CN112698329B - 一种星载合成孔径雷达距离模糊抑制方法 - Google Patents

一种星载合成孔径雷达距离模糊抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种星载合成孔径雷达距离模糊抑制方法，分别针对星载SAR系统信号体制和信号处理的两个方面，先采用正负调频斜率发射线性调频信号，再对接收信号分两次压缩处理：第一次距离压缩针对模糊区目标进行匹配滤波，并滤除模糊区主要能量后再反演至时域回波；第二次距离压缩针对主瓣区域目标进行匹配滤波以及后续方位压缩，并完成二维聚焦成像。这种方法能够有效减弱主要模糊区目标信号对主瓣区域目标的干扰，并很好地保持了主瓣区目标的聚焦效果和能量，距离模糊抑制明显。最后通过实例分析，进一步详细描述了本方法的实施过程。

Description

一种星载合成孔径雷达距离模糊抑制方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体地说，是指一种星载合成孔径雷达(简称SAR)的距离模糊抑制方法。
背景技术
星载合成孔径雷达通常采用脉冲工作体制，随着分辨率的不断提高，需要采用较高的雷达脉冲重复频率，因而不可避免的存在多个距离模糊区。位于距离模糊区的强目标会混入主瓣区的有用回波信号中，回波信号经过成像处理之后，在SAR图像中形成明显的虚假目标，严重影响SAR图像的应用。因此距离模糊度指标是星载SAR总体性能的重要指标之一。
目前改善距离模糊的研究主要集中在星载SAR系统设计方面，通过波位设计优化、相位编码、正负调频、数字波束形成等技术来降低距离模糊。虽然总体来说通过优化脉冲重复频率等波位参数设计有可能获得较好的距离模糊度，但方位模糊度和距离模糊度指标也往往相互制约，因而距离模糊度指标在系统设计时受限因素较多。
与此同时一旦距离模糊区的目标信号混入到主瓣区目标会中，如果通过数据处理的手段能够降低距离模糊影响的话，可以较大程度缓解方位模糊和距离模糊相互制约的矛盾，改善SAR图像质量。而在数据处理时实现对距离模糊信号的抑制，首先需要解决模糊信号的检测和识别，这在实际应用中时极为困难的。原因在于，位于距离模糊区的强点目标经过成像处理后往往是散焦状态，能量较为分散，难以有效区分。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，为了抑制距离模糊对星载SAR图像的影响，在系统信号体制和信号处理两个方面，提出一种综合距离模糊抑制方法，即雷达采用正负调频斜率发射线性调频信号，对接收信号分两次压缩处理：第一次距离压缩针对模糊区目标进行匹配滤波，并滤除模糊区主要能量后再反演至时域回波；第二次距离压缩针对主瓣区域目标进行匹配滤波以及后续方位压缩，并完成二维聚焦成像。这种方法能够有效减弱主要模糊区目标信号对主瓣区域目标的干扰，并较大程度地保持主瓣区目标的聚焦效果和能量，有效改善图像质量。
本发明的技术方案是：一种星载合成孔径雷达距离模糊抑制方法，适用于脉冲重复频率高于2000Hz的星载SAR，且距离模糊区的仅考虑+1和-1距离模糊区，步骤如下：
(1)生成基于发射正负调频斜率捷变的回波信号；
(2)进行面向距离模糊区目标聚焦的一次距离向压缩；
(3)进行距离模糊区目标信号滤除及回波还原；
(4)进行面向主瓣区目标聚焦的二次距离压缩及聚焦成像。
所述步骤(1)的过程为：雷达逐脉冲发射线性调频信号时，调频斜率的极性按照正、负交替选择，发射脉冲信号经过主瓣目标和模糊区目标反射后，接收机经过信号接收、解调以及采样后得到雷达回波信号。
所述步骤(1)的具体过程如下：
11)假设发射线性调频信号脉冲的编号为i，i为大于1的正整数，按照公式(1)设置第i个脉冲的调频斜率ki
ki＝(-1)i-1k (1)
其中k为发射信号带宽Bw与时宽τp之比，即
Figure BDA0002826186900000031
