一种方位多通道脉内聚束SAR成像方法

摘要

本发明涉及合成孔径雷达成像技术领域，特别涉及一种方位多通道脉内聚束SAR成像方法。成像方法包括如下步骤：将长脉冲信号分解为多个子脉冲信号，并进行相位调制；将子脉冲信号发射到不同的方位子场景；将全孔径天线沿方位向分解为多个子孔径天线接收回波信号；对各个子孔径接收到的回波信号进行APC相位解调、分离；补偿相位解调过程中剩余的常数相位；将处理后的子脉冲回波信号在距离向对齐；将处理后的子脉冲回波信号进行子多普勒频带的合成，得到总的多普勒频带；聚焦成像。本发明的方位多通道脉内聚束SAR成像方法，可以接收到被照射场景的所有回波；另外，采用方位向空域滤波技术分离信号，其性能不会受到地面场景起伏的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达成像技术领域，特别涉及一种方位多通道脉内聚束SAR成像方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)装载于高超声速平台(例如高超声速飞机、卫星等)时，由于平台的高速运动，地面场景回波的多普勒展宽非常严重，为满足奈奎斯特采样定律，保证方位信号没有模糊，系统需要采用很高的脉冲重复频率(PRF)。高的PRF将导致距离维采样窗长度减小，当雷达俯仰维波束的覆盖范围很宽或是需要对很宽的场景进行成像时，将不可避免地会出现距离模糊或距离盲区。因此，对于高超声速平台载SAR系统，距离维宽测绘带与方位维高分辨率构成一对矛盾。目前常用的成像模式仅在某一方面有所专长，聚束SAR和滑动聚束SAR的方位分辨率可以很高，但是距离测绘带宽度受限，且方位测绘带也不连续；Scan和TOPS模式的距离观测范围很广，却是以牺牲方位分辨率为代价的；条带SAR仅可以得到中等的分辨率和测绘带宽度。

为了解决高分辨率与宽测绘带之间的矛盾，国内外学者提出了多通道系统体制，可以分为俯仰维多通道和方位维多通道。俯仰维多通道系统采用高的PRF保证方位回波信号没有模糊，并且系统在俯仰维采用多个通道同时接收场景回波，通过俯仰维空域波束形成技术抑制距离向模糊信号，然后完成成像处理。方位维多通道系统则采用较低的PRF收发信号，保证距离向不出现模糊，并在方位维采用多个通道同时接收场景回波，以空间采样代替时间采样的不足，然后通过方位维空域波束形成技术获得无模糊的二维信号，最后完成成像处理。

目前，国内外学者已经对这两种多通道系统作了大量的研究工作，并在通道误差估计和补偿技术、空域波束形成技术、系统优化技术等方面取得了大量的研究成果。然而，常规的多通道系统通常利用子孔径发射宽带线性调频信号，所有通道同时接收场景回波。发射天线面积较小，增益小，这会导致场景回波信噪比低，可能无法满足成像需求。

为了同时兼顾距离维测绘带宽、方位维分辨率和回波信噪比问题，科研人员提出了多维波形编码技术，比较典型的有：

(1)、Gerhard Krieger等人在“Multidimensional Waveform Encoding:A New Digital Beamforming Technique for Synthetic Aperture Radar Remote Sensing,[J],IEEE Transactions on GRS，2008，46(1):32-46.”提出的俯仰维多维波形编码技术，发射信号时采用全孔径天线发射信号，并且将长脉冲信号分为多个子脉冲，控制天线波束使不同子脉冲照射不同距离维子测绘带；接收回波时采用俯仰维多个通道同时接收，然后通过多通道系统提供的空域自由度分离出各个子测绘带的回波；完成各子测绘带的成像后，沿距离向拼接即可得到宽测绘带成像结果。然而，该方案采用俯仰维空域滤波技术分离信号，其性能容易受到地面场景起伏的影响。

(2)、武其松等人在“脉内聚束SAR方位高分辨率宽测绘带成像[J].西安电子科技大学学报(自然科学版)，2010，37(4):676-682.”提出了一种被称为脉内聚束SAR的工作模式，将长脉冲分割为多个子脉冲信号，并在不同子脉冲时间内扫描方位场景获得长合成孔径从而实现方位高分辨率，且场景足迹类似于条带模式；同时采用低脉冲重复频率(PRF)获得宽测绘带。然而，文中方法存在两点不足：1)方位向采用全孔径接收信号，波束较窄，可能无法接收到被照射场景的所有回波；2)采用俯仰维多通道同时接收回波并利用俯仰维空域滤波分离信号，其解模糊性能容易受到成像场景地形起伏的影响。

