CN109738893B - 一种双基合成孔径雷达回波数据生成方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双基合成孔径雷达(SAR)回波数据生成方法，根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据。本发明还公开了一种双基合成孔径雷达回波数据生成装置、存储介质。

Description

一种双基合成孔径雷达回波数据生成方法和装置
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)信号处理技术，尤其涉及一种双基合成孔径雷达(BiSAR，Bistatic Synthetic Aperture Radar)回波数据生成方法和装置。
背景技术
BiSAR是一种接收机和发射机处于空间中相隔一定距离的不同工作平台的SAR成像体制。由于收发平台分置，BiSAR***具备许多传统单基SAR不具备的优势；首先，收发***分离，可以实现“一发多收”的配置；其次，发射机和接收机搭载的平台多样，构成不同的双基成像***，比如以在轨的星载SAR作为发射源，以机载平台构成接收***形成星-机BiSAR***，或将接收机置于固定位置构成星-地一站固定式BiSAR***。此外，双星编队也可组成BiSAR***，比如目前在轨的德国TanDEM-X***，以双星编队获取全球高精度的数字高程信息。
除了上述诸多优势，双基SAR***设计、信号特征、成像处理上和传统单基SAR存在较大差别。在SAR***设计中，全链路的信号仿真对于***误差控制和分配，***性能评估等至关重要。在全链路仿真过程中，高精度回波信号仿真是重要一环，各项***误差可通过回波仿真体现到最终的成像结果之中。根据回波信号的时域表达式可知，基于时域表达的回波信号生成方法时间复杂度高，对于高分辨率、大场景回波仿真意味着大量的时间消耗，对于***性能评估和验证是不利的。而传统的时域近似回波仿真方案，虽然时间效率较高，但是距离历程近似处理导致较大的包络和相位误差，使得最终成像结果存在较大的相位误差，无法对双基SAR***中的各项误差进行统筹分析。
因此，如何在实现高精度、低误差的双基SAR回波信号生成，为双基SAR全链路***仿真设计提供支撑，是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种双基SAR回波数据生成方法和装置，能实现高精度、低误差的双基SAR回波信号生成，为双基SAR全链路***仿真设计提供支撑。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种双基SAR回波数据生成方法，所述方法包括：
根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；
根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；
在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据。
上述方案中，所述根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵，包括：
将所述双基SAR回波距离向分成预设等份，将离散的脉冲压缩信号以所述预设等份的间隔进行滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵，所述脉冲压缩偏移矩阵的表达式为：
Figure GDA0002620591770000021
其中，sout(k)i表示脉冲压缩偏移矩阵，TP表示时宽，Bd表示带宽，Δtr表示时间采样间隔，k为自然数，ρr表示距离采样间隔，c表示光速，N表示所述预设等份数量，i表示矩阵行数。
上述方案中，所述根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值，包括：
所述目标点的脉冲压缩信号对应的偏移值的表达式为：
Figure GDA0002620591770000031
其中，fixloc表示整数采样位置，
Figure GDA0002620591770000032
loc表示脉冲压缩信号峰值位置，loc＝R(n)/c-Ws，Ws表示采样窗起始时间，R(n)表示脉冲距离历程。
上述方案中，所述根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号，包括：
以所述脉冲压缩信号偏移矩阵中心行数为基准，将偏移值对应的一行脉冲压缩信号放置在所述整数采样位置为中心的窗口位置，得到点目标对应的脉冲压缩信号。
上述方案中，所述在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据，包括：
将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号进行一维傅里叶变换，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应；
将全场景中预设参考点目标对应的脉冲压缩信号进行距离向傅里叶变换，得到预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应；
将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应和所述预设参考目点标脉冲压缩信号的频率响应的乘积进行傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据。
上述方案中，所述方法还包括：
采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据。
本发明实施例还提供了一种双基SAR回波数据生成装置，所述装置包括：设置模块、第一计算模块和第二计算模块；其中，
