr为调频率。
优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤S23中，所述傅立叶变换的计算公式为：
Figure BDA0002635409170000045
其中，θ(α,β)为天线相位因子；Tp为信号脉宽；Kr为调频率。
优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤S24中，所述对应关系公式为：
f＝2rKr/c；
所述一维距离像的计算公式为：
Figure BDA0002635409170000051
其中，f为傅立叶频率；r为目标距离；c为光速；Kr为调频率。
优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤S2中，所述圆弧合成孔径的数量根据方位采样间隔和雷达扫描探测范围确定。
优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，在所述步骤S3中，在计算所述成像像素点的俯仰角时，叠加当前雷达天线探测俯视角进行计算。
一种圆弧合成孔径雷达，使用所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法进行雷达成像。
相较于现有技术，本发明提供的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达，具有以下有益效果：
本发明是通过对天线方向图的成像区域进行网络剖分，进而对形成的各个成像像素点进行相位不一致性的补偿，使Arc-SAR的成像突破了天线3dB波束角的限制，增大了Arc-SAR成像积累角，提高了系统方位分辨率，改善了系统成像质量。
附图说明
图1是本发明提供的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法流程图；
图2是本发明提供的Arc-SAR测量几何示意图；
图3是本发明提供的成像仿真的天线方相位向图；
图4是本发明提供的目标未叠加天线相位方向图二维成像结果；
图5是本发明提供的图4中点目标二维图像的一维剖面图；
图6是本发明提供的目标叠加天线相位方向图二维成像结果；
图7是本发明提供的图6中点目标二维图像的一维剖面图
图8是本发明提供的基于天线相位方向图补偿点目标二维成像结果；
图9是本发明提供的图8点目标二维图像的一维剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1-图9，本发明提供一种基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，包括步骤：
S1、对圆弧孔径雷达的天线方向图进行精准测量，获得雷达天线相位特性矩阵；
S2、将圆弧孔径雷达固定在预定位置，对雷达探测区域进行成像网络剖分，形成若干成像像素点；并将所述圆弧合成孔径雷达的摆臂旋转形成的圆弧划定多个圆弧合成孔径；具体的，所述摆臂旋转形成的圆弧可以是一段扇形弧线，也可以是360°的完整圆形弧线；优选的，所述圆弧合成孔径的数量根据方位采样间隔和雷达扫描探测范围确定；
S3、获取所述圆弧合成孔径雷达在单一所述圆弧合成孔径上波束照射范围内的所有所述成像像素点，计算每个所述成像像素点与所述圆弧合成孔径之间的距离延迟、方位角与俯仰角；
S4、根据步骤S3中每个所述成像像素点的所述方位角和所述俯仰角结合所述雷达天线相位特性矩阵计算得到每个像素点的相位补偿因子；多个所述相位补偿因子形成相位补偿矩阵；
S5、根据步骤S3中所述成像像素点的所述距离延迟得到所述圆弧合成孔径的一维距离像，将所述一维距离像中的复数值投影至相应的所述成像像素点，同时对各个所述成像像素点进行空变补偿，进而根据所述相位补偿矩阵得到当前所述圆弧合成孔径的子图像；
S6、将步骤S2中确定的所有所述圆弧合成孔径均执行步骤S3-S5，将各个所述圆弧合成孔径得到的所述子图像进行相干叠加得到最终成像。
具体的，本发明提供了一种基于天线相位方向图补偿的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，首先根据成像区域和圆弧孔径位置计算每个成像像素点对应当前孔径的方位角与俯仰角；然后依据天线相位方向图计算相位补偿因子；最后在二维成像积累过程中对每个像素点进行天线相位方向图补偿。对于一个确定的雷达天线而言，其天线相位方向图就是确定的，可以通过电磁仿真计算或天线方向图测量得到。显然，天线相位方向图是关于方位角α和俯仰角β的空变函数，而非关于时间t的时变函数，因此天线方向图幅相补偿可在成像过程进行补偿。不难发现，通过对天线相位方向图相位一致性的补偿，能够增大方位积累角，改善SAR方位分辨率。本发明能够有效解决天线相位方向图相位不一致性而造成Arc-SAR方位向聚焦不佳的问题，通过对像素点进行的天线相位方向图空变相位补偿，降低了天线相位方向图相位不一致性对雷达系统方位聚焦和目标RCS散射特性影响，增大了Arc-SAR成像方位积累角，突破了SAR系统受天线3dB波束宽度的成像制约，提高了方位分辨率，改善了系统成像质量。应当说明的是，所述积累角为雷达检测中的天线波束角，使用本发明提供的成像方法进行雷达成像，突破了所述积累角制约在3dB的限制，极大的扩大了雷达检测的方位分辨率。
作为优选方案，本实施例中，所述步骤S5具体包括：
