CN113030970A - 基于方位频扫的二维扫描高分宽幅sar的波形设计方法 - Google Patents

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CN113030970A
CN113030970A CN202110286118.5A CN202110286118A CN113030970A CN 113030970 A CN113030970 A CN 113030970A CN 202110286118 A CN202110286118 A CN 202110286118A CN 113030970 A CN113030970 A CN 113030970A
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Abstract

本发明提出了一种基于方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形设计方法，实施步骤为：设置合成孔径成像雷达SAR的参数；计算天线阵的发射波形；计算发射波形的时‑空方向图；计算时‑空方向图的瞬时波束指向角；绘制斑马图并对其进行划分；计算方位频扫模式下发射波形的波束扫描范围；根据波束扫描范围计算方位维时间延迟和调频率；获取方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形设计结果。本发明可在单通道下通过频谱搬移等效代替DBF空域滤波实现模糊抑制，解决现有技术中依赖多通道体制和DBF技术实现模糊抑制的缺陷，有利于工程实现；俯仰维划分测绘带，可以增加测绘带的宽度，二维扫描实现高分宽幅成像。

Description

基于方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形设计方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及一种高分宽幅SAR的波形设计方法，具体涉及一种基于脉内方位维频率扫描的二维扫描高分宽幅SAR的波形设计方法，可用于SAR实现高分宽幅成像。
背景技术
合成孔径成像雷达SAR是一种主动式的对地观测系统，可安装在飞机、卫星等飞行平台上，全天时、全天候地对地实施观测。在全球动态观测，地物目标分类和识别等应用场景下，要求SAR具有实现高分宽幅的成像能力。传统SAR成像模式包括条带模式，聚束模式和扫描模式。传统SAR成像采用的发射信号波形均不能用于同时实现高分和宽幅成像，聚束模式牺牲成像的幅宽来实现高分辨率成像，扫描模式牺牲方位分辨率来实现宽幅成像，因此需要对SAR的发射信号波形进行创新型设计。
为解决传统SAR成像模式采用的发射信号波形对实现高分宽幅存在的问题，国内外学者提出了多种波形设计方法。何峰等人于2020年在雷达学报上发表了名称为“多维波形编码SAR俯仰向级联DBF成像性能分析”的文章，公开了一种多维波形编码技术用于SAR实现高分宽幅成像，但采用多维波形编码信号实现高分宽幅成像，需要依赖于多通道体制和DBF空域滤波技术来进行模糊抑制。随着对分辨率和成像幅宽要求的不断提高，SAR采用多维波形编码信号实现高分宽幅成像，所需要的通道数量也将变得越来越庞大，设备量变大，不利于工程实现。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形设计方法，用于解决现有技术中存在的实现高分宽幅成像时，依赖多通道体制和DBF技术实现模糊抑制的缺陷。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
(1)设置合成孔径成像雷达SAR的参数：
设置合成孔径成像雷达SAR的包括等间距排列的N个天线的天线阵Z＝[z1,z2,…,zn,…,zN]，每个天线zn方位维上连接有用于实现方位频扫的时间延迟线TTDn，相邻天线之间方位维的距离和时间延迟分别为d和τ，zn的时间延迟为
Figure BDA0002980549190000021
所有天线采用相同的发射信号
Figure BDA0002980549190000022
发射信号的脉冲重复频率为Fr，SAR平台的高度和速度分别为H和V，SAR成像的俯仰维测绘带宽为W，入射角为
Figure BDA0002980549190000023
方位分辨率为ρa，距离分辨率为ρr，其中，
Figure BDA0002980549190000024
Figure BDA0002980549190000025
表示向上取整操作，zn表示第n个天线，1≤n≤N，t表示快时间，0≤t≤TP，K表示g(t)的调频率，K＝B/TP，B和TP分别表示g(t)的带宽和脉冲持续时间，f表示g(t)的中心频率，rect(·)表示矩形函数，e(·)表示以e为底的指数函数，j表示虚数单位，
Figure BDA0002980549190000026
