CN103969644A

CN103969644A - 一种多通道调频连续波sar成像方法

Info

Publication number: CN103969644A
Application number: CN201310039187.1A
Authority: CN
Inventors: 辛勤; 江志红; 王展; 楼生强; 李双勋
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: CN103969644B

Abstract

本发明提供一种多通道调频连续波SAR成像方法。技术方案包括以下步骤：①利用一个通道发射调频连续波信号，其它M个通道同时接收，获得M路方位向欠采样的二维调频连续波SAR回波信号；②对上述所获取的M路信号进行二维傅里叶变换，在二维频域进行多普勒解模糊，得到消除方位向混叠的等效单通道信号；③对二维频域的等效单通道信号进行聚焦处理，得到二维高分辨率调频连续波SAR图像。与现有的单通道调频连续波SAR相比，在相同的发射功率条件下，采用本发明所提供的方法，能够工作在更远的作用距离、更宽的测绘带宽度和更高的成像分辨率模式，从而拓展了调频连续波SAR的应用。

Description

一种多通道调频连续波SAR成像方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体地说，本发明涉及一种多通道调频连续波SAR(Synthetic-aperture radar，合成孔径雷达)成像方法。

背景技术

合成孔径雷达是一种主动微波遥感设备，能够全天时、全天候地实现对地观测，并能透过地表和植被获取地表下信息，在国民经济与军事应用的诸多领域都发挥着重要的作用。

调频连续波SAR是一种体积小、重量轻、造价低和抗干扰能力强的高分辨率雷达成像设备，是当前最主要的一类小型化SAR，广泛应用于无人机等对载荷要求非常苛刻的飞行平台上。目前，美国研制的调频连续波SAR整机重量小于2.5kg，最大耗电量仅为35W，最远作用距离小于4km，成像分辨率为0.5m×0.5m。德国研制的调频连续波SAR射频部件重量小于4kg，最大作用距离4km，测绘带宽度最大为1km，成像分辨率为0.5m×0.5m。荷兰研制的调频连续波SAR射频部件重量小于3千克，整机耗电约为30W，最大工作距离为5km，成像分辨率为0.3m×0.3m。中国研制的调频连续波SAR射频部件重量小于3.5千克，最大工作距离为3km，成像分辨率为0.3m×0.3m。从已有的调频连续波SAR的技术性能上看，这种体制的SAR相比常规的脉冲SAR在重量、体积、功耗等指标上的确有非常明显的优势。但是现有的调频连续波SAR工作距离都非常短，最远的也不过5km。而且测绘带也非常窄，一般在1km左右。这些都限制了调频连续波SAR应用范围。

为了更多的小型化应用需求，必须要从整体上提高调频连续波SAR的***性能，使之在更远作用距离、更大测绘带宽及更高成像分辨率的模式下工作。通常，解决这个问题的办法有三类：其一是提高发射功率；其二是增加天线孔径；其三是降低PRF(pulse repetition frequency，脉冲重复频率)。提高发射功率可以增加雷达的作用距离和测绘带宽度，但这样一来对器件的要求大为增加，而且增加了***的复杂度。更为严重的是，在大功率状态下，调频连续波雷达所特有的收发隔离问题将会非常突出，这正是限制调频连续波雷达作用距离的最根本因素。增加天线孔径可以提高天线的放大增益，但这样一方面会限制方位向的分辨率，另外一方面也会限制成像的测绘带宽度。降低PRF可以增加距离向的积累时间，从而提高距离向的处理增益，但这样容易导致高方位向分辨率情况下的频谱混叠。

发明内容

本发明的目的在于克服现有调频连续波SAR远作用距离、宽测绘带宽度及高分辨率等指标的相互约束条件，从整体上提高调频连续波SAR的***性能，使其满足更多小型化的应用需求。本发明提供一种多通道调频连续波SAR成像方法，利用多个接收通道，突破了方位向分辨率对雷达接收天线孔径的限制条件，使得雷达能够在保持高分辨率的同时获得高的天线增益，并且获得更大的距离向处理增益。

为实现所述目的，本发明的技术解决方案是：一种多通道调频连续波SAR成像方法，该方法包括以下步骤：设多通道调频连续波SAR具有多个通道，①利用一个通道发射调频连续波信号，其它M个通道同时接收，获得M路方位向欠采样的二维调频连续波SAR回波信号；②对上述所获取的M路信号进行二维傅里叶变换，在二维频域进行多普勒解模糊，得到消除方位向混叠的等效单通道信号；③对二维频域的等效单通道信号进行聚焦处理，得到二维高分辨率调频连续波SAR图像。

