CN114509759B - 一种步进调频脉冲sar动目标成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，涉及雷达成像技术领域。本发明提供的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法充分考虑步进调频脉冲SAR雷达的信号体制特点，设计了脉冲多普勒处理方法对窄带的子脉冲回波信号进行处理进而获取到目标相对于雷达的运动参数信息以辅助SAR成像处理，在避免了传统上复杂且耗时的运动参数估计与补偿的情况下以一种新型的方法完成了步进调频脉冲SAR动目标成像处理。

Description

一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法

技术领域

本发明涉及雷达成像技术领域，尤其涉及一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种全天候、全天时的主动探测雷达成像系统，是获取地表信息的重要探测手段。SAR雷达凭借合成孔径原理实现方位向高分辨，通过产生大时宽大带宽的信号获得距离向高分辨能力，并实现远距离探测。但是随着越来越高分辨率要求的提出，当前技术水平下的硬件系统难以产生高保真的超大带宽信号，同时也难以应对这种信号的实时高速采样要求。步进调频脉冲雷达通过按组发射窄带调频脉冲信号，然后应用子脉冲带宽合成技术来实现信号带宽合成，在实现高距离分辨的同时规避了常见大脉宽体制雷达面临的工程实现困难。

在完成步进调频脉冲SAR成像处理后，由于成像场景中的动目标为非合作动目标，成像雷达对其运动特性一无所知，因此难以应用SAR成像常规的统一聚焦或者统一补偿思想实现动目标成像。现在常规的方法一般是:一，对包含动目标的场景进行粗聚焦成像；二，提出动目标粗聚焦图像数据；三，动目标运动参数估计及运动补偿；四，精聚焦实现高分辨成像。

现有技术：公开号为：CN105699971B的发明申请提供一种SAR雷达运动目标成像方法，包括：获取SAR雷达接收到的回波数据，对回波数据进行距离向压缩，将距离压缩后的回波数据通过低通滤波器，分离出距离压缩后的回波数据中的杂波数据和可检测数据；将杂波数据形成地面场景图；对可检测数据进行动目标运动参数的估计，得到多普勒中心频率估计值和多普勒调频斜率估计值，根据多普勒中心频率估计值和多普勒调频斜率估计值构造参考函数；并将参考函数和可检测数据进行时域相乘或者频域卷积，从而得到运动目标成像图；将地面场景图和运动目标成像图相加，得到SAR雷达运动目标成像结果，可对动目标精细成像。

但是，当前基于SAR粗聚焦图像的动目标参数估计及运动补偿的操作步骤非常复杂、计算实时性低。

因此，有必要提供一种新的、尽可能利用雷达探测信息的SAR动目标成像方法来解决上述技术问题。

发明内容

为解决上述之一技术问题，本发明提供的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，通过雷达发射机根据步进频率按组发射步进调频脉冲信号，再通过雷达接收机接收回波信号并进行数模转换；回波信号中包括N路窄带子脉冲回波信号，并分别对N路窄带子脉冲回波信号进行频域脉冲压缩处理、距离徙动校正、动目标显示和动目标检测，得到输出动目标对应的距离信息和多普勒信息；将距离信息和多普勒信息用于距离速度估计，得到雷达与动目标的径向相对子速度和径向相对子距离；将N路径向相对子速度和径向相对子距离进行数据平均，得到径向相对速度v_r和径向相对距离R₀；将径向相对速度v_r进行平滑与差分处理，获取径向相对加速度a_r，完成雷达与动目标的相对运动参数估计。

具体的，对回波信号进行动目标数据截取，根据动目标所在的距离门和脉冲宽度将动目标回波数据进行截取；将动目标回波数据结合相对运动参数进行距离向脉冲压缩、距离向徙动校正、方位向相位校正和方位向脉冲压缩，得到动目标成像数据；对动目标成像数据进行FFT变换，得到动目标成像。

作为更进一步的解决方案，雷达工作时，雷达发射机按组依次发射步进调频脉冲信号，步进调频脉冲信号公式如下：

f_ci＝f_c+iΔB i＝1,2,...,N

其中，B为雷达的合成带宽，N为子脉冲数，i为脉冲的支路序号，f_c表示信号载波中心频率，T_p表示信号脉冲宽度，K表示线性调频信号的调频率，t表示时间变量。

作为更进一步的解决方案，在进行频域脉冲压缩处理时，根据各路窄带子脉冲回波信号的支路序号产生匹配滤波函数，通过匹配滤波函数进行频域脉冲压缩处理，其中，匹配滤波函数为步进调频脉冲信号的共轭转置频谱。

