CN112904340B - 一种合成孔径雷达宽幅扫描实现方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种合成孔径雷达宽幅成像实现方法及装置。其包括：基于脉间切换的多个俯仰波束指向调整；接收不同俯仰波束指向的回波信号，得到不同距离区间的雷达回波信号；对不同距离区间的雷达回波信号进行成像处理，分别得到不同距离区间的图像；对不同距离区间的图像数据进行拼接处理，得到大幅宽的雷达图像。利用本发明可在获得宽幅图像的同时，又保证了成像的分辨力，解决了对地合成孔径雷达在宽幅成像时分辨力下降的问题。
Description
技术领域
本发明涉及机载/星载合成孔径雷达技术领域，尤其是相控阵合成孔径雷达宽幅扫描成像的方法和装置。
背景技术
波束扫描合成孔径雷达(Scan SAR)不仅能在较宽的角度范围内改变其观测视角，而且能够大大扩展其一次通过观测地区时的观测带宽度。这对改进成像效果和对变化较快的大规模地表现象的观测，例如土壤水分的确定、农作物生长变化、洪水灾害和大规模海洋现象的监测等，以及缩短全球覆盖的重复观测周期都是很重要的。
在ScanSAR中，天线的若干个不同波位的覆盖区以适当方式组合起来，从而得到扩展了的组合观测带宽度。它在若干个不同天线波位之间合理分配成像时间，以得到全部组合观测带宽度上的连续的雷达图像。最终将不同组合观测带宽上的雷达图像进行拼接处理，就可以获取较宽测绘带的雷达图像。
常用的ScanSAR成像方法是通过周期性调整波束在俯仰向的指向角来获得距离宽幅测绘带，它通过在多个子测绘带间切换，来扩展其一次通过观测地区时的观测带宽度，从而实现宽测绘带观测，波束首先在第一个子测绘带工作一段时间，再切换到第二个子测绘带。对所有子测绘带完成扫描后，再回到第一个子测绘带继续工作。为了地面图像能够连续，ScanSAR需要在合成孔径时间内完成对所有子测绘带的观测，在每个测绘带观测的时间就会比较少。从目标的角度看，就是把原来的合成孔径时间，与在同一方位向不同测绘带的目标分享，各占一段。由于波束在方位向的不连续使得图像在方位向存在明显的扇贝效应，并且图像的方位模糊比和输出信噪比不一致。
如申请号为CN201811394748.9公开的一种基于多脉冲组合的SAR宽幅成像方法，该方法基于多脉冲组合序列循环发射多脉冲；接收所述多脉冲的回波信号，并对接收的回波信号进行解码，以得到不同距离区间的雷达回波信号；根据不同距离区间，对所述雷达回波信号进行处理，以得到大幅宽的合成孔径雷达图像。利用本发明的多脉冲组合方法，可以消除合成孔径雷达工作参数制约对提高成像幅宽的限制，实现大幅宽合成孔径雷达成像。该方案中的方法适用于数字体制雷达，需要实时计算各脉冲相位，实现脉冲级切换，理论上可行，工程实现上难度较大，且方案重点在于脉冲的编码，对信号处理、图像拼接等方面未有描述。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于宽幅成像时带来的分辨率下降等问题，提供一种合成孔径雷达宽幅扫描成像的方法和装置的工作架构和主要实现途径，以大幅提高合成孔径雷达宽幅扫描成像雷达的综合探测性能。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的，
一种合成孔径雷达宽幅成像实现方法，包括以下步骤：
步骤1.根据系统幅宽要求提前计算不同俯仰指向的波束控制码，采用配置文件的方式预先加载到任务控制器；
步骤2.在雷达进入工作态前，将波束控制码写入时序控制FPGA缓存；
步骤3.时序控制FPGA产生工作时序，每个时序周期切换不同波束指向的码值，并同步更新到波束控制装置，波束控制装置在时序发射周期内控制天线单元TR组件；
步骤4.数字收发装置根据时序节拍采集回波IQ数据，完成IQ数据和工作参数的打包处理，并输出到信号处理装置；
步骤5.信号处理装置对不同波束指向的回波IQ数据进行分类，获取相同指向的回波数据，当积累一定的脉冲数据后，分别进行成像处理，获取不同波束指向对应的雷达图像数据，并输出到图像显示装置；
步骤6.图像显示装置对不同波束指向的雷达图像数据进行拼接处理，获取多个波束指向拼接后的宽幅图像数据。
本发明提供合成孔径雷达宽幅成像工程实现方法，适用于模拟体制雷达，通过预存波控码的方式，减少波控码的计算和传输时间，实现波束指向的快速切换，从而达到同时获取多个幅宽的回波数据，并分别进行成像和拼接处理，获取大幅宽高分辨率图像，工程上易于实现。
进一步的，所述步骤1具体为：根据系统成像幅宽要求和当前雷达波束宽度，计算覆盖测绘带宽所需的俯仰波束指向角，以能够覆盖测绘带，根据波束俯仰向指向角计算波束控制码，以约定的格式保存成数据文件，加载到任务控制器，保存到存储器中。
