用于合成孔径雷达成像处理的全向旁瓣抑制方法

摘要

本发明公开了一种用于合成孔径雷达成像处理的全向旁瓣抑制方法，该方法首先将合成孔径雷达获取的二维回波信号排列为一维数据，然后确定成像平面区域位置，构造成像平面对应的测量矩阵，最后采用线性最小二乘方法，结合测量矩阵对一维回波数据进行处理，从而实现了合成孔径雷达成像结果的全向旁瓣抑制，显著降低了能量泄漏。从而使得处理后的星载回波数据的成像结果的能量泄露最小，进而达到抑制旁瓣的目的。本发明对目标散射强度没有特殊要求，可以对任意场景目标进行成像处理，适用范围广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成孔径雷达的信号处理方法，更特别地说，是指一种用于合成 孔径雷达成像处理的全向旁瓣抑制方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)系统是一种有源的遥感设备， 它主动向目标发射电磁波，利用目标散射特性作用下接收到回波信号进行成像。星载 合成孔径雷达是一个非常复杂的系统，系统参数众多且相互关联、相互制约。在距离 向，雷达发射线性调频信号，经过对回波信号进行脉冲压缩，从而得到较高的距离向 分辨率；在方位向，通过卫星的雷达平台在前进过程波束与目标相对位置的变化，形 成等效线性阵列天线，从而提高了方位分辨率。

影响星载SAR的图像质量的关键因素之一就是方位模糊性问题。这与星载SAR的脉 冲工作方式有关，其脉冲重复频率(Pulse Repetitive Frequency，PRF)的选择与方 位模糊紧密相关。由于多普勒效应，SAR所收到的回波沿方位向可以等效为一个线性调 频(linear frequency modulation，LFM)信号，并且这个LFM信号是离散的，抽样 频率为PRF。方位向LFM信号是被方位向的天线方向图加权的，但是天线方向图都存在 着旁瓣且处于较高频段上。

1999年10月哈尔滨工业大学出版社出版、刘永坦编著的《雷达成像技术》指出， 合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)安装在运动平台上，按照一定 的重复频率发射、接收脉冲，形成回波信号。SAR系统的结构框图如图1所示，SAR 系统包括有星上雷达系统、卫星平台及数据下传系统和地面系统三部分，对合成孔径 雷达成像处理是在地面系统中完成的。地面系统通过地面接收站接收卫星平台及数据 下传系统下发的回波信号，该回波信号经SAR信号处理器进行成像处理，获得SAR 图像；所述SAR图像存储于备档操作系统中。

2001年第49卷《IEEE Transaction on Antennas and Propagation》Xu Xiaojian、Narayanan R.M.发表的《《Range sidelobe suppression technique for  coherent ultra wide-band random noise radar imaging》指出，SAR信号处理 器对回波信号分别沿距离向和方位向进行匹配滤波，获取成像结果。由于成像过程中 二维频域的支撑域有限，使得合成孔径雷达的冲激响应在距离向和方位向上均为辛格 函数，其包络具有逐渐递减的旁瓣。这种现象的存在使得在成像结果中后向散射强度 较弱的目标被淹没在相邻强散射目标的旁瓣中，降低了合成孔径雷达系统对多个相邻 目标的分辨能力。

1989年11月科学出版社出版、张澄波编著的《综合孔径雷达原理、系统分析与 应用》中介绍了基于幅度加权的旁瓣抑制方法。该方法能够在一定程度上压低旁瓣电 平，但会导致成像分辨率变差和信噪比降低。2009年第7期《信号处理》王建、周智 敏、宋千等发表的《SAR图像二维旁瓣自适应抑制技术》提出了空变切趾滤波技术， 采用非线性方法得到较低的旁瓣电平。该方法对强点目标的旁瓣抑制效果显著，但是 不适用于弱目标，并且运算量较大。

