CN103760526A - 基于移时正交波形的多发多收合成孔径雷达信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于移时正交波形的多发多收合成孔径雷达信号处理方法，该方法包括步骤如下：构建一组能同时发射而且频带重叠的移时正交波形，并且用不同的天线发射出去；基于距离向数字波束形成以及距离向数字波束形成的零点指向，接收并将混合在一起的来自不同发射通道的目标的回波分离，获得分离的回波信号；将分离后的回波信号合成为多相位中心的回波信号，提高合成孔径雷达***性能。雷达***获取多个相位中心可以提高雷达测绘带宽和方位向分辨率，提高干涉和动目标检测的性能。

Description

基于移时正交波形的多发多收合成孔径雷达信号处理方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达多发多收技术，特别是指一种基于移时正交波形的多发多收合成孔径雷达信号处理方法。

背景技术

合成孔径雷达是一种全天时全天候观测***，所以它在遥感领域具有非常重要的地位。但是随着应用需求对合成孔径雷达性能要求的提升，常规合成孔径雷达***已经渐渐的不能满足当前应用对于观测的要求，所以寻求新的工作模式和合成孔径雷达体制来克服常规合成孔径雷达性能上的不足已经成为当前合成孔径雷达的主要发展方向。最近几年，多通道SAR被认为具有很大的应用潜力，在合成孔径雷达方位向上布置多个接收通道可以有效的降低合成孔径雷达的方位向发射脉冲频率，从而在不降低方位向分辨率的情况下扩大测绘幅宽。俯仰向上布置多个天线用于接收，可以运用DBF技术在俯仰向生成一个可以任意调整波束指向的高增益窄波束，所以俯仰向多通道可以有效的提高***的接收能量，提高***灵敏度，并且能够降低距离模糊。

在未来，为了得到更高的合成孔径雷达***性能。多发多收(MIMO)被认为是一种潜在的工作方式。这种方式是通过同时设置多个发射通道和多个接收通道，多个发射通道的波形必须满足一种正交规则，从而每个通道在接收到回波之后可以有效的将来自不同发射通道的回波信号分离。多发多收合成孔径雷达可以得到更多的相位中心用于成像、干涉、动目标检测或者其他应用。对于多发多收合成孔径雷达来说，技术的关键在于如何设计一组相互正交的发射波形，从而使得接收通道在接收到不同的波形后可以有效的将其分离。目前设计这种波形具有很大的难度。虽然通过分频或分时发射都可以运用相应的方法将信号分离，但是在遥感领域，更需要一种同频带并且可以同时发射的波形。这对于波形设计来说是一种很大的挑战，所以波形设计是当前多发多收合成孔径雷达发展的关键。

综上所述，寻找一个能够发射同频带回波并且可以将接收到的来自不同发射通道的回波信号成功分离的多发多收合成孔径雷达***方案是一个亟待解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于移时正交波形的多发多收合成孔径雷达信号处理方法。

(二)技术方案

为达成所述目的，本发明提出一种基于移时正交波形的多发多收合成孔径雷达信号处理方法，该方法包括步骤如下：

构建一组能同时发射而且频带重叠的移时正交波形，并且用不同的天线发射出去；

基于距离向数字波束形成(DBF)以及距离向数字波束形成的零点指向，接收并将混合在一起的来自不同发射通道的目标的回波分离，获得分离的回波信号；

将分离后的回波信号合成为多相位中心的回波信号，提高合成孔径雷达***性能。

(三)有益效果

本发明是能够发射同频带回波并且可以将接收到的来自不同发射通道的回波信号成功分离的多发多收合成孔径雷达***。雷达***获取多个相位中心可以提高雷达测绘带宽和方位向分辨率，提高干涉和动目标检测的性能。