本发明的技术效果如下：本发明通过采用多个接收通道同时接收，利用数字信号处理方式进行方位解模糊，消除了方位向分辨率对天线孔径的约束条件，使得调频连续波SAR能够在保持高分辨率的同时获得高的天线增益，并且获得更大的距离向处理增益，从而提高调频连续波SAR的整体性能。与现有的单通道调频连续波SAR相比，在相同的发射功率条件下，采用本发明所提供的方法，能够工作在更远的作用距离、更宽的测绘带宽度和更高的成像分辨率模式，从而拓展了调频连续波SAR的应用。

附图说明

图1为本发明多通道调频连续波SAR成像方法流程图；

图2为本发明二维频域方位向解模糊的一个实施例流程图；

图3为本发明二维聚焦的一个实施例流程图；

图4为本发明一个实施例的仿真参数图；

图5为本发明一个实施例的点目标仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明提供的一种多通道调频连续波SAR成像方法作进一步详细的解释。

本发明所提供的一种多通道调频连续波SAR成像方法，其实施流程如图1所示，具体包含以下三个步骤：

步骤①：利用一个通道发射调频连续波信号，M个通道同时接收，获得M路方位向欠采样的二维调频连续波SAR回波信号。

设获得M路方位向欠采样的二维调频连续波SAR回波信号ss_m(t_a，t_r;r₀)为：

{ss}_{m} (t_{a}, t_{r}; r_{0}) = A_{0} \exp (- j \frac{2 π f_{c}}{c_{0}} \cdot R_{t, m}) \cdot \exp [j \frac{π k_{r}}{c_{0}^{2}} \cdot {(R_{t, m} - 2 r_{c})}^{2}]

\cdot \exp [- j \frac{2 π k_{r}}{c_{0}} \cdot (R_{t, m} - 2 r_{c}) \cdot (t_{r} - \frac{{2 r}_{c}}{c_{0}})]

其中t_a为方位向时间，t_r为距离向时间，r₀为目标距离，A₀为回波信号幅度，f_c为发射信号中心频率，c₀为光速，k_r为调频斜率，r_c为参考距离，R_t,m为第m个通道的距离，可表示为：

R_{t, m} (t_{a}, t_{r}; r_{0}) = \sqrt{r_{0}^{2} + V^{2} \cdot {(t_{a} + t_{r})}^{2}} + \sqrt{r_{0}^{2} + {[V (t_{a} + t_{r}) - Δ x_{m}]}^{2}}

其中V为多通道调频连续波SAR所在的平台运动速度，Δx_m为第m个接收天线与发射天线之间的距离。

上述公式中此信号的方位向采样频率为f_p，方位向多普勒带宽为B_a，并且有f_p<B_a。方位向数据采集时间为T_a，数据点数为N_a。距离向数据采集时间为T_r，数据点数为N_r。每个通道的回波为一个N_r×N_a的二维矩阵。

步骤②：对上述所获取的M路信号进行二维傅里叶变换，在二维频域进行多普勒解模糊，得到消除方位向混叠的等效单通道信号，具体包括以下子过程：

(2a)将各个通道的二维时域回波进行二维傅里叶变换，其中距离向的傅里叶变换即完成距离压缩，方位向的傅里叶变换则将信号变换到多普勒域，得到二维频域信号SS_m(f_a,f_r;r₀)，其中f_r为距离向频率，f_a为方位向频率；

(2b)对各个通道信号在方位向进行通道相位补偿，这样将各个通道中与参数Δx_m有关的固定相位项消除掉，得到补偿通道固定相位之后的信号：

SS_CPC,m(f_a,f_r;r₀)=SS_m(f_a,f_r;r₀)·H_CPC(Δx_m;r₀)

其中通道补偿相位因子H_CPC(Δx_m;r₀)为：

H_{1} (Δ x_{m}) = \exp [j \frac{2 π f_{c}}{c_{0}} \cdot \frac{Δ x_{m}^{2}}{4 r_{0}}]

(2c)设计每个通道对应的频域多普勒解模糊滤波器。第m个通道对应的解模糊滤波器用P_m(f_a)表示。多普勒解模糊滤波器的设计有多种成熟的算法，如基于通用采样理论的方法、基于空时自适应理论的方法等。本实施例中采用基于通用采样理论的方法。这种方法中，P_m可以看做由多个带通滤波器构成，可通过如下矩阵求逆的方式求解：