Figure BDA0002980549190000027
(2)计算天线阵Z的发射波形s(t,θ)：
通过
Figure BDA0002980549190000028
和g(t)，计算zn的发射信号g(t)经过TTDn时间延迟后的时间延迟信号sn(t)，得到时间延迟信号集合S＝[s1(t),s2(t),…,sn(t),…,sN(t)]，并对S中的所有时间延迟信号在远场进行求和，得到天线阵Z的斜视角为θ的发射波形s(t,θ)：
Figure BDA0002980549190000029
Figure BDA00029805491900000210
其中，c表示光速，sin(·)表示正弦函数，∑表示求和操作；
(3)计算发射波形s(t,θ)的时-空方向图p(t,θ)：
Figure BDA0002980549190000031
其中，λ(t)表示s(t,θ)的波长，
Figure BDA0002980549190000032
[]-1表示取倒数操作；
(4)计算时-空方向图p(t,θ)的瞬时波束指向角θpeak(t)：
计算时-空方向图p(t,θ)达到最大值max(p(t,θ))时指向的角度，即p(t,θ)的瞬时波束指向角θpeak(t)：
Figure BDA0002980549190000033
Figure BDA0002980549190000034
其中，max(·)表示取最大值操作，m表示整数，
Figure BDA0002980549190000035
round(·)表示取整操作，arcsin(·)表示反正弦函数；
(5)绘制斑马图
Figure BDA0002980549190000036
并对其进行划分：
根据俯仰维测绘带宽W和SAR平台的高度H，绘制与脉冲重复频率相关的包含星下点回波和发射脉冲遮挡区域的斑马图
Figure BDA0002980549190000037
并将斑马图划分为Q个测绘子条带，得到测绘子条带带宽集合
Figure BDA0002980549190000038
以及所有测绘子条带的近端入射角
Figure BDA0002980549190000039
和远端入射角
Figure BDA00029805491900000310
其中，Q≥2，
Figure BDA00029805491900000311
表示第q个测绘子条带的带宽，
Figure BDA0002980549190000041
且
Figure BDA0002980549190000042
F(q)表示第q个测绘子条带发射信号的脉冲重复频率，
Figure BDA0002980549190000043
tan(·)表示正切函数，1≤q≤Q，
Figure BDA0002980549190000044
和
Figure BDA0002980549190000045
分别表示第q个测绘子条带的近端入射角和远端入射角；
(6)计算方位频扫模式下发射波形的波束扫描范围θscan：
(6a)计算SAR的移动距离L：
Figure BDA0002980549190000046
Figure BDA0002980549190000047
其中，
Figure BDA0002980549190000048
表示第q个测绘子条带的波束驻留时间，λc表示发射信号g(t)在频率为中心频率f时的波长，λc＝c/f；
(6b)根据SAR的移动距离L计算方位频扫模式下发射波形s(t,θ)的波束扫描范围θscan：
Figure BDA0002980549190000049
其中，
Figure BDA00029805491900000410
表示第1个测绘子条带的近端入射角；
(7)根据波束扫描范围θscan计算方位维时间延迟τ和g(t)的调频率K的值：
(7a)根据波束扫描范围θscan，设定时-空方向图p(t,θ)的起始瞬时波束指向角为
Figure BDA00029805491900000411
终止瞬时波束指向角为
Figure BDA00029805491900000412
并根据下式计算方位维时间延迟τ和g(t)的带宽B的值：
Figure BDA0002980549190000051
其中，m1表示整数，
Figure BDA0002980549190000052
Be表示距离分辨率为ρr时方位频扫模式下所需的信号带宽，
Figure BDA0002980549190000053
(7b)根据g(t)的带宽B的值计算g(t)的调频率K：
Figure BDA0002980549190000054
(8)获取脉内方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形设计结果：
