CN116500550B - 一种星载sar距离模糊抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种星载SAR距离模糊抑制方法，包括：步骤1、根据用户要求设计基于频率扫描天线的星载SAR***参数；步骤2、获取基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型，然后，通过凸松弛将该优化问题转化为凸优化问题；步骤3、通过迭代凸优化技术求解基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型；步骤4、获取该***的距离模糊曲线，判断***的距离模糊性能是否满足用户要求，如果不满足则重复步骤1到步骤4，直到满足要求为止，并输出***的距离模糊曲线。本发明有效提升星载SAR的***性能。

Description

一种星载SAR距离模糊抑制方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种星载SAR（Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达）距离模糊抑制方法。

背景技术

星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）主要结合空间运行轨道利用距离脉冲压缩和方位多普勒效应来对全球区域进行高分辨率成像。作为主动遥感设备，星载SAR通过自身发射脉冲信号，而后对接收到的回波进行处理得到图像。与光学、高光谱等被动遥感设备相比，它不受云、雨、雾等恶劣天气的影响，可全天候成像；也不依赖于外界光源，能够全天时成像。同时，SAR所工作的电磁频段的脉冲可具有一定的穿透能力，能够发现隐藏在植被或地表下的目标。现阶段，随着需求的提升，星载SAR已广泛地应用于地形测绘、地质勘探、海洋应用、农林监测、灾害评估以及科学研究等多个方面。

然而，对于传统星载SAR ***来说，由于星地几何关系的原因，距离模糊（RangeAmbiguity-to-Signal Ratio，RASR）一直是限制星载SAR ***性能的重要因素。并且随着任务需求中需要达到的测绘成像幅宽越来越大，***的距离模糊问题会更加严重，这些距离模糊信号会叠加到实际成像区域中，对成像结果造成严重的影响。如何有效的抑制***的距离模糊，是星载SAR***急需解决的问题。方位相位方位向相位编码（Azimuth PhaseCoding, APC）技术来可以通过滤波的方式在多普勒域完成对距离模糊的抑制，但该方法的性能依赖于方位向过采率，而过高的方位采样率又极大限制了***的幅宽。基于波形分集的交替发射方案通过发射低互相关能量的正交波形来抑制距离模糊，然而，良好的***性能和波形之间的正交性保证难以兼得。数字波束形成技术（Digital Beamforming, DBF）在距离向上通过多路接收通道分别收回波信号，再将各路接收信号采样后加权求和，等效形成一个窄波束扫描整个测绘带，同时以较低的旁瓣扫过模糊区域，极大降低距离模糊信号的能量，然而，该方法虽然可以显著改善距离模糊性能，但多个接收通道极大地增加了***的复杂度与成本。

值得一提的是，距离模糊的成因是由于天线方向图在距离向上存在副瓣，当测绘带内的回波信号到达接收机时，与测绘带的回波信号延时相差整数个脉冲重复周期（PulseRepetition Frequency, PRF）的其他区域的回波信号也会通过天线旁瓣到达接收机，这些信号和测绘带内的回波信号叠加在一起，成为对有用信号的干扰信号，即距离模糊信号。对于参数确定的星载SAR***，距离模糊区的位置是固定的，因此通过波束赋性的方法压低天线旁瓣是一种“立竿见影”的有效方案。然而，传统星载SAR波束赋形方法的赋形能力和距离模糊抑制能力均存在强烈的局限性，严重制约了星载SAR相控阵天线的有效扫描赋形能力。AIR学者们提出了一种基于凸优化的最优加权的波束赋形方法，相较传统方法，适用范围大幅拓展且距离模糊抑制能力显著增强，但是，该方法仅适用于传统的相控阵天线，且当入射角较大时，优化的结果往往会出现“此消彼长”的情况，难以保证在整个测绘带内都获取较为出色的距离模糊性能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种星载SAR距离模糊抑制方法，能够显著抑制星载SAR的距离模糊信号，有效提升星载SAR的***性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种星载SAR距离模糊抑制方法，包括如下步骤：

步骤1、根据用户要求确定基于频率扫描天线的星载SAR***参数的初值；

步骤2、获取基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型，并通过凸松弛将其转化为凸优化问题；

步骤3、通过迭代凸优化算法求解基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型；

步骤4、基于优化求解结果计算星载SAR***的距离模糊曲线，并判断是否满足用户需求，如果不满足则重复步骤1-步骤4，直到满足用户需求为止，输出星载SAR***的距离模糊曲线。

