CN116819531B - 基于正交双v型线性调频的雷达极化成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，发射ODV‑LFM信号，ODV‑LFM信号包括一个正V型信号和一个反V型信号，两个信号在频域上是正交的，同时调频斜率不相同；接收回波信号并进行混频；将混频后的信号经过系统匹配滤波器组进行滤波，得到滤波结果，并去除失配项得到滤波组合结果；基于滤波组合结果得到时延‑多普勒响应；对时延‑多普勒响应进行逐点非线性处理；在滤波结果中选择包含互极化信息的回波信号，将回波信号与上述经过逐点非线性处理的信号进行相干合成，得到带宽信号，以得到高分辨率图像。
Description
技术领域
本发明涉及雷达极化测量与极化信息处理技术领域，具体涉及一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法。
背景技术
极化是电磁波基本物理性质之一，极化测量是极化信息采集和处理的基础，其根本目的是获取目标的极化散射矩阵（Polarization Scattering Matrix, PSM），是充分利用目标极化信息的前提，在目标探测、目标识别等方面具有重要的应用潜力。随着极化合成孔径雷达（Polarimetric Synthetic Aperture Radar, PolSAR）的发展，有多种极化测量系统出现，如单极化、双极化、简缩极化、多极化以及全极化测量系统，其中包括时分测量极化雷达和同时测量极化雷达。全极化系统在目标相干信息获取和目标分类方面优于单极化雷达。
然而，传统的全极化SAR系统存在脉冲重复频率增加和功率大的缺点。对于该问题，可以考虑介于全极化和单单机之间的双极化系统，但该系统通常无法获得目标完整极化信息。
简缩极化SAR系统的优点是可以在保持带宽的情况下获得目标部分的极化信息，基于双极化系统，该系统可以获得更多的信息，并具备从简缩极化数据中重构全极化信息的能力。此外，瞬态极化概念的提出，解决了宽带极化信号处理中的问题并且促进了新型全极化雷达系统的研究与发展。目前，瞬态极化测量已成为极化测量的重要发展方向。
分辨率是现代雷达信号的关键性能指标之一。一方面，为了满足现代雷达系统对高分辨率宽幅（High Resolution Wide Swath, HRWS）成像的要求，出现了带宽合成技术、多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）-SAR、正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）-SAR等新的成像技术和系统。带宽合成技术通过对不同带宽的回波信号进行处理，得到合成的大宽带信号，从而提高距离分辨率，并且对瞬时带宽的要求较低。另一方面，时延-多普勒分辨率显示了雷达系统分离径向速度相近、空间位置相近目标的能力。目前的雷达系统大多采用线性调频（LinearFrequency Modulation，LFM）信号，存在严重的时延-多普勒耦合和成像分辨率低的问题。因此，设计具有良好延迟-多普勒分辨率的雷达信号是值得研究的问题。
发明内容
本发明提出了一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，以解决时延-多普勒耦合较高以及成像分辨率较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，包括以下步骤：
步骤S1：发射ODV-LFM信号，所述ODV-LFM信号包括一个正V型信号和一个反V型信号，两个信号在频域上是正交的，同时调频斜率不相同；
步骤S2：接收回波信号并进行混频；
步骤S3：将所述混频后的信号经过系统匹配滤波器组进行滤波，得到滤波结果，并进行幅度调制和去除失配项得到滤波组合结果；
步骤S4：基于所述滤波组合结果得到时延-多普勒响应；
步骤S5：对所述时延-多普勒响应进行逐点非线性处理；