最小二乘法(least square method)是一种数学优化技术，它通过最小化误差 的平方寻找数据的最佳函数匹配。2006年9月科学出版社出版、魏木生编著的《广义 最小二乘问题理论和计算》中给出了线性最小二乘法概念，当给定的矩阵非 奇异，则对任何向量和线性方程组Ax＝y总有唯一解x＝A^-1y，其中 表示所有m×l复元素矩阵的实体，和分别表示所有m、n个复元素向量的 实体。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于合成孔径雷达成像处理的全向旁瓣抑制方法，该 方法首先将合成孔径雷达获取的二维回波信号排列为一维数据，然后确定成像平面区 域位置，构造成像平面对应的测量矩阵，最后采用线性最小二乘方法，结合测量矩阵 对一维回波数据进行处理，从而实现了合成孔径雷达成像结果的全向旁瓣抑制，显著 降低了能量泄漏。

本发明是基于现有的SAR信号处理器对接收到的回波信号进行全向旁瓣抑制， 具体的全向旁瓣抑制方法包括有下列处理步骤：

第一步：回波信号的二维转一维

第二步：成像区域划分

第三步：构建观测向量

第四步：观测向量构建

第五步：构建成像区域对应的观测矩阵

第六步：获取成像区域散射系数

第七步：向量矩阵转换

在本发明中，经SAR信号处理器采用全向旁瓣抑制处理后的图像，应用的图像 评价参数包括有方位向能量泄漏比距离向能量泄漏比和二维能量泄 漏比

在合成孔径雷达旁瓣抑制处理中，应用本发明的方法具有如下优点：

①将回波信号由二维排列为一维，构建成像区域对应的观测矩阵，采用线性最小二 乘法进行处理，消弱了合成孔径雷达沿方位向、距离向以及交叉向的旁瓣。

②与基于幅度加权的旁瓣抑制方法相比，本发明在抑制旁瓣的同时，不会引起合成 孔径雷达空间分辨率的损失。

③与空变切趾滤波技术相比，本发明对目标的散射强度没有特殊要求，适用于各种 类型的成像区域。

附图说明

图1是传统SAR系统的结构框图。

图1A是本发明全向旁瓣抑制方法的处理流程图。

图2是BP成像方法对点目标回波信号处理后得到幅值归一化三维图像。

图3是本发明方法对点目标回波信号处理后得到幅值归一化三维图像。

图4是BP成像方法对点目标回波信号处理后得到幅值归一化的方位向剖面图。

图5是BP成像方法对点目标回波信号处理后得到幅值归一化的距离向剖面图。

图6是本发明方法对点目标回波信号处理后得到幅值归一化的方位向剖面图。

图7是本发明方法对点目标回波信号处理后得到幅值归一化的距离向剖面图。

具体实施方式

下面将结合附图和仿真实例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1A所示，本发明是基于现有的SAR信号处理器对接收到的回波信号进 行全向旁瓣抑制，具体的全向旁瓣抑制方法包括有下列处理步骤：

第一步：回波信号的二维转一维

由于SAR信号处理器接到的回波数据是以二维矩阵进行排列的，为了实现对回 波数据形成的成像区域进行处理，本发明采用对二维回波数据E_二维回波进行一维回波 数据E_一维回波的重新排列。