进一步地，所述步骤1包括：

根据用户对距离成像幅宽、空间分辨率、距离模糊性能、***中心频率、卫星轨道高度的要求，设计星载SAR***的参数，所述参数包括视角范围、脉冲重复频率、发射信号的脉冲宽度和频率扫描天线的二维尺寸。

进一步地，所述步骤2包括：

推导基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊与阵列激励权值的广义瑞利商形式，包括相应的信号能量矩阵和距离模糊信号能量矩阵，从而获取基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型；然后通过凸松弛将优化模型转化为凸优化问题。

进一步地，所述步骤4包括：

首先归一化信号能量矩阵，并引入高斯噪声修正距离模糊信号能量矩阵，然后初始化权值并设置迭代步长、迭代次数，最后通过不断迭代更新权值，获取满足条件的距离模糊曲线。

有益效果：

本发明通过采用频率扫描天线结合基于迭代凸优化的波束赋形，实现对距离模糊信号的两级抑制。一方面，相比传统的相控阵天线，频率扫描天线允许在一个收发通道下，以更窄的波束实现对测绘带的扫描接收，这使得***在低复杂度情况下，既能提高回波信号的能量，也能一定程度的降低距离模糊区处的旁瓣，另一方面，通过迭代凸优化的方法，求解基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型，实现对模糊信号的进一步抑制。

附图说明

图1为本发明的一种星载SAR距离模糊抑制方法流程图；

图2星载SAR距离模糊示意图；

图3星载SAR波位设计结果；

图4a，图4b，图4c, 图4d为基于相控阵天线的星载SAR***仿真结果图；其中，图4a为均匀加权的距离模糊曲线图，图4b为均匀加权的距离模糊能量分布图，图4c为基于凸优化的最优加权的距离模糊曲线图，图4d为基于凸优化的最优加权的距离模糊能量分布图；

图5a，图5b为基于频率扫描天线的的星载SAR***距离模仿真结果图；其中，图5a为基于迭代凸优化的最优加权的距离模糊曲线图，图5b为基于迭代凸优化的最优加权的距离模糊能量分布图；

图6a，图6b，图6c为迭代凸优化的求解结果；其中，图6a为归一化的适应度曲线图，图6b为优化后权值的幅度分布图，图6c为优化后权值的相位分布图。

具体实施方式

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清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，如图1所示，本发明的一种星载SAR距离模糊抑制方法，包括如下步骤：

步骤101：根据用户要求，确定基于频率扫描天线的星载SAR***参数初值。

基于频率扫描天线的星载SAR***在工作时，利用天线的色散效应，通过频率扫描天线形成一个波束指向与信号频率/>线性对应的窄波束，在一个脉冲发射时间内实现对测绘带的扫描照射，在接收端，同样采用频率扫描的方式对来自不同视角处的回波信号进行接收。不同于采用相控阵的星载SAR***，每个目标被照射的时间的是与波束宽度相关的，因此，星载SAR***的距离向分辨率与频率扫描天线的高度满足：

（1），

其中，为发射信号带宽，/>为测绘带所对应的角度，/>为***的载频，/>为波束的展宽因子，/>为天线的高度，/>为信号的波长。

当用户确定测绘带的视角范围、载频时，距离向分辨率与天线高度和发射带宽相关，在保证用户对距离分辨率以及***灵敏度要求的前提下，可通过公式（1）给定信号的发射带宽，来确定天线高度的初值。

PRF的选取一般与方位向分辨率、方位模糊以及星载SAR的时序约束相关，可通过用户要求确定PRF的初值，此时，距离模糊区的斜距满足：

（2），

其中，为测绘带所对应的斜距，/>为光速，/>为距离模糊区的阶数；

进一步地，对于收发天线方向图一致的SAR***，其距离模糊（RASR）曲线可以定义为：

（3），

其中：

（4），

（5），

其中，为第/>阶距离模糊区第/>个距离门处的地物的反射系数，/>为第/>阶距离模糊区第/>个距离门处的入射角，/>为距离门的个数，/>表示第/>个距离门，/>表示第/>阶距离模糊区的第/>个距离门处的斜距，/>表示第/>个距离门所对应的所有模糊信号的能量之和，/>为第/>个距离门处信号的能量。/>，其中/>为发射天线波束在第/>阶距离模糊区第/>个距离门处的值，/>为接收天线波束在第/>阶距离模糊区第/>个距离门处的值。