步骤S6：在所述滤波结果中选择包含互极化信息的回波信号，将所述回波信号与步骤S5中经过逐点非线性处理的信号进行相干合成，得到带宽信号，以得到高分辨率图像。
优选地，步骤S1中所述ODV-LFM信号的表达式为：
；
式中，t表示时间，和/>表示发射信号Jones矢量表达式的两个正交分量，uv1(t)和uv2(t)表示组成/>的两个分量，uv3(t)和uv4(t)表示组成/>的两个分量，表示起始于0时刻的脉宽为/>的矩形脉冲，fH表示H通道发射信号载频，fV表示V通道发射信号载频，exp()表示指数函数，/>表示调频斜率，j表示虚数符号。
优选地，步骤S2中混频后的表达式为：
；
式中，表示混频信号，uv表示发射信号，/>表示系统的相位差，上标表示共轭，/>和/>表示输出信号um的Jones矢量表达式的两个正交分量，SHH、SHV、SVH和SVV表示组成目标极化散射矩阵的四个分量，/>表示目标回波时延，R表示目标距离，vt表示目标径向速度，c表示光速。
优选地，所述系统匹配滤波器组的表达式为：
；
式中，表示起始于/>时刻的脉宽为/>的矩形脉冲，/>表示滤波器反应时延。
优选地，步骤S3中所述滤波组合结果RHH(t)、RHV(t)、RVH(t)和RVV(t)的表达式为：
；
；
；
式中，Ri(t)(i=1,2,…,8)表示匹配滤波结果，Hi(f)和Uvi(f)分别表示经hi(t)和uvi(t)经傅里叶变换得到的频域表达式，f表示频率，表示幅度系数，sinc()表示辛格函数。
优选地，步骤S5中进行逐点非线性处理的表达式为：
；
；
式中，g()表示逐点运算函数，表示对应回波得到的时延-多普勒响应，/> 表示输出信号um的Jones矢量表达式的两个正交分量，fd表示多普勒频移。
优选地，所述逐点非线性处理包括线性逐点相加、非线性逐点相乘、非线性逐点取最小、非线性逐点旁瓣消隐和非线性联合。
优选地，步骤S5中逐点非线性处理采用非线性逐点相乘和非线性逐点旁瓣消隐进行处理，表达式为：
；
；
；
；
；
式中，Iproduct表示非线性逐点相乘得到的二维成像结果，Ii表示滤波结果的二维成像结果，Iblanking表示非线性逐点旁瓣消隐得到的二维成像结果，Mblanking表示逐点旁瓣消隐函数得到的判断矩阵，Isynthesis表示带宽信号的二维成像结果。
优选地，所述方法还包括极化测量步骤：通过步骤S3得到的滤波组合结果，经过目标极化散射矩阵的归一化反演，得到目标同时极化测量结果。
优选地，所述目标同时极化测量结果的表达式为：
；
。
本发明的有益效果至少包括：
1）提出了一种新的极化波形——正交双V-LFM（Orthogonal Double V-LFM, ODV-LFM）。ODV-LFM信号可以实现同时极化测量和高分辨率成像，并且具有V-LFM信号的优点，具有良好的时延-多普勒分辨率，受时延-多普勒耦合的影响小。
2）ODV-LFM信号经频带相干合成处理后，实现高分辨成像。
3）作为附加技术特征，提出了一种提高极化信号的延迟-多普勒分辨力的非线性处理方法，该方法以信号部分检测性能为代价，可以抑制多目标场景下的旁瓣以及降低假目标和鬼影出现的几率，将非线性处理方法应用到PolSAR成像上，可以实现高分辨成像，并降低旁瓣，提高成像效果。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程示意图；
图2为本发明实施例的时延-多普勒图；
图3为本发明实施例的非线性处理结果示意图；
图4为本发明实施例的目标二维成像结果示意图；
图5为本发明实施例的信号分辨力比较结果示意图；
图6为本发明实施例的ODV-LFM经过非线性方法处理的二维成像结果示意图；
图7为本发明实施例的图6的信号分辨力比较结果示意图；
图8为本发明实施例的检测性能比较结果示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，包括以下步骤：
步骤S1：发射ODV-LFM信号，ODV-LFM信号包括一个正V型信号和一个反V型信号，两个信号在频域上是正交的，同时调频斜率不相同。