附图说明

图1为本发明基于移时正交波形的多发多收合成孔径雷达信号处理方法的流程图；

图2为两发时频关系图；

图3为发射信号实部；

图4为接收信号脉冲压缩后结果；

图5回波脉冲重叠关系图；

图6为实施例一方位向收发关系图；

图7a-图7f为实施例一的一维回波分离结果；

图8a-图8c为实施例一的二维回波分离结果；

图9为实施例一的多普勒频谱重建流程框图；

图10a-图10d为实施例一的二维多通道成像结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明为一种基于移时正交波形的多发多收合成孔径雷达信号处理方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤101：构建一组可以同时发射而且频带也重叠的移时正交波形，并且用不同的天线发射出去；所述同时发射而且频带重叠的移时正交波形是满足在一时间范围内正交的发射波形。所述在一时间范围内正交是将线性调频信号在脉宽内做时间移动，且在加权函数限定的范围内实现两种波形的互相关函数为零，表达如下：

$\∫h\left(\mathrm{\τ}\right)\·s_i^{*}\left(t\right)\·s_k(t+\mathrm{\τ})\·\mathrm{dt}=0,\∀\mathrm{\τ}\∈R,i\≠k---\left(1\right)$

将加权函数h(τ)取为矩形窗如下表示：

$h\left(\mathrm{\τ}\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Δ\τ}}\right)---\left(2\right)$

其中：h(τ)是加权函数，

和s_k(t)为来自不同发射通道的发射波形，表示第i个和第k个发射波形，t是快时间，τ表示时间，dt表示时间的微分，

表示τ取任意时间，R表示实数，i和k为正整数，Δτ是两种波形相互正交的时间范围，rect(·)表示矩形函数。

具体地，设定在距离向有N个通道，考虑两种发射波形：第一种是常规的线性调频信号，第二种是在常规线性调频信号的基础之上做一时移，将线性调频信号时移出脉宽范围的部分再反折补偿到脉冲的尾部，这样形成的发射信号依然在同一时间段内。两种发射信号的时间t与频率f的关系如图2所示。

设定两种发射信号为C₁(t)与C₂(t)，两种发射信号模型定义为：

$C_1\left(t\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T_p}\right)\exp (j2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\mathrm{j\π}{K}_r{t}^2)---\left(3\right)$

$\begin{array}{c}{C}_2\left(t\right)=\left(\frac{t-\frac{T_p}{4}}{\frac{T_p}{2}}\right)\exp (j2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\mathrm{j\π}{K}_r{(t-\frac{T_p}{2})}^2)\\ +\mathrm{rect}\left(\frac{t+\frac{T_p}{4}}{\frac{T_p}{2}}\right)\exp (j2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\mathrm{j\π}{K}_r{(t+\frac{T_p}{2})}^2)\end{array}---\left(4\right)$

其中T_p为脉宽，t是快时间，j表示虚数，f_c是载频，K_r是距离向调频率，π表示圆周率，exp表示指数函数。这两种发射信号实部如图3所示。

接收到的某点目标的回波S(t)为：

$\begin{array}{c}S\left(t\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{t-t_0}{T_p}\right)\exp (j2\mathrm{\π}{f}_c(t-t_0)+\mathrm{j\π}{K}_r{(t-t_0)}^2)\\ +\mathrm{rect}\left(\frac{t-t_0-\frac{T_p}{4}}{\frac{T_p}{2}}\right)\exp (j2\mathrm{\π}{f}_c(t-t_0)+\mathrm{j\π}{K}_r{(t-t_0-\frac{T_p}{2})}^2)\\ +\mathrm{rect}\left(\frac{t-t_0+\frac{T_p}{4}}{\frac{T_p}{2}}\right)\exp (j2\mathrm{\π}{f}_c(t-t_0)+\mathrm{j\π}{K}_r{(t-t_0+\frac{T_p}{2})}^2)\end{array}---\left(5\right)$

