CN112748432B - 机载sar交替执行条带模式与广域mti模式的方法及装置 - Google Patents

机载sar交替执行条带模式与广域mti模式的方法及装置 Download PDF

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Abstract

机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的方法及装置。方法包括：确定条带模式与广域MTI模式的工作参数；以脉冲间隔的方式交替执行条带模式与广域MTI模式的工作参数，以获取条带模式与广域MTI模式的回波数据；根据条带模式的回波数据获取条带SAR图像，根据广域MTI模式的回波数据获取广域运动目标的轨迹信息；将广域运动目标的轨迹信息标注在所述条带SAR图像上。本发明提供的方法可以同时获取地/海面大范围的运动目标轨迹信息以及运动目标所处背景的高分辨率SAR图像，通过结合运动目标轨迹信息与高分辨率SAR图像，从而提高运动目标侦察与监视的准确度。

Description

机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的方法及装置
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)领域，特别涉及一种机载SAR交替执行条带模式与广域运动目标指示(Moving Target Indication，MTI)模式的方法及装置，本发明适用于具有方位向电控扫描能力的雷达系统。
背景技术
SAR是一种全天时全天候微波成像雷达，成像模式包括条带模式，具体的，条带模式以侧视或正侧视方式工作，地面被照射区域成条带形状。同时，SAR具有地/海面运动目标检测功能，运动目标检测模式包括广域MTI模式，具体的，广域MTI模式采用方位重复扫描方式工作，对大范围地/海面运动目标快速监视，能够多次覆盖监视区域，不仅能够检测动目标，得到运动目标的点迹，还可以将多次检测到的同一运动目标点迹关联起来，形成运动目标的运动轨迹(也称航迹)，从而对运动目标进行跟踪，但是，广域MTI模式不能同时获得高分辨率的SAR图像，只能同时获得多普勒波束锐化(Doppler Beam Sharpen，DBS)低分辨率图像。
因此，如何让SAR交替执行条带模式与广域MTI模式，从而将条带模式与广域MTI模式结合，同时获得SAR高分辨率图像和运动目标轨迹信息的能力，成为本领域一项亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的方法及装置，从而既能获取地/海面大范围的运动目标轨迹信息，又能同时得到运动目标所处背景的高分辨率SAR图像，通过结合运动目标轨迹信息与高分辨率SAR图像，以提高运动目标侦察与监视的准确度。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的方法，包括：
确定条带模式与广域MTI模式的工作参数；
以脉冲间隔的方式交替执行所述条带模式与广域MTI模式的工作参数，以获取所述条带模式与广域MTI模式的回波数据；
根据所述条带模式的回波数据获取条带SAR图像，根据所述广域MTI模式的回波数据获取广域运动目标的轨迹信息；
将所述广域运动目标的轨迹信息标注在所述条带SAR图像上。
在一实施例中，所述条带模式的工作参数包括：宽带信号带宽，脉冲宽度，脉冲重复频率，近端视角，远端视角，法向视角，近端斜距，远端斜距，采样起始，采样点数，方位向观测角。
在一实施例中，所述广域MTI模式的工作参数包括：窄带信号带宽，脉冲宽度，脉冲重复频率，近端视角，远端视角，法向视角，近端斜距，远端斜距，采样起始，采样点数，方位向扫描中心角，方位向扫描范围，方位扫描步进值，驻留脉冲数。
在一实施例中，所述条带模式的脉冲重复频率与所述广域MTI模式的脉冲重复频率相等，均为SAR发射的脉冲重复频率的一半。
在一实施例中，所述SAR发射的脉冲重复频率通过以下步骤确定：
步骤1：根据所述条带模式的脉冲重复频率以及所述广域MTI模式的脉冲重复频率所需要满足的条件，确定所述SAR发射的脉冲重复频率的取值范围；
步骤2：根据所述SAR发射的脉冲重复频率的取值范围以及预设的限制条件，确定波位图；
步骤3：从所述波位图中选取所述SAR发射的脉冲重复频率的取值，以确定所述广域MTI模式的脉冲重复频率；
步骤4：根据所述广域MTI模式的脉冲重复频率以及驻留脉冲数，计算所述广域MTI模式扫描一个周期所需要的重访时间；