作为更进一步的解决方案，在进行徙动校正时，根据雷达自身惯导系统记载的运动速度(v_x,v_y,v_z)与雷达发射机波束指向(b_x,b_y,b_z)计算频域的校正函数，通过校正函数来实现距离徙动校正，校正函数如下：

其中，f_r为距离向频率，f_r∈(-ΔB/2,ΔB/2]，c光速，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，S_LRMC表示线性距离徙动校正因子。

作为更进一步的解决方案，动目标显示通过快速傅里叶变换将运动目标和不动的背景区进行分离，并对回波多普勒纬信号相参积累，提升信噪比。

作为更进一步的解决方案，在进行距离速度估计时，将N路径向相对子速度和径向相对子距离进行数据平均，得到径向相对速度v_r和径向相对距离R₀；将径向相对速度v_r进行平滑与差分处理，获取径向相对加速度a_r，完成雷达与动目标的相对运动参数估计，距离速度估计公式如下：

R(t)＝R₀+v_rt_m+a_rt_m ²

其中，R₀为径向相对距离，v_r为径向相对速度，a_r为径向相对加速度。

作为更进一步的解决方案，在进行距离向脉冲压缩后，将完成距离向脉冲压缩处理后的数据进行逆离散傅立叶变换(IDFT)处理，并将距离分辨力提高N倍。

作为更进一步的解决方案，在进行距离向徙动校正时，根据雷达自身惯导系统记载的运动速度(v_x,v_y,v_z)、雷达发射机波束指向(b_x,b_y,b_z)和v_r计算出频域的距离向校正函数，通过距离向校正函数实现高精度的距离向徙动校正，在距离维将目标包络拉直，距离向校正函数如下：

其中，v_r为径向相对速度，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量，f_r为距离向频率。

作为更进一步的解决方案，在进行方位向相位校正时，通过方位向相位校正公式完成回波的中心多普勒校正，将波束中心移到图像中心显示，方位向相位校正公式如下：

其中，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，ν表示雷达的运动速度，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量。

作为更进一步的解决方案，通过方位向脉冲压缩公式完成方位向脉冲压缩，方位向脉冲压缩公式如下：

其中，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量，λ表示波长，R_S表示中心时刻，雷达与目标之间的距离，ν表示雷达与目标之间的加速度，a_r为径向相对加速度。

与相关技术相比较，本发明提供的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法具有如下有益效果：

本发明提供的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法充分考虑步进调频脉冲SAR雷达的信号体制特点，设计了脉冲多普勒处理方法对窄带的子脉冲回波信号进行处理进而获取到目标相对于雷达的运动参数信息以辅助SAR成像处理，在避免了传统上复杂且耗时的运动参数估计与补偿的情况下以一种新型的方法完成了步进调频脉冲SAR动目标成像处理。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法的较佳系统框图；

图2为本发明实施例提供的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法的较佳流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，通过雷达发射机根据步进频率按组发射步进调频脉冲信号，再通过雷达接收机接收回波信号并进行数模转换；回波信号中包括N路窄带子脉冲回波信号，并分别对N路窄带子脉冲回波信号进行频域脉冲压缩处理、距离徙动校正、动目标显示和动目标检测，得到输出动目标对应的距离信息和多普勒信息；将距离信息和多普勒信息用于距离速度估计，得到雷达与动目标的径向相对子速度和径向相对子距离；将N路径向相对子速度和径向相对子距离进行数据平均，得到径向相对速度v_r和径向相对距离R₀；将径向相对速度v_r进行平滑与差分处理，获取径向相对加速度a_r，完成雷达与动目标的相对运动参数估计。

具体的，对回波信号进行动目标数据截取，根据动目标所在的距离门和脉冲宽度将动目标回波数据进行截取；将动目标回波数据结合相对运动参数进行距离向脉冲压缩、距离向徙动校正、方位向相位校正和方位向脉冲压缩，得到动目标成像数据；对动目标成像数据进行FFT变换，得到动目标成像。

需要说明的是：步进调频脉冲雷达通过按组发射窄带调频脉冲信号，然后应用子脉冲带宽合成技术来实现信号带宽合成，在实现高距离分辨的同时规避了常见大脉宽体制雷达面临的工程实现困难，但是当前基于SAR粗聚焦图像的动目标参数估计及运动补偿的操作步骤非常复杂、计算实时性低。为此，本实施例提出一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，通过利用步进调频脉冲雷达子脉冲的脉冲多普勒处理提取出雷达和目标的相对运动参数信息，辅助SAR完成动目标成像，大大的简化了步进调频脉冲SAR成像中的运动参数估计和补偿。