12)雷达按照脉冲重复周期Tprt发射Na个调频斜率为ki的线性调频信号脉冲，各脉冲照射到主瓣目标和模糊区目标后，经过反射到达雷达接收天线，接收机经过信号接收、解调以及采样后得到雷达回波信号，每个脉冲的距离门采样点数记为Nr，得到二维回波信号矩阵D0，该矩阵维度为Na×Nr。
所述步骤(2)的过程为：按照调频斜率极性负、正交替的方式构造参考信号，逐脉冲实施距离压缩处理，完成模糊区目标的距离向聚焦处理，得到第一次距离压缩后信号。
所述步骤(2)的具体过程如下：
21)对二维回波信号矩阵D0的第i行的数据D0(i，：)，按照公式(2)构造参考函数
Figure BDA0002826186900000032
其中
Figure BDA0002826186900000033
为快变化时间，fs为采样率，i为1到Na的正整数；
22)按照公式(3)对第i个脉冲进行第一次距离向匹配滤波，得到第i行距离压缩结果D1(i，：)
D1(i，：)＝ifft{fft[D0(i，：)]*conj(fft[ri(t)])} (3)
其中fft和ifft分别为快速傅里叶正变换和逆变换，conj为复数共轭运算；
23)对i＝1，2，…，Na分别重复步骤21)和22)，完成全部行的第一次距离向匹配滤波，并将各行结果作为第i行的行向量，得到距离压缩结果矩阵D1。
所述步骤(3)的过程为：搜索第一次距离压缩后信号的距离向两个峰值位置，并在峰值位置附近进行陷波处理，并将陷波处理后的信号进行逆匹配滤波处理，得到滤除距离模糊信号的回波信号。
所述步骤(3)的具体过程如下：
31)对距离压缩结果矩阵D1的第i行数据D1(i，：)，搜索强度较大的两个峰值，记录其峰值位置Li和Ri，i为1到Na的正整数；
32)分别以峰值位置Li和Ri为中心，设置宽度为2*w+1的窗函数，将窗函数内的数据D1(i，：)置零，得到陷波处理后的脉冲压缩结果数据D2(i，：)；
33)将数据D2(i，：)按照公式(4)进行逆匹配滤波处理，得到滤除距离模糊信号的回波信号数据D3(i，：)
Figure BDA0002826186900000041
34)对i＝1，2，…，Na分别重复步骤31)-33)，完成全部行的第一次距离压缩后信号滤除和回波还原，并将各行结果作为第i行的行向量，得到滤除距离模糊信号的回波信号矩阵D3。
所述步骤(4)的过程为：按照调频斜率极性正、负交替的方式构造参考函数，对滤除距离模糊信号的回波信号，逐脉冲实施距离压缩处理，完成主瓣区目标的距离向压缩，并进一步实施距离徙动校正和方位匹配滤波，从而完成主瓣区目标聚焦。
所述步骤(4)的具体过程如下：
41)对滤除距离模糊信号的回波信号矩阵D3的第i行数据D3(i，：)，按照公式(5)构造参考函数
Figure BDA0002826186900000051
其中
Figure BDA0002826186900000052
为快变化时间，fs为采样率，i为1到Na的正整数；
42)按照公式(6)对第i个脉冲进行第二次距离向匹配滤波，得到第i行距离压缩结果D4(i，：)
D4(i，：)＝ifft{fft[D3(i，：)*conj(fft[gi(t)])]} (6)
其中fft和ifft分别为快速傅里叶正变换和逆变换，conj为复数共轭运算。
43)对i＝1，2，…，Na分别重复步骤41)和42)，完成全部行的第二次距离向匹配滤波，并将各行结果作为第i行的行向量，得到距离压缩结果矩阵D4。
43)对数据矩阵D4进行距离徙动校正，并逐列进行方位向匹配滤波处理，完成成像处理，得到距离模糊抑制后的SAR图像矩阵D5。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明采用逆向思维方法，通过对模糊能量进行聚焦、将其滤除后，再进行二次距离压缩的手段，起到模糊信号抑制的作用，具有主瓣区域目标能量损失极小、模糊区域能量有效去除、提高图像质量的好处。