[\begin{matrix} P_{1} (f_{a}) \\ P_{2} (f_{a}) \\ . \\ . \\ . \\ P_{M} (f_{a}) \end{matrix}] = [\begin{matrix} P_{11} (f_{a}) & P_{12} (f_{a} + f_{p}) & . . . & P_{1 M} (f_{a} + (M - 1) f_{p}) \\ P_{21} (f_{a}) & P_{22} (f_{a} + f_{p}) & . . . & P_{2 M} (f_{a} + (M - 1) f_{p}) \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ P_{M 1} (f_{a}) & P_{M 2} (f_{a} + f_{p}) & . . . & P_{MM} (f_{a} + (M - 1) f_{p}) \end{matrix}]

= {[\begin{matrix} \exp (- j \frac{πΔ x_{1}}{V} f_{a}) & . . . & \exp (- j \frac{πΔ x_{M}}{V} f_{a}) \\ \exp (- j \frac{πΔ x_{1}}{V} (f_{a} + f_{p})) & . . . & \exp (- j \frac{πΔ x_{M}}{V} (f_{a} + f_{p})) \\ . & . & . \\ . & . & . \\ . & . & . \\ \exp (- j \frac{πΔ x_{1}}{V} (f_{a} + (M - 1) f_{p})) & . . . & \exp (- j \frac{πΔ x_{M}}{V} (f_{a} + (M - 1) f_{p})) \end{matrix}]}^{- 1}

(2d)将每个通道的方位向信号分别通过对应的解模糊滤波器，也即是将每个通道的方位向信号与对应的解模糊滤波器相乘：

SS_AR,m(f_a,f_r;r₀)=SS_CPC,m(f_a,f_r;r₀)·P_m(f_a)

其中

P_m(f_a)=[P_m1(f_a) P_m2(f_a+f_p)…P_mM(f_a+(M-1)f_p)]

(2e)将步骤(2d)中各个通道所得的结果相加，得到消除方位向混叠的二维频域等效单通道信号SS(f_a,f_r;r₀)为：

SS (f_{a}, f_{r}; r_{0}) = Σ_{m = 1}^{M} {SS}_{AR, m} (f_{a}, f_{r}; r_{0})

上述实施例的二维频域多普勒解模糊流程图如图2所示。

步骤③：对二维频域的等效单通道信号进行聚焦处理，得到二维高分辨率调频连续波SAR图像，具体包括以下子步骤：

(3a)对所得的二维频域等效单通道信号SS(f_a,f_r;r₀)进行距离向逆傅里叶变换，得到距离-多普勒信号S_s(f_a,t_r;r₀)；

(3b)对步骤(3a)中所得的距离-多普勒域信号Ss(f_a,t_r;r₀)进行天线连续运动的校正，得到Ss_DFC(f_a,t_r;r₀)：

其中天线连续运动补偿因子H_DFC(f_a,t_r)为：

H_DFC(f_a,t_r)=exp(-j2πf_aβ·t_r)

其中

β = \sqrt{1 - {(f_{a} λ / 2 V)}^{2}};

(3c)对补偿天线连续运动之后的距离-多普勒域信号Ss_DFC(f_a,t_r;r₀)进行距离徙动校正；距离徙动校正有多种成熟的算法，如RDA(Range Doppler Algorithm，距离-多普勒算法)，FSA(Frequency Scaling Algorithm，频率尺度变换算法)，RMA(RangeMigration Algorithm，距离徙动算法)等。在本实施例中，采用FSA，因为这种算法无需插值运算，效率较高，而且易于集成运动补偿与扫频非线性校正。具体地说，FSA还包括如下子步骤：

(3c-1)将距离-多普勒域信号乘以频率尺度因子，得到：

其中频率尺度因子H_FS(f_a,t_r)为：

H_{FS} (f_{a}, t_{r}) = \exp [jπ k_{r} (1 - β) t_{r}^{2}]

(3c-2)将步骤(3c-1)所得的信号进行距离向傅里叶变换，得到SS_FS(f_a,f_r;r₀)；

(3c-3)在二维频域乘以RVP校正因子，得到：

SS_RVPC(f_a,f_r;r₀)=SS_FS(f_a,t_r;r₀)·H_RVPC(f_a,f_r)

其中RVP校正因子H_RVPC(f_a,f_r)为：

H_{RVPC} (f_{a}, f_{r}) = \exp (- j \frac{π f_{r}^{2}}{k_{r} β})