S51、根据所述距离延迟将所述一维距离像中的复数值投影至相应的所述成像像素点，同时对所述成像像素点进行多普勒相位和剩余视频相位的空变补偿，得到所述成像像素点的补偿图像；
S52、将得到所述补偿图像与所述相位补偿矩阵进行复共轭相乘，得到所述圆弧合成孔径的所述子图像。
作为优选方案，本实施例中，所述一维距离像的获取步骤包括：
S21、所述圆弧合成孔径雷达对采样回波根据雷达发射信号进行混频后，得到差频信号；其中，所述差频信号的求解过程为：
所述雷达发射信号sT(t)的表达式为：
Figure BDA0002635409170000071
其中，fc为载频；Tp为信号脉宽；t为快时间；θ(α,β)为天线相位因子；Kr为调频率；α为雷达照射目标的方位角；β为雷达照射目标的俯仰角；
所述采样回波的表达式为：
Figure BDA0002635409170000072
其中，c为光速；R(η)为目标与雷达之间的瞬时斜距；τ0为悬臂旋转起始时刻；η＝τn+t，为悬臂以角速度ω旋转一定角度后的当前时刻，τn为慢时间；
所述瞬时斜距R(η)可表示为：
Figure BDA0002635409170000073
其中，r0为雷达转臂旋转轴中心到目标的距离；L为悬臂长度；
混频后的差频信号为：
Figure BDA0002635409170000074
Figure BDA0002635409170000081
其中，RΔ为距离差值，RΔ＝R(η)-Rref；Rref为参考距离；
S22、对所述差频信号进行去斜处理，得到时域信号，所述时域信号的表达式为：
Figure BDA0002635409170000082
其中，r0为雷达转臂旋转轴中心到目标的距离；RΔ为距离差值，RΔ＝R(η)-Rref；Rref为参考距离；τ0为起始时刻；θ(α,β)为天线相位因子；Tp为信号脉宽；Kr为调频率；
S23、对所述时域信号进行傅立叶变换得到采样回波频谱：
Figure BDA0002635409170000083
其中，θ(α,β)为天线相位因子；Tp为信号脉宽；Kr为调频率；
S24、根据频率与目标距离的对应关系f＝2rKr/c，得到采样回波的一维距离像：
Figure BDA0002635409170000084
其中，f为傅立叶频率；r为目标距离；c为光速；Kr为调频率。
作为优选方案，本实施例中，在所述步骤S3中，在计算所述成像像素点的俯仰角时，叠加当前雷达天线探测俯视角进行计算。具体的，上述所有公式中，相同字母代表的含义相同，未释明的请参照前述内容。
具体的，下面结合附图并举例对本发明进行详细描述：
图2给出了本发明Arc-SAR的测量几何示意图，表1给出了Arc-SAR系统成像仿真参数。
表1 Arc-SAR系统成像几何参数
Figure BDA0002635409170000085
Figure BDA0002635409170000091
Arc-SAR成像几何模型如图2所示，假设远处存在目标点P，图2中标识的坐标是时刻-距离坐标，雷达至目标P的俯视角为β，天线转动的角速度为ω，转臂长度为L，转臂旋转轴中心到目标的距离为r0，起始时刻为τ0，R(η)为雷达与目标P的瞬时斜距，其中η＝τn+t，τn为慢时间，t为快时间，积累角设定为60°。雷达发射调频连续波信号，收发天线共用，设雷达天线方向图相位为ω(α,β)，其中α为雷达照射目标的方位角，则对应的天线相位特性因子为exp[jω(α,β)]，则雷达发射信号sT(t)可表示为
Figure BDA0002635409170000092
则目标P的雷达的采样回波信号为：
Figure BDA0002635409170000093
其中目标斜距R(η)可表示为：
Figure BDA0002635409170000094
经过混频后的差频信号为：
Figure BDA0002635409170000095
其中，RΔ＝R(η)-Rref，Kr表示调频斜率，Rref表示参考距离，Tp表示脉冲调制周期，fc表示载波频率，即载频，R(η)表示目标真实距离，c表示光速。
在一个周期内，RΔ为一常数，上述第一项
Figure BDA0002635409170000096
表示距离所对应的相位；第二项
Figure BDA0002635409170000097
和第三项
Figure BDA0002635409170000098
为常数：
Figure BDA0002635409170000099
其中，第二项
Figure BDA00026354091700000910
表示回波的多普勒效应，这是进行方位向脉压所必须处理的；第三项
Figure BDA00026354091700000911
是解线性调频方法所特有，称为剩余视频相位。所以需要补偿的相位项可表示为：
Figure BDA00026354091700000912
其中
Figure BDA00026354091700000913
表示瞬时频率。
那么去斜后的时域信号为：
Figure BDA0002635409170000101
对式(6)进行傅里叶变换得采样回波频谱：
Figure BDA0002635409170000102
根据频率与目标距离的对应关系f＝2rKr/c，得到采样回波一维距离像可转换为下式：
Figure BDA0002635409170000103
从式(8)可以看出：当目标与雷达相对固定时，天线方向图相位特性因子均可视为常数。由于天线方向图相位特性因子是关于方位角α和俯仰角β的空变函数，因此需要在成像过程中逐像素点进行补偿。下面以后向投影(Back Projection,BP)算法为例对本发明方法进行简要说明。