所述设置模块，用于根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；
所述第一计算模块，用于根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；
所述第二计算模块，用于在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据。
上述方案中，所述设置模块，具体用于：
将所述双基SAR回波距离向分成预设等份，将离散的脉冲压缩信号以所述预设等份的间隔进行滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵，所述脉冲压缩偏移矩阵的表达式为：
Figure GDA0002620591770000041
其中，sout(k)i表示脉冲压缩偏移矩阵，TP表示时宽，Bd表示带宽，Δtr表示时间采样间隔，k为自然数，ρr表示距离采样间隔，c表示光速，N表示所述预设等份数量，i表示矩阵行数。
上述方案中，所述第一计算模块，具体用于：
所述目标点的脉冲压缩信号对应的偏移值的表达式为：
Figure GDA0002620591770000042
其中，fixloc表示整数采样位置，
Figure GDA0002620591770000043
loc表示脉冲压缩信号峰值位置，loc＝R(n)/c-Ws，Ws表示采样窗起始时间，R(n)表示脉冲距离历程。
上述方案中，所述第一计算模块，具体用于：
以所述脉冲压缩信号偏移矩阵中心行数为基准，将偏移值对应的一行脉冲压缩信号放置在所述整数采样位置为中心的窗口位置，得到点目标对应的脉冲压缩信号。
上述方案中，所述第二计算模块，具体用于：
将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号进行一维傅里叶变换，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应；
将全场景中预设参考点目标对应的脉冲压缩信号进行距离向傅里叶变换，得到预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应；
将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应和所述预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应的乘积进行傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据。
上述方案中，所述第一计算模块和/或所述第二计算模块采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据。
本发明实施例还提供了一种存储介质，其上存储有可执行程序，所述可执行程序被处理器执行时实现上述方法中任一种所述双基SAR回波数据生成方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种双基SAR回波数据生成装置，包括处理器、存储器及存储在存储器上并能够有所述处理器运行的可执行程序，所述处理器运行所述可执行程序时执行上述方法中任一种所述双基SAR回波数据生成方法的步骤。
本发明实施例所提供的双基SAR回波数据生成方法和装置，根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据。如此，能使脉冲压缩信号更接近采样整数点，实现高精度、低误差的双基SAR回波信号生成，为双基SAR全链路***仿真设计提供支撑。
附图说明
图1为本发明实施例双基SAR回波数据生成方法的流程示意图；
图2为本发明实施例脉冲压缩偏移矩阵示意图；
图3为本发明实施例双基SAR回波数据生成方法具体实施流程示意图；
图4为本发明实施例主星仿真回波数据的幅度信息示意图；
图5为本发明实施例辅星仿真回波数据的幅度信息示意图；
图6为本发明实施例干涉相位示意图；
图7为本发明实施例场景的高程信息示意图；
图8为本发明实施例双基SAR回波数据生成装置组成结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例中，根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据。
本发明实施例提供的双基SAR回波数据生成方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；
这里，所述双基SAR回波数据为双基SAR干涉回波数据。可以从双基SAR模型或双基SAR设计指标等参数中获取双基SAR参数；双基SAR参数可以包括：仿真的双星轨道历程
Figure GDA0002620591770000061
和
Figure GDA0002620591770000062
其中，Na表示Na个脉冲发射时刻；收发SAR平台视角θM和θS、成像模式如条带、聚束等，其中，下标M和S分别表示主星和辅星；电磁波信号发射和接收SAR传感器的基本***参数可以包括：发射信号载频fc、时宽TP和信号带宽Bd、方位向合成孔径长度Lsyn、脉冲重复频率(PRF，Pulse Repetition Frequency)、天线长度La和采样窗起始时间Ws等；
根据信号带宽，可以预先设计回波采样率，采样率通常可以设置为信号带宽的1.5倍，回波采样率可以用表达式(1)表示：
Fs＝1.2×Bd (1)
从而回波距离向的时间采样间隔Δtr＝1/Fs，距离采样间隔则为ρr＝c/2*Δtr，其中c表示光速；在SAR数据处理过中，通常先采用匹配滤波进行距离向的脉冲压缩处理，压缩后的回波信号可以用表达式(2)表示：
sout(t)＝Tpsinc(Bd(t-Δt0)) (2)
其中，Δt0表示电磁波从发射端到达目标再回到接收端的时间，即距离历程时间；表达式(2)经过采样后的离散形式可以用表达式(3)表示：
sout(k)＝Tpsinc(Bd(k·Δtr-Δt0)) (3)