进一步的，所述步骤2具体为：当系统上电后，任务控制器读取波束控制码文件，并将所有波束控制码数据发送到时序控制FPGA，并进行缓存。
进一步的，所述步骤3具体为：当雷达进入工作态后，时序控制FPGA根据设置的重复频率的N倍和脉宽产生工作时序，每个时序周期选择不同俯仰向波束控制码，按顺序循环选择，在每个时序导前开始后将选择的波束控制码发送到波束控制装置，波束控制装置收到后控制天线TR组件。
进一步的，所述步骤4具体为：时序控制FPGA根据时序导前，将工作参数发送到数据采集装置，数据采集装置实时采集雷达回波IQ数据，并将回波IQ数据和工作参数进行打包处理，工作参数中包含当前波束指向角标识，打包后的数据输出到信号处理装置。
进一步的，所述步骤5具体为：信号处理装置接收到回波IQ数据后，根据波束指向角标识对回波IQ数据进行分类缓存，当合成孔径积累到一定时间后，信号处理装置对不同波束指向的回波数据分别进行成像处理，生成的图像数据输出到图像显示装置。
进一步的，所述步骤6具体为：图像显示装置收到不同波束指向的图像数据后，首先进行缓存处理，然后采用图像匹配方法对图像数据进行拼接处理，获取本帧宽幅图像数据，并进行图像显示。
本发明还提供一种应用于上述方法的成孔径雷达宽幅成像实现装置，包括任务控制器、时序控制器、波束控制器、TR组件、数据采集器、信号处理器、图像处理器；所述任务控制器与时序控制器、数据采集器通信连接；所述时序控制器与波束控制器、数据采集器通信连接；所述波束控制器与TR组件通信连接；所述TR组件与数据采集器通信连接；所述数据采集器与信号处理器通信连接；所述信号处理器与图像处理器通信连接；
所述任务控制器加载不同俯仰指向的码值文件和工作参数控制，由时序控制器产生系统工作时序，并根据导前触发更新不同指向波束控制码，波束控制器接收波束控制码并控制TR组件，数据采集器根据任务控制器输出的工作时序以及工作参数，实时接收回波IQ数据，完成回波数据与参数的打包处理并输出，信号处理器完成回波数据接收、分类以及分发，并完成不同指向对应回波数据的成像处理并输出，图形处理器接收图像数据后，完成同一帧图像的拼接处理以及不同帧之间的拼接处理。
本发明的优点在于：
本发明通过脉间波控码值的快速切换，实现雷达波束指向的快速变换，获取不同距离幅宽的图像数据；采用较高的工作重复频率，能够保证不同距离幅宽的数据采样，从而获取较高分辨率的图像数据；通过不同的信号处理器对不同幅宽的回波IQ数据并行进行成像处理，保证成像处理的实时性；通过图像处理器对不同距离幅宽，不同帧图像进行快速拼接处理，能够获取探测场景的宽幅大范围图像。
本发明提供合成孔径雷达宽幅成像工程实现方法，适用于模拟体制雷达，通过预存波控码的方式，减少波控码的计算和传输时间，实现波束指向的快速切换，从而达到同时获取多个幅宽的回波数据，并分别进行成像和拼接处理，获取大幅宽高分辨率图像，工程上易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例中合成孔径雷达宽幅扫描方法流程框图；
图2是本发明实施例的宽幅扫描系统框架示意图；
图3是本发明实施例的时序控制器产生时序示意图；
图4是本发明实施例的成像信号处理示意图；
图5是本发明实施例的图像拼接处理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种合成孔径雷达宽幅成像实现方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1.根据系统幅宽要求提前计算不同俯仰指向的波束控制码，采用配置文件的方式预先加载到任务控制器；具体为：
根据系统成像幅宽要求和当前雷达波束宽度，计算覆盖测绘带宽所需的俯仰波束指向角，以能够覆盖测绘带，根据波束俯仰向指向角计算波束控制码，以约定的格式保存成数据文件，加载到任务控制器，保存到存储器中。
步骤2.在雷达进入工作态前，将波束控制码写入时序控制FPGA缓存；具体为：当系统上电后，任务控制器读取波束控制码文件，并将所有波束控制码数据发送到时序控制FPGA，并进行缓存。
步骤3.时序控制FPGA产生工作时序，每个时序周期切换不同波束指向的码值，并同步更新到波束控制装置，波束控制装置在时序发射周期内控制天线单元TR组件；具体为：当雷达进入工作态后，时序控制FPGA根据设置的重复频率的N倍和脉宽产生工作时序，每个时序周期选择不同俯仰向波束控制码，按顺序循环选择，在每个时序导前开始后将选择的波束控制码发送到波束控制装置，波束控制装置收到后控制天线TR组件。
