CN112731392B - 高效的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法，包括以下步骤：对太赫兹步进频率合成孔径雷达回波信号进行处理得到频域合成宽带信号；将所述频域合成宽带信号的距离向信号转化为线性调频信号：使用CS算法处理距离向信号为所述线性调频信号，得到合成孔径雷达成像结果。本发明能够在保证成像精度的前提下，提高成像速度，对目标进行实时高分辨率成像。本发明改进了传统的CSA，克服了其只能应用于线性调频体制雷达的缺点，提出了一种适合THz步进频率SAR成像的新算法。本发明相对于其它成像算法，计算量更小，投入实际应用时成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达成像技术领域，具体涉及一种高效的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法。
背景技术
现代雷达具有灵敏度高、抗干扰能力强、灵活性高、距离分辨率高等特点。其中，高距离分辨率尤为重要。雷达系统的分辨率取决于其带宽，系统带宽越大，分辨率越高，但瞬时系统带宽的增加给硬件带来了很大的负担。由于经济和硬件条件的限制，很难在系统中直接实现大带宽信号。在现有硬件条件下，有几种方法可以间接获得大带宽信号，步进频率波形是常用的方法之一。步进频率波形的主要思想是将大带宽信号分为多次传输，降低了系统的瞬时带宽，从而减轻了硬件的负担。步进频率波形具有灵活、方便、实用、高距离分辨率的特点。步进频率波形因为这些显著优势在许多雷达系统中得到了广泛的应用。太赫兹是电磁频谱中介于红外与微波之间的辐射，具有穿透性强、安全性高、方向性好、带宽大的技术特点。因此，THz波段工作的雷达系统在工业和民用领域具有巨大的潜力。合成孔径雷达(SAR)是一种基于微波的主动成像雷达，具有全天时、全天候、高分辨率的特点，在工业和民用领域有着广泛的应用。太赫兹(THz)步进频率SAR同时具备了上述三者的优点，具有分辨率高、穿透力强等特点。目前，THz步进频率SAR被应用于医学检测、安检等方面，应用前景非常可观。
SAR成像算法主要有反向投影算法(back projection algorithm，BPA)、距离多普勒算法(range Doppler algorithm，RDA)、距离偏移算法(range migration algorithm，RMA)和CSA(chirp Scaling algorithm，CSA)。其中，BPA是一种精确的时域成像算法，但该算法计算量大，不能满足实时成像的要求。RDA和RMA都是频域处理算法，与BPA相比，它们的计算量大大减少。然而，在精确的RDA和RMA中，sinc插值是无法避免的，这是一个十分耗时的操作，从而导致精确的RDA和RMA的效率低下。由于CSA不需要插值，只需要用到快速傅立叶变换(fast Fourier transform，FFT)和复数乘法运算，它是一种计算效率高的算法。基于FFT的信号处理器和快速并行处理系统有利于CSA的实现，大大提高了算法的效率。另外，CSA在大斜视角情况下具有优异的性能，这些特点使其在SAR成像中得到了广泛的应用。
THz步进频率SAR在医学检测、安检等方面有着迫切的应用需求，这些应用的特殊性要求成像算法必须在足够短的时间内完成处理，这种情况下成像算法的实时性有着非常重要的意义。在不牺牲成像精度的前提下，现有的THz步进频率SAR成像算法成像效率低，不能满足实时成像的要求。CSA是一种高效的SAR成像算法，能够在保证成像精度的前提下对目标进行实时成像。然而CSA只能用于处理线性调频形式的回波信号，不能直接用于THz步进频率SAR成像。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高效的太赫兹步进频率SAR成像方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种高效的太赫兹步进频率SAR成像方法，包括以下步骤：
对太赫兹步进频率合成孔径雷达回波信号进行处理得到频域合成宽带信号；
将所述频域合成宽带信号的距离向信号转化为线性调频信号：
使用CS算法处理距离向信号为所述线性调频信号，得到合成孔径雷达成像结果。
其中，对于一个点目标，忽略其反射系数，接收到的所述回波信号为
其中，