通常(Δt0-Ws)/Δtr不为整数，即脉冲压缩后sinc函数的峰值不处于整数采样点之上，传统的处理方法采用最近邻的方法，将sinc函数峰值放置于最近的采样点上，导致产生包络误差，进而降低了回波仿真的相位精度；
为提高仿真精度，可以将距离向间隔的脉冲压缩信号离散形式的回波建立脉冲压缩信号偏移矩阵。
进一步的，可以将所述双基SAR回波距离向间隔分成预设份数，以每份作为间隔，将离散的脉冲压缩信号以所述间隔进行滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵；
具体的，可以将回波距离向间隔ρr分成N等份，按照ρr/N为间隔将sinc函数以整数采样点为中心进行左右滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵，脉冲压缩偏移矩阵可以用表达式(4)表示：
Figure GDA0002620591770000071
其中，k为自然数，ρr表示距离采样间隔，在得到脉冲压缩偏移矩阵中，k为列，i为行，矩阵的第i行表示sinc函数峰值偏离整数采样点(i×ρr)/(c×N)的sinc函数采样结果。另外，为保证经过完整回波信号的脉冲压缩旁瓣质量，各个sinc函数的长度不能太短，通常i和k可以根据经验值取64或者128等，如图2所示，为一组维度为128×128的脉冲压缩偏移矩阵。
步骤102：根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；
这里，所述全场景是指进行双基SAR成像的整个区域，点目标是指各个成像点，通过脉冲距离历程，可以确定点目标脉冲压缩信号对应的离整数采样点的偏移值；可以根据偏移值，从脉冲压缩信号偏移矩阵中，以矩阵中心为起点，确定点目标对应的脉冲压缩信号；并将各个点目标对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号。
进一步的，可以采用下述方式确定点目标对应的脉冲压缩信号。对于第n个脉冲发射时刻，场景中的某个点P＝[xp,yp,zp]的回波信号，Rp(n)为第n个脉冲发射时刻电磁波从发射端到达P点再回到接收端的距离历程，点目标对应的脉冲距离历程可以用表达式(5)表示：
Figure GDA0002620591770000081
第n个脉冲在P点的回波信号采样时间点距整数采样点的偏移值offset的计算方法可以用表达式(6)表示：
loc＝R(n)/c-Ws
Figure GDA0002620591770000082
Figure GDA0002620591770000083
其中，fixloc表示整数采样位置，loc表示脉冲压缩信号峰值位置以所述脉冲压缩信号偏移矩阵i＝0行为基准，偏移所述偏移值offset，得到偏移的sinc函数，并将偏移sinc函数放置在以fixloc为中心的窗口位置，得到P点目标对应的脉冲压缩信号。
进一步的，对场景中其余点目标采用和P点目标相同的处理方法，得到各点目标分别对应的脉冲压缩信号，并将各点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加即得到第n个脉冲发射时刻的全场景点目标脉冲压缩回波信号，全场景点目标脉冲压缩回波信号可以用表达式(7)表示：
Figure GDA0002620591770000091
步骤103：在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据；
这里，获得的全场景点目标脉冲压缩回波信号，为补偿发射信号的线性调频属性，可以对全场景点目标脉冲压缩回波信号补偿距离向二次相位调制。
进一步的，可以将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号逐帧进行一维傅里叶变换，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应；将全场景中预设参考点目标对应的脉冲压缩信号进行距离向傅里叶变换，得到预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应；将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应和所述预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应的乘积进行傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据；
具体的，首先将表达式(7)所示信号进行距离向傅里叶变换，得到其频域响应Sref_freq(k,n)；其次，在构建预设参考点的时域参考信号；所述预设参考点可以根据全场景点目标实际状况设置，如以全场景的中心点作为参考点，构建时域参考信号，全场景的中心点时域参考信号可以用表达式(8)表示；
Figure GDA0002620591770000092
可以将全场景的中心点时域参考信号sref(k,n)通过距离向傅里叶变换得到频域表达，并与Sref_freq(k,n)相乘，补偿距离向二次相位调制。之后，将该信号逐帧进行一维距离向傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据。
可以采用相同的方法，获取各个脉冲的全场景点目标的回波数据，从而实现高精度的双基SAR回波信号生成，为双基SAR全链路***仿真设计提供支撑。
进一步的，可以采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据；
对于各个脉冲发射时刻，全场景点目标的回波数据生成可独立进行，具备并行化处理的条件。因此，可以采用异构计算平台实现并行化回波数据生成，即建立脉冲压缩信号偏移矩阵后，以采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据，进一步加快回波信号生成速度。这里，回波数据为干涉回波数据。