步骤5：判断所述重访时间是否满足对目标的关联跟踪需求，若不满足，则返回所述步骤3，以重新选取所述SAR发射的脉冲重复频率的取值，并重复执行步骤4，直到所述重访时间满足对目标的关联跟踪需求。
在一实施例中，步骤1中的条带模式的脉冲重复频率需要满足以下条件：
其中，PRFstrip为所述条带模式的脉冲重复频率，Bd为多普勒带宽，nf为常数，V为搭载SAR的平台的速度，La为天线方位向尺寸。
在一实施例中，步骤1中的广域MTI模式的脉冲重复频率需要满足以下条件：
Ru＝1/PRFMTI*c/2≥Rfar
其中，PRFMTI为所述广域MTI模式的脉冲重复频率，Ru为SAR的最大不模糊距离，Rfar为远端斜距，c为光速。
在一实施例中，步骤2中的预设的限制条件包括：
其中，Tp为脉冲宽度，Tpt为脉冲保护时间，Rn为近端斜距，Rf为远端斜距，c为光速，PRFsystem为所述SAR发射的脉冲重复频率，H为搭载SAR的平台相对地面的高度，经过i个PRFsystem之后接收到回波，机下点回波延迟时间大于等于j个PRFsystem。
在一实施例中，在步骤4中，所述广域MTI模式扫描一个周期所需要的重访时间通过以下公式计算得到：
其中，T为所述重访时间，n为驻留脉冲数，Nstep为单次扫描的波束步进次数，PRFMTI为所述广域MTI模式的脉冲重复频率。
本发明实施例还提供一种机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的装置，包括以下模块：
参数确定模块，用于确定条带模式与广域MTI模式的工作参数；
执行模块，用于以脉冲间隔的方式交替执行所述条带模式与广域MTI模式的工作参数，以获取所述条带模式与广域MTI模式的回波数据；
回波数据处理模块，用于根据所述条带模式的回波数据获取条带SAR图像，并根据所述广域MTI模式的回波数据获取广域运动目标的轨迹信息；
数据融合模块，用于将所述广域运动目标的轨迹信息标注在所述条带SAR图像上。
由以上本发明实施例提供的技术方案可知，在确定条带模式和广域MTI模式的工作参数后，SAR以脉冲间隔的方式交替执行条带模式和广域MTI模式的工作参数，然后分别处理以条带模式和广域MTI模式参数工作的回波数据，从而同时获得条带SAR图像和地/海面广域动目标运动轨迹信息，最后将地/海面广域动目标运动轨迹信息标注在条带SAR图像上，提高了运动目标侦察与监视的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的方法流程图；
图2是本发明提供的SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的工作方式示意图；
图3是本发明提供的条带模式与广域MTI模式的参数设计流程图；
图4是本发明提供的机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的装置模块图；
图5是在一个具体的实施例中仿真得到的波位图以及PRFsystem选取示意图；
图6是在一个具体的实施例中仿真得到的条带模式噪声等效后向散射系数示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
参考图1所示，本发明实施例提供了一种机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的方法，该方法适用于具有方位向电控扫描能力的机载雷达系统，方法可以包括：
S1：确定条带模式与广域MTI模式的工作参数。
具体的，可以根据搭载SAR的平台的飞行高度、飞行地速以及分辨率、测绘带宽、作用距离等指标要求或输入条件，确定条带模式与广域MTI模式的工作参数。
条带模式的工作参数包括：宽带信号带宽，脉冲宽度，脉冲重复频率(PulseRepetition Frequency，PRF)，近端视角，远端视角，法向视角，近端斜距，远端斜距，采样起始，采样点数，方位向观测角。其中，条带模式的方位向观测角是固定不变的，通常将条带模式的方位向观测角设置为0度，即工作于正侧视状态。需要注意的是，宽带信号带宽为适合高分辨率条带模式的宽带带宽，且保证噪声等效后向散射系数(NESZ)满足图像信噪比使用要求。NESZ可以通过以下公式计算得到：
其中，K为波尔兹曼常数，T0为接收机温度，Fn为接收机噪声系数，R为搭载SAR的平台至目标的斜距，Ls为系统损耗，Pav为发射信号平均功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，λ为波长，ρg为地距分辨率，V为搭载SAR的平台的速度。