具体地，为了减小同步极化测量系统中信号传输信道间载波频率差和时延-多普勒耦合的影响，本发明提出了ODV-LFM信号，极化雷达发射水平和垂直极化信号，则发射的ODV-LFM信号可表示为：；
式中，t表示时间，和/>表示发射信号Jones矢量表达式的两个正交分量，uv1(t)和uv2(t)表示组成/>的两个分量，uv3(t)和uv4(t)表示组成/>的两个分量，表示起始于0时刻的脉宽为/>的矩形脉冲，fH表示H通道发射信号载频，fV表示V通道发射信号载频，exp()表示指数函数，/>表示调频斜率，j表示虚数符号。
步骤S2：接收回波信号并进行混频。
将目标极化散射矩阵PSM表示为：
；
式中，SHH、SHV、SVH和SVV为组成目标PSM的四个分量。
则雷达系统接收到的回波经混频后的表达式为：
；
式中，表示混频信号，uv表示发射信号，/>表示系统的相位差，上标表示共轭，/>和/>表示输出信号um的Jones矢量表达式的两个正交分量，SHH、SHV、SVH和SVV表示组成目标极化散射矩阵的四个分量，/>表示目标回波时延，R表示目标距离，vt表示目标径向速度，c表示光速。
步骤S3：将所述混频后的信号经过系统匹配滤波器组进行滤波，得到滤波结果，并进行幅度调制和去除失配项得到滤波组合结果；
具体地，本发明实施例采用的系统匹配滤波器组表示为：
；
式中，表示起始于/>时刻的脉宽为/>的矩形脉冲，/>表示滤波器反应时延。
回波后的信号经过系统匹配滤波器组的处理，得到八路匹配滤波输出结果，输出结果经组合和幅度调制后，去除失配项，得到四个组合结果RHH(t)、RHV(t)、RVH(t)和RVV(t)，其表达式为：
；
；
；
式中，Ri(t)(i=1,2,…,8)表示匹配滤波结果，Hi(f)和Uvi(f)分别表示经hi(t)和uvi(t)经傅里叶变换得到的频域表达式，f表示频率，表示幅度系数，sinc()表示辛格函数。
步骤S4：基于滤波组合结果得到时延-多普勒响应。
步骤S5：对时延-多普勒响应进行逐点非线性处理。
具体地，通过时延-多普勒响应，本发明实施例中的非线性处理方法表达式可表示为：
；
；
式中，g()表示逐点运算函数，表示对应回波得到的时延-多普勒响应，/> 表示输出信号um的Jones矢量表达式的两个正交分量，fd表示多普勒频移。
具体地，本发明实施例中可选用如表1所示的逐点非线性处理函数。
表1
。
步骤S6：在滤波结果中选择包含互极化信息的回波信号，将回波信号与步骤S5中经过逐点非线性处理的信号进行相干合成，得到带宽信号，以得到高分辨率图像。
具体地，结合频带合成技术，可以在不增加瞬时带宽的情况下，使距离分辨力提高一倍。由于PSM中，在滤波组合结果RHH(t)、RHV(t)、RVH(t)和RVV(t)中选择包含互极化信息的回波信号，/>和/>，以实现相干合成，获得大带宽信号/>，再进行处理得到高分辨率成像。
本发明实施例中结合逐点非线性处理方法，通过非线性逐点相乘方法和非线性逐点旁瓣消隐方法实现可以实现高分辨率成像，抑制旁瓣，提高成像效果，两种非线性方法的表达式为：
；
；
式中，Iproduct表示非线性逐点相乘得到的二维成像结果，Ii表示滤波结果的二维成像结果，Iblanking表示非线性逐点旁瓣消隐得到的二维成像结果，Mblanking表示逐点旁瓣消隐函数得到的判断矩阵，Isynthesis表示带宽信号的二维成像结果。
通过本发明实施例所提出的正交双V型线性调频雷达信号还可进行极化测量，通过步骤S3得到的滤波组合结果，经过目标极化散射矩阵的归一化反演，得到目标同时极化测量结果。
具体地，当，/>，对于慢动目标，/>，则有：
；
则得到目标同时极化测量结果的表达式为：
。
以下通过仿真实验对本发明作进一步详细描述。
（1）实验1
假设目标为单个静止点目标，在机载PolSAR平台的仿真环境下，设置对比仿真实验，重点比较PNLFM信号和ODV-LFM信号的极化测量效果。具体仿真参数如表2所示，结果如表3所示：
表2
；
表3
；