下面结合具体示例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本处采用双星编队双基SAR模式的回波数据生成验证本专利的技术方案的有效性。如图3所示，具体步骤包括：
步骤301：进行双基SAR成像几何参数设置，包括：双星轨迹、平台视、成像模式等；
步骤302：进行双基SAR平台参数设置，包括：收发SAR传感器参数等；
步骤303：根据步骤301和302的双基SAR参数，对双基SAR照射全场景进行网格化，分成多个点目标；
步骤304：根据步骤301和302的双基SAR参数，建立脉冲压缩偏移矩阵；
步骤305：对第n个脉冲，计算全场景点目标脉冲压缩回波信号；
步骤306：对全场景点目标脉冲压缩回波信号进行傅里叶变换；
步骤307：对步骤306的结果进行补偿距离向调制信号；
步骤308：对补偿距离向调制的结果进行傅里叶逆变换，得到第n个脉冲全场景点目标脉冲压缩回波数据；
步骤309：判断是否所有的脉冲都已经计算完成，如果没有，则执行步骤305，否则，执行步骤310；
步骤310：所有脉冲全场景点目标脉冲压缩回波数据计算完成，得到双基SAR回波数据。
图4为主星的仿真回波数据的幅度信息，图5为辅星的仿真回波数据的幅度信息。图6所示为经过成像、配准与去平地处理后得到的干涉相位图，图7为经过相位解缠和高程反演得到的场景的高程信息。从图7可见该方法可以得到高精度的双基SAR干涉回波数据。
本发明提供的双基SAR干涉回波数据生成装置，如图8所示，包括：设置模块81、第一计算模块82和第二计算模块83；其中，
所述设置模块81，用于根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；
这里，所述双基SAR回波数据为双基SAR干涉回波数据。可以从双基SAR模型或双基SAR设计指标等参数中获取双基SAR参数；双基SAR参数可以包括：仿真的双星轨道历程
Figure GDA0002620591770000111
和
Figure GDA0002620591770000112
其中，Na表示Na个脉冲发射时刻；收发SAR平台视角θM和θS、成像模式如条带、聚束等，其中，下标M和S分别表示主星和辅星；电磁波信号发射和接收SAR传感器的基本***参数可以包括：发射信号载频fc、时宽TP和信号带宽Bd、方位向合成孔径长度Lsyn、PRF、天线长度La和采样窗起始时间Ws等；
根据信号带宽，可以预先设计回波采样率，采样率通常可以设置为信号带宽的1.5倍，回波采样率可以用表达式(1)表示；
从而回波距离向的时间采样间隔Δtr＝1/Fs，距离采样间隔则为ρr＝c/2*Δtr，其中c表示光速；在SAR数据处理过中，通常先采用匹配滤波进行距离向的脉冲压缩处理，压缩后的回波信号可以用表达式(2)表示；
其中，Δt0表示电磁波从发射端到达目标再回到接收端的时间，即距离历程时间；表达式(2)经过采样后的离散形式可以用表达式(3)表示；
通常(Δt0-Ws)/Δtr不为整数，即脉冲压缩后sinc函数的峰值不处于整数采样点之上，传统的处理方法采用最近邻的方法，将sinc函数峰值放置于最近的采样点上，导致产生包络误差，进而降低了回波仿真的相位精度；
为提高仿真精度，可以将距离向间隔的脉冲压缩信号离散形式的回波建立脉冲压缩信号偏移矩阵。
进一步的，可以将所述双基SAR回波距离向间隔分成预设份数，以每份作为间隔，将离散的脉冲压缩信号以所述间隔进行滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵；
具体的，可以将回波距离向间隔ρr分成N等份，按照ρr/N为间隔将sinc函数以整数采样点为中心进行左右滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵，脉冲压缩偏移矩阵可以用表达式(4)表示；
其中，k为自然数，ρr表示距离采样间隔，在得到脉冲压缩偏移矩阵中，k为列，i为行，矩阵的第i行表示sinc函数峰值偏离整数采样点(i×ρr)/(c×N)的sinc函数采样结果。另外，为保证经过完整回波信号的脉冲压缩旁瓣质量，各个sinc函数的长度不能太短，通常i和k可以根据经验值取64或者128等，如图2所示，为一组维度为128×128的脉冲压缩偏移矩阵。
所述第一计算模块82，用于根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；
这里，所述全场景是指进行双基SAR成像的整个区域，点目标是指各个成像点，通过脉冲距离历程，可以确定点目标脉冲压缩信号对应的离整数采样点的偏移值；可以根据偏移值，从脉冲压缩信号偏移矩阵中，以矩阵中心为起点，确定点目标对应的脉冲压缩信号；并将各个点目标对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号。
进一步的，可以采用下述方式确定点目标对应的脉冲压缩信号。对于第n个脉冲发射时刻，场景中的某个点P＝[xp,yp,zp]的回波信号，Rp(n)为第n个脉冲发射时刻电磁波从发射端到达P点再回到接收端的距离历程，点目标对应的脉冲距离历程可以用表达式(5)表示；
第n个脉冲在P点的回波信号采样时间点距整数采样点的偏移值offset的计算方法可以用表达式(6)表示；其中，fixloc表示整数采样位置，loc表示脉冲压缩信号峰值位置以所述脉冲压缩信号偏移矩阵i＝0行为基准，偏移所述偏移值offset，得到偏移的sinc函数，并将偏移sinc函数放置在以fixloc为中心的窗口位置，得到P点目标对应的脉冲压缩信号。
进一步的，对场景中其余点目标采用和P点目标相同的处理方法，得到各点目标分别对应的脉冲压缩信号，并将各点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加即得到第n个脉冲发射时刻的全场景点目标脉冲压缩回波信号，全场景点目标脉冲压缩回波信号可以用表达式(8)表示；