在本发明中，合成孔径雷达的二维回波数据E_二维回波采用矩阵形式表示为：

在本发明中，合成孔径雷达的一维回波数据E_一维回波采用矩阵形式表示为：

N_方位表示沿方位向的采样点数；N_距离表示沿距离向的采样点数；

a_1-1表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第1个采样点；

a_1-2表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第2个采样点；

表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻的距离向的第N_距离个采样点；

a_2-1表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第1个采样点；

a_2-2表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第2个采样点；

表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻的距离向的第N_距离个采样点；

表示沿方位向上采集到的第N_方位个方位时刻的距离向的第1个采样点；

表示沿方位向上采集到的第N_方位个方位时刻的距离向的第2个采样点；

表示沿方位向上采集到的第N_方位个方位时刻的距离向的第N_距离个采样点。

第二步：成像区域划分

在本发明中，SAR信号处理器对接到的回波数据采用网格剖分进行成像区域划 分，得到带网格成像区域；即一个成像区域可以划分为D_方位×D_距离个带网格成像区域。

在带网格成像区域中，方位向的网格数目中任意 一个网格点记为I_a，简称为方位向网格点I_a；

在带网格成像区域中，距离向的网格数目中任意一个网格 点记为I_r，简称为距离向网格点I_r；

因此，方位向网格点I_a与距离向网格点I_r的网格中心坐标记为

D_方位表示方位向的网格数目，且网格数目向上取整；

D_距离表示距离向的网格数目，且网格数目向上取整；

λ表示雷达系统波长；

R_min表示下传天线到成像区域的最短距离；

L_a表示星上雷达系统中方位向天线尺寸；

V表示卫星平台飞行时的等效速度；

PRT表示脉冲重复时间间隔；

τ_p表示发射脉冲的时间宽度；

F_s表示距离向脉冲采样率；

c表示光速。

在本发明中，对成像区域进行网格划分，划分后的成像区域(带网格成像区域) 中的所有点能够满足星载合成孔径雷达全孔径照射。

第三步：构建观测向量

在卫星平台飞行的任意时刻t_k下对第二步骤中获得的网格中心坐标W_网格进行斜 距计算，该斜距

在t_k时刻下，第二步骤中获得的网格中心坐标W_网格对应的观测向量为

e_k-1表示在t_k时刻下，网格中心坐标W_网格的距离向的第1个采样点观测值；

e_k-2表示在t_k时刻下，网格中心坐标W_网格的距离向的第2个采样点观测值；

e_k-n表示在t_k时刻下，网格中心坐标W_网格的距离向的第n个采样点观测值；

表示在t_k时刻下，网格中心坐标W_网格的距离向的第N_距离个采样点观测值。

在本发明中，距离向的第n个采样点观测值 N_begin≤n≤N_end；

n表示网格中心坐标W_网格的距离向的采样点；

N_begin表示距离向起点，且

N_end表示距离向终点，且

i表示虚数单位；

b表示发射信号调频率；

F_s表示距离向脉冲采样率；

τ_p表示发射脉冲的时间宽度；

表示网格中心坐标W_网格的斜距；

c表示光速；

R_min表示下传天线到成像区域的最短距离。

第四步：观测向量构建

因为回波数据和成像区域散射点之间的相关性，为了得到带网格成像区域中每个 网格点的散射系数，需要构建在全部运动时间内的方位向第I_a个、距离向第I_r个网格 中心对应的观测向量

所述网格中心对应的观测向量中表示 的转置；表示的转置；表示的转置；表示 的转置。

表示在t₁时刻成像区域的方位向第I_a个网格、距离向第I_r个网格中心点对 应的观测向量；

表示在t₂时刻成像区域的方位向第I_a个网格、距离向第I_r个网格中心点 对应的观测向量；

表示在t_k时刻成像区域的方位向第I_a个网格、距离向第I_r个网格中心点 对应的观测向量；

表示在时刻成像区域的方位向第I_a个网格、距离向第I_r个网格中 心点对应的观测向量。

第五步：构建成像区域对应的观测矩阵

因为回波数据和成像区域散射点之间的相关性，为了得到带网格成像区域中所有 网格点的散射系数，需要在本发明中构建带网格成像区域对应的观测矩阵φ。

所述观测矩阵中 表示在全部运动时间内成像区域的方位向第1个网格、距离向第1个网格中心 点的观测向量；

表示在全部运动时间内成像区域的方位向第1个网格、距离向第2个网格 中心点的观测向量；

表示在全部运动时间内成像区域的方位向第1个网格、距离向第D_距离个 网格中心点的观测向量；

表示在全部运动时间内成像区域的方位向第2个网格、距离向第1个网格 中心点的观测向量；

表示在全部运动时间内成像区域的方位向第2个网格、距离向第2个网格 中心点的观测向量；

表示在全部运动时间内成像区域的方位向第2个网格、距离向第D_距离个 网格中心点的观测向量；

表示在全部运动时间内成像区域的方位向第D_方位个网格、距离向第1 个网格中心点的观测向量；

表示在全部运动时间内成像区域的方位向第D_方位个网格、距离向第2 个网格中心点的观测向量；

表示在全部运动时间内成像区域的方位向第D_方位个网格、距离向第 D_距离个网格中心点的观测向量。

第六步：获取成像区域散射系数

依据第一步的一维回波数据E_一维回波和第五步的观测矩阵φ按照线性最小二乘法 求解E_一维散射＝(φ^H×φ)^-1×φ^H×E_一维回波，从而得到成像区域散射系数，即一维散 射系数E_一维散射。其中，φ^H表示φ的共轭转置。