广域MTI模式的工作参数包括：窄带信号带宽，脉冲宽度，脉冲重复频率，近端视角，远端视角，法向视角，近端斜距，远端斜距，采样起始，采样点数，方位向扫描中心角，方位向扫描范围，方位扫描步进值，驻留脉冲数。其中，广域MTI模式的方位向扫描中心角通常设置为0度，方位向扫描范围通常设置为±30度，±45度，±60度等角度值。
S2：以脉冲间隔的方式交替执行所述条带模式与广域MTI模式的工作参数，以获取所述条带模式与广域MTI模式的回波数据。
参考图2所示，为SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的工作方式示意图，其中，条带模式的脉冲重复频率与所述广域MTI模式的脉冲重复频率相等，均为SAR发射的脉冲重复频率的一半。
PRFstrip＝PRFMTI (2)
PRFsystem＝2×PRFstrip (3)
其中，PRFstrip为条带模式的脉冲重复频率，PRFMTI为广域MTI模式的脉冲重复频率，PRFsystem为SAR发射的脉冲重复频率。
具体的，参考图3所示，PRFsystem可以通过以下步骤1至步骤5确定：
步骤1：根据所述条带模式的脉冲重复频率以及所述广域MTI模式的脉冲重复频率所需要满足的条件，确定所述SAR发射的脉冲重复频率的取值范围。
为了避免方位模糊，条带模式的脉冲重复频率PRFstrip应大于等于方位向多普勒带宽的nf倍，因此，PRFstrip需要满足以下条件：
其中，PRFstrip为条带模式的脉冲重复频率，Bd为多普勒带宽，nf为常数，nf的值一般可以取1.3～1.4，V为搭载SAR的平台的速度，La为天线方位向尺寸。
为了保证广域MTI模式无距离模糊，SAR的最大不模糊距离Ru需要大于远端斜距Rfar，因此，PRFMTI需要满足以下条件：
Ru＝1/PRFMTI*c/2≥Rfar (5)
其中，PRFMTI为广域MTI模式的脉冲重复频率，Ru为SAR的最大不模糊距离，Rfar为远端斜距，c为光速。
步骤2：根据所述SAR发射的脉冲重复频率的取值范围以及预设的限制条件，确定波位图。
具体的，在通过步骤1确定了PRFsystem的取值范围后，需要结合近端视角、远端视角、脉冲宽度等参数确定波位的空间限制条件，即波位图，以保证波位对应的观测带回波可以被完整且无干扰地接收。波位图由以下限制条件确定：
经过了i个PRFsystem后接收到了回波，则发射脉冲不落入回波接收窗的限制条件是：
机下点回波延迟时间大于等于j个PRFsystem，使机下点回波干扰不落在接收窗内的限制条件是：
其中，Tp为脉冲宽度，Tpt为脉冲保护时间，Rn为近端斜距，Rf为远端斜距，c为光速，PRFsystem为所述SAR发射的脉冲重复频率，H为搭载SAR的平台相对地面的高度。
步骤3：从所述波位图中选取所述SAR发射的脉冲重复频率的取值，以确定所述广域MTI模式的脉冲重复频率。
步骤4：根据所述广域MTI模式的脉冲重复频率以及驻留脉冲数，计算所述广域MTI模式扫描一个周期所需要的重访时间。
具体的，广域MTI模式采用方位向从机尾向机头的重复扫描方式工作，根据扫描范围需求(±ψ度)以及所选波位的脉冲宽度、PRFMTI、近端视角、远端视角、法向视角、近端斜距、远端斜距和采样起始，设计适合广域MTI模式的窄带信号带宽，选择合适的驻留脉冲数n，使得广域MTI模式的作用距离RMTI大于等于远端斜距Rfar，以保证照射范围内目标满足检测性能，进而根据驻留脉冲数n和PRFMTI计算出重访时间。其中，广域MTI模式的作用距离通过以下公式计算得到：
其中，Pt为峰值发射功率，σt为目标雷达散射截面积(RCS)，D0为检测力因子，Lsys为系统损耗(包括大气双程损耗，天线罩损耗，天线扫描损耗，系统幅相误差损耗，信号处理损耗等)。
例如，天线方位向3dB的波束宽度为：
其中，λ为发射信号波长，La为天线方位向尺寸。
以3dB波束宽度θ3dB的一半为步进角度，单次扫描的波束步进次数Nstep为：
广域MTI模式扫描一个周期(对应方位向-ψ度至ψ度)所需要的重访时间通过以下公式计算得到：
其中，T为所述重访时间，n为驻留脉冲数，Nstep为单次扫描的波束步进次数，PRFMTI为所述广域MTI模式的脉冲重复频率。
步骤5：判断所述重访时间是否满足对目标的关联跟踪需求，若不满足，则返回所述步骤3，以重新选取所述SAR发射的脉冲重复频率的取值，并重复执行步骤4，直到所述重访时间满足对目标的关联跟踪需求。