所述第二计算模块83，用于在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据；
这里，获得的全场景点目标脉冲压缩回波信号，为补偿发射信号的线性调频属性，可以对全场景点目标脉冲压缩回波信号补偿距离向二次相位调制。
进一步的，可以将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号逐帧进行一维傅里叶变换，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应；将全场景中预设参考点目标对应的脉冲压缩信号进行距离向傅里叶变换，得到预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应；将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应和所述预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应的乘积进行傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据；
具体的，首先将表达式(7)所示信号进行距离向傅里叶变换，得到其频域响应Sref_freq(k,n)；其次，在构建预设参考点的时域参考信号；所述预设参考点可以根据全场景点目标实际状况设置，如以全场景的中心点作为参考点，构建时域参考信号，全场景的中心点时域参考信号可以用表达式(8)表示；
可以将全场景的中心点时域参考信号sref(k,n)通过距离向傅里叶变换得到频域表达，并与Sref_freq(k,n)相乘，补偿距离向二次相位调制。并将乘积进行傅里叶逆变换。之后，将该信号逐帧进行一维距离向傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据。
可以采用相同的方法，获取各个脉冲的全场景点目标的回波数据，从而实现高精度的双基SAR回波信号生成，为双基SAR全链路***仿真设计提供支撑。
进一步的，第一计算模块82和/或第二计算模块83可以采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据；
对于各个脉冲发射时刻，全场景点目标的回波数据生成可独立进行，具备并行化处理的条件。因此，可以采用异构计算平台实现并行化回波数据生成，即建立脉冲压缩信号偏移矩阵后，以采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据，进一步加快回波信号生成速度。这里，回波数据为干涉回波数据。
在实际应用中，所述设置模块81、第一计算模块82和第二计算模块83均可以由SAR***中的CPU、微处理器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、或现场可编程门阵列(FPGA)等实现。
本发明实施例提供的存储介质，其上存储有可执行程序，所述可执行程序被处理器执行时实现双基SAR干涉回波数据生成方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；
这里，所述双基SAR回波数据为双基SAR干涉回波数据。可以从双基SAR模型或双基SAR设计指标等参数中获取双基SAR参数；双基SAR参数可以包括：仿真的双星轨道历程
Figure GDA0002620591770000141
和
Figure GDA0002620591770000142
其中，Na表示Na个脉冲发射时刻；收发SAR平台视角θM和θS、成像模式如条带、聚束等，其中，下标M和S分别表示主星和辅星；电磁波信号发射和接收SAR传感器的基本***参数可以包括：发射信号载频fc、时宽TP和信号带宽Bd、方位向合成孔径长度Lsyn、PRF、天线长度La和采样窗起始时间Ws等；
根据信号带宽，可以预先设计回波采样率，采样率通常可以设置为信号带宽的1.5倍，回波采样率可以用表达式(1)表示；
从而回波距离向的时间采样间隔Δtr＝1/Fs，距离采样间隔则为ρr＝c/2*Δtr，其中c表示光速；在SAR数据处理过中，通常先采用匹配滤波进行距离向的脉冲压缩处理，压缩后的回波信号可以用表达式(2)表示；
其中，Δt0表示电磁波从发射端到达目标再回到接收端的时间，即距离历程时间；表达式(2)经过采样后的离散形式可以用表达式(3)表示；
通常(Δt0-Ws)/Δtr不为整数，即脉冲压缩后sinc函数的峰值不处于整数采样点之上，传统的处理方法采用最近邻的方法，将sinc函数峰值放置于最近的采样点上，导致产生包络误差，进而降低了回波仿真的相位精度；
为提高仿真精度，可以将距离向间隔的脉冲压缩信号离散形式的回波建立脉冲压缩信号偏移矩阵。
进一步的，可以将所述双基SAR回波距离向间隔分成预设份数，以每份作为间隔，将离散的脉冲压缩信号以所述间隔进行滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵；
具体的，可以将回波距离向间隔ρr分成N等份，按照ρr/N为间隔将sinc函数以整数采样点为中心进行左右滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵，脉冲压缩偏移矩阵可以用表达式(4)表示；
其中，k为自然数，ρr表示距离采样间隔，在得到脉冲压缩偏移矩阵中，k为列，i为行，矩阵的第i行表示sinc函数峰值偏离整数采样点(i×ρr)/(c×N)的sinc函数采样结果。另外，为保证经过完整回波信号的脉冲压缩旁瓣质量，各个sinc函数的长度不能太短，通常i和k可以根据经验值取64或者128等，如图2所示，为一组维度为128×128的脉冲压缩偏移矩阵。
步骤102：根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；