所述一维散射系数

S_1-1表示成像区域的方位向第1个网格、距离向第1个网格中心点的散射系数；

S_1-2表示成像区域的方位向第1个网格、距离向第2个网格中心点的散射系数；

表示成像区域的方位向第1个网格、距离向第D_距离个网格中心点的散射系数；

S_2-1表示成像区域的方位向第2个网格、距离向第1个网格中心点的散射系数；

S_2-2表示成像区域的方位向第2个网格、距离向第2个网格中心点的散射系数；

表示成像区域的方位向第2个网格、距离向第D_距离个网格中心点的散射系数；

表示成像区域的方位向第D_方位个网格、距离向第1个网格中心点的散射系数；

表示成像区域的方位向第D_方位个网格、距离向第2个网格中心点的散射系数；

表示成像区域的方位向第D_方位个网格、距离向第D_距离个网格中心点的散 射系数。

在本发明中，利用最小二乘法进行成像处理，该方法的优点是能够准确估计图像 中目标的散射系数。

第七步：向量矩阵转换

将第六步的一维散射系数E_一维散射由一维向量转换为二维散射矩阵E_二维散射，并对 矩阵E_F求绝对值，得到成像区域的成像结果I_abs。

所述二维散射矩阵

所述成像区域的成像结果

在某型机载SAR中，将本发明的扩展非线性变标方法下载至信号处理系统中， 然后对合成孔径雷达前斜视子孔径成像进行成像处理。

采用本发明的全向旁瓣抑制方法进行仿真处理，其参数设置如表1：

表1成像参数设置

  雷达波长λ   0.03m   方位向天线长度L_a  1m   脉冲宽度τ_p  1μs   发射信号调频率b   150MHz/μs   采样率F_s  160MHz   脉冲重复时间间隔PRT   0.0033s   最短距离R_min  7km   飞行速度V   160m/s   方位向采样点N_方位  512   距离向采样点N_距离  256  成像区域方位向网格点D_方位  164  成像区域距离向网格点D_距离  96

图2、图4、图5是采用传统的BP成像方法(见朱国富2001年在信息处理的 第十七卷第五期发表的《超宽带LFM信号的BP成像算法》)对点目标回波信号处理 后得到的成像结果。

图3、图6、图7是采用本发明的全向旁瓣抑制方法对点目标回波信号处理后得 到的成像结果。

将图3、图6、图7分别于图2、图4、图5进行相比较，可以看出本发明比传 统BP成像算法的方位向、距离向和二维能量泄漏比值小很多。评估指标结果列于表 2。可见，本发明方法实现了全向旁瓣抑制。

表2点目标评估指标结果

在本发明中，关键的SAR图像参数有距离和方位分辨率、峰值旁瓣比、积分旁 瓣比等。由于本发明抑制旁瓣效果非常好，几乎没有任何旁瓣(如图3所示)，因而 常规的图像评价参数不再适合本发明方法处理后的图像，特此定义四个新评价参数。 本发明中方位向能量泄漏比距离向能量泄漏比和二维能量泄漏比 其中，P_a表示方位向成像结果中除峰值所在位置外所有像素点的能量之和， P_ap表示方位向成像结果中峰值的能量；P_r表示距离向成像结果中除峰值所在位置外 所有像素点的能量之和，P_rp表示距离向成像结果中峰值的能量；P_e表示二维成像结 果中除峰值所在位置外所有像素点的能量之和，P_ep表示二维成像结果中峰值的能量。