1)根据表1参数仿真点目标回波，计算目标在对应孔径下的方位角α和俯仰角β，在仿真回波上叠加天线方向图的相位特性因子；
2)对所有方位采样回波进行脉冲压缩处理，得到各圆弧合成孔径的一维距离像；具体的，所述一维距离像的获取优选采用上述步骤S511-S513步骤得到，其中给的所述脉冲压缩处理也是本领域的常用技术手段，不做限定；此处应当说明，所述圆弧合成孔径的数量根据方位采样间隔和雷达扫描探测范围进行确定，数量设为N；
3)对成像区域进行网格划分；
4)计算成像网格各像素点到第i(1≤i≤N)个所述圆弧合成孔径位置的距离延迟、方位角和俯仰角；
5)根据步骤4计算的距离延迟将第i个圆弧合成孔径对应的一维距离像投影至成像网格对应像素点，获取第i个补偿图像；
6)根据步骤4计算的方位角和俯仰角，结合天线实测方向图获取相位补偿矩阵，并对步骤5)获取的第i个补偿图像进行复共轭相乘，完成天线方向图相位补偿得到第i个圆弧合成孔径的子图像；
7)重复步骤4)至步骤6)，直至遍历N个圆弧合成孔径，然后将N个补偿后的子图像进行相干叠加完成最终成像处理。
图3为本发明示例仿真所使用的仿真天线方向图。图4-图9给出了利用本发明实现的点目标仿真成像结果与不使用本发明提供的成像方法的仿真结果对比图。图4和图5分别为无天线方向图影响的点目标二维成像结果和方位向一维剖面图。图6和图7分别为增加天线方向图影响的点目标二维成像结果和方位向一维剖面图，从结果可以看出，天线方向图的相位不一致性影响了目标的方位向聚焦。图8和图9分别为利用本发明得到的点目标二维成像结果和方位向一维剖面图。可以看出，本发明能够有效补偿天线方向图的相位不一致性，实现目标的精确聚焦。表2给出了三种仿真条件下方位向成像性能分析结果，对比可知，天线方向图相位不一致性会造成方位成像质量的降低，而通过本发明则可以在积累角为60°(可以设定更高范围，积累角的上下限不做限定)的情况下获取与理论分辨率基本一致的成像效果。
表2成像分辨率对比表
Figure BDA0002635409170000111
相应的，本发明还提供一种圆弧合成孔径雷达，使用上述基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法进行雷达成像，能够降低天线相位方向图相位不一致对雷达系统方位聚焦和目标RCS散射特性影响，增大了Arc-SAR成像方位积累角，突破了SAR系统受天线3dB波束宽度的成像制约，提高了方位分辨率，改善了系统成像质量。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，包括步骤：
S1、对圆弧孔径雷达的天线方向图进行精准测量，获得雷达天线相位特性矩阵；
S2、将圆弧孔径雷达固定在预定位置，对雷达探测区域进行成像网络剖分，形成若干成像像素点；并将所述圆弧合成孔径雷达的摆臂旋转形成的圆弧划定多个圆弧合成孔径，同时对每个所述圆弧孔径位置的采样回波进行脉冲压缩，得到一维距离像；
S3、获取所述圆弧合成孔径雷达在单一所述圆弧合成孔径上波束照射范围内的所有所述成像像素点，计算每个所述成像像素点与所述圆弧合成孔径之间的距离延迟、方位角与俯仰角；
S4、根据步骤S3中每个所述成像像素点的所述方位角和所述俯仰角结合所述雷达天线相位特性矩阵计算得到每个像素点的相位补偿因子；多个所述相位补偿因子形成相位补偿矩阵；
S5、根据步骤S3中所述成像像素点的所述距离延迟和所述步骤S2得到的所述圆弧合成孔径的一维距离像，将所述一维距离像中的复数值投影至相应的所述成像像素点，同时对各个所述成像像素点进行空变补偿，进而与步骤S4得到的所述相位补偿矩阵复共轭相乘得到当前所述圆弧合成孔径的子图像；
S6、将步骤S2中确定的所有所述圆弧合成孔径均执行步骤S3-S5，将各个所述圆弧合成孔径得到的所述子图像进行相干叠加得到最终成像。
2.根据权利要求1所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
S51、根据所述距离延迟将所述一维距离像中的复数值投影至相应的所述成像像素点，同时对所述成像像素点进行多普勒相位和剩余视频相位的空变补偿，得到所述成像像素点的补偿图像；
S52、将得到所述补偿图像与所述相位补偿矩阵进行复共轭相乘，得到所述圆弧合成孔径的所述子图像。
3.根据权利要求1所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，步骤S2中，所述一维距离像的获取步骤包括：
S21、所述圆弧合成孔径雷达对采样回波根据雷达发射信号进行混频后，得到差频信号；
S22、对所述差频信号进行去斜处理，得到时域信号；
S23、对所述时域信号进行傅立叶变换得到采样回波频谱；
S24、根据频率与目标距离的对应关系，得到采样回波的一维距离像。
4.根据权利要求3所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，所述步骤S21中，所述差频信号的求解过程为：
所述雷达发射信号sT(t)的表达式为：
Figure FDA0002635409160000021
其中，fc为载频；Tp为信号脉宽；t为快时间；θ(α,β)为天线相位因子；Kr为调频率；α为雷达照射目标的方位角；β为雷达照射目标的俯仰角；
所述采样回波的表达式为：
Figure FDA0002635409160000022