这里，所述全场景是指进行双基SAR成像的整个区域，点目标是指各个成像点，通过脉冲距离历程，可以确定点目标脉冲压缩信号对应的离整数采样点的偏移值；可以根据偏移值，从脉冲压缩信号偏移矩阵中，以矩阵中心为起点，确定点目标对应的脉冲压缩信号；并将各个点目标对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号。
进一步的，可以采用下述方式确定点目标对应的脉冲压缩信号。对于第n个脉冲发射时刻，场景中的某个点P＝[xp,yp,zp]的回波信号，Rp(n)为第n个脉冲发射时刻电磁波从发射端到达P点再回到接收端的距离历程，点目标对应的脉冲距离历程可以用表达式(5)表示；
第n个脉冲在P点的回波信号采样时间点距整数采样点的偏移值offset的计算方法可以用表达式(6)表示；其中，fixloc表示整数采样位置，loc表示脉冲压缩信号峰值位置以所述脉冲压缩信号偏移矩阵i＝0行为基准，偏移所述偏移值offset，得到偏移的sinc函数，并将偏移sinc函数放置在以fixloc为中心的窗口位置，得到P点目标对应的脉冲压缩信号。
进一步的，对场景中其余点目标采用和P点目标相同的处理方法，得到各点目标分别对应的脉冲压缩信号，并将各点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加即得到第n个脉冲发射时刻的全场景点目标脉冲压缩回波信号，全场景点目标脉冲压缩回波信号可以用表达式(8)表示；
步骤103：在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据；
这里，获得的全场景点目标脉冲压缩回波信号，为补偿发射信号的线性调频属性，可以对全场景点目标脉冲压缩回波信号补偿距离向二次相位调制。
进一步的，可以将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号逐帧进行一维傅里叶变换，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应；将全场景中预设参考点目标对应的脉冲压缩信号进行距离向傅里叶变换，得到预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应；将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应和所述预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应的乘积进行傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据；
具体的，首先将表达式(7)所示信号进行距离向傅里叶变换，得到其频域响应Sref_freq(k,n)；其次，在构建预设参考点的时域参考信号；所述预设参考点可以根据全场景点目标实际状况设置，如以全场景的中心点作为参考点，构建时域参考信号，全场景的中心点时域参考信号可以用表达式(8)表示；
可以将全场景的中心点时域参考信号sref(k,n)通过距离向傅里叶变换得到频域表达，并与Sref_freq(k,n)相乘，补偿距离向二次相位调制。并将乘积进行傅里叶逆变换。之后，将该信号逐帧进行一维距离向傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据。
可以采用相同的方法，获取各个脉冲的全场景点目标的回波数据，从而实现高精度的双基SAR回波信号生成，为双基SAR全链路***仿真设计提供支撑。
进一步的，可以采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据；
对于各个脉冲发射时刻，全场景点目标的回波数据生成可独立进行，具备并行化处理的条件。因此，可以采用异构计算平台实现并行化回波数据生成，即建立脉冲压缩信号偏移矩阵后，以采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据，进一步加快回波信号生成速度。这里，回波数据为干涉回波数据。
本发明实施例提供的双基SAR回波数据生成装置，包括处理器、存储器及存储在存储器上并能够有所述处理器运行的可执行程序，所述处理器运行所述可执行程序时执行实现双基SAR回波数据生成方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；
这里，所述双基SAR回波数据为双基SAR干涉回波数据。可以从双基SAR模型或双基SAR设计指标等参数中获取双基SAR参数；双基SAR参数可以包括：仿真的双星轨道历程
Figure GDA0002620591770000181
和
Figure GDA0002620591770000182
其中，Na表示Na个脉冲发射时刻；收发SAR平台视角θM和θS、成像模式如条带、聚束等，其中，下标M和S分别表示主星和辅星；电磁波信号发射和接收SAR传感器的基本***参数可以包括：发射信号载频fc、时宽TP和信号带宽Bd、方位向合成孔径长度Lsyn、PRF、天线长度La和采样窗起始时间Ws等；
根据信号带宽，可以预先设计回波采样率，采样率通常可以设置为信号带宽的1.5倍，回波采样率可以用表达式(1)表示；
从而回波距离向的时间采样间隔Δtr＝1/Fs，距离采样间隔则为ρr＝c/2*Δtr，其中c表示光速；在SAR数据处理过中，通常先采用匹配滤波进行距离向的脉冲压缩处理，压缩后的回波信号可以用表达式(2)表示；
其中，Δt0表示电磁波从发射端到达目标再回到接收端的时间，即距离历程时间；表达式(2)经过采样后的离散形式可以用表达式(3)表示；
通常(Δt0-Ws)/Δtr不为整数，即脉冲压缩后sinc函数的峰值不处于整数采样点之上，传统的处理方法采用最近邻的方法，将sinc函数峰值放置于最近的采样点上，导致产生包络误差，进而降低了回波仿真的相位精度；
为提高仿真精度，可以将距离向间隔的脉冲压缩信号离散形式的回波建立脉冲压缩信号偏移矩阵。
