双基地低频超宽带前视合成孔径雷达高效高精度成像方法

摘要

本发明提供一种双基地低频超宽带前视合成孔径雷达高效高精度成像方法，该方法将发射机和接收机的全孔径分别划分为若干个子孔径，推导初始子图像网格的采样间隔并生成初始子图像网格，将与子孔径对应的距离压缩回波信号后向投影到初始子图像网格，相干叠加生成初始子图像；进行循环递归的子孔径合并，推导新的子图像网格的采样间隔并生成新的子图像网格，再将上一级旧的子图像插值到下一级新的子图像网格，相干叠加生成下一级新的子图像；将发射机和接收机所有子孔径分别合成一个全孔径，根据图像分辨率对成像场景进行划分并生成成像场景网格，再将最后一级的子图像投影到成像场景网格，相干叠加生成双基地低频超宽带前视合成孔径雷达图像。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，更具体地，涉及一种双基地低频超宽带前视合成孔径雷达高效高精度成像方法。

背景技术

在现代战争中，作战双方越来越注重对己方军事目标的隐蔽，同时提高对敌方隐蔽军事目标的探测侦察能力。因此，对隐蔽目标探测技术的研究能为我国新型战场侦察/制导武器装备的研制提供重要的理论和技术支持，具有重要的军事意义。此外，我国边境地理形势复杂，很多区域丛林密布，这为邻国在边境附近布设军事目标和调整军事防务提供了便利。由于具有丛林遮蔽，常规雷达系统无法穿透丛林对敌方进行有效探测侦察。因此，迫切需要研发先进体制雷达系统，以提高对隐蔽军事目标的探测侦察能力。

低频超宽带合成孔径雷达具有良好叶簇穿透探测性能和高分辨成像能力，已成为隐蔽目标探测侦察的重要手段。目前，国内已经开展了单基地低频超宽带合成孔径雷达系统的研制，并作为我国某新型战场侦察/制导雷达已列装部队。但是，单基地低频超宽带合成孔径雷达系统存在以下不足：(1)存在前视盲区，不具备前视探测侦察能力；(2)收发系统共用平台，安全性较差，抗干扰能力较弱；(3)叶簇穿透性能与作用距离成反比，导致探测侦察距离受限；(4)为了获取方位向高分辨率，需较长合成孔径；(5)只能接收目标的后向散射信息，对隐蔽目标的探测侦察性能受限；(6)由于天线基线长度等限制，降低了对隐蔽运动目标的探测侦察能力。双基地低频超宽带前视合成孔径雷达结合低频超宽带合成孔径雷达和双基地前视合成孔径雷达的优势，是一种具有穿透叶簇对隐蔽目标前视高分辨率成像能力，同时具备较高安全性和较强抗干扰能力的战场侦察/制导雷达系统。该雷达系统具备前视探测能力、安全性高、探测距离大、合成孔径较短、隐蔽(运动)目标探测侦察能力强等优点，能满足对战场隐蔽目标的前视高分辨率探测与侦察。

但是，复杂成像几何、较低频段信号、较大相对带宽和较长合成孔径给双基地低频超宽带前视合成孔径雷达的成像处理带来了新的问题与挑战，如回波数据量较大、方位空变性较大、距离方位耦合性较强和运动误差较复杂等，这极大地增加了双基地低频超宽带前视合成孔径雷达高精度成像的难度和复杂度。

目前，现有的双基地合成孔径雷达成像方法主要包含两大类：频域成像方法与时域成像方法。频域成像方法具有较高成像效率，但是对信号带宽、积累时间、运动误差、近似处理和存储要求等存在一定的限制。常用的频域成像方法(如距离-多普勒(RD)算法，波数域(WD)算法和线性调频变标(CS)算法等)仅适用于方位移不变双基地合成孔径雷达的高效高精度成像。非线性调频变标(NCS)算法虽然能实现方位移变双基地合成孔径雷达的成像处理，但是它采用较大近似方法处理回波信号的方位空变性、距离方位耦合性和运动误差，导致双基地合成孔径雷达成像处理存在较大的相位误差，从而难以获得良好聚焦的双基地合成孔径雷达图像。因此，NCS算法不适用于双基地低频超宽带前视合成孔径雷达的高效高精度成像。