总的来说，本实施例针对回波信号的处理主要包括两条线路，一条是通过对回波信号进行处理，估计相对运动参数；另一条是利用估计的相对运动参数辅助SAR完成动目标成像。

在进行相对运动参数时，本实施例是通过分别对各窄带子脉冲回波信号进行分别提取径向相对速度v_r、径向相对距离R₀和径向相对加速度a_r后，在进行平滑与差分处理，得到相对运动参数估计值；

步进调频脉冲回波分组模块1将窄带的步进调频脉冲信号分组发送到各子脉冲回波处理模块中。窄带的子脉冲回波处理模块(脉冲压缩2、徙动校正3、动目标指示4、目标检测5)进行回波处理和目标检测后，提取出目标相对于发射机的距离信息和速度信息。目标距离及速度估计模块6估计出目标相对于发射机平台的径向距离、径向速度和径向加速度。同步的，动目标数据截取模块7，将动目标回波从原始回波中截取出来，降低参数SAR成像处理的冗余数据量。模块8、模块9、模块10和模块11根据前面估计出的雷达-目标相对运动信息完成动目标SAR成像处理。

作为更进一步的解决方案，雷达工作时，雷达发射机按组依次发射步进调频脉冲信号，步进调频脉冲信号公式如下：

f_ci＝f_c+iΔBi＝1,2,...,N

其中，B为雷达的合成带宽，N为子脉冲数，i为脉冲的支路序号，f_c表示信号载波中心频率，T_p表示信号脉冲宽度，K表示线性调频信号的调频率，t表示时间变量。

作为更进一步的解决方案，在进行频域脉冲压缩处理时，根据各路窄带子脉冲回波信号的支路序号产生匹配滤波函数，通过匹配滤波函数进行频域脉冲压缩处理，其中，匹配滤波函数为步进调频脉冲信号的共轭转置频谱。

作为更进一步的解决方案，在进行徙动校正时，根据雷达自身惯导系统记载的运动速度(v_x,v_y,v_z)与雷达发射机波束指向(b_x,b_y,b_z)计算频域的校正函数，通过校正函数来实现距离徙动校正，校正函数如下：

其中，f_r为距离向频率，f_r∈(-ΔB/2,ΔB/2]，c光速，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，S_LRMC表示线性距离徙动校正因子。

作为更进一步的解决方案，动目标显示通过快速傅里叶变换将运动目标和不动的背景区进行分离，并对回波多普勒纬信号相参积累，提升信噪比。

作为更进一步的解决方案，在进行距离速度估计时，将N路径向相对子速度和径向相对子距离进行数据平均，得到径向相对速度v_r和径向相对距离R₀；将径向相对速度v_r进行平滑与差分处理，获取径向相对加速度a_r，完成雷达与动目标的相对运动参数估计，距离速度估计公式如下：

R(t)＝R₀+v_rt_m+a_rt_m ²

其中，R₀为径向相对距离，v_r为径向相对速度，a_r为径向相对加速度。

作为更进一步的解决方案，在进行距离向脉冲压缩后，将完成距离向脉冲压缩处理后的数据进行逆离散傅立叶变换(IDFT)处理，并将距离分辨力提高N倍。

作为更进一步的解决方案，在进行距离向徙动校正时，根据雷达自身惯导系统记载的运动速度(v_x,v_y,v_z)、雷达发射机波束指向(b_x,b_y,b_z)和v_r计算出频域的距离向校正函数，通过距离向校正函数实现高精度的距离向徙动校正，在距离维将目标包络拉直，距离向校正函数如下：

其中，v_r为径向相对速度，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量，f_r为距离向频率。

作为更进一步的解决方案，在进行方位向相位校正时，通过方位向相位校正公式完成回波的中心多普勒校正，将波束中心移到图像中心显示，方位向相位校正公式如下：

其中，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，ν表示雷达的运动速度，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量。