具体的，通常对地面目标关联跟踪的重访时间需求是小于15秒，对海面目标关联跟踪的重访时间需求是小于30秒。
S3：根据所述条带模式的回波数据获取条带SAR图像，根据所述广域MTI模式的回波数据获取广域运动目标的轨迹信息。
S4：将所述广域运动目标的轨迹信息标注在所述条带SAR图像上。
参考图4所示，为本发明实施例还提供一种机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的装置，包括以下模块：
参数确定模块100，用于确定条带模式与广域MTI模式的工作参数。
执行模块200，用于以脉冲间隔的方式交替执行所述条带模式与广域MTI模式的工作参数，以获取所述条带模式与广域MTI模式的回波数据。
回波数据处理模块300，用于根据所述条带模式的回波数据获取条带SAR图像，并根据所述广域MTI模式的回波数据获取广域运动目标的轨迹信息。
数据融合模块400，用于将所述广域运动目标的轨迹信息标注在所述条带SAR图像上。
下面通过一个具体的实施例，来进一步说明本发明的技术方案。
具体的，以对地侦察与监视为例，主要指标要求及输入条件如下所示：
飞行高度10000m、飞行地速200m/s、载波中心频率9.6GHz(X波段)、天线尺寸为：0.8m(长)×0.26m(高)、峰值功率5000W、条带模式分辨率为0.5m(方位)×0.5m(距离)、广域MTI模式的分辨率为10m(距离)、测绘带宽30km、作用距离70km、广域MTI方位向扫描范围为±45°、广域MTI模式探测车辆目标RCS为10m2。
首先，根据机载SAR的飞行高度、作用距离、测绘带宽，可以确定距离向测绘带区域：近端斜距40.5km、远端斜距70km、近端视角75.5°、远端视角81.5°、测绘带宽30km，根据分辨率要求可以确定信号带宽400MHz。
为避免方位模糊，条带模式的脉冲重复频率PRFstrip应大于等于方位向多普勒带宽的1.4倍，即：
为保证广域MTI模式无距离模糊，雷达的最大不模糊距离Ru需要大于远端斜距Rfar，即PRFMTI需满足：
采用脉冲间隔的方式交替执行条带模式和广域MTI模式的工作形式，即用于条带成像和广域MTI模式的PRF相等，且值为SAR实际发射PRF的一半。因此，实际发射的PRF的取值范围为：
1240Hz≤PRFsystem≤4286Hz (14)
进一步的，根据公式(6)和(7)，可以从波位图中选取合适的信号脉宽和PRFsystem，如图5所示，脉冲宽度为60us时，选取PRFsystem＝1600Hz，从而得到PRFstrip＝800Hz、PRFMTI＝800Hz。
再根据公式(1)计算噪声等效后向散射系数，公式(1)中的接收机温度为290K，波尔兹曼常数为1.38×10-23J/K。X波段的噪声等效后向散射系数一般要求为优于-20～-25dB，参考图6可以看出，根据上述参数计算得到的噪声等效后向散射系数优于-26dB，满足图像信噪比使用需求。
广域MTI模式单次扫描采用从后向前的步进扫描方式。根据方位扫描范围需求(±45°)以及所选脉冲宽度(60us)以及波位的近端视角、远端视角、近端斜距、远端斜距和PRFMTI，设计信号带宽为20MHz，驻留脉冲数n＝32，并根据公式(8)计算出作用距离为86km，大于70km作用距离要求，能够保证探测范围满足目标检测性能。
天线方位向3dB波束宽度为：
以3dB波束宽度的一半为步进角度，单周期扫描的波束步进次数Nstep为：
扫描一个周期(±ψ度)所需的重访时间T的计算为：
广域MTI模式探测重访时间3.6s满足对目标关联跟踪的需求，设计完毕。输出条带模式、广域MTI模式的工作参数，并利用得到的条带模式、广域MTI模式的工作参数，交替执行条带模式与广域MTI模式，获取回波数据并进行处理，最终将广域运动目标的轨迹信息标注在条带SAR图像上。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的方法，其特征在于，包括：
确定条带模式与广域MTI模式的工作参数；
以脉冲间隔的方式交替执行所述条带模式与广域MTI模式的工作参数，以获取所述条带模式与广域MTI模式的回波数据；
根据所述条带模式的回波数据获取条带SAR图像，根据所述广域MTI模式的回波数据获取广域运动目标的轨迹信息；
将所述广域运动目标的轨迹信息标注在所述条带SAR图像上；
SAR发射的脉冲重复频率通过以下步骤确定：
步骤1：根据所述条带模式的脉冲重复频率以及所述广域MTI模式的脉冲重复频率所需要满足的条件，确定所述SAR发射的脉冲重复频率的取值范围；