用表示测量误差，根据表3中结果可知，本发明设计的极化测量信号和PNLFM信号都可以实现同时极化测量的功能，基本满足实用要求。根据误差结果，在理想条件下，与PNLFM信号相比，ODV-LFM信号的极化测量误差更小，说明其极化测量性能优于PNLFM信号。
（2）实验2
现在设立仿真实验观察本发明所提的非线性处理方法的改进效果。假设目标为两个静止的点目标，具体仿真参数如表2和表4所示，相同参数不再列出：
表4
；
图2为ODV-LFM信号的时延-多普勒图，从图2中可以看出，由于信号本身的特性，在多目标场景下，回波经过处理后的时延-多普勒图中会出现交叉项，导致假目标的出现。不过在一定程度上，ODV-LFM信号可以抑制假目标的功率，降低假目标和鬼影出现的概率，这是ODV-LFM信号的优点，但在某些特定情况下也会产生假目标或鬼影。
图2经过非线性处理后的结果如图3所示。从图3的结果可以看出，几种非线性方法都能达到抑制旁瓣的效果。经非线性处理后，可以从时延-多普勒图中识别出两个预设目标。其中，图3中(b)的逐点最小值法的效果稍差，其它方法均能取得较好的效果。然而，上述非线性方法不适用于单极化目标。当出现单极化目标时，需要对方法进行相应的调整，另一方面也表明非线性处理可以增强抗单极化干扰的能力。
（3）实验3
在机载PolSAR平台侧视条件的仿真环境下，设置了基于LFM信号、同时步进线性调频（Simultaneous Stepped Linear Frequency Modulation， SSLFM）信号、PNLFM信号和ODV-LFM信号的成像效果对比仿真实验。具体仿真参数设计如表2和表5所示，相同参数不再列出：
表5
；
信号的二维成像结果和分辨率对比结果如图4和图5所示。与LFM的结果相比，SSLFM信号、PNLFM信号和ODV-LFM信号都能实现双倍高分辨成像的功能，可以将距离分辨率提高一倍，但方位分辨率不变。
对于ODV-LFM信号，经过非线性处理后的成像结果如图6所示。各个方法的分辨力对比结果如图7所示。与图4中的(d)相比，图6中的(a)和图6中的(c)结果表明，逐点相乘法和逐点旁瓣消隐法可以达到抑制旁瓣和改善成像的效果，前者的效果更明显，但在多目标场景下，弱目标的成像效果会变弱。当目标具有相同的PSM时，逐点积法的仿真结果如图6中的(d)所示，成像效果相当好。从图6中的(b)和图7可以看出，逐点取最小法不能达到抑制旁瓣和提高分辨率的效果。从图7可以看出，逐点相乘法不仅可以获得与频带合成方法相同的距离分辨力，而且可以提高方位分辨力。
（4）实验4
为了研究非线性处理方法的检测性能。本发明通过蒙特卡洛仿真实验，比较传统匹配滤波方法与非线性处理方法的检测性能。具体仿真参数设计如表2和表6所示，相同参数不再列出：
表6
；
检测性能对比结果如图8所示。从图8的结果可以看出，与匹配滤波方法相比，非线性方法的检测概率有所降低，但在信噪比足够高的情况下，非线性方法仍然具有与其水平相当的检测性能。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，仅表达了本发明的较佳实施例而已，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：发射ODV-LFM信号，所述ODV-LFM信号包括一个正V型信号和一个反V型信号，两个信号在频域上是正交的，同时调频斜率不相同；
所述ODV-LFM信号的表达式为：
式中，t表示时间，和/>表示发射信号Jones矢量表达式的两个正交分量，uv1(t)和uv2(t)表示组成/>的两个分量，uv3(t)和uv4(t)表示组成/>的两个分量，rect(t/τvi)表示起始于0时刻的脉宽为τvi的矩形脉冲，其中i＝1,2,3,4，fH表示H通道发射信号载频，fV表示V通道发射信号载频，exp()表示指数函数，kvi表示调频斜率，其中i＝1,2,3,4，j表示虚数符号；
步骤S2：接收回波信号并进行混频；
步骤S3：将所述混频后的信号经过系统匹配滤波器组进行滤波，得到滤波结果，并进行幅度调制和去除失配项得到滤波组合结果；