(2)本发明采用正负调频系统设计的方法，通过利用反向极性调频率进行信号自相关的手段，起到将散落在图像域中的模糊信号聚焦的作用，具有系统硬件实现难度低、便于滤除距离向模糊能量、提高系统距离向模糊度指标的作用。
附图说明
图1为本发明的星载SAR距离模糊抑制方法的步骤流程图；
图2为本发明的星载SAR回波信号实部量化图像；
图3为本发明的星载SAR回波第一次距离向匹配滤波幅值量化图像；
图4为本发明的星载SAR回波第1000个脉冲陷波处理后的脉冲压缩结果数据；
图5为本发明的星载SAR回波经滤除距离模糊信号的回波信号矩阵量化图像；
图6为本发明的星载SAR回波二次距离压缩结果矩阵量化图像；
图7为本发明的最终SAR图像矩阵量化图像；
图8为不采取逐脉冲改变调频斜率而直接成像处理的SAR图像；
图9为只改变调频斜率，不进行二次距离脉冲压缩得到的SAR图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的星载SAR距离模糊抑制方法进行详细说明。
本发明提供的星载SAR距离模糊抑制方法是通过以下步骤来实现的，如图1所示：
步骤一、基于发射正负调频斜率捷变的回波信号生成：雷达逐脉冲发射线性调频信号时，调频斜率的极性按照正、负交替选择，发射脉冲信号经过主瓣目标和模糊区目标反射后，接收机经过信号接收、解调以及采样后得到雷达回波信号。
(a)假设发射线性调频信号脉冲的编号为i(i为大于1的正整数)，按照公式(1)设置第i个脉冲的调频斜率为ki。
ki＝(-1)i-1k (1)
其中k为发射信号带宽Bw与时宽τp之比，即
Figure BDA0002826186900000071
(b)雷达按照脉冲重复周期Tprt发射Na个调频斜率为ki的线性调频信号脉冲，各脉冲照射到主瓣目标和模糊区目标后，经过反射到达雷达接收天线，接收机经过信号接收、解调以及采样后得到雷达回波信号，每个脉冲的距离门采样点数记为Nr，则可得到二维回波信号矩阵D0，该矩阵维度为Na×Nr。
步骤二、面向距离模糊区目标聚焦的一次距离向压缩：按照调频斜率极性负、正交替的方式构造参考信号，逐脉冲实施距离压缩处理，完成模糊区目标的距离向聚焦处理，得到第一次距离压缩后信号。
(a)对二维回波信号矩阵D0的第i行(i为1到Na的正整数)数据D0(i，：)，按照公式(2)构造参考函数
Figure BDA0002826186900000072
其中
Figure BDA0002826186900000081
为快变化时间，fs为采样率。
(b)按照公式(3)对第i个脉冲进行第一次距离向匹配滤波，得到第i行距离压缩结果D1(i，：)。
D1(i，：)＝ifft{fft[D0(i，：)]*conj(fft[ri(t)])} (3)
其中fft和ifft分别为快速傅里叶正变换和逆变换，conj为复数共轭运算。
(c)对i＝1，2，…，Na分别重复(a)和(b)，完成全部行的第一次距离向匹配滤波，并将各行结果作为第i行的行向量，得到距离压缩结果矩阵D1。
步骤三、距离模糊区目标信号滤除及回波还原：搜索第一次距离压缩后信号的距离向两个峰值位置，并在峰值位置附近进行陷波处理，并将陷波处理后的信号进行逆匹配滤波处理，得到滤除距离模糊信号的回波信号。
(a)对距离压缩结果矩阵D1的第i行(i为1到Na的正整数)数据D1(i，：)，搜索强度较大的两个峰值，记录其峰值位置Li和Ri。
(b)分别以峰值位置Li和Ri为中心，设置宽度为2*w+1的窗函数，将窗函数内的数据D1(i，：)置零，得到陷波处理后的脉冲压缩结果数据D2(i，：)。
(c)将数据D2(i，：)按照公式(4)进行逆匹配滤波处理，得到滤除距离模糊信号的回波信号数据D3(i，：)。
Figure BDA0002826186900000082
(d)对i＝1，2，…，Na分别重复(a)-(c)，完成全部行的第一次距离压缩后信号滤除和回波还原，并将各行结果作为第i行的行向量，得到滤除距离模糊信号的回波信号矩阵D3。
