CN115436943B - 基于脉内和脉间联合相位调制的可重构mimo-sar回波分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO‑SAR回波分离方法，其包括以下步骤：S1：设计脉内和脉间编码矩阵，并利用编码矩阵对常规雷达信号进行相位调制从而生成MIMO‑SAR发射信号，进而产生MIMO体制下的混合回波信号；S2：对回波信号进行脉间解编码处理，在多普勒域进行滤波以得到不同多普勒子带的混合信号，并对各多普勒子带进行多普勒中心偏移校正；S3：对滤波后的信号进行脉内解编码处理，通过时移加权处理抑制掉与期望信号具有相同波达角的干扰分量；S4：通过俯仰维数字波束形成处理进一步抑制掉具有不同DOA信息的干扰分量，完成MIMO‑SAR回波信号分离。该机制通过多域联合处理，可灵活利用系统资源实现MIMO‑SAR回波分离，在实际中具有广泛的应用前景。

Description

基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离 方法

技术领域

本发明属于MIMO-SAR成像技术领域和阵列信号处理技术领域，具体的为基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法。

背景技术

与单输入单输出(Single-Input Single-Output,SISO)和单输入多输出(Single-Input Multiple-Output,SIMO)系统相比，MIMO-SAR可以提供更多的系统自由度，显著提高SAR系统性能。例如，MIMO-SAR系统可以在方位方向上产生更多的空间样本，以映射更宽的图像条带，提高空间分辨率和更长的基线，从而提高地面运动目标指示(Ground MovingTarget Indication,GMTI)、干涉和层析成像SAR系统的性能。此外，MIMO-SAR系统可满足多模式操作的需求，可有效解决传统SAR系统中的难题。

然而，实现MIMO-SAR应用的关键在于回波分离技术研究。目前的MIMO-SAR回波分离方案多数利用单一域系统资源实现通道响应分离，如STSO机制。STSO机制可通过波形部分正交性和俯仰维DBF处理有效抑制STSO波形之间的相互干扰，但其需要消耗较多的俯仰维系统资源。而且对于空间有限的机载MIMO-SAR系统，不充足的俯仰维自由度不足以完全分离各发射波形的回波。如何综合利用系统资源实现MIMO-SAR回波分离是目前的难点问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法。该波形发射机制可以根据不同的雷达工作模式灵活调整系统自由度以实现回波分离，可以获得该模式下最佳的系统性能，这是MIMO-SAR多模式成像的关键。此外，考虑到单一域回波分离过程中系统资源的匮乏，该机制充分利用多普勒域、时域和俯仰空域的系统自由度实现回波分离，从而获得了更好的系统性能。

本发明公开的基于脉内和脉间联合相位调制的MIMO-SAR灵活波形发射机制，包括以下步骤：

S1：设计脉内和脉间编码矩阵，并利用编码矩阵对常规雷达信号进行相位调制从而生成MIMO-SAR发射信号，进而产生MIMO体制下的混合回波信号；

S2：对回波信号进行脉间解编码处理，在多普勒域进行滤波以得到不同多普勒子带的混合信号，并对各多普勒子带进行多普勒中心偏移校正；

S3：对滤波后的信号进行脉内解编码处理，通过时移加权处理抑制掉与期望信号具有相同DOA的干扰分量；

S4：通过俯仰维DBF处理进一步抑制掉具有不同DOA信息的干扰分量，完成MIMO-SAR回波信号分离。

优选的，步骤1)中，定义脉内编码矩阵Θ为：

式中：N_s表示发射波形数量，为针对第n_s个波形的编码向量，N_s为具体的脉内编码值；

定义脉间编码矩阵为：

式中，m，n_a，L，F_a和PRI分别表示第m个发射机，第n_a个脉冲序列，多普勒子带的数量，脉冲重复频率和脉冲重复间隔；

则生成的MIMO-SAR发射信号为：

式中，表示脉间编码前的波形信号，/>表示经过脉内编码矩阵Θ编码后的波形信号，/>表示子脉冲序列，k表示进行脉内编码的第k个子脉冲，表示针对第n_s个发射波形中第k个子脉冲的具体编码值；(·)^T和T_s分别表示转置运算和子脉冲宽度；

第n个接收机采集到的回波信号r_n,m(t,η＝n_aF_a)表示为：

所有接收机采集到的混合回波信号表示为：

式中，n表示接收机数量，t表示快时间，η表示方位慢时间，h_n,m(t,η)表示通道响应，表示快时间域的卷积运算。

优选的，步骤2)中，由于脉间相位调制，各发射机发射的MIMO-SAR发射信号由同一接收机接收到的回波信号在多普勒域会产生不同程度的偏移，产生L个互不重叠的多普勒子带，选用带通滤波器分别得到L个多普勒子带上的回波信号，具体的带通滤波器表示为：