与频域成像方法相比，时域成像方法(如后向投影(BP)算法)理论上无任何近似处理，成像精度高，能够适用于任意成像构型、任意信号波形双基地合成孔径雷达的成像处理。因此，BP算法能够精确处理双基地低频超宽带前视合成孔径雷达回波信号的较大方位空变性、较强距离方位耦合性和较复杂运动误差，从而实现双基地低频超宽带前视合成孔径雷达的高精度成像。但是，BP算法具有极大的运算量，从而降低了其成像效率，因此BP算法不能作为标准成像方法来有效实现合成孔径雷达高效成像处理。为了克服BP算法高运算量的缺点，A.F.Yegulalp和L.M.H.Ulander等学者在单基地合成孔径雷达成像处理中分别实现了高效BP算法，采用局部近似处理和递归孔径划分处理，能保持高精度成像的同时提高成像效率。高效BP算法主要包括快速BP(FBP)算法和快速因式分解BP(FFBP)算法。目前，Y.Ding、L.M.H.Ulander和V.T.Vu等学者已将FBP算法和FFBP算法扩展应用于双基地合成孔径雷达的成像处理，并获得了良好聚焦的双基地合成孔径雷达图像。然而，上述高效BP算法主要是针对双基地侧视合成孔径雷达成像处理提出的，并不适用于双基地低频超宽带前视合成孔径雷达的高效高精度成像。因此，如何解决适用于双基地低频超宽带前视合成孔径雷达的高效高精度成像方法正是一个亟待解决的技术问题。

申请号为201811430034.9公开了一种俯冲模式双基地前视合成孔径雷达成像方法，该专利提出侦察机与导弹配合，航迹垂直、导弹匀速俯冲攻击的成像模型，建立了匀速俯冲双基地前视合成孔径雷达的几何模型，给出相应的斜距历程模型，使得双弹配合模型采用一弹攻击一弹照射成像，照射弹远离成像区。然而，该专利无法实现本申请的用于双基地低频超宽带前视合成孔径雷达成像处理，能够保持高精度成像的同时提高成像效率。

发明内容

本发明提供一种双基地低频超宽带前视合成孔径雷达高效高精度成像方法，该方法用于双基地低频超宽带前视合成孔径雷达成像处理，能够保持高精度成像的同时提高成像效率。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种双基地低频超宽带前视合成孔径雷达高效高精度成像方法，包括以下步骤：

S1：划分子孔径，并完成初始子图像的生成；

S2：对步骤S1中划分的子孔径循环递归合并，并进行相应子图像的生成；

S3：进行全孔径合并和最终图像生成。

进一步地，所述步骤S1的具体过程是：

S11：设发射机和接收机合成孔径的孔径点数均为L，将其因式分解为K级，每次合并的子孔径数为l，则L＝l

S12：第1级处理时，将发射机和接收机的合成孔径均划分为

其中，

S13：将第1级第n个子孔径对应的距离压缩回波信号后向投影到第1级第n个初始子图像网格

其中，

进一步地，第1级第n个初始子图像网格的极距采样间隔

其中，

进一步地，所述步骤S2的具体过程是：

S21：第k级处理时，k＝2，…，K-1，每l个第k-1级子孔径合并成一个第k级子孔径；对于第k级第q个子孔径，

其中，

S22：将l个第k-1级第p个子图像依次插值到第k级第q个子图像网格

其中，

进一步地，第k-1级第p个子图像中网格点

进一步地，第k级第q个子图像网格的极距采样间隔

其中，

进一步地，所述步骤S3的具体过程是：

S31：第K级处理时，将l个第K-1级子孔径合并成一个第K级全孔径；在地面成像场景生成第K级图像网格，第K级图像网格用(x，y，0)表示；

S32：将1个第K-1级子图像依次插值到第K级图像网格(x，y，0)，并相干叠加生成第K级图像，即最终双基地低频超宽带前视合成孔径雷达图像：

其中，I(x，y，0)为第K级图像中网格点(x，y，0)的值，

进一步地，第K级图像网格的距离采样间隔Δx和方位采样间隔Δy满足下述约束条件：

进一步地，如果L＝l

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明采用子孔径和子图像处理技术，能够有效解决双基地低频超宽带前视合成孔径雷达成像处理中较大方位空变性、较强距离方位耦合性和较复杂运动误差等问题，在保持高精度成像的同时，极大提高了成像处效率，从而实现了双基地低频超宽带前视合成孔径雷达的高效高精度成像，获得了高质量的聚焦双基地前视合成孔径雷达图像。该方法适用于各种搭载平台的双基地低频超宽带前视合成孔径雷达成像处理，如车载平台、机载平台和星载平台等。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为在仿真实验中，本申请中双基地低频超宽带前视合成孔径雷达的系统参数；