其中t₀是电磁波发射到该点目标并反射回合成孔径雷达的来回时间。

脉冲压缩后的回波信号

可以表示为：

$\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{S}\left(t\right)=\mathrm{\σ}\·(A_1\·p_{r1}(t-t_0)+A_2\·p_{r2}(t-t_0-\frac{T_p}{2})+A_3.p_{r3}(t-t_0+\frac{T_p}{2}))\\ \·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c{t}_0)\end{array}---\left(6\right)$

其中σ是与散射系数有关的常数，A_i是脉冲压缩后信号的系数，i＝1，2，3，p_ri(·)是脉冲压缩后所对应的压缩信号包络。接收信号脉冲压缩后的波形如图4所示。

可以看出脉冲尖峰之间的时间差是半个脉宽。所以不同通道的信号能量在脉冲压缩后被成功分开，如果两个目标的回波延迟相差半个脉宽，那么在脉冲压缩之后不同发射信号之间就会在时域上混叠在一起，如图5示出回波脉冲重叠关系图。

但是相互重叠部分的回波分别来自不同的下视角，所以回波信号进入天线的入射角也不同，因此可以应用距离向数字波束形成(DBF)技术和零点抑制技术应用于该方案的回波分离。

步骤102：为了将混合在一起的来自于不同发射通道的回波信号成功分离，引入了距离向数字波束形成技术以及基于距离向数字波束形成的零点指向技术，将混合在一起的来自不同发射通道的回波分离，获得分离的回波信号；将分离后的回波信号应用于设定的合成孔径雷达***中。所述基于距离向数字波束形成是对合成孔径雷达***俯仰向多通道阵列信号进行处理，根据合成孔径雷达***的工作原理生成数字波束从而接收回波。所述基于距离向数字波束形成的零点指向对多发信号回波进行分离。

具体的，仍然考虑前面提到过的信号模型。在图5中合成孔径雷达第n个通道接收到的回波脉冲压缩

之后表示为：

$\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{S_n}\left(t\right)\≈{\mathrm{\σ}}_1\·(A_1\·p_{r1}(t-t_0)+A_2\·p_{r2}(t-t_0-\frac{T_p}{2})+A_3\·p_{r3}(t-t_0+\frac{T_p}{2}))\\ \·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{{2R}_1-d_n\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{C})\\ +{\mathrm{\σ}}_2\·(A_1\·p_{r1}(t-t_0+\frac{T_p}{2})+A_2\·p_{r2}(t-t_0)+A_3\·p_{r3}(t-t_0+T_p))\\ \·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{{2R}_2-d_n\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{C})\\ +{\mathrm{\σ}}_3\·(A_1\·p_{r1}(t-t_0-\frac{T_p}{2})+A_2\·p_{r2}(t-t_0-T_p)+A_3\·p_{r3}(t-t_0))\\ \·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{{2R}_3-d_n\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_3\right)}{C})\end{array}---\left(7\right)$

其中σ_i是与第i个目标散射系数有关的常数，R_i表示第i个目标的斜距，d_n＝(n-1)·d_az，d_n表示第n个通道与参考通道的间距，d_az表示天线子孔径间距，θ_i表示第i个目标的回波方向的法线偏移角，C表示光速。从图5中可以看出，椭圆标记处的回波在脉压后会重合到一起，但这三组回波来自不同的下视角，所以可以用零陷技术对其进行分离。若分离其中一路信号，将另外两路零陷抑制即可。仅考虑重合部分的回波信号可以得到：

$\begin{array}{c}{\stackrel{=}{S}}_n\left(t\right)={\mathrm{\σ}}_1\·(A_1\·p_{r1}(t-t_0))\·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{2R_1-d_n\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{C})\\ +{\mathrm{\σ}}_2\·(A_2\·p_{r2}(t-t_0))\·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{2R_2-d_n\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{C})\\ +{\mathrm{\σ}}_3\·(A_3\·p_{r3}(t-t_0))\·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{2R_3-d_n\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_3\right)}{C})\end{array}---\left(8\right)$