进一步的，可以将所述双基SAR回波距离向间隔分成预设份数，以每份作为间隔，将离散的脉冲压缩信号以所述间隔进行滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵；
具体的，可以将回波距离向间隔ρr分成N等份，按照ρr/N为间隔将sinc函数以整数采样点为中心进行左右滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵，脉冲压缩偏移矩阵可以用表达式(4)表示；
其中，k为自然数，ρr表示距离采样间隔，在得到脉冲压缩偏移矩阵中，k为列，i为行，矩阵的第i行表示sinc函数峰值偏离整数采样点(i×ρr)/(c×N)的sinc函数采样结果。另外，为保证经过完整回波信号的脉冲压缩旁瓣质量，各个sinc函数的长度不能太短，通常i和k可以根据经验值取64或者128等，如图2所示，为一组维度为128×128的脉冲压缩偏移矩阵。
步骤102：根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；
这里，所述全场景是指进行双基SAR成像的整个区域，点目标是指各个成像点，通过脉冲距离历程，可以确定点目标脉冲压缩信号对应的离整数采样点的偏移值；可以根据偏移值，从脉冲压缩信号偏移矩阵中，以矩阵中心为起点，确定点目标对应的脉冲压缩信号；并将各个点目标对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号。
进一步的，可以采用下述方式确定点目标对应的脉冲压缩信号。对于第n个脉冲发射时刻，场景中的某个点P＝[xp,yp,zp]的回波信号，Rp(n)为第n个脉冲发射时刻电磁波从发射端到达P点再回到接收端的距离历程，点目标对应的脉冲距离历程可以用表达式(5)表示；
第n个脉冲在P点的回波信号采样时间点距整数采样点的偏移值offset的计算方法可以用表达式(6)表示；其中，fixloc表示整数采样位置，loc表示脉冲压缩信号峰值位置以所述脉冲压缩信号偏移矩阵i＝0行为基准，偏移所述偏移值offset，得到偏移的sinc函数，并将偏移sinc函数放置在以fixloc为中心的窗口位置，得到P点目标对应的脉冲压缩信号。
进一步的，对场景中其余点目标采用和P点目标相同的处理方法，得到各点目标分别对应的脉冲压缩信号，并将各点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加即得到第n个脉冲发射时刻的全场景点目标脉冲压缩回波信号，全场景点目标脉冲压缩回波信号可以用表达式(8)表示；
步骤103：在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据；
这里，获得的全场景点目标脉冲压缩回波信号，为补偿发射信号的线性调频属性，可以对全场景点目标脉冲压缩回波信号补偿距离向二次相位调制。
进一步的，可以将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号逐帧进行一维傅里叶变换，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应；将全场景中预设参考点目标对应的脉冲压缩信号进行距离向傅里叶变换，得到预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应；将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应和所述预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应的乘积进行傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据；
具体的，首先将表达式(7)所示信号进行距离向傅里叶变换，得到其频域响应Sref_freq(k,n)；其次，在构建预设参考点的时域参考信号；所述预设参考点可以根据全场景点目标实际状况设置，如以全场景的中心点作为参考点，构建时域参考信号，全场景的中心点时域参考信号可以用表达式(8)表示；
可以将全场景的中心点时域参考信号sref(k,n)通过距离向傅里叶变换得到频域表达，并与Sref_freq(k,n)相乘，补偿距离向二次相位调制。并将乘积进行傅里叶逆变换。之后，将该信号逐帧进行一维距离向傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据。
可以采用相同的方法，获取各个脉冲的全场景点目标的回波数据，从而实现高精度的双基SAR回波信号生成，为双基SAR全链路***仿真设计提供支撑。
进一步的，可以采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据；
对于各个脉冲发射时刻，全场景点目标的回波数据生成可独立进行，具备并行化处理的条件。因此，可以采用异构计算平台实现并行化回波数据生成，即建立脉冲压缩信号偏移矩阵后，以采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据，进一步加快回波信号生成速度。这里，回波数据为干涉回波数据。
以上所述，仅为本发明的最佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种双基合成孔径雷达SAR回波数据生成方法，其特征在于，所述方法包括：
根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；
根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；
在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据；
所述根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵，包括：将所述双基SAR回波距离向分成预设等份，将离散的脉冲压缩信号以所述预设等份的间隔进行滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵，所述脉冲压缩偏移矩阵的表达式为：