步骤4.数字收发装置根据时序节拍采集回波IQ数据，完成IQ数据和工作参数的打包处理，并输出到信号处理装置；具体为：时序控制FPGA根据时序导前，将工作参数发送到数据采集装置，数据采集装置实时采集雷达回波IQ数据，并将回波IQ数据和工作参数进行打包处理，工作参数中包含当前波束指向角标识，打包后的数据输出到信号处理装置。
步骤5.信号处理装置对不同波束指向的回波IQ数据进行分类，获取相同指向的回波数据，当积累一定的脉冲数据后，分别进行成像处理，获取不同波束指向对应的雷达图像数据，并输出到图像显示装置；具体为：信号处理装置接收到回波IQ数据后，根据波束指向角标识对回波IQ数据进行分类缓存，当合成孔径积累到一定时间后，信号处理装置对不同波束指向的回波数据分别进行成像处理，生成的图像数据输出到图像显示装置。
步骤6.图像显示装置对不同波束指向的雷达图像数据进行拼接处理，获取多个波束指向拼接后的宽幅图像数据。具体为，图像显示装置收到不同波束指向的图像数据后，首先进行缓存处理，然后采用图像匹配方法对图像数据进行拼接处理，获取本帧宽幅图像数据，并进行图像显示。
本实施例提供合成孔径雷达宽幅成像工程实现方法，适用于模拟体制雷达，通过预存波控码的方式，减少波控码的计算和传输时间，实现波束指向的快速切换，从而达到同时获取多个幅宽的回波数据，并分别进行成像和拼接处理，获取大幅宽高分辨率图像，工程上易于实现。
相对应的，本实施例还提供一种应用于上述方法的装置，如图2中给出了合成孔径雷达宽幅扫描装置系统结构示意图，系统包括任务控制器、时序控制器、波束控制器、TR组件、数据采集器、信号处理器、图像处理器。由任务控制器加载不同俯仰指向的码值文件和工作参数控制，由时序控制器产生系统工作时序，并根据导前触发更新不同指向波束控制码，波束控制器接收波束控制码并控制TR组件，数据采集器根据任务控制器输出的工作时序以及工作参数，实时接收回波IQ数据，完成回波数据与参数的打包处理并输出，信号处理器完成回波数据接收、分类以及分发，并完成不同指向对应回波数据的成像处理并输出，图形处理器接收图像数据后，完成同一帧图像的拼接处理以及不同帧之间的拼接处理。
码值加载
在本发明实施中，码值的加载具体实施描述如下：首先根据测绘带进行俯仰向波束指向编排，为满足不同测绘带的图像拼接要求，相邻测绘带之间交叠系数应不低于10％；然后计算不同俯仰向波束指向的波控码值，并形成波控码值文件；提前将波控码值文件加载到任务控制器进行存储，当雷达上电时读取波控码值文件，并将码值文件写入时序控制器进行缓存。
时序控制
在本发明实施中，时序的控制具体实施描述如下：任务控制器将设置的工作参数(存储在本地的参数或控制指令传来的参数，包括脉冲重复频率和脉宽)传递给时序控制器，时序控制器根据工作参数产生相应的工作时序，如图3所示。根据成像距离测绘带的个数N，实际产生时序的脉冲重复频率为设置的脉冲重复频率的N倍，同时产生N个导前触发(N建议不超过3，原因是过多的测绘带会带来更多的系统资源消耗)。
波束控制
在本发明实施中，波束的控制具体实施描述如下：首先，时序控制器根据参数对应的工作时序，对多个波束指向进行编排，产生多个波束指向的触发信号、波束控制码，按照顺序在每个导前之后将不同俯仰指向的波控码值输出到波束控制器；然后，波束控制器根据触发信号将收到的波束控制码写入移相器，从而控制雷达天线中的TR组件。
数据采集
在本发明实施中，数据的采集具体实施描述如下：TR组件在波束控制器的控制下进行波束的发射和接收，数据采集器在任务控制器和时序控制器的控制下对TR组件接收的数据进行回波IQ数据的采集、格式化、打包以及输出。
成像信号处理
在本发明实施中，成像信号处理具体实施描述如下：信号处理器根据数据采集器输出的回波数据中不同的波束指向标识对接收的回波IQ数据进行分类，然后将不同指向标识的数据分发到不同的处理器分别进行成像处理，若波束指向标识超过处理器的个数，则按顺序循环分发到处理器中，各测绘带图像处理完成后，信号处理器分别输出图像数据到图像处理器，如图4所示。
图像拼接处理
在本发明实施中，图像拼接处理具体实施描述如下：图像处理器接收信号处理器输出的不同距离测绘带的图像数据，针对同一帧不同距离幅宽的图像，首先找到多幅图像数据的对应特征点，之后依据对应的特征点对多幅图像数据进行自动拼接处理，获取当前帧的宽幅图像数据。同时完成不同帧之间宽幅图像的拼接处理，获取探测场景连续的图像数据，如图5所示。
综上所述，本发明提供一种基于脉冲切换的宽幅成像控制、处理方法和装置。采用较高的重复频率，通过脉间快速波束指向切换，实现不同距离测绘带的成像，在获取宽幅图像的同时，又能获取较高的图像分辨率，在合成孔径雷达技术领域具有广泛的应用，在军事国防、经济建设中具有积极的推动作用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种合成孔径雷达宽幅成像实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.根据系统幅宽要求提前计算不同俯仰指向的波束控制码，采用配置文件的方式预先加载到任务控制器；