fi＝f0+iΔf，i＝0，1，2，3，…，N-1，t是快时间变量，Tr是步进频率信号的脉冲周期，τ为脉冲持续时间，f0为初始频率，Δf为载波频率步长，N为子脉冲数，i为子脉冲的索引，fi为各个子频率的载频，R是雷达传感器到点目标的距离，C是真空中的光速。
其中，对太赫兹步进频率合成孔径雷达回波信号进行处理得到频域合成宽带信号的步骤具体包括：
将回波信号与本振信号进行混频操作，得到混频后的信号；
对混频信号进行采样操作得到合成宽带信号，其中，所述采样指的是从混频信号的每个子脉冲中采样一个点出来。
其中，所述本振信号为
其中，所述混频后的信号为
其中，所述合成宽带信号为
其中，sout(i)是一维的合成宽带信号。
其中，将所述频域合成宽带信号的距离向信号转化为线性调频信号的步骤具体包括：
将合成宽带信号的距离向频率归零；
将上一步骤得到的信号乘以一个参考距离处的相位，所述参考距离处相位为：
其中，
表示距离频率，R表示点目标到传感器的距离，Rref表示参考距离，C表示真空中的光速；
将上一步骤得到的信号乘以一个二次相位，所述二次相位为：
其中，Kr表示转换后线性调频信号的线性调频率；
对上一步骤得到的信号执行距离向逆傅立叶变换操作，得到线性调频信号。
其中，所述合成宽带信号为
其中
Rmax＞R＞Rmin，η是慢时间变量，R0是雷达离目标最近时的倾斜距离，Rmin是最近距离，Rmax是最远距离，wa(η)是方位向包络(矩形窗函数)，Ta是目标方位向曝光时间。
其中，将距离向中心频率归零，令
则所述合成宽带信号重写为
将S1乘以一个参考距离处的相位，可得到补偿后的信号为：
将S2乘以一个二次相位，可得到补偿后的信号为：
其中，所述线性调频信号为：当
时，
其中，
基于上述技术方案可知，本发明的太赫兹步进频率SAR成像方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
(1)本发明能够在保证成像精度的前提下，提高成像速度，对目标进行实时高分辨率成像。
(2)本发明改进了传统的CSA，克服了其只能应用于线性调频体制雷达的缺点，提出了一种适合THz步进频率SAR成像的新算法。
(3)本发明相对于其它成像算法，计算量更小，投入实际应用时成本更低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的合成孔径雷达正侧视成像几何图；
图3为本发明实施例提供的场景中心点的距离向和方位向脉冲响应函数；
图4为本发明实施例提供的THz步进频率SAR成像光学场景图；
图5为本发明实施例提供的使用本发明算法步进频率CSA(stepped frequency-CSA，SF-CSA)的THz步进频率SAR的实验成像结果。
具体实施方式
THz步进频率SAR在医学检测、安检等方面有着迫切的应用需求，医学检测、安检的特殊性要求成像算法必须在足够短的时间内完成处理，这种情况下算法的实时性成为衡量算法的重要标准之一。为了在保证THz步进频率SAR成像精度的前提下提高成像速度以满足实时成像的需求，本发明提出了一种基于CSA的高效的THz步进频率SAR实时成像方法。
本发明提供了一种高效的太赫兹(terahertz，THz)步进频率合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)成像方法。主要贡献是成功地将CSA用于THz步进频率SAR成像，并解决了现有THz步进频率SAR成像方法成像效率低，不能实时高分辨率成像的问题。本发明能够在保证成像精度的前提下，提高成像速度，对目标进行实时高分辨率成像。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
具体的，本发明公开了一种太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法，包括：
步骤1，对THz步进频率SAR回波信号进行处理得到频域合成宽带信号；
步骤2，将步骤1获得的二维合成宽带信号的距离向信号转化为线性调频信号：
步骤3，使用传统CSA处理步骤2获得的距离向信号为线性调频信号的二维信号，得到SAR成像结果。
进一步地，所述步骤1包含如下步骤：
步进频率发射信号为
其中，
fi＝f0+iΔf,i＝0，1，2，3，...，N-1，t是快时间变量，Tr是步进频率信号的脉冲周期，τ为脉冲持续时间，f0为初始频率，Δf为载波频率步长，N为子脉冲数，i为子脉冲的索引，fi为各个子频率的载频。
对于一个点目标，忽略其反射系数，接收信号为