其中，c为光速；R(η)为目标与雷达之间的瞬时斜距；τ0为悬臂旋转起始时刻；η＝τn+t，为悬臂以角速度ω旋转一定角度后的当前时刻，τn为慢时间；
所述瞬时斜距R(η)可表示为：
Figure FDA0002635409160000023
其中，r0为雷达转臂旋转轴中心到目标的距离；L为悬臂长度；
混频后的差频信号为：
Figure FDA0002635409160000024
其中，RΔ为距离差值，RΔ＝R(η)-Rref；Rref为参考距离。
5.根据权利要求3所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，所述步骤S22中，所述时域信号的表达式为：
Figure FDA0002635409160000025
其中，r0为雷达转臂旋转轴中心到目标的距离；RΔ为距离差值，RΔ＝R(η)-Rref；Rref为参考距离；τ0为起始时刻；θ(α,β)为天线相位因子；Tp为信号脉宽；Kr为调频率。
6.根据权利要求3所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，所述步骤S23中，所述傅立叶变换的计算公式为：
Figure FDA0002635409160000031
其中，θ(α,β)为天线相位因子；Tp为信号脉宽；Kr为调频率。
7.根据权利要求3所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，所述步骤S24中，所述对应关系公式为：
f＝2rKr/c；
所述一维距离像的计算公式为：
Figure FDA0002635409160000032
其中，f为傅立叶频率；r为目标距离；c为光速；Kr为调频率。
8.根据权利要求1所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述圆弧合成孔径的数量根据方位采样间隔和雷达扫描探测范围确定。
9.根据权利要求1所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在计算所述成像像素点的俯仰角时，叠加当前雷达天线探测俯视角进行计算。
10.一种圆弧合成孔径雷达，其特征在于，使用权利要求1-9任一所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法进行雷达成像。
CN202010823804.7A 2020-08-17 基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达 Active CN112034460B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010823804.7A CN112034460B (zh) 2020-08-17 基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010823804.7A CN112034460B (zh) 2020-08-17 基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112034460A true CN112034460A (zh) 2020-12-04
CN112034460B CN112034460B (zh) 2024-05-28

Family

ID=

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112799064A (zh) * 2020-12-30 2021-05-14 内蒙古工业大学 柱面孔径非线性渐进式相位迭代成像的方法及装置
CN112835039A (zh) * 2020-12-30 2021-05-25 内蒙古工业大学 平面孔径分区域非线性渐进式相位迭代成像的方法及装置
CN114609635A (zh) * 2022-03-17 2022-06-10 电子科技大学 一种基于视频合成孔径雷达的干涉测量方法
CN116520323A (zh) * 2023-06-29 2023-08-01 中国科学院空天信息创新研究院 月基合成孔径雷达的对地观测方法及装置
CN117129994A (zh) * 2023-10-26 2023-11-28 中国石油大学(华东) 基于相位补偿核gnss-sar改进后向投影成像方法
CN117310706A (zh) * 2023-11-28 2023-12-29 中山大学 一种地基雷达间断形变监测方法及系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060028370A1 (en) * 2004-08-04 2006-02-09 Hansen Charles T Motion compensation for convolutional SAR algorithms
CN102426360A (zh) * 2011-09-01 2012-04-25 西安电子科技大学 空中微动旋转目标的二维isar成像方法
EP2650695A1 (en) * 2012-08-02 2013-10-16 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Imaging method for synthetic aperture radar in high squint mode