步骤2：根据所述SAR发射的脉冲重复频率的取值范围以及预设的限制条件，确定波位图；
步骤3：从所述波位图中选取所述SAR发射的脉冲重复频率的取值，以确定所述广域MTI模式的脉冲重复频率；
步骤4：根据所述广域MTI模式的脉冲重复频率以及驻留脉冲数，计算所述广域MTI模式扫描一个周期所需要的重访时间；
步骤5：判断所述重访时间是否满足对目标的关联跟踪需求，若不满足，则返回所述步骤3，以重新选取所述SAR发射的脉冲重复频率的取值，并重复执行步骤4，直到所述重访时间满足对目标的关联跟踪需求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述条带模式的工作参数包括：宽带信号带宽，脉冲宽度，脉冲重复频率，近端视角，远端视角，法向视角，近端斜距，远端斜距，采样起始，采样点数，方位向观测角。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述广域MTI模式的工作参数包括：窄带信号带宽，脉冲宽度，脉冲重复频率，近端视角，远端视角，法向视角，近端斜距，远端斜距，采样起始，采样点数，方位向扫描中心角，方位向扫描范围，方位扫描步进值，驻留脉冲数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述条带模式的脉冲重复频率与所述广域MTI模式的脉冲重复频率相等，均为SAR发射的脉冲重复频率的一半。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述条带模式的脉冲重复频率需要满足以下条件：
其中，PRFstrip为所述条带模式的脉冲重复频率，Bd为多普勒带宽，nf为常数，V为搭载SAR的平台的速度，La为天线方位向尺寸。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述广域MTI模式的脉冲重复频率需要满足以下条件：
Ru＝1/PRFMTI*c/2≥Rfar
其中，PRFMTI为所述广域MTI模式的脉冲重复频率，Ru为SAR的最大不模糊距离，Rfar为远端斜距，c为光速。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述预设的限制条件包括：
经过了i个PRFsystem后接收到了回波，则发射脉冲不落入回波接收窗的限制条件是：
机下点回波延迟时间大于等于j个PRFsystem，使机下点回波干扰不落在接收窗内的限制条件是：
其中，Tp为脉冲宽度，Tpt为脉冲保护时间，Rn为近端斜距，Rf为远端斜距，c为光速，PRFsystem为所述SAR发射的脉冲重复频率，H为搭载SAR的平台相对地面的高度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述广域MTI模式扫描一个周期所需要的重访时间通过以下公式计算得到：
其中，T为所述重访时间，n为驻留脉冲数，Nstep为单次扫描的波束步进次数，PRFMTI为所述广域MTI模式的脉冲重复频率。
9.一种机载SAR交替执行条带模式与广域MTI模式的装置，其特征在于，包括：
参数确定模块，用于确定条带模式与广域MTI模式的工作参数；
执行模块，用于以脉冲间隔的方式交替执行所述条带模式与广域MTI模式的工作参数，以获取所述条带模式与广域MTI模式的回波数据；
回波数据处理模块，用于根据所述条带模式的回波数据获取条带SAR图像，并根据所述广域MTI模式的回波数据获取广域运动目标的轨迹信息；
数据融合模块，用于将所述广域运动目标的轨迹信息标注在所述条带SAR图像上；
SAR发射的脉冲重复频率通过以下步骤确定：
步骤1：根据所述条带模式的脉冲重复频率以及所述广域MTI模式的脉冲重复频率所需要满足的条件，确定所述SAR发射的脉冲重复频率的取值范围；
步骤2：根据所述SAR发射的脉冲重复频率的取值范围以及预设的限制条件，确定波位图；
步骤3：从所述波位图中选取所述SAR发射的脉冲重复频率的取值，以确定所述广域MTI模式的脉冲重复频率；
步骤4：根据所述广域MTI模式的脉冲重复频率以及驻留脉冲数，计算所述广域MTI模式扫描一个周期所需要的重访时间；
步骤5：判断所述重访时间是否满足对目标的关联跟踪需求，若不满足，则返回所述步骤3，以重新选取所述SAR发射的脉冲重复频率的取值，并重复执行步骤4，直到所述重访时间满足对目标的关联跟踪需求。
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