将发射信号g(t)的中心频率f和调频率K的值，以及天线阵Z的天线数量N和相邻天线之间的时间延迟τ的值带入发射波形s(t,θ)的表达式中进行计算，得到脉内方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形结果。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明通过天线阵中每个天线方位维上连接的时间延迟线TTDn，实现方位维相邻天线之间发射信号的时间延迟，获得方位频扫的发射波形，该发射波形可在单通道下通过频谱搬移实现模糊抑制，俯仰维划分测绘带，可以增加测绘带的宽度，二维扫描实现高分辨率宽测绘带成像，不需要依赖多通道体制和DBF技术实现模糊抑制，与现有技术相比，所需的接收通道少，设备量小，不存在通道间的幅相误差，有利于工程实现。
附图说明
图1是本发明的实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
参照图1，本发明的具体实现步骤如下：
步骤1)设置合成孔径成像雷达SAR的参数：
设置合成孔径成像雷达SAR的包括等间距排列的N个天线的天线阵Z＝[z1,z2,…,zn,…,zN]，每个天线zn方位维上连接有用于实现方位频扫的时间延迟线TTDn，相邻天线之间方位维的距离和时间延迟分别为d和τ，zn的时间延迟为
Figure BDA0002980549190000061
所有天线采用相同的发射信号
Figure BDA0002980549190000062
发射信号的脉冲重复频率为Fr，SAR平台的高度和速度分别为H和V，SAR成像的俯仰维测绘带宽为W，入射角为
Figure BDA0002980549190000063
方位分辨率为ρa，距离分辨率为ρr，其中，
Figure BDA0002980549190000064
Figure BDA0002980549190000065
表示向上取整操作，zn表示第n个天线，1≤n≤N，t表示快时间，0≤t≤TP，K表示g(t)的调频率，K＝B/TP，B和TP分别表示g(t)的带宽和脉冲持续时间，f表示g(t)的中心频率，rect(·)表示矩形函数，e(·)表示以e为底的指数函数，j表示虚数单位，
Figure BDA0002980549190000066
Figure BDA0002980549190000067
每个天线zn方位维上连接有时间延迟线TTDn，可以使相邻天线之间方位维的时间延迟为τ，通过设计方位维频率扫描天线阵的天线个数，相邻天线之间的时间延迟，发射信号的带宽，中心频率和脉冲持续时间参数来控制方位维频率扫描天线阵的合成方向图的瞬时波束指向角，实现脉内波束连续扫描。本实施例中设定相邻天线之间方位维的距离d＝0.0882m，SAR平台的高度和速度分别为H＝600km和V＝7500m/s，成像的俯仰维测绘带宽W＝200km，方位分辨率ρa＝2m，距离分辨率ρr＝2m，g(t)的中心频率f＝6.8GHz，则天线阵的天线个数N＝46，g(t)的脉冲持续时间TP＝20μs。
步骤2)计算天线阵Z的发射波形s(t,θ)：
通过
Figure BDA0002980549190000071
和g(t)，计算zn的发射信号g(t)经过TTDn时间延迟后的时间延迟信号sn(t)，得到时间延迟信号集合S＝[s1(t),s2(t),…,sn(t),…,sN(t)]，并对S中的所有时间延迟信号在远场进行求和，得到天线阵Z的斜视角为θ的发射波形s(t,θ)：
Figure BDA0002980549190000072
Figure BDA0002980549190000073
其中，c表示光速，sin(·)表示正弦函数，∑表示求和操作；
在远场对所有时间延迟信号进行求和时，波前是平面波，天线阵的各个天线间的波程差为
Figure BDA0002980549190000074
波程差与相邻天线之间方位维的距离d相关。
步骤3)计算发射波形s(t,θ)的时-空方向图p(t,θ)：
Figure BDA0002980549190000075
其中，λ(t)表示s(t,θ)的波长，
Figure BDA0002980549190000076
[]-1表示取倒数操作；
发射波形s(t,φ)中包含发射信号和脉内方位频率脉内扫描阵的时-空方向图，可以通过将发射信号提取分离，即将发射波形s(t,θ)和发射信号g(t)的商作为时-空方向图p(t,θ)。
步骤4)计算时-空方向图p(t,θ)的瞬时波束指向角θpeak(t)：
计算时-空方向图p(t,θ)达到最大值max(p(t,θ))时指向的角度，即p(t,θ)的瞬时波束指向角θpeak(t)：
Figure BDA0002980549190000081
Figure BDA0002980549190000082
其中，max(·)表示取最大值操作，m表示整数，
Figure BDA0002980549190000083
round(·)表示取整操作，arcsin(·)表示反正弦函数；
瞬时波束指向角θpeak(t)取决于时-空方向图p(t,θ)达到最大值的位置，要求解p(t,θ)的最大值，根据p(t,θ)的信号形式可知，令p(t,θ)表达式中的分母为0，可以得出θpeak(t)满足条件：