EP2743727A2 (en) * 2014-01-16 2014-06-18 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Method for implementing high-resolution wide-swath spaceborne SAR system
CN108387900A (zh) * 2018-05-09 2018-08-10 西安电子科技大学 一种直升机载旋转式合成孔径雷达的振动误差补偿方法
CN108983234A (zh) * 2018-06-28 2018-12-11 山西大学 太赫兹isar成像系统及基于后向投影的图像重建方法
CN109932718A (zh) * 2019-03-11 2019-06-25 南京航空航天大学 多旋翼无人机载的圆周轨迹环视sar全孔径成像方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060028370A1 (en) * 2004-08-04 2006-02-09 Hansen Charles T Motion compensation for convolutional SAR algorithms
CN102426360A (zh) * 2011-09-01 2012-04-25 西安电子科技大学 空中微动旋转目标的二维isar成像方法
EP2650695A1 (en) * 2012-08-02 2013-10-16 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Imaging method for synthetic aperture radar in high squint mode
EP2743727A2 (en) * 2014-01-16 2014-06-18 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Method for implementing high-resolution wide-swath spaceborne SAR system
CN108387900A (zh) * 2018-05-09 2018-08-10 西安电子科技大学 一种直升机载旋转式合成孔径雷达的振动误差补偿方法
CN108983234A (zh) * 2018-06-28 2018-12-11 山西大学 太赫兹isar成像系统及基于后向投影的图像重建方法
CN109932718A (zh) * 2019-03-11 2019-06-25 南京航空航天大学 多旋翼无人机载的圆周轨迹环视sar全孔径成像方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZENGSHU HUANG ET AL.: "Investigation of Wavenumber Domain Imaging Algorithm for Ground-Based Arc Array SAR", SENSORS, pages 1 - 15 *
张二磊;张建奇;: "合成孔径激光雷达成像算法", 电子科技, no. 11, pages 12 - 15 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112799064A (zh) * 2020-12-30 2021-05-14 内蒙古工业大学 柱面孔径非线性渐进式相位迭代成像的方法及装置
CN112835039A (zh) * 2020-12-30 2021-05-25 内蒙古工业大学 平面孔径分区域非线性渐进式相位迭代成像的方法及装置
CN112799064B (zh) * 2020-12-30 2023-05-26 内蒙古工业大学 柱面孔径非线性渐进式相位迭代成像的方法及装置
CN112835039B (zh) * 2020-12-30 2023-09-08 内蒙古工业大学 平面孔径分区域非线性渐进式相位迭代成像的方法及装置
CN114609635A (zh) * 2022-03-17 2022-06-10 电子科技大学 一种基于视频合成孔径雷达的干涉测量方法
CN116520323A (zh) * 2023-06-29 2023-08-01 中国科学院空天信息创新研究院 月基合成孔径雷达的对地观测方法及装置
CN116520323B (zh) * 2023-06-29 2024-04-09 中国科学院空天信息创新研究院 月基合成孔径雷达的对地观测方法及装置
CN117129994A (zh) * 2023-10-26 2023-11-28 中国石油大学(华东) 基于相位补偿核gnss-sar改进后向投影成像方法
CN117129994B (zh) * 2023-10-26 2024-01-30 中国石油大学(华东) 基于相位补偿核gnss-sar改进后向投影成像方法
CN117310706A (zh) * 2023-11-28 2023-12-29 中山大学 一种地基雷达间断形变监测方法及系统
CN117310706B (zh) * 2023-11-28 2024-02-02 中山大学 一种地基雷达间断形变监测方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109738894B (zh) 一种用于大视场合成孔径雷达的高斜视多角度成像方法