图3为本申请中成像场景目标分布示意图；

图4为原始BP算法获得的成像结果图；

图5为本发明获得的成像结果图；

图6为点目标A和E的测量参数。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

双基地低频超宽带前视合成孔径雷达的信号中心频率为f

R(η，r

＝|r

设雷达发射的基带信号为p(τ)，则双基地低频超宽带前视合成孔径雷达接收目标P的回波信号，经正交解调和距离压缩后为：

其中，τ为快时间，σ

设发射机和接收机合成孔径的孔径点数均为L，将其因式分解为K级，每次合并的子孔径数为l，则L＝l

如图1所示，一种双基地低频超宽带前视合成孔径雷达高效高精度成像方法，包括以下步骤：

S1：划分子孔径，并完成初始子图像的生成；

S2：对步骤S1中划分的子孔径循环递归合并，并进行相应子图像的生成；

S3：进行全孔径合并和最终图像生成。

步骤S1的具体过程是：

S11：设发射机和接收机合成孔径的孔径点数均为L，将其因式分解为K级，每次合并的子孔径数为l，则L＝l

S12：第1级处理时，将发射机和接收机的合成孔径均划分为

其中，

S13：将第1级第n个子孔径对应的距离压缩回波信号后向投影到第1级第n个初始子图像网格

其中，

第1级第n个初始子图像网格的极距采样间隔

其中，

步骤S2的具体过程是：

S21：第k级处理时，k＝2，…，K-1，每l个第k-1级子孔径合并成一个第k级子孔径；对于第k级第q个子孔径，

其中，

S22：将l个第k-1级第p个子图像依次插值到第k级第q个子图像网格

其中，

第k-1级第p个子图像中网格点

第k级第q个子图像网格的极距采样间隔

其中，

步骤S3的具体过程是：

S31：第K级处理时，将l个第K-1级子孔径合并成一个第K级全孔径；在地面成像场景生成第K级图像网格，第K级图像网格用(x，y，0)表示；

S32：将1个第K-1级子图像依次插值到第K级图像网格(x，y，0)，并相干叠加生成第K级图像，即最终双基地低频超宽带前视合成孔径雷达图像：

其中，I(x，y，0)为第K级图像中网格点(x，y，0)的值，

第K级图像网格的距离采样间隔Δx和方位采样间隔Δy满足下述约束条件：

通过仿真实验，对本申请双基地低频超宽带前视合成孔径雷达高效高精度成像方法进行了验证，理论分析和仿真实验结果证明了本申请的有效性，在仿真实验中，本申请中系统参数如图2所示。如图3所示，场景设置及目标布置如下：成像场景大小为100m×100m(距离向×方位向)，在成像场景内共设置了9个点目标，并依次编号为A～I，它们排列成一个3行3列的阵列，其中点目标E位于成像场景中心。目标的距离向间距为30m，方位向间距为30m，图4是原始BP算法获得的成像结果。其中水平方向为方位向(单位：米)，垂直方向为距离向(单位：米)。图4(a)为整个场景的成像结果，图4(b)和4(c)分别为点目标E和A的成像结果。由图4可知，成像场景中所有点目标均实现了良好的聚焦，因此原始BP算法能够实现双基地低频超宽带前视合成孔径雷达的高精度成像。但是，原始BP算法计算量较大，从而成像效率较低。

如图5所示，是本申请获得的成像结果。其中水平方向为方位向(单位：米)，垂直方向为距离向(单位：米)。图5(a)为整个场景的成像结果，图5(b)和4(c)分别为点目标E和A的成像结果。由图5可知，成像场景中所有点目标均实现了良好的聚焦，而且其聚焦效果与图4非常接近，因此本申请也能够实现双基地低频超宽带前视合成孔径雷达的高精度成像。

如图6所示，计算了点目标E和A的测量参数(分辨率和峰值旁瓣比(PSLR))。从图6中可知，原始BP算法和本申请获得点目标E和A的测量参数几乎相同，并达到了预期的效果。因此，本申请获得点目标的聚焦性能与原始BP算法获得点目标的聚焦性能十分接近。为了证明本申请成像的高效性，在相同的仿真条件下测量了原始BP算法和本申请的运算时间，原始BP算法和本申请的运算时间分别是107.2s和10.4s。因此，本申请方法是一种双基地低频超宽带前视合成孔径雷达高效高精度成像方法。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本申请的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请权利要求的保护范围之内。