Figure BDA0002980549190000084
根据正弦函数的性质，当被取正弦操作的表达式的值为整数倍的π时，该正弦值结果为0，因此θpeak(t)满足条件：
Figure BDA0002980549190000085
上式可以改写为：
Figure BDA0002980549190000086
其中：
Figure BDA0002980549190000087
Figure BDA0002980549190000088
Figure BDA0002980549190000091
当方位维波束扫描角度的覆盖范围远小于(-90°,90°)时，时延τ满足τ＜＜1/B，所以|m1(t,sinθpeak(t))|＜1。因此m的取值为最接近m0的整数，即：
Figure BDA0002980549190000092
根据m的值可对θpeak(t)进行求解。
步骤5)绘制斑马图
Figure BDA00029805491900000919
并对其进行划分：
根据俯仰维测绘带宽W和SAR平台的高度H，绘制与脉冲重复频率相关的包含星下点回波和发射脉冲遮挡区域的斑马图
Figure BDA0002980549190000093
并将斑马图划分为Q个测绘子条带，得到测绘子条带带宽集合
Figure BDA0002980549190000094
以及所有测绘子条带的近端入射角
Figure BDA0002980549190000095
和远端入射角
Figure BDA0002980549190000096
其中，Q≥2，
Figure BDA0002980549190000097
表示第q个测绘子条带的带宽，
Figure BDA0002980549190000098
且
Figure BDA0002980549190000099
F(q)表示第q个测绘子条带发射信号的脉冲重复频率，
Figure BDA00029805491900000910
tan(·)表示正切函数，1≤q≤Q，
Figure BDA00029805491900000911
和
Figure BDA00029805491900000912
分别表示第q个测绘子条带的近端入射角和远端入射角；
绘制包含星下点回波和发射脉冲遮挡区域的斑马图
Figure BDA00029805491900000913
采用如下公式绘制：
Figure BDA00029805491900000914
其中，Ramb表示发射信号的脉冲重复频率为Fr的模糊距离，
Figure BDA00029805491900000915
Figure BDA00029805491900000916
表示入射角为
Figure BDA00029805491900000917
的目标的最短斜距，
Figure BDA00029805491900000918
mod(·)表示取余操作，&表示逻辑与。本实施例中将斑马图划分为4个测绘子条带，进行测绘带划分时要避开星下点回波和发射脉冲遮挡区域，测绘子条带带宽集合Wr＝[54.3Km,70.6Km,48.3Km,51.605Km]，各个测绘子条带的带宽之和要保证大于等于W，所有测绘子条带的近端入射角为
Figure BDA0002980549190000101
远端入射角为
Figure BDA0002980549190000102
(6)计算方位频扫模式下发射波形的波束扫描范围θscan：
(6a)计算SAR的移动距离L：
Figure BDA0002980549190000103
Figure BDA0002980549190000104
其中，
Figure BDA0002980549190000105
表示第i个测绘子条带的波束驻留时间，λc表示发射信号g(t)在频率为中心频率f时的波长，λc＝c/f；
各个测绘子条带的波束驻留时间假设为在条带模式下的一个合成孔径对应的停驻时间，即可求出第i个测绘子条带的波束驻留时间
Figure BDA00029805491900001010
SAR完成照射各个子条带所移动的距离L即为各个测绘子条带的波束驻留时间的总和，再与SAR平台的速度V相乘的结果。
(6b)根据SAR的移动距离L计算方位频扫模式下发射波形s(t,θ)的波束扫描范围θscan：
Figure BDA0002980549190000106
其中，
Figure BDA0002980549190000107
表示第1个测绘子条带的近端入射角；
为保证每个测绘子条带的连续方位覆盖，SAR移动距离L应该保证不能大于任意一个子条带的方位条带宽度，第一个测绘子条带的方位条带宽度
Figure BDA0002980549190000108
最小，所以L应满足：
Figure BDA0002980549190000109
其中，
Figure BDA0002980549190000111