Figure FDA0002620591760000011
其中，sout(k)i表示脉冲压缩偏移矩阵，TP表示时宽，Bd表示带宽，Δtr表示时间采样间隔，k为自然数，ρr表示距离采样间隔，c表示光速，N表示所述预设等份数量，i表示矩阵行数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值，包括：
所述目标点的脉冲压缩信号对应的偏移值的表达式为：
Figure FDA0002620591760000012
其中，fixloc表示整数采样位置，
Figure FDA0002620591760000013
loc表示脉冲压缩信号峰值位置，loc＝R(n)/c-Ws，Ws表示采样窗起始时间，R(n)表示脉冲距离历程，Fs表示回波采样率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号，包括：
以所述脉冲压缩信号偏移矩阵中心行数为基准，将偏移值对应的一行脉冲压缩信号放置在所述整数采样位置为中心的窗口位置，得到点目标对应的脉冲压缩信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据，包括：
将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号进行一维傅里叶变换，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应；
将全场景中预设参考点目标对应的脉冲压缩信号进行距离向傅里叶变换，得到预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应；
将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应和所述预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应的乘积进行傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据。
6.一种双基SAR回波数据生成装置，其特征在于，所述装置包括：设置模块、第一计算模块和第二计算模块；其中，
所述设置模块，用于根据预设双基SAR参数，建立脉冲压缩信号偏移矩阵；
所述第一计算模块，用于根据全场景中每个点目标分别对应的脉冲距离历程，确定每个目标点的脉冲压缩信号分别对应的偏移值；根据所述偏移值，从所述脉冲压缩信号偏移矩阵中确定每个点目标分别对应的脉冲压缩信号；将每个点目标分别对应的脉冲压缩信号相干累加，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号；
所述第二计算模块，用于在距离频域补偿全场景点目标脉冲压缩回波信号距离向二次相位调制，得到全场景点目标的回波数据；
所述设置模块，还用于将所述双基SAR回波距离向分成预设等份，将离散的脉冲压缩信号以所述预设等份的间隔进行滑动，得到脉冲压缩偏移矩阵，所述脉冲压缩偏移矩阵的表达式为：
Figure FDA0002620591760000031
其中，sout(k)i表示脉冲压缩偏移矩阵，TP表示时宽，Bd表示带宽，Δtr表示时间采样间隔，k为自然数，ρr表示距离采样间隔，c表示光速，N表示所述预设等份数量，i表示矩阵行数。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块，具体用于：
所述目标点的脉冲压缩信号对应的偏移值的表达式为：
Figure FDA0002620591760000032
其中，fixloc表示整数采样位置，
Figure FDA0002620591760000033
loc表示脉冲压缩信号峰值位置，loc＝R(n)/c-Ws，Ws表示采样窗起始时间，R(n)表示脉冲距离历程，Fs表示回波采样率。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块，具体用于：
以所述脉冲压缩信号偏移矩阵中心行数为基准，将偏移值对应的一行脉冲压缩信号放置在所述整数采样位置为中心的窗口位置，得到点目标对应的脉冲压缩信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二计算模块，具体用于：
将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号进行一维傅里叶变换，得到全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应；
将全场景中预设参考点目标对应的脉冲压缩信号进行距离向傅里叶变换，得到预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应；
将所述全场景点目标脉冲压缩回波信号的频域响应和所述预设参考点目标脉冲压缩信号的频率响应的乘积进行傅里叶逆变换，得到全场景点目标的回波数据。
10.根据权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块和/或所述第二计算模块采用异构计算方式，并行处理每个脉冲的全场景点目标的回波数据。
11.一种存储介质，其上存储有可执行程序，其特征在于，所述可执行程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述双基SAR回波数据生成方法的步骤。
12.一种双基SAR回波数据生成装置，包括处理器、存储器及存储在存储器上并能够有所述处理器运行的可执行程序，其特征在于，所述处理器运行所述可执行程序时执行如权利要求1至5任一项所述双基SAR回波数据生成方法的步骤。
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