其中，R是雷达传感器到点目标的距离，C是真空中的光速
本振信号为
步骤1.1，将回波信号与本振信号进行混频操作，得到混频后的信号
步骤1.2，对混频信号进行采样操作得到合成宽带信号，这里的采样指的是从混频信号的每个子脉冲中采样一个点出来。
其中sout(i)是一维的合成宽带信号。步进频率信号将带宽为B＝NΔf的信号划分为N个传输，从而减少了系统的实时带宽。
进一步地，所述步骤2包含如下步骤：
由于传统的CSA只适合处理距离向具有线性调频性质的信号，为了在THz步进频率SAR中应用传统的CSA，有必要将合成宽带信号转化为线性调频信号。在SAR成像中，雷达随平台一起作匀速直线运动，将平台飞行方向定义为方位向，与之垂直的方向为距离向。目标到雷达的距离会随着雷达的方位向运动而改变，此时的二维合成宽带信号为
其中
Rmax＞R＞Rmin，η是慢时间变量，R0是雷达离目标最近时的倾斜距离，Rmin是最近距离，Rmax是最远距离，wa(η)是方位向包络(矩形窗函数)，Ta是目标方位向曝光时间。
步骤2.1，将距离向中心频率归零，令
则上式可重写为
步骤2.2，将步骤2.1得到的信号乘以一个参考距离处的相位，所述的参考距离处相位为
其中，Rref表示参考距离。
补偿后的信号为
步骤2.3，将步骤2.2得到的信号乘以一个二次相位，所述的二次相位为：
补偿后的信号为
假设Kr，Tp和Br是转换得到的线性调频信号的调频率、脉冲持续时间和带宽。为了应用驻相定理(principle of stationary phase，POSP)，我们需要时宽带宽积(time bandwidthproduct，TBP)大于或等于100，即TBP＝BrTp≥100。根据上式我们可以得到
为了防止信号在时域发生混叠，需要令Tp尽可能的小，因此/>
步骤2.4，对步骤2.3中得到的信号执行距离向逆傅立叶变换(inverse fastFourier transform，IFFT)操作，得到线性调频信号。
当
时，
其中，
本发明公开了一种高效的THz步进频率SAR成像方法，其处理流程如图1所示，主要包括以下步骤：
步骤1，对THz步进频率SAR目标回波信号进行处理得到频域合成宽带信号；
步骤2，将步骤1获得的二维合成宽带信号的距离向信号转化为线性调频信号：
步骤3，使用传统CSA处理步骤2获得的距离向信号为线性调频信号的二维信号，得到SAR成像结果。
步骤1包含如下步骤：
步骤1.1，将回波信号与本振信号进行混频操作，得到混频后的信号；
步骤1.2，对混频信号进行采样操作得到合成宽带信号，这里的采样指的是从混频信号的每个子脉冲中采样一个点出来。
步骤2包含如下步骤：
步骤2.1，将合成宽带信号的距离向频率归零；
步骤2.2，将步骤2.1得到的信号乘以一个参考距离处的相位，所述的参考距离处相位为：
其中，
表示距离频率，R表示点目标到传感器的距离，Rref表示参考距离，C表示真空中的光速。
步骤2.3，将步骤2.2得到的信号乘以一个二次相位，所述的二次相位为：
其中，Kr表示转换后线性调频信号的线性调频率。
步骤2.4，对步骤2.3中得到的信号执行距离向IFFT操作，得到线性调频信号。
为了验证本发明的有效性，进行了如下仿真。雷达仿真模型是如图2所示的正侧视条带合成孔径雷达模型，主要的仿真参数如表1所示。
表1
以场景中心点为目标进行了回波仿真，分别使用RDA，RMA，BPA和SF-CSA去处理这些仿真回波数据。本发明使用MATLAB在一个具有8GB内存和i5-8265U CPU的电脑上分别模拟这些算法。每个算法消耗的时间如表2所示。
表2
| 算法 | BPA | RMA | RDA | SF-CSA |
| 消耗的时间(s) | 4232.473 | 63.882 | 58.753 | 6.102 |
从表2中可以发现BPA需要最长的时间，SF-CSA需要最短的时间，RDA和RMA需要中等时间。对于这些算法，场景中心点的距离向和方位向的脉冲响应函数如图3所示。表3列出了距离和方位向的峰值旁瓣比(PSLR)和综合旁瓣比(ISLR)以及测量得到的距离分辨率。
表3
| 算法 | BPA | RMA | RDA | SF-CSA |
| 距离向PSLR(dB) | -13.33 | -13.31 | -13.25 | -13.27 |
| 方位向PSLR(dB) | -13.33 | -13.32 | -13.36 | -13.33 |
| 距离向ISLR(dB) | -10.33 | -10.30 | -10.17 | -10.13 |