步骤四、面向主瓣区目标聚焦的二次距离压缩及聚焦成像：按照调频斜率极性正、负交替的方式构造参考函数，对滤除距离模糊信号的回波信号，逐脉冲实施距离压缩处理，完成主瓣区目标的距离向压缩，并进一步实施距离徙动校正和方位匹配滤波，从而完成主瓣区目标聚焦。
(a)对滤除距离模糊信号的回波信号矩阵D3的第i行(i为1到Na的正整数)数据D3(i，：)，按照公式(5)构造参考函数
Figure BDA0002826186900000091
其中
Figure BDA0002826186900000092
为快变化时间，fs为采样率。
(b)按照公式(6)对第i个脉冲进行第二次距离向匹配滤波，得到第i行距离压缩结果D4(i，：)。
D4(i，：)＝ifft{fft[D3(i，：)*conj(fft[gi(t)])]} (6)
其中fft和ifft分别为快速傅里叶正变换和逆变换，conj为复数共轭运算。
(c)对i＝1，2，…，Na分别重复(a)和(b)，完成全部行的第二次距离向匹配滤波，并将各行结果作为第i行的行向量，得到距离压缩结果矩阵D4。
(d)对数据矩阵D4进行距离徙动校正，并逐列进行方位向匹配滤波处理，完成成像处理，得到距离模糊抑制后的SAR图像矩阵D5。
实施案例1：设置一个场景：主瓣内点目标1个，近距和远距第一距离模糊区目标各1个，为突显本文方法对模糊区域目标的抑制效果，主瓣内目标的强度为模糊区内目标强度的0.1倍。主要仿真参数包括星载SAR的平台高度500Km，平台速度7000m/s，雷达载频10GHz，脉冲重复频率2000Hz，线性调频信号带宽Bw＝100MHz，采样率fs＝120MHz，时宽τp＝1×10- 6s，合成孔径时间1s。
本发明提出的距离模糊度抑制方法具体通过以下步骤实施：
步骤一、基于发射正负调频斜率捷变的回波信号生成：雷达逐脉冲发射线性调频信号时，调频斜率的极性按照正、负交替选择，发射脉冲信号经过主瓣目标和模糊区目标反射后，接收机经过信号接收、解调以及采样后得到雷达回波信号。
(c)假设发射线性调频信号脉冲的编号为i(i为大于1的正整数)，按照公式(7)设置第i个脉冲的调频斜率为ki。
ki＝(-1)i-1k (7)
其中k为发射信号带宽Bw＝100MHz与时宽τp＝1×10-6s之比，即k＝1×1014Hz/s。
(d)雷达按照脉冲重复周期Tprt＝5×10-4s发射Na＝2000个调频斜率为ki的线性调频信号脉冲，各脉冲照射到主瓣目标和模糊区目标后，经过反射到达雷达接收天线，接收机经过信号接收、解调以及采样后得到雷达回波信号，每个脉冲的距离门采样点数记为Nr＝2048，则可得到二维回波信号矩阵D0，该矩阵维度为Na×Nr＝2000×2048。信号矩阵D0的实部量化图像如图2所示。
步骤二、面向距离模糊区目标聚焦的一次距离向压缩：按照调频斜率极性负、正交替的方式构造参考信号，逐脉冲实施距离压缩处理，完成模糊区目标的距离向聚焦处理，得到第一次距离压缩后信号。
(a)对二维回波信号矩阵D0的第i行(i为1到Na＝2000的正整数)数据D0(i，：)，按照公式(8)构造参考函数
Figure BDA0002826186900000111
其中
Figure BDA0002826186900000112
为快变化时间。
(b)按照公式(9)对第i个脉冲进行第一次距离向匹配滤波，得到第i行距离压缩结果D1(i，：)。
D1(i，：)＝ifft(fft(D0(i，：)*conj(fft(ri(t))))) (9)
其中fft和ifft分别为快速傅里叶正变换和逆变换，conj为复数共轭运算。
(e)对i＝1，2，…，Na分别重复(a)和(b)，完成全部行的第一次距离向匹配滤波，并将各行结果作为第i行的行向量，得到距离压缩结果矩阵D1。信号矩阵D1的幅值量化图像如图3所示。
步骤三、距离模糊区目标信号滤除及回波还原：搜索第一次距离压缩后信号的距离向两个峰值位置，并在峰值位置附近进行陷波处理，并将陷波处理后的信号进行逆匹配滤波处理，得到滤除距离模糊信号的回波信号。