Feng et al. An extended fast factorized back projection algorithm for missile-borne bistatic forward-looking SAR imaging
CN105759263A (zh) 一种高分辨率大场景下的星载斜视sar雷达成像方法
CN111505639A (zh) 基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法
Goh et al. Bistatic SAR experiment with the Ingara imaging radar
Zuo et al. Unified coordinate system algorithm for terahertz video-SAR image formation
CN102043142A (zh) 基于数字聚束的合成孔径雷达极坐标波前弯曲补偿方法
CN112748431A (zh) 一种中轨道星载sar的地面运动目标成像方法
CN105180852B (zh) 基于三重步进的gb‑sar形变监测方法
CN112433210A (zh) 一种双站前视探地雷达快速时域成像方法
CN111522004A (zh) 一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法及系统
Li et al. The geometric-distortion correction algorithm for circular-scanning SAR imaging
Xu et al. A novel motion compensation approach based on symmetric triangle wave interferometry for UAV SAR imagery
CN112433208A (zh) 一种双站圆周探地雷达快速时域成像方法及系统
CN112034460B (zh) 基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达
CN108469612B (zh) 基于等效斜距的双基时变加速度前视sar成像方法
CN112034460A (zh) 基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达
CN115685200A (zh) 一种高精度大前斜视sar成像运动补偿与几何校正方法
CN116148891A (zh) 基于顺轨干涉的星地双基海面二维流场测量方法
CN112612026B (zh) 基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法
CN114185047A (zh) 一种基于最优极坐标变换的双基sar动目标重聚焦方法
CN115015920A (zh) 一种基于距离空变频谱矫正的快速后向投影成像方法
Zhang et al. Application of fast factorized back-projection algorithm for high-resolution highly squinted airborne SAR imaging
CN113406624A (zh) 一种高分辨率星载sar高效时频混合成像方法及系统
Wang et al. An improved range-doppler imaging algorithm based on high-order range model for near-field panoramic millimeter wave ArcSAR

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20240410

Address after: 410000, Block 1-10, B1E1, Beichen Fenghuang Tianjie Garden, No. 68 Qinglan Road, Xinhe Street, Kaifu District, Changsha City, Hunan Province, China, along with an underground garage and connecting platform 8005

Applicant after: Hunan Jianwei Intelligent Technology Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: Room 307, building 4, Hunan scientific and technological achievements transformation center, Longping high tech park, Furong district, Changsha City, Hunan Province

Applicant before: Song Qian

Country or region before: China

Applicant before: Wang Pengyu

GR01 Patent grant