| 方位向ISLR(dB) | -10.67 | -10.74 | -10.79 | -10.76 |
| 测量的距离分辨率(m) | 0.00513 | 0.00513 | 0.00513 | 0.00513 |
由此可以得出结论：这些算法在精度上几乎相当，而SF-CSA在计算效率上具有很大的优势。相比较表2中列出的其它算法，SF-CSA在保证成像精度的前提下，提高了成像速度，它更适合THz步进频率SAR实时成像。
为了验证SF-CSA的有效性，进行了以两辆自行车和一个金属字母A作为成像目标的室内实验。图4是它们的光学图片。实验雷达系统参数与仿真中的参数相同。利用SF-CSA对雷达回波数据进行处理，得到实验成像结果。成像结果如图5所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高效的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
对于一个点目标，忽略其反射系数，接收到的所述回波信号为
其中，
fi＝f0+iΔf，i＝0，1，2，3，...，N-1，t是快时间变量，Tr是步进频率信号的脉冲周期，τ为脉冲持续时间，f0为初始频率，Δf为载波频率步长，N为子脉冲数，i为子脉冲的索引，fi为各个子频率的载频，R是雷达传感器到点目标的距离，C是真空中的光速；
对太赫兹步进频率合成孔径雷达回波信号进行处理得到频域合成宽带信号；
所述对太赫兹步进频率合成孔径雷达回波信号进行处理得到频域合成宽带信号的步骤具体包括：
将回波信号与本振信号进行混频操作，得到混频后的信号；
对混频信号进行采样操作得到合成宽带信号，其中，所述采样指的是从混频信号的每个子脉冲中采样一个点出来；
将所述频域合成宽带信号的距离向信号转化为线性调频信号：
使用CS算法处理距离向信号为所述线性调频信号，得到合成孔径雷达成像结果。
2.根据权利要求1所述的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述本振信号为
3.根据权利要求1所述的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述混频后的信号为
其中，sref(t)是本振信号。
4.根据权利要求1所述的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述合成宽带信号为
其中，sout(i)是一维的合成宽带信号。
5.根据权利要求1所述的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，将所述频域合成宽带信号的距离向信号转化为线性调频信号的步骤具体包括：
将合成宽带信号的距离向频率归零；
将上一步骤得到的信号乘以一个参考距离处的相位，所述参考距离处相位为：
其中，
表示距离频率，R表示点目标到传感器的距离，Rref表示参考距离，C表示真空中的光速；
将上一步骤得到的信号乘以一个二次相位，所述二次相位为：
其中，Kr表示转换后线性调频信号的线性调频率；
对上一步骤得到的信号执行距离向逆傅立叶变换操作，得到线性调频信号。
6.根据权利要求5所述的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述合成宽带信号为
其中
η是慢时间变量，R0是雷达离目标最近时的倾斜距离，Rmin是最近距离，Rmax是最远距离，wa(η)是方位向包络，Ta是目标方位向曝光时间。
7.根据权利要求6所述的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，将距离向中心频率归零，令
则所述合成宽带信号重写为
将S1乘以一个参考距离处的相位，可得到补偿后的信号为：
将S2乘以一个二次相位，可得到补偿后的信号为：
其中，fc是雷达中心频率。
8.根据权利要求7所述的太赫兹步进频率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述线性调频信号为：当
时，
其中，
Tp是所述线性调频信号的脉冲持续时间。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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