M＝θscan/θ3dB为波束扫描倍数，θ3dB为方位维波束宽度，
Figure BDA0002980549190000112
因此可以求解得到方位频扫模式下发射波形s(t,θ)的波束扫描范围θscan。
本实施例中L＝29.714Km，在θscan满足的范围内，设定θscan＝3.8563°，M＝6.1896。
(7)根据波束扫描范围θscan计算方位维时间延迟τ和g(t)的调频率K的值：
(7a)根据波束扫描范围θscan，设定时-空方向图p(t,θ)的起始瞬时波束指向角为
Figure BDA0002980549190000113
终止瞬时波束指向角为
Figure BDA0002980549190000114
并根据下式计算方位维时间延迟τ和g(t)的带宽B的值：
Figure BDA0002980549190000115
其中，m1表示整数，
Figure BDA0002980549190000116
Be表示距离分辨率为ρr时方位频扫模式下所需的信号带宽，
Figure BDA0002980549190000117
根据上述方程组，可以求解出方位维时间延迟τ和g(t)的带宽B的值分别为：
Figure BDA0002980549190000118
Figure BDA0002980549190000119
本实施例中τ＝-0.29445ns，B＝456.89MHz。
(7b)根据g(t)的带宽B的值计算g(t)的调频率K：
Figure BDA0002980549190000121
根据g(t)的调频率K与带宽B和脉冲持续时间Tp的关系，可以求解调频率K。本实施例中K＝2.2844×1013。
(8)获取方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形设计结果：
将发射信号g(t)的中心频率f和调频率K的值，以及天线阵Z的天线数量N和相邻天线之间的时间延迟τ的值带入发射波形s(t,θ)的表达式中进行计算，得到方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形结果。
综上，本发明通过构造方位频扫天线阵，获得方位频扫的发射波形，相比于现有技术中的SAR的发射波形，方位维采用方位频扫的发射波形，可在单通道下通过频谱搬移实现模糊抑制，不需要依赖多通道体制和DBF技术实现模糊抑制，所需的接收通道少，设备量小，不存在通道间的幅相误差，有利于工程实现；俯仰维划分测绘带，可以增加测绘带的宽度，二维扫描实现高分辨率宽测绘带成像。

Claims (2)

1.一种基于方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设置合成孔径成像雷达SAR的参数：
设置合成孔径成像雷达SAR的包括等间距排列的N个天线的天线阵Z＝[z1,z2,…,zn,…,zN]，每个天线zn方位维上连接有用于实现方位频扫的时间延迟线TTDn，相邻天线之间方位维的距离和时间延迟分别为d和τ，zn的时间延迟为
Figure FDA0002980549180000011
所有天线采用相同的发射信号
Figure FDA0002980549180000012
发射信号的脉冲重复频率为Fr，SAR平台的高度和速度分别为H和V，SAR成像的俯仰维测绘带宽为W，入射角为
Figure FDA0002980549180000013
方位分辨率为ρa，距离分辨率为ρr，其中，
Figure FDA0002980549180000014
Figure FDA0002980549180000015
表示向上取整操作，zn表示第n个天线，1≤n≤N，t表示快时间，0≤t≤TP，K表示g(t)的调频率，K＝B/TP，B和TP分别表示g(t)的带宽和脉冲持续时间，f表示g(t)的中心频率，rect(·)表示矩形函数，e(·)表示以e为底的指数函数，j表示虚数单位，
Figure FDA0002980549180000016
Figure FDA0002980549180000017
(2)计算天线阵Z的发射波形s(t,θ)：
通过
Figure FDA0002980549180000018
和g(t)，计算zn的发射信号g(t)经过TTDn时间延迟后的时间延迟信号sn(t)，得到时间延迟信号集合S＝[s1(t),s2(t),…,sn(t),…,sN(t)]，并对S中的所有时间延迟信号在远场进行求和，得到天线阵Z的斜视角为θ的发射波形s(t,θ)：
Figure FDA0002980549180000019
Figure FDA0002980549180000021
其中，c表示光速，sin(·)表示正弦函数，∑表示求和操作；
(3)计算发射波形s(t,θ)的时-空方向图p(t,θ)：
Figure FDA0002980549180000022
其中，λ(t)表示s(t,θ)的波长，