(3c-4)将SS_RVPC(f_a,f_r;r₀)进行距离向逆傅里叶变换，得到Ss_RVPC(f_a,t_r;r₀)；

(3c-5)将Ss_RVPC(f_a,t_r;r₀)乘以逆频率尺度变换因子，得到：

其中逆频率尺度变换因子H_IFS(f_a,t_r)为：

H_{IFS} (f_{a}, t_{r}) = \exp [jπ k_{r} (β^{2} - β) t_{r}^{2}]

(3c-6)将Ss_IFS(f_a,t_r;r₀)乘以二次距离压缩因子，得到：

其中二次距离压缩因子H_SRC(f_a,t_r;r_c)为：

H_{SRC} (f_{a}, t_{r}; r_{c}) = \exp [+ j \frac{2 π r_{c} k_{r}^{2} λ}{c_{0}^{2}} \frac{(β^{2} - 1)}{β^{3}} {(β t_{r} - \frac{{2 r}_{c}}{c_{0}})}^{2}]

\cdot \exp [- j \frac{2 π r_{c} k_{r}^{3} λ^{3}}{c_{0}^{3}} \frac{(β^{2} - 1)}{β^{5}} {(β t_{r} - \frac{{2 r}_{c}}{c_{0}})}^{3}]

(3c-7)将Ss_SRC(f_a,t_r;r₀)乘以块平移因子，得到：

其中块平移因子H_BV(f_a,t_r;r_c)为：

H_{BV} (f_{a}, t_{r}; r_{c}) = \exp [j \frac{4 π k_{r} r_{c}}{c_{0}} (\frac{1}{β} - 1) (β t_{r} - \frac{{2 r}_{c}}{c_{0}})]

至此完成距离徙动的校正；

(3d)对距离徙动校正之后的距离-多普勒域信号Ss_RCMC(f_a,t_r;r₀)进行距离向傅里叶变换，完成距离压缩；

(3e)对步骤(3d)所得结果进行方位向匹配滤波，得到二维聚焦的调频连续波SAR图像。

上述实施例的等效单通道信号二维聚焦处理流程如图3所示。

下面通过仿真的方法对本发明进行验证。由图4所示的仿真参数，可计算得到中心频率对应的波长λ为0.02m，调频斜率k_r为8.75×10¹⁰Hz/s，方位向带宽B_a为333.3Hz。另外再考虑FFT的点数通常为2的幂次方，得到距离向采样点数N_r为8192点，方位向点数N_a为1024点。仿真中接收通道个数M为2，第一个接收天线与发射天线之间的距离Δx₁为0.6m，第二个接收天线与发射天线之间的距离Δx₂为1.2m。仿真中所用点目标放置在r₀＝15.5km处，并假定回波幅度A₀为1。仿真中距离向时间变量t_r和方位向时间变量t_a的取值分别为：

t_{r} = \frac{n_{r}}{f_{s}} = 0.8 \times 10^{- 6} \times n_{r}, n_{r} = 0,1, . . ., 8191

t_{a} = \frac{n_{a} - N_{a} / 2}{f_{p}} = 0.0057 \times (n_{a} - 512), n_{a} = 0,1, . . ., 1023

距离向频率变量f_r的取值为：

f_{r} = n_{r} \cdot \frac{f_{s}}{N_{r}} = 152.59 \times n_{r}, n_{r} = 0,1, . . ., 8191

在方位解模糊之前，方位向频率变量f_a的取值为：

f_{a} = (n_{a} - N_{a} / 2) \cdot \frac{f_{p}}{N_{a}} = 0.17 \times (n_{a} - 512), n_{a} = 0,1, . . ., 1023

方位解模糊完成之后，方位向频率变量f_a的取值为：

f_{a} = (n_{a 2} - N_{a}) \cdot \frac{f_{p}}{N_{a}} = 0.17 \times (n_{a 2} - 1024), n_{a 2} = 0,1, . . ., 2047

图5所示为本发明实施方式在仿真运行中所得的成像结果。对点目标经过本发明的处理之后得到良好的聚焦效果。理论分析与仿真结果均表明，调频连续波SAR工作于多接收通道模式，通过数字信号处理的方式突破方位向分辨率对天线孔径的限制条件，能以更好的性能进行成像。

Claims

1.一种多通道调频连续波SAR成像方法，其特征在于，包括以下步骤：利用一个通道发射调频连续波信号，其它M个通道同时接收，获得M路方位向欠采样的二维调频连续波SAR回波信号；对上述所获取的M路信号进行二维傅里叶变换，在二维频域进行多普勒解模糊，得到消除方位向混叠的等效单通道信号；对二维频域的等效单通道信号进行聚焦处理，得到二维高分辨率调频连续波SAR图像。