该式子可以重新写成：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{=}{S}}_1\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\stackrel{\text{=}}{S}}_N\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_1\text{\·sin}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{C}\right)& \exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_1\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{C}\right)& \exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_1\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_3\right)}{C}\right)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_N\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{C}\right)& \exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_N\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{C}\right)& \exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_N\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_3\right)}{C}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{1\left(t\right)}\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ρ}}_{3\left(t\right)}\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中

(k＝1，2，3)，N表示俯仰向通道数、ρ_k表示第k部分回波信号、p_rk表示第k部分回波脉冲压缩后的包络、R_k表示第k个目标的斜距。

定义H矩阵(导向矢量矩阵)如下式：

$H=\left[\begin{array}{ccc}\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_1\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{C}\right)& \exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_1\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{C}\right)& \exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_1\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_3\right)}{C}\right)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_N\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{C}\right)& \exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_N\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{C}\right)& \exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{d_N\·\sin \left({\mathrm{\θ}}_3\right)}{C}\right)\end{array}\right]---\left(10\right)$

为了分离出ρ₁(t)，ρ₂(t)和ρ₃(t)，需要找到一个权值矩阵W(3×N)满足以下关系：

$W\·H=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(11\right)$

其中W＝[W₁，W₂，W₃]^H，W_i(i＝1，2，3)为列权值向量。运用LCMV(线性约束最小方差)算法可以得到

W＝(H^HH)^-1H^H     (12)

使用得到的权值矩阵对回波加权可以得到分离后的信号

$W\·\left[\begin{array}{c}{\stackrel{=}{S}}_1\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\stackrel{=}{S}}_N\left(t\right)\end{array}\right]\text{=}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_1\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ρ}}_3\left(t\right)\end{array}\right]---\left(13\right)$

需要注意的是，θ_i是与时间t相关的，所以权值矩阵是随时间变化的。在整个接收窗内，权值矩阵需要实时的变化。

步骤103：根据设定的合成孔径雷达***将分离后的回波合成为多相位中心的回波信号。根据合成孔径雷达***设置的多个发射通道和多个接收通道，多发多收合成孔径雷达能得到更多的相位中心用于成像、干涉和动目标检测。

将发射信号C₁(t)与C₂(t)分别定义为第一类和第二类信号，第一类信号的回波直接分离后得到想要的信号ρ₁(t)，而第二类信号的回波是被分为了两部分想要的信号ρ₂(t)和ρ₃(t)，所以需要将想要的信号ρ₂(t)和ρ₃(t)组合为单独的一路信号。从信号模型中可以看出，想要的信号ρ₂(t)和ρ₃(t)相对于常规线性调频信号分别时移了

和

所以只需要将得到想要的信号ρ₂(t)和ρ₃(t)在时域上做平移然后求和即可。可以在频域乘以线性相位实现，ρ_2C表示合成的第二类信号。

${\mathrm{\ρ}}_{2C}\left(t\right)=F^{-1}\left(F\left({\mathrm{\ρ}}_2\left(t\right)\right)\·\exp \left(j2\mathrm{\π}f\frac{T_p}{2}\right)+F\left({\mathrm{\ρ}}_3\left(t\right)\right)\·\exp (-j2\mathrm{\πf}\frac{T_p}{2})\right)---\left(14\right)$

其中F和F^-1分别为傅里叶变换和反变换，f为频率。

将最终得到的回波信号下传至地面***，即可运用常规合成孔径雷达处理方式处理得到的多通道数据。

本步骤完成后，表明已完成了基于移时正交波形的多发多收合成孔径雷达***的主要工作流程。

下面结合具体实施例对本发明再作进一步详细的描述。

实施例一

在本实施例中，设计了一种基于移时正交多发多收合成孔径雷达的X波段合成孔径雷达***。参数设置如表1

表1***参数

***在方位向上的收发方案如图6所示。该***在方位向上两发三收可以得到5个等效的相位中心。

首先进行了一维的回波分离的仿真，在距离向上接收得到的某目标的两类回波是叠加在一起的。经过脉冲压缩并分离后结果如图7a-图7f所示为实施例一的一维回波分离结果，图7a为接收到的回波；图7b为压缩结果；图7c-图7e为分离结果；图7f为图7c与图7e的合成。从图7a-图7f中可以看出运用本方法，这两类信号被有效的分离，并且分离后的第二类信号也被成功的合成。