发明内容

本发明的目的是提供了一种方位多通道脉内聚束SAR成像方法，以至少解决现有SAR成像方法中存在的一个技术问题。

本发明的技术方案是：

一种方位多通道脉内聚束SAR成像方法，包括如下步骤：

步骤一、将长脉冲信号分解为多个子脉冲信号，并采用APC技术对各个所述子脉冲信号的相位调制；

步骤二、采用全孔径天线将进行所述相位调制后的各个所述子脉冲信号进行发射，并按照预定时间间隔控制天线波束指向，使得各个所述子脉冲信号发射到不同的方位子场景；

步骤三、将所述全孔径天线沿方位向分解为多个子孔径天线，每个所述子孔径天线均接收所有子脉冲的回波信号，其中，所述子孔径个数大于或等于所述子脉冲信号个数；

步骤四、根据如下公式(1)对各个子孔径接收到的回波信号进行APC相位解调：

其中，k为发射脉冲数，N为方位频移因子，L为子孔径天线个数；

步骤五、将经过解调后各个所述子孔径接收到的回波信号进行分离，得到各个所述子脉冲的回波信号；

步骤六、补偿步骤四中APC相位解调过程中剩余的常数相位；

步骤七、根据所述预定时间间隔，将经过所述步骤六处理的子脉冲回波信号在距离向对齐；

步骤八、将经过所述步骤七处理的子脉冲回波信号进行子多普勒频带的合成，得到总的多普勒频带；

步骤九、将所述总的多普勒频带数据进行聚焦成像。

可选的，在所述步骤五的中，采用如下关系式(2)构造最优准则：

其中，W_l表示分离第l个子脉冲信号的加权向量，H表示向量共轭转置；f_a为多普勒频率单元；R(f_a)为f_a对应的统计协方差矩阵，R(f_a)＝Ε[S(f_a)·S^H(f_a)]，E表示统计期望，S(f_a)为方位多通道SAR系统的输出向量，S(f_a)＝[S₁(f_a)>2(f_a) …>M(f_a)]^T，T表示向量转置，M是子孔径天线个数；Q为L×1维列向量，Q＝[h₁>2 …>L]^T；其中h_l＝1，h_i≠l＝0，l取1～L；

进一步，C为M×L维矩阵，可以表示为如下公式：

C(f_a)＝[a₁(f_a)>2(f_a) …>L(f_a)]；

其中，

其中，d是各个子孔径中心点与参考子孔径中心点之间的距离的一半，v是平台飞行速度，j为

进一步，

其中，f_PRF是雷达发射信号的脉冲重复频率；

进一步，关系式(2)所示优化问题的最优解为：

进一步，得到最优权矢量后，对于多普勒频率单元f_a，从子孔径接收到的回波信号提取第l个方位子场景信号分量的过程可以表示为：

发明效果：

本发明的方位多通道脉内聚束SAR成像方法，采用方位子孔径接收场景回波，接收波束宽，可以接收到被照射场景的所有回波；另外，采用方位向空域滤波技术分离信号，其性能不会受到地面场景起伏的影响；进一步，本发明还可应用于未来高超声速平台载SAR系统，实现远距离高分辨率宽测绘带对地观测。

附图说明

图1是本发明方位多通道脉内聚束SAR成像方法发射信号模型图；

图2是本发明方位多通道脉内聚束SAR成像方法接收信号模型图；

图3a、图3b是本发明方位多通道脉内聚束SAR成像方法中，采用APC相位调制解调前后的不同方位子场景回波信号的时频关系；

图4是本发明方位多通道脉内聚束SAR成像方法中，引入APC后的信号压缩结果图；

图5是本发明方位多通道脉内聚束SAR成像方法中，子场景1采用方位向多通道自适应波束形成技术分离回波信号的结果图；

图6是本发明方位多通道脉内聚束SAR成像方法中，子场景2采用方位向多通道自适应波束形成技术分离回波信号的结果图；

图7是本发明方位多通道脉内聚束SAR成像方法中，子场景3采用方位向多通道自适应波束形成技术分离回波信号的结果图；

图8是本发明方位多通道脉内聚束SAR成像方法中，点目标子多普勒频带合成结果图；

图9是本发明方位多通道脉内聚束SAR成像方法中，点目标成像结果。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图1至图5对本发明方位多通道脉内聚束SAR成像方法做进一步详细说明。

本发明提供了一种方位多通道脉内聚束SAR成像方法，包括如下步骤：

步骤一、参照图1的发射信号模型，发射信号时将长脉冲信号分解为多个子脉冲信号，并采用APC技术对各个所述子脉冲信号的相位调制。

具体地，假设系统共发射L个子脉冲信号，并且假设L为奇数，则第l个子脉冲信号对应的APC调制相位可以表示为：

其中k为发射脉冲数，N为方位频移因子，N的取值范围为其中f_PRF为系统脉冲重复频率，f_dc为相邻子脉冲间的多普勒中心偏移，B_a为全孔径方位多普勒带宽。因此，第l个子脉冲信号发射波形为：