作为更进一步的解决方案，通过方位向脉冲压缩公式完成方位向脉冲压缩，方位向脉冲压缩公式如下：

其中，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量，λ表示波长，R_S表示中心时刻，雷达与目标之间的距离，ν表示雷达与目标之间的加速度，a_r为径向相对加速度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，其特征在于，通过雷达发射机根据步进频率按组发射步进调频脉冲信号，再通过雷达接收机接收回波信号并进行数模转换；回波信号中包括N路窄带子脉冲回波信号，并分别对N路窄带子脉冲回波信号进行频域脉冲压缩处理、距离徙动校正、动目标显示和动目标检测，得到输出动目标对应的距离信息和多普勒信息；将距离信息和多普勒信息用于距离速度估计，得到雷达与动目标的径向相对子速度和径向相对子距离；将N路径向相对子速度和径向相对子距离进行数据平均，得到径向相对速度v_r和径向相对距离R₀；将径向相对速度v_r进行平滑与差分处理，获取径向相对加速度a_r，完成雷达与动目标的相对运动参数估计；

对回波信号进行动目标数据截取，根据动目标所在的距离门和脉冲宽度将动目标回波数据进行截取；将动目标回波数据结合相对运动参数进行距离向脉冲压缩、距离向徙动校正、方位向相位校正和方位向脉冲压缩，得到动目标成像数据；对动目标成像数据进行FFT变换，得到动目标成像。

2.根据权利要求1所述的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，其特征在于，雷达工作时，雷达发射机按组依次发射步进调频脉冲信号，步进调频脉冲信号公式S(t)如下：

f_ci＝f_c+iΔB i＝1,2,...,N

其中，B为雷达的合成带宽，N为子脉冲数，i为脉冲的支路序号，f_c表示信号载波中心频率，T_p表示信号脉冲宽度，K表示线性调频信号的调频率，t表示时间变量。

3.根据权利要求1所述的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，其特征在于，在进行频域脉冲压缩处理时，根据各路窄带子脉冲回波信号的支路序号产生匹配滤波函数，通过匹配滤波函数进行频域脉冲压缩处理，其中，匹配滤波函数为步进调频脉冲信号的共轭转置频谱。

4.根据权利要求1所述的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，其特征在于，在进行徙动校正时，根据雷达自身惯导系统记载的运动速度(v_x,v_y,v_z)与雷达发射机波束指向(b_x,b_y,b_z)计算频域的校正函数，通过校正函数来实现距离徙动校正，校正函数如下：

其中，f_r为距离向频率，f_r∈(-ΔB/2,ΔB/2]，c光速，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，S_LRMC表示线性距离徙动校正因子。

5.根据权利要求1所述的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，其特征在于，动目标显示通过快速傅里叶变换将运动目标和不动的背景区进行分离，并对回波多普勒纬信号相参积累，提升信噪比。

6.根据权利要求1所述的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，其特征在于，在进行距离速度估计时，将N路径向相对子速度和径向相对子距离进行数据平均，得到径向相对速度v_r和径向相对距离R₀；将径向相对速度v_r进行平滑与差分处理，获取径向相对加速度a_r，完成雷达与动目标的相对运动参数估计，距离速度估计公式如下：

R(t)＝R₀+v_rt_m+a_rt_m ²

其中，R₀为径向相对距离，v_r为径向相对速度，a_r为径向相对加速度，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量。

7.根据权利要求1所述的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，其特征在于，在进行距离向脉冲压缩后，将完成距离向脉冲压缩处理后的数据进行逆离散傅立叶变换(IDFT)处理，并将距离分辨力提高N倍。

8.根据权利要求1所述的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，其特征在于，在进行距离向徙动校正时，根据雷达自身惯导系统记载的运动速度(v_x,v_y,v_z)、雷达发射机波束指向(b_x,b_y,b_z)和v_r计算出频域的距离向校正函数，通过距离向校正函数实现高精度的距离向徙动校正，在距离维将目标包络拉直，距离向校正函数如下：

其中，v_r为径向相对速度，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量，f_r为距离向频率。

9.根据权利要求1所述的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，其特征在于，在进行方位向相位校正时，通过方位向相位校正公式完成回波的中心多普勒校正，将波束中心移到图像中心显示，方位向相位校正公式如下：

其中，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，ν表示雷达的运动速度，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量。

10.根据权利要求1所述的一种步进调频脉冲SAR动目标成像方法，其特征在于，通过方位向脉冲压缩公式完成方位向脉冲压缩，方位向脉冲压缩公式如下：

其中，A_sq表示雷达的运动方向与波束指向之间的夹角，t_m为雷达收发各路窄带子脉冲回波信号对应的时间变量，λ表示波长，R_S表示中心时刻，雷达与目标之间的距离，ν表示雷达与目标之间的加速度，a_r为径向相对加速度。