步骤102：获取基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型，并通过凸松弛将其转化为凸优化问题。

频率扫描天线本质仍然是一个阵列天线，其辐射性能是由各阵元在每个空间采样点上叠加的结果，天线波束在特定角度的功率可表示：

（6），

其中，为阵元个数，/>为阵元间距，/>为信号的瞬时频率，/>为阵因子方向图，/>为第/>个阵元的复激励，即阵列激励权值，/>为以自然数/>为底的指数函数。为波数，/>为第n个阵元的位置，对于一个均匀阵列而言，/>是一个以阵元间距/>为公差的等差数列。/>为角度空间再投影，满足：

（7），

其中，为天线波束的指向角，/>为天线波束的起始指向角，/>为在整个成像过程中，天线波束扫描过的角位移。

由于距离模糊是计算模糊信号能量与成像区能量的比值，故可以忽略阵因子方向图。为了方便推导，式（6）可以重新写为：

（8），

其中：

（9），

（10），

其中，为每个天线波束指向角/>处导向矢量，/>各阵元复激励矢量，/>为共轭转置, />是一个中间变量，无特殊含义。

可以发现天线方向图功率可以被表示为关于w的二次型形式。采用这种表达方式，RASR中的方向图可表示为：

（11），

对于星载SAR***而言，一般采用满功率发射保证***灵敏度，所以仅针对接收天线方向图做幅相加权，进一步地，基于频率扫描天线的星载SAR***的RASR可以写为如下形式：

（12），

（13），

（14），

其中，为信号能量矩阵，/>为模糊信号能量矩阵，/>为频率扫描天线发射波束在第/>阶距离模糊区第/>个距离门处的值。

至此，阵元复激励与距离模糊RASR可以写为式（12）所示的广义瑞利商的形式。为了得到出色的距离模糊，可建立基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型：

（15），

其中，表示最小化RASR的优化目标，/>为一个大于0的常数，无特殊含义，/>表示不等式约束，/>表示等式约束，/>代表不等式约束的个数，/>为总约束的个数,具体约束可根据实际工程需求来确定，例如复激励的动态范围约束等。

与传统的优化算法例如遗传算法、粒子群算法相比，凸优化是一类平衡了优化速度和性能的优化方法。在进行优化之前，首先需要对信号矩阵完成归一化处理，为避免过高的旁瓣和主瓣增益的降低，可在优化过程中加入高斯噪声。由于主信号中的噪声相对较弱可被忽略，这里仅对模糊矩阵进行修正：

（16），

其中，为修正后的模糊矩阵，/>表示单位矩阵，/>代表噪声的能量。

进一步地，式（15）可以改写为：

（17），

其中，，表示一个大于0的常数。

第一项约束为非凸约束，因此可通过引入辅助常量，成功地将上述条件转化为仿射形式，此时优化模型可以写为：

（18），

其中，表示取实部的操作。

至此，式（15）所描述的问题已经转化为一个凸的问题，问题可直接应用凸工具箱求解。

步骤103：通过迭代凸优化算法求解基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型。

由于进行了松弛，单次优化结果同原问题的解将存在较大偏差，以下为一种通过迭代逐步获得最优解的方法：

1）：初始化，/>为初始权值，一般取/>矩阵的最大特征值，/>为辅助常量，用于更新迭代的参数/>、/>和/>,其中，/>为迭代步长，/>为一个无实际意义的常数，一般要大于数个迭代步长，/>为一个设定的常数，典型值为0.01；

2）：根据式（17），所述凸优化问题获得；

3）：更新权值：；

4）：更新参数；

5）：如果且/>，返回2）；

6）：得到；

至此，可以获得的即为满足条件的所述接收权值，对应天线方向图可由公式（6）计算得。

步骤104：基于优化求解结果计算***的距离模糊曲线，并判断是否满足用户需求，如果不满足则重复步骤101-步骤103，直到满足用户需求为止，输出星载SAR***的距离模糊曲线。