式中为常规SAR系统的发射波形。

步骤二、采用全孔径天线将进行相位调制后的各个子脉冲信号进行发射，并按照预定时间间隔(即每个子脉冲的时间)控制天线波束指向，使得各个子脉冲信号发射(即沿飞机飞行方向发射)到不同的方位子场景。

步骤三、如图2所示，接收场景回波时，将全孔径天线沿方位向(即飞机飞行的方向)分解为多个子孔径天线同时接收信号，每个子孔径天线均接收所有子脉冲的回波信号；其中，子孔径个数M大于或等于子脉冲信号个数L；

步骤四、根据如下公式(1)对各个子孔径接收到的回波信号进行APC相位解调，能够保证解调后中间子场景的回波信号不会产生附加的多普勒频移：

其中，k为发射脉冲数，N为方位频移因子，L为子脉冲信号个数

经过相位调制与解调之后，第l个子场景回波信号的剩余调制相位可以表示为：

关系(5)式中第一项为方位慢时间t_a的一次项，这导致经过方位相位调制与解调之后，回波信号存在多普勒频移现象，且第l个子场景回波的多普勒频移为第2项为常数相位项，在子多普勒频谱拼接时需要进行补偿。APC相位编码和解码(相位调制解调)前后方位信号的时频关系如图3a(APC相位调制解调前)和3b(APC相位调制解调后)所示。

步骤五、将经过解调后各个子孔径接收到的回波信号，采用方位维多通道自适应波束形成技术进行分离，得到各个子脉冲的回波信号。

具体地，为了为了提取第l个子场景的回波，在所述步骤五的中，采用如下关系式(2)构造最优准则：

其中，W_l表示分离第l个子脉冲信号的加权向量，H表示向量共轭转置；f_a为多普勒频率单元；R(f_a)为f_a对应的统计协方差矩阵，可以从采样数据中估计得到，R(f_a)＝Ε[S(f_a)·S^H(f_a)]；E表示统计期望，S(f_a)为方位多通道SAR系统的输出向量，S(f_a)＝[S₁(f_a)>2(f_a) …>M(f_a)]^T，T表示向量转置，M是子孔径天线个数；Q为L×1维列向量，Q＝[h₁>2 …>L]^T；其中h_l＝1，h_i≠l＝0，l取1～L；

进一步，C为M×L维矩阵，可以表示为如下公式：

C(f_a)＝[a₁(f_a)>2(f_a) …>L(f_a)]；

其中，

其中，d是各个子孔径中心点与参考子孔径中心点之间的距离的一半，v是平台飞行速度，j为

进一步，

其中，f_PRF是雷达发射信号的脉冲重复频率；

进一步，关系式(2)所示优化问题的最优解为：

进一步，得到最优权矢量后，对于多普勒频率单元f_a，从子孔径接收到的回波信号提取第l个方位子场景信号分量的过程可以表示为：

结合APC技术，信号压缩结果图如图4所示；并采用方位向多通道自适应波束形成技术分离回波信号的结果如图5-图7中的所示。

步骤六、补偿步骤四中APC相位解调过程中剩余的常数相位(公知技术，相当于将交底材料公式(5)中的补偿成零)。

步骤七、根据预定时间间隔(或者发射子脉冲信号之间的延迟)，将经过步骤六处理的子脉冲回波信号在距离向(信号发射方向)对齐。

步骤八、将经过步骤七处理的子脉冲回波信号进行子多普勒频带的合成，得到总的多普勒频带(然后根据各个子脉冲信号对应的多普勒中心进行方位频谱上采样、平移，完成子多普勒频带的合成，得到总的多普勒频带)；得到如图8给出点目标子多普勒频带合成结果。

步骤九、将总的多普勒频带数据进行聚焦成像(常规频域算法)；得到如图9给出点目标成像结果。

本发明的方位多通道脉内聚束SAR成像方法，采用方位子孔径接收场景回波，接收波束宽，可以接收到被照射场景的所有回波；另外，采用方位向空域滤波技术分离信号，其性能不会受到地面场景起伏的影响。本发明在兼顾SAR成像场景幅宽、成像分辨率以及回波信噪比的同时，解决现有方法解模糊性能容易受成像场景地形起伏影响的问题，提高脉内聚束SAR体制的成像性能，为未来工程化应用奠定必要的理论基础。进一步，本发明还可应用于未来高超声速平台载SAR系统，实现远距离高分辨率宽测绘带对地观测。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。