然后仿真了二维回波信号的分离和最终的多通道合成孔径雷达成像处理。在本仿真中选择PRF＝1300Hz，PRF为脉冲重复频率。图8a-图8c为实施例一的二维回波分离结果；首先展示了单点的回波分离结果图8a为二维混合回波；图8b和图8c为分离后的回波。在得到了等效五通道回波信号后，运用多通道重建理论将多普勒频谱恢复，然后进行常规合成孔径雷达成像处理。实施例一的多普勒频谱重建流程如图9所示。

为了便于分析成像结果，在场景内设置多个点目标，最终得到了实施例一五通道的重建后二维多通道成像结果如图10a-图10d。图10a为场景结果；图10b为点目标插值结果；图10c和图10d分别为距离向和方位向切面。

从上面的描述中可以看出，采用本发明提供的多发多收合成孔径雷达***方案，能够成功的同时发射同频带信号，并且将接收到的回波信号分离然后成像。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于移时正交波形的多发多收合成孔径雷达信号处理方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

构建一组能同时发射而且频带重叠的移时正交波形，并且用不同的天线发射出去；

基于距离向数字波束形成以及距离向数字波束形成的零点指向，接收并将混合在一起的来自不同发射通道的目标的回波分离，获得分离的回波信号；

将分离后的回波信号合成为多相位中心的回波信号，提高合成孔径雷达***性能。

2.根据权利要求1所述的多发多收合成孔径雷达信号处理方法，其特征在于，所述同时发射而且频带重叠的移时正交波形是满足在一时间范围内正交的发射波形。

3.根据权利要求2所述的多发多收合成孔径雷达信号处理方法，其特征在于，所述在一时间范围内正交是将线性调频信号在脉宽内做时间移动，且在加权函数限定的范围内实现两种波形的互相关函数为零，表达如下：

$\∫h\left(\mathrm{\τ}\right)\·s_i^{*}\left(t\right)\·s_k(t+\mathrm{\τ})\·\mathrm{dt}=0,\∀\mathrm{\τ}\∈R,i\≠k$

将加权函数h(τ)取为矩形窗如下表示：

$h\left(\mathrm{\τ}\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Δ\τ}}\right)$

其中：h(τ)是加权函数，

和s_k(t)为来自不同发射通道的发射波形，t是快时间，表示第i个和第k个发射波形，Δτ是两种波形相互正交的时间范围，dt表示时间的微分，τ表示时间，

表示τ取任意时间，R表示实数，i和k为正整数，rect(·)表示矩形函数。

4.根据权利要求1所述的多发多收合成孔径雷达信号处理方法，其特征在于，所述基于距离向数字波束形成是对合成孔径雷达***俯仰向多通道阵列信号进行处理，根据合成孔径雷达***的工作原理生成数字波束从而接收回波。

5.根据权利要求1所述的多发多收合成孔径雷达信号处理方法，其特征在于，所述基于距离向数字波束形成的零点指向对多发信号回波进行分离。

6.根据权利要求1所述的多发多收合成孔径雷达信号处理方法，其特征在于，根据合成孔径雷达***设置的多个发射通道和多个接收通道，多发多收合成孔径雷达能得到更多的相位中心用于成像、干涉和动目标检测。

7.根据权利要求1所述的多发多收合成孔径雷达信号处理方法，其特征在于，将分离后的回波信号应用于设定的合成孔径雷达***中。

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