将优化所得到的代入到式（12）中，计算星载SAR***的距离模糊曲线，判断***的距离模糊性能是否满足用户要求，如果距离模糊性能并未满足用户要求，修改步骤101中的发射带宽与天线高度，然后再修改***PRF；接着获取新的基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型，并经过步骤103进行求解；在步骤104中输出新的距离模糊曲线，判断其是否满足用户需求。

图2示意了星载SAR的照射区以及正负一阶的模糊区域，其中，为***的脉冲重复周期，/>为卫星的等效速度，/>为照射区的中心斜距，/>为照射区的远端斜距，为照射区的近端斜距，/>为下视角，/>为入射角。

图3展示了此次实施例中的波位选择结果，其中图像的纵坐标表示下视角，横坐标表示***的PRF，空白区域为可用的波位。例如，在下述的实施例中，选取了PRF为3225Hz处，视角范围为34.16°~37.00°的波位。

实施例1

实施例选取LT-1星载SAR任务的部分***参数进行仿真，***参数如表1所示。

表1

，

图4a，图4b，图4c，图4d给出了基于相控阵天线的SAR***中单极化距离模糊性能，图4a给出了距离模糊曲线随着视角变换的结果，可以看到在测绘带边缘的距离模性能较差，低于-20 dB；图4b 是基于凸优化的最优加权后的距离模糊曲线，可以看到距离模糊曲线的性能在远端得以大幅提升，然而近端性能依旧较差，这是因为基于凸优化的优化加权方法在优化过程中是以整体距离模糊性能作为目标函数，其本质相当于是对测绘带内每个角度处的距离模糊求取平均，因而整体优化的结果容易受到极端值的影响，不能保证特定视角处的距离模糊性能；对比图4c和图4d结果可知，经过凸优化加权后的距离模糊能量在正负一阶处得以抑制，然而对于-40°附近处的距离模糊能量（虚线框所示）却被增强，这就是该方法存在的“此消彼长”的问题。图5a，图5b为基于频率扫描天线的星载SAR***距离模仿真结果，从图5a可以看出，结合频率扫描天线的优化加权方法可在整个测绘带取得十分出色的距离模糊性能，一方面是采用频率扫描天线可以提高测绘带边缘信号的能量，且窄波束扫描的方式使得较低的旁瓣可以扫过模糊区域，另一方面，经过优化加权后的窄波束能够针对特定距离模糊区域形成相应的深度抑制，例如在图5b中，虚线框中的距离模糊能量得到显著抑制，基本都低于-250 dB。图6a，图6b，图6c展示了基于迭代凸优化的求解结果，图6a 可以看到收敛速度较快，基本在第三次时结果收敛，图6b和图6c 展示了所得最优权值的幅度和相位分布。

以上所述，仅为本发明的部分实施例而已，在其他情况下本发明仍然适用，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种星载SAR距离模糊抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据用户要求确定基于频率扫描天线的星载SAR***参数的初值，包括：

根据用户对距离成像幅宽、空间分辨率、距离模糊性能、***中心频率、卫星轨道高度的要求，设计星载SAR***的参数，所述参数包括视角范围、脉冲重复频率、发射信号的脉冲宽度和频率扫描天线的二维尺寸；

步骤2、获取基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型，并通过凸松弛将其转化为凸优化问题，包括：

推导基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊与阵列激励权值的广义瑞利商形式，包括相应的信号能量矩阵和距离模糊信号能量矩阵，从而获取基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型；然后通过凸松弛将优化模型转化为凸优化问题；

步骤3、通过迭代凸优化算法求解基于频率扫描天线的星载SAR***距离模糊抑制优化模型；

步骤4、基于优化求解结果计算星载SAR***的距离模糊曲线，并判断是否满足用户要求，如果不满足则重复步骤1-步骤4，直到满足用户要求为止，输出星载SAR***的距离模糊曲线。

2.根据权利要求1所述的一种星载SAR距离模糊抑制方法，其特征在于，所述步骤4包括：

首先归一化信号能量矩阵，并引入高斯噪声修正距离模糊信号能量矩阵，然后初始化权值并设置迭代步长、迭代次数，最后通过不断迭代更新权值，获取满足条件的距离模糊曲线。