式中，f_η和f_dc分别代表多普勒频率和多普勒中心偏移；

对经过带通滤波器滤波得到的L个回波信号进行多普勒中心偏移校正以保证后续的成像处理，此时，同一多普勒子带中仍包含多个发射机的回波，且对应发射机序号的集合为：

m_l∈Ω_l,Ω_l＝[m_l|m_l＝l+n_sL,l＝1,2,…,L,n_s＝0,1,…,N_s-1]

Ω_l表示同一多普勒子带中所包含的各发射机的序号集合；

将多普勒子带的回波信号表示为：

式中，为对应第m_l个发射机第n个接收机的通道响应，/>代表经过方位相位解编码后单一发射波形的回波信号。

优选的，步骤3)中，对步骤2)中的多普勒子带的回波信号进行脉内解编码：定义加权向量/>为：

式中，表示脉内解编码向量中的元素，则时移加权后的回波信号为：

观察上式有：经过时移加权后的回波信号产生2N_s-1种具有不同时延的回波信号分量，且在第N_s次时移过程中，回波信号具有的共同时间片段为t₀+(N_s-1)T_s-T_s/2≤t＜t₀+(N_s-1)T_s+T_s/2，t₀表示混合回波信号r_n(t,η)时延；

在此时间片段内，将回波信号进一步表示为：

观察上式有：对共同时间片段内的干扰分量进行抑制，分离出中第n_s个通道响应，需满足

式中，表示单位向量且第n_s个元素为1，则加权向量/>其中上标(·)^-1表示矩阵求逆运算。

步骤4)的实现过程为：定义为期望信号/>和干扰/>的入射角度，则入射信号的导引矢量v_q表示为：

其中，N_r和d分别表示俯仰向接收通道数量和俯仰向接收通道间隔，确定各种入射信号分量的入射角度，基于最小二乘准则，求解最佳权向量为：

其中，V代表导引向量矩阵，v_i,-N_s+1≤i≤N_s-1和ω_i,-N_s+1≤i≤N_s-1分别表示针对第i个入射信号的导引向量和最优权向量，上标(·)^H表示共轭转置运算。

与现有技术相比，发明的一种基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法的有益效果是：

该波形发射机制能够根据不同的SAR成像模式，综合利用多普勒域、时域和俯仰维空间域的系统资源，灵活地调整系统自由度以实现回波分离，获得最佳的系统性能。所提机制对系统资源有限的MIMO-SAR系统更具有吸引力。

附图说明

图1是星载MIMO-SAR系统发射接收几何模型；

图2是所提机制的整体处理流程图；

图3是点目标分布场景示意图；

图4是多普勒域带通滤波示意图；

图5(a)是点目标1聚焦性能；

图5(b)是点目标2聚焦性能；

图5(c)是点目标3聚焦性能；

图5(d)是点目标4聚焦性能；

图6(a)是发射波形1所照射的场景真值图；

图6(b)是发射波形2所照射的场景真值图；

图6(c)是经过方位解编码和时移加权后的处理结果；

图6(d)是经过所提机制处理后的成像结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法进行详细说明。

该方案中选用的星载MIMO-SAR系统的空间几何模型如图1表示，在该MIMO-SAR系统中，所有发射天线同时发射脉内和脉间联合调制波形且每一接收机均接收来自所有发射波形的回波。为充分发挥MIMO-SAR的优势，需在接收端进行信号分离，以此形成更多的发射、接收等效相位中心。

表1仿真数据涉及到的主要参数

有鉴于此，本发明提出一种基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法，其主要步骤如下：

S1：设计脉内和脉间编码矩阵，并利用编码矩阵对常规雷达信号进行相位调制从而生成MIMO-SAR发射信号，进而产生MIMO体制下的混合回波信号；

定义脉内编码矩阵Θ须为可逆矩阵，且满足以下条件：

经过脉内和脉间编码后的MIMO-SAR发射波形可表示为：

根据上式设计的波形经过Txm发射后，由第n个接收机采集到的回波信号可表示为：

考虑到MIMO体制下每一接收机接收到所有发射机的回波信号，此时Rxn接收到的回波信号可表示为：

S2：对回波信号进行脉间解编码处理，在多普勒域进行滤波以得到不同多普勒子带的混合信号，并对各多普勒子带进行多普勒中心偏移校正；

对接收机接收的原始回波信号进行方位向快速傅里叶变换(FastFourierTransform,FFT),得到的距离-多普勒域回波信号为：

其中，表示方位向FFT运算。观察上式可知，不同发射机的回波占据不同的多普勒子带。进一步地，设计带通滤波器实现对个多普勒子带的回波分离，即：

此外，由于脉间编码，分离后的各子带回波的方位频谱需要进行多普勒偏移校正以保证后续的成像性能。当L≥N_t时，回波分离可直接在多普勒域实现，无需后续的脉内解编码处理。经过多普勒偏移校正后，分离后的子带回波信号可表示为：