步骤2.在雷达进入工作态前，将波束控制码写入时序控制FPGA缓存；
步骤3.时序控制FPGA产生工作时序，每个时序周期切换不同波束指向的码值，并同步更新到波束控制装置，波束控制装置在时序发射周期内控制天线单元TR组件；当雷达进入工作态后，时序控制FPGA根据设置的重复频率的N倍和脉宽产生工作时序；所述N为成像距离测绘带的个数；
步骤4.数字收发装置根据时序节拍采集回波IQ数据，完成IQ数据和工作参数的打包处理，并输出到信号处理装置；
步骤5.信号处理装置对不同波束指向的回波IQ数据进行分类，具体为根据波束指向角标识对回波IQ数据进行分类缓存，获取相同指向的回波数据，当积累一定的脉冲数据后，分别进行成像处理，获取不同波束指向对应的雷达图像数据，并输出到图像显示装置；
步骤6.图像显示装置对不同波束指向的雷达图像数据进行拼接处理，获取多个波束指向拼接后的宽幅图像数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：根据系统成像幅宽要求和当前雷达波束宽度，计算覆盖测绘带宽所需的俯仰波束指向角，以能够覆盖测绘带，根据波束俯仰向指向角计算波束控制码，以约定的格式保存成数据文件，加载到任务控制器，保存到存储器中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：当系统上电后，任务控制器读取波束控制码文件，并将所有波束控制码数据发送到时序控制FPGA，并进行缓存。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：当雷达进入工作态后，时序控制FPGA根据设置的重复频率的N倍和脉宽产生工作时序，每个时序周期选择不同俯仰向波束控制码，按顺序循环选择，在每个时序导前开始后将选择的波束控制码发送到波束控制装置，波束控制装置收到后控制天线TR组件。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体为：时序控制FPGA根据时序导前，将工作参数发送到数据采集装置，数据采集装置实时采集雷达回波IQ数据，并将回波IQ数据和工作参数进行打包处理，工作参数中包含当前波束指向角标识，打包后的数据输出到信号处理装置。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5具体为：信号处理装置接收到回波IQ数据后，根据波束指向角标识对回波IQ数据进行分类缓存，当合成孔径积累到一定时间后，信号处理装置对不同波束指向的回波数据分别进行成像处理，生成的图像数据输出到图像显示装置。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6具体为：图像显示装置收到不同波束指向的图像数据后，首先进行缓存处理，然后采用图像匹配方法对图像数据进行拼接处理，获取本帧宽幅图像数据，并进行图像显示。
8.一种合成孔径雷达宽幅成像实现装置，应用于权利要求1至7任一所述的方法，其特征在于，包括任务控制器、时序控制器、波束控制器、TR组件、数据采集器、信号处理器、图像处理器；所述任务控制器与时序控制器、数据采集器通信连接；所述时序控制器与波束控制器、数据采集器通信连接；所述波束控制器与TR组件通信连接；所述TR组件与数据采集器通信连接；所述数据采集器与信号处理器通信连接；所述信号处理器与图像处理器通信连接；
所述任务控制器加载不同俯仰指向的码值文件和工作参数控制，由时序控制器产生系统工作时序，并根据导前触发更新不同指向波束控制码，波束控制器接收波束控制码并控制TR组件，数据采集器根据任务控制器输出的工作时序以及工作参数，实时接收回波IQ数据，完成回波数据与参数的打包处理并输出，信号处理器完成回波数据接收、分类以及分发，并完成不同指向对应回波数据的成像处理并输出，图形处理器接收图像数据后，完成同一帧图像的拼接处理以及不同帧之间的拼接处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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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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