(a)对距离压缩结果矩阵D1的第i行(i为1到Na＝2000的正整数)数据D1(i，：)，搜索强度较大的两个峰值，记录其峰值位置Li和Ri。当i＝1000时，L1000＝879和R1000＝1210。
(b)分别以峰值位置Li和Ri为中心，设置宽度为2w+1＝11的窗函数，将窗函数内的数据D1(i，：)置零，得到陷波处理后的脉冲压缩结果数据D2(i，：)。当i＝1000时，第1000个脉冲陷波处理后的脉冲压缩结果数据如图4所示。
(c)将数据D2(i，：)按照公式(10)进行逆匹配滤波处理，得到滤除距离模糊信号的回波信号数据D3(i，；)。
Figure BDA0002826186900000121
(d)对i＝1，2，…，2000分别重复(a)-(c)，完成全部行的第一次距离压缩后信号滤除和回波还原，并将各行结果作为第i行的行向量，得到滤除距离模糊信号的回波信号矩阵D3。信号矩阵D3的幅值量化图像如图5所示。
步骤四、面向主瓣区目标聚焦的二次距离压缩及聚焦成像：按照调频斜率极性正、负交替的方式构造参考函数，对滤除距离模糊信号的回波信号，逐脉冲实施距离压缩处理，完成主瓣区目标的距离向压缩，并进一步实施距离徙动校正和方位匹配滤波，从而完成主瓣区目标聚焦。
(a)对滤除距离模糊信号的回波信号矩阵D3的第i行(i为1到Na的正整数)数据D3(i，：)，按照公式(11)构造参考函数
Figure BDA0002826186900000122
其中
Figure BDA0002826186900000123
为快变化时间。
(b)按照公式(12)对第i个脉冲进行第二次距离向匹配滤波，得到第i行距离压缩结果D4(i，：)。
D4(i，：)＝ifft{fft[D3(i，：)*conj(fft[gi(t)])]} (12)
其中fft和ifft分别为快速傅里叶正变换和逆变换，conj为复数共轭运算。
(c)对i＝1，2，…，Na分别重复(a)和(b)，完成全部行的第二次距离向匹配滤波，并将各行结果作为第i行的行向量，得到距离压缩结果矩阵D4。二次距离压缩结果矩阵D4的幅值量化图像如图6所示。
(d)对数据矩阵D4进行距离徙动校正，并逐列进行方位向匹配滤波处理，完成成像处理，得到距离模糊抑制后的SAR图像矩阵D5。最终SAR图像矩阵D5的幅值量化图像如图7所示。
此外，在相同的场景和仿真参数条件下，如果发射信号不采取逐脉冲改变调频斜率，直接进行成像处理得到的SAR图像如图8所示；只改变调频斜率，不进行二次距离脉冲压缩得到的SAR图像如图9所示。对比图7、图8和图9，本发明提出的方法能够显著压制距离模糊信号对主瓣目标区域的影响，距离模糊抑制效果明显。

Claims (5)

1.一种星载合成孔径雷达距离模糊抑制方法，适用于脉冲重复频率高于2000Hz的星载SAR，且距离模糊区的仅考虑+1和-1距离模糊区，其特征在于步骤如下：
(1)生成基于发射正负调频斜率捷变的回波信号；
(2)进行面向距离模糊区目标聚焦的一次距离向压缩；
(3)进行距离模糊区目标信号滤除及回波还原；
(4)进行面向主瓣区目标聚焦的二次距离压缩及聚焦成像；
所述步骤(1)的过程为：雷达逐脉冲发射线性调频信号时，调频斜率的极性按照正、负交替选择，发射脉冲信号经过主瓣目标和模糊区目标反射后，接收机经过信号接收、解调以及采样后得到雷达回波信号；
所述步骤(2)的过程为：按照调频斜率极性负、正交替的方式构造参考信号，逐脉冲实施距离压缩处理，完成模糊区目标的距离向聚焦处理，得到第一次距离压缩后信号；
所述步骤(3)的过程为：搜索第一次距离压缩后信号的距离向两个峰值位置，并在峰值位置附近进行陷波处理，并将陷波处理后的信号进行逆匹配滤波处理，得到滤除距离模糊信号的回波信号；
所述步骤(4)的过程为：按照调频斜率极性正、负交替的方式构造参考函数，对滤除距离模糊信号的回波信号，逐脉冲实施距离压缩处理，完成主瓣区目标的距离向压缩，并进一步实施距离徙动校正和方位匹配滤波，从而完成主瓣区目标聚焦。