其中，表示方位向逆FFT(Inverse FFT,IFFT)运算。当多普勒资源不足时，即L＜N_t，各多普勒子带中的回波并非是单一发射机的回波信号，此时多普勒子带的回波信号为：

S3：对滤波后的信号进行脉内解编码处理，通过时移加权处理抑制掉与期望信号具有相同DOA的干扰分量；

采用加权向量对步骤S2中得到的回波信号进行时移加权处理，即：

观察上式可知，经过时移加权后可产生2N_s-1种具有不同时延的信号分量，且在N_s次时移过程中，回波信号具有的共同时间片段为t₀+(N_s-1)T_s-T_s2≤t＜t₀+(N_s-1)T_s+T_s2，t₀表示原始回波信号时延。在此片段内，回波信号可进一步表示为：

观察可知，对共同时间片段内的干扰分量进行抑制，分离出某一通道响应的回波(以中第p个通道响应为例)，则需满足

进一步地，可求出脉内解编码向量(即加权向量)为其中上标(·)^-1表示矩阵求逆运算。此外，为避免回波分离过程中的信噪比损失，脉内编码矩阵/>须为酉矩阵。

S4：通过俯仰维DBF处理进一步抑制掉具有不同DOA信息的干扰分量，完成MIMO-SAR回波信号分离。

在步骤S3中，与期望信号具有相同DOA信息的干扰分量已经通过时移加权处理进行抑制，但回波信号中仍存在2(N_s-1)种干扰分量。由于残留的干扰分量与期望信号具有不同DOA信息，因此可通过DBF处理进行抑制。定义为期望信号和干扰/>的入射角度，则信号的导引矢量可表示为

其中，N_r表示俯仰向接收通道的数量。根据先验信息可以确定各种信号分量的入射角度，则基于最小二乘准则的最佳权矢量可求解为：

其中，上标(·)^H表示共轭转置运算。经过上述DBF处理后，即可完成MIMO-SAR脉内脉间解编码处理，从而实现混合信号回波分离。图2给出了所提机制的整体处理流程图。

利用本发明提出的一种基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法进行仿真数据处理，以此对所提机制的性能进行验证。实验中涉及到的星载MIMO-SAR仿真参数(参考星载LT-1SAR系统)如表1所示，雷达工作在四发四收模式，即N_t＝4，N_s＝2，L＝2，且脉内相位调制矩阵为

此外，选用非线性调频信号作为脉内调制的基本雷达信号，即非线性调频信号的频谱近似于泰勒窗，最大旁瓣电平为-40dB。仿真实验主要分为两部分：1)点目标仿真和2)面目标仿真。

A点目标仿真

本节选用点目标仿真实验验证脉内脉间联合相位调制的回波分离能力。为了清楚展示回波分离的效果，所发射的四种波形分别照射具有不同空间位置的点目标。一般地，点目标成像场景如图3所示。点目标后向散射的回波经由接收机采集后，首先在距离-多普勒域对原始回波信号进行处理，通过方位带通滤波获得两组子带回波信号，如图4所示。由图中可知，此时各子带回波中仍存在两种信号的混合回波，需要通过脉内解编码和俯仰维DBF对干扰分量进行进一步的抑制已完成回波分离。采用距离-多普勒(Range-Doppler,RD)算法对分离后的数据进行成像处理，各发射波形的点目标成像结果如图5所示。此外，为进一步评估点目标的成像性能，计算图5中各点目标响应的脉冲响应宽度(Impulse ResponseWidth,IRW)、峰值旁瓣比(Peak Sidelobe Ratio,PSLR)和积分旁瓣比(IntegratedSidelobe Ratio,ISLR)。可以看出，各点目标聚焦性能良好，从而证明了所提波形发射机制的有效性。

B面目标仿真

为进一步说明所提方法的可靠性，选用面目标仿真实验对所提波形发射机制的性能进行验证，具体的仿真参数如表1所示。与点目标类似，不同发射波形同时照射不同的分布式场景，且波形1和波形3的照射场景分别如图6(a)和图6(b)所示。图像场景大小为距离向25km，方位向6km。由于距离向时延长度超过子脉冲宽度T_s，在后续处理中需进行俯仰维DBF以实现干扰能量的抑制。进一步地，利用所提出的脉内和脉间解编码方案进行MIMO-SAR回波信号分离处理。方位脉冲解码和时移加权处理后的信号成像结果如图6(c)所示，由于成像场景较大，回波仍然存在混叠，这与上述理论分析相一致。为此，需进一步采取俯仰维DBF处理，相应的成像结果如图6(d)所示。显然，分布式场景聚焦性能良好，基本与真值图相一致，从而证明了基于脉内和脉间联合相位调制的MIMO-SAR灵活波形发射机制的有效性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)定义脉内和脉间编码矩阵，利用脉内和脉间编码矩阵对雷达信号进行相位调制得到MIMO-SAR发射信号，通过发射机发射MIMO-SAR发射信号，并通过接收机采集，得到混合回波信号；