步骤S4：基于所述滤波组合结果得到时延-多普勒响应；
步骤S5：对所述时延-多普勒响应进行逐点非线性处理；
步骤S6：在所述滤波结果中选择包含互极化信息的回波信号，将所述回波信号与步骤S5中经过逐点非线性处理的信号进行相干合成，得到带宽信号，以得到高分辨率图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，其特征在于：步骤S2中混频后的表达式为：
式中，表示混频信号，uv表示发射信号，φ表示系统的相位差，上标*表示共轭，/>和/>表示输出信号um的Jones矢量表达式的两个正交分量，SHH、SHV、SVH和SVV表示组成目标极化散射矩阵的四个分量，τd＝2(R-vtt)/c表示目标回波时延，R表示目标距离，vt表示目标径向速度，c表示光速。
3.根据权利要求2所述的一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，其特征在于：所述系统匹配滤波器组hi(t)，其中i＝1,2,3,4的表达式为：
式中，rect((τp-t)/τvi)表示起始于τp时刻的脉宽为τvi的矩形脉冲，其中i＝1,2,3,4，τp表示滤波器反应时延。
4.根据权利要求3所述的一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，其特征在于：步骤S3中所述滤波组合结果RHH(t)、RHV(t)、RVH(t)和RVV(t)的表达式为：
A(t)＝D sinc(Δf(t-(τp+τd)))；
式中，Ri(t)表示匹配滤波结果，其中i＝1,2,…,8，Hi(f)和Uvi(f)分别表示hi(t)和uvi(t)经傅里叶变换得到的频域表达式，f表示频率，D＝τvl/π表示幅度系数，sinc()表示辛格函数。
5.根据权利要求4所述的一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，其特征在于：步骤S5中进行逐点非线性处理的表达式为：
式中，g()表示逐点运算函数，表示对应回波得到的时延-多普勒响应，其中i＝1,2，/>表示输出信号um的Jones矢量表达式的两个正交分量，fd表示多普勒频移。
6.根据权利要求5所述的一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，其特征在于：所述逐点非线性处理包括线性逐点相加、非线性逐点相乘、非线性逐点取最小、非线性逐点旁瓣消隐和非线性联合。
7.根据权利要求6所述的一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，其特征在于：步骤S5中逐点非线性处理采用非线性逐点相乘和非线性逐点旁瓣消隐进行处理，表达式为：
Iproduct＝gproduct(I3，I4，I5，I6)；
ssynthesis(t)＝RHV(t)+RVH(t)；
RHV(t)＝R3(t)+R4(t)；
RVH(t)＝R5(t)+R6(t)；
式中，Iproduct表示非线性逐点相乘得到的二维成像结果，Ii表示滤波结果的二维成像结果，Iblanking表示非线性逐点旁瓣消隐得到的二维成像结果，Mblanking表示逐点旁瓣消隐函数得到的判断矩阵，Isynthesis表示带宽信号的二维成像结果，gproduct表示非线性逐点相乘函数，gblanking表示非线性逐点旁瓣消隐函数。
8.根据权利要求7所述的一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，其特征在于：所述方法还包括极化测量步骤：通过步骤S3得到的滤波组合结果，经过目标极化散射矩阵的归一化反演，得到目标同时极化测量结果。
9.根据权利要求8所述的一种基于正交双V型线性调频的雷达极化成像方法，其特征在于：所述目标同时极化测量结果的表达式为：
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