Figure FDA0002980549180000023
[]-1表示取倒数操作；
(4)计算时-空方向图p(t,θ)的瞬时波束指向角θpeak(t)：
计算时-空方向图p(t,θ)达到最大值max(p(t,θ))时指向的角度，即p(t,θ)的瞬时波束指向角θpeak(t)：
Figure FDA0002980549180000024
Figure FDA0002980549180000025
其中，max(·)表示取最大值操作，m表示整数，
Figure FDA0002980549180000026
round(·)表示取整操作，arcsin(·)表示反正弦函数；
(5)绘制斑马图
Figure FDA0002980549180000027
并对其进行划分：
根据俯仰维测绘带宽W和SAR平台的高度H，绘制与脉冲重复频率相关的包含星下点回波和发射脉冲遮挡区域的斑马图
Figure FDA0002980549180000028
并将斑马图划分为Q个测绘子条带，得到测绘子条带带宽集合
Figure FDA0002980549180000031
以及所有测绘子条带的近端入射角
Figure FDA0002980549180000032
和远端入射角
Figure FDA0002980549180000033
其中，Q≥2，Wr (q)表示第q个测绘子条带的带宽，
Figure FDA0002980549180000034
且
Figure FDA0002980549180000035
F(q)表示第q个测绘子条带发射信号的脉冲重复频率，
Figure FDA0002980549180000036
tan(·)表示正切函数，1≤q≤Q，
Figure FDA0002980549180000037
和
Figure FDA0002980549180000038
分别表示第q个测绘子条带的近端入射角和远端入射角；
(6)计算方位频扫模式下发射波形的波束扫描范围θscan：
(6a)计算SAR的移动距离L：
Figure FDA0002980549180000039
Figure FDA00029805491800000310
其中，
Figure FDA00029805491800000311
表示第q个测绘子条带的波束驻留时间，λc表示发射信号g(t)在频率为中心频率f时的波长，λc＝c/f；
(6b)根据SAR的移动距离L计算方位频扫模式下发射波形s(t,θ)的波束扫描范围θscan：
Figure FDA00029805491800000312
其中，
Figure FDA00029805491800000313
表示第1个测绘子条带的近端入射角；
(7)根据波束扫描范围θscan计算方位维时间延迟τ和g(t)的调频率K的值：
(7a)根据波束扫描范围θscan，设定时-空方向图p(t,θ)的起始瞬时波束指向角为
Figure FDA0002980549180000041
终止瞬时波束指向角为
Figure FDA0002980549180000042
并根据下式计算方位维时间延迟τ和g(t)的带宽B的值：
Figure FDA0002980549180000043
其中，m1表示整数，
Figure FDA0002980549180000044
Be表示距离分辨率为ρr时方位频扫模式下所需的信号带宽，
Figure FDA0002980549180000045
(7b)根据g(t)的带宽B的值计算g(t)的调频率K：
Figure FDA0002980549180000046
(8)获取脉内方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形设计结果：
将发射信号g(t)的中心频率f和调频率K的值，以及天线阵Z的天线数量N和相邻天线之间的时间延迟τ的值带入发射波形s(t,θ)的表达式中进行计算，得到脉内方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形结果。
2.根据权利要求1所述的基于方位频扫的二维扫描高分宽幅SAR的波形设计方法，其特征在于，步骤(5)中所述的绘制与脉冲重复频率相关的包含星下点回波和发射脉冲遮挡区域的斑马图
Figure FDA0002980549180000047
采用如下公式绘制：
Figure FDA0002980549180000051
其中，Ramb表示发射信号的脉冲重复频率为Fr的模糊距离，
Figure FDA0002980549180000052
Figure FDA0002980549180000053
表示入射角为
Figure FDA0002980549180000054
的目标的最短斜距，
Figure FDA0002980549180000055
mod(·)表示取余操作，&表示逻辑与。
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