2.根据权利要求1所述的一种星载合成孔径雷达距离模糊抑制方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体过程如下：
11)假设发射线性调频信号脉冲的编号为i，i为大于1的正整数，按照公式(1)设置第i个脉冲的调频斜率ki
ki＝(-1)i-1k (1)
其中k为发射信号带宽Bw与时宽τp之比，即
Figure FDA0004233502330000021
12)雷达按照脉冲重复周期Tprt发射Na个调频斜率为ki的线性调频信号脉冲，各脉冲照射到主瓣目标和模糊区目标后，经过反射到达雷达接收天线，接收机经过信号接收、解调以及采样后得到雷达回波信号，每个脉冲的距离门采样点数记为Nr，得到二维回波信号矩阵D0，该矩阵维度为Na×Nr。
3.根据权利要求2所述的一种星载合成孔径雷达距离模糊抑制方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体过程如下：
21)对二维回波信号矩阵D0的第i行的数据D0(i，：)，按照公式(2)构造参考函数
Figure FDA0004233502330000022
其中
Figure FDA0004233502330000023
为快变化时间，fs为采样率，i为1到Na的正整数；
22)按照公式(3)对第i个脉冲进行第一次距离向匹配滤波，得到第i行距离压缩结果D1(i，：)
D1(i，：)＝ifft{fft[D0(i，：)]*conj(fft[ri(t)])} (3)其中fft和ifft分别为快速傅里叶正变换和逆变换，conj为复数共轭运算；
23)对i＝1，2，…，Na分别重复步骤21)和22)，完成全部行的第一次距离向匹配滤波，并将各行结果作为第i行的行向量，得到距离压缩结果矩阵D1。
4.根据权利要求3所述的一种星载合成孔径雷达距离模糊抑制方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体过程如下：
31)对距离压缩结果矩阵D1的第i行数据D1(i，：)，搜索强度较大的两个峰值，记录其峰值位置Li和Ri，i为1到Na的正整数；
32)分别以峰值位置Li和Ri为中心，设置宽度为2＊w+1的窗函数，将窗函数内的数据D1(i，：)置零，得到陷波处理后的脉冲压缩结果数据D2(i，：)；
33)将数据D2(i：)按照公式(4)进行逆匹配滤波处理，得到滤除距离模糊信号的回波信号数据D3(i，：)
Figure FDA0004233502330000031
34)对i＝1，2，…，Na分别重复步骤31)-33)，完成全部行的第一次距离压缩后信号滤除和回波还原，并将各行结果作为第i行的行向量，得到滤除距离模糊信号的回波信号矩阵D3。
5.根据权利要求4所述的一种星载合成孔径雷达距离模糊抑制方法，其特征在于：所述步骤(4)的具体过程如下：
41)对滤除距离模糊信号的回波信号矩阵D3的第i行数据D3(i，：)，按照公式(5)构造参考函数
Figure FDA0004233502330000032
其中
Figure FDA0004233502330000033
为快变化时间，fs为采样率，i为1到Na的正整数；
42)按照公式(6)对第i个脉冲进行第二次距离向匹配滤波，得到第i行距离压缩结果D4(i，：)
D4(i，：)ifft{fft[D3(i，：)*conj(fft[gi(t)])]} (6)其中fft和ifft分别为快速傅里叶正变换和逆变换，conj为复数共轭运算；
43)对i＝1，2，…，Na分别重复步骤41)和42)，完成全部行的第二次距离向匹配滤波，并将各行结果作为第i行的行向量，得到距离压缩结果矩阵D4。
43)对数据矩阵D4进行距离徙动校正，并逐列进行方位向匹配滤波处理，完成成像处理，得到距离模糊抑制后的SAR图像矩阵D5。
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