2)对混合回波信号进行脉间解编码处理，在多普勒域进行滤波以得到不同多普勒子带的回波信号，并对各多普勒子带进行多普勒中心偏移校正；

3)对滤波后的回波信号进行脉内解编码处理，通过时移加权处理抑制掉与期望信号具有相同波达角DOA的干扰分量；

4)通过俯仰维数字波束形成DBF进一步抑制掉具有不同波达角DOA的干扰分量，完成MIMO-SAR回波信号的分离；

步骤1)中，定义脉内编码矩阵Θ为：

式中：N_s表示发射波形数量，为针对第n_s个波形的编码向量，为具体的脉内编码值；

定义脉间编码矩阵为：

式中，m，n_a，L，F_a和PRI分别表示第m个发射机，第n_a个脉冲序列，多普勒子带的数量，脉冲重复频率和脉冲重复间隔；

则生成的MIMO-SAR发射信号为：

式中，表示脉间编码前的波形信号，/>表示经过脉内编码矩阵Θ编码后的波形信号，/>表示子脉冲序列，k表示进行脉内编码的第k个子脉冲，/>表示针对第n_s个发射波形中第k个子脉冲的具体编码值；(·)^T和T_s分别表示转置运算和子脉冲宽度；

第n个接收机采集到的回波信号r_n,m(t,η＝n_a/F_a)表示为：

所有接收机采集到的混合回波信号表示为：

式中，n表示接收机数量，t表示快时间，η表示方位慢时间，h_n,m(t,η)表示通道响应，表示快时间域的卷积运算。

2.如权利要求1所述的基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法，其特征在于，步骤2)中，由于脉间相位调制，各发射机发射的MIMO-SAR发射信号由同一接收机接收到的回波信号在多普勒域会产生不同程度的偏移，产生L个互不重叠的多普勒子带，选用带通滤波器分别得到L个多普勒子带上的回波信号，具体的带通滤波器表示为：

式中，f_η和f_dc分别代表多普勒频率和多普勒中心偏移；

对经过带通滤波器滤波得到的L个回波信号进行多普勒中心偏移校正以保证后续的成像处理，此时，同一多普勒子带中仍包含多个发射机的回波，且对应发射机序号的集合为：

m_l∈Ω_l,Ω_l＝[m_l|m_l＝l+n_sL,l＝1,2,…,L,n_s＝0,1,…,N_s-1]

Ω_l表示同一多普勒子带中所包含的各发射机的序号集合；

将多普勒子带的回波信号表示为：

式中，为对应第m_l个发射机第n个接收机的通道响应，/>代表经过方位相位解编码后单一发射波形的回波信号。

3.如权利要求2所述的基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法，其特征在于，步骤3)中，对步骤2)中的多普勒子带的回波信号进行脉内解编码：定义加权向量/>为：

式中，表示脉内解编码向量中的元素，则时移加权后的回波信号为：

观察上式有：经过时移加权后的回波信号产生2N_s-1种具有不同时延的回波信号分量，且在第N_s次时移过程中，回波信号具有的共同时间片段为t₀+(N_s-1)T_s-T_s/2≤t＜t₀+(N_s-1)T_s+T_s/2，t₀表示混合回波信号r_n(t,η)时延；

在此时间片段内，将回波信号进一步表示为：

观察上式有：对共同时间片段内的干扰分量进行抑制，分离出中第n_s个通道响应，需满足

式中，表示单位向量且第n_s个元素为1，则加权向量/>其中上标(·)^-1表示矩阵求逆运算。

4.如权利要求3所述的基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法，其特征在于，脉内编码矩阵为酉矩阵。

5.如权利要求3所述的基于脉内和脉间联合相位调制的可重构MIMO-SAR回波分离方法，其特征在于，步骤4)的实现过程为：定义为期望信号θ₀和干扰θ_q,q≠0的入射角度，则入射信号的导引矢量v_q表示为：

其中，N_r和d分别表示俯仰向接收通道数量和俯仰向接收通道间隔，确定各种入射信号分量的入射角度，基于最小二乘准则，求解最佳权向量为：

其中，V代表导引向量矩阵，v_i,-N_s+1≤i≤N_s-1和ω_i,-N_s+1≤i≤N_s-1分别表示针对第i个入射信号的导引向量和最优权向量，上标(·)^H表示共轭转置运算。