专利名称：一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法
技术领域：
本发明涉及一种基于完全互补序列的超低旁瓣、高分辨率合成孔径雷达成像方法，属于信号处理技术领域。
背景技术：
合成孔径雷达(SAR)具有全天时、全天候的对地观测能力，是目前备受关注的对地观测系统。当前，图像质量是制约SAR应用的关键因素之一。空间分辨率、旁瓣比、模糊度是衡量SAR图像质量的重要指标。传统体制的SAR系统采用线性调频信号作为雷达发射信号波形，在不加权条件下，其距离压缩后的峰值旁瓣比约为-13. 2dB。在实际成像处理过程中，通常采用频域加权法来抑制旁瓣，其缺点是牺牲了空间分辨率。近年来，相继有学者提出采用其他的信号波形作为雷达发射信号，以改善距离向的旁瓣比，并提高图像信噪比。其中，相位编码信号是目前的研究热点之一。由于相位编码信号易于生成和处理，因此经常作为雷达的脉冲压缩信号。然而，普通的相位编码信号仍无法实现距离向超低旁瓣性能，相对于传统的线性调频信号而言，其优势并不明显。完全互补序列属于相位编码范畴，由于其良好的相关函数在通信系统中获得了广泛的应用。对互补序列的研究始于20世纪60年代，Golay等研究了一些二进制互补序列对，这些互补对的自相关函数值在所有的偶数移位时都为零。Peter等人将一维互补码扩展到二维二相、四相正交完全互补码，对每一维信号的相关特性进行理论性的推导。关于互补码作为雷达信号，也有相关文献进行了分析A. K. Ojha对互补码在噪声和目标波动情况下的性能进行了研究，将互补序列的性能与伪随机序列的性能进行了比较，并对正交采样的互补码的稳健性进行分析，得出分辨率与序列个数以及码元长度的关系。Z. Peter等利用普罗米修斯正交集技术构造了一类互补序列，对其模糊特性进行了分析。Suehiix)将互补码的概念进行了推广，提出了自相关函数值在非零移位都为零，而互相关函数值也都为零的完全互补序列。目前，关于完全互补序列在合成孔径雷达中的应用还鲜有文献介绍。由于完全互补序列由两个互补相位信号序列构成，需要首先对两个互补相位信号序列的雷达回波信号分别进行距离向匹配滤波，再对它们进行求和以完成距离向脉冲压缩，理论上该脉冲压缩信号近似为冲激函数，不存在旁瓣。为了充分利用完全互补序列的这种优良特性，需对两个组成序列分别进行处理。为了避免完全互补序列的两个组成序列相互干扰，两个序列必须在相邻脉冲重复周期交替发射。这意味着两个序列形成的脉冲所处的方位时刻不同，导致其延时相位不同，破坏了完全互补序列脉冲压缩信号的无旁瓣特性。该问题导致基于完全互补序列信号波形的成像性能甚至差于传统的线性调频信号，其优势完全没有体现，从而限制了完全互补序列在合成孔径雷达中的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决完全互补序列在合成孔径雷达成像系统应用中的瓶颈技术问题，提出一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法，充分利用完全互补序列的正交性和超低旁瓣性能，实现合成孔径雷达高分辨率、距离向超低旁瓣成像新体制。该方法能够提高合成孔径雷达的图像质量，进而提高合成孔径雷达图像的可判读性， 扩展合成孔径雷达在遥感科学中的应用。—种基于完全互补序列的合成孔径雷达高分辨率、超低距离向旁瓣成像方法，包括以下几个步骤步骤一将基于完全互补序列信号波形的回波数据分成单独以两个互补序列作为雷达发射信号得到的回波数据；将基于完全互补序列信号波形的回波数据C分成单独以序列A和序列B作为雷达发射信号得到的回波数据，分离后的回波数据分别为二维复数组C1和C2，大小为 (X/2)XY；步骤二 基于匹配滤波的距离脉冲压缩处理；利用完全互补序列的两个互补码序列信号作为参考信号，分别对序列A和序列B 的回波数据C1和C2进行距离向匹配滤波，完成距离压缩过程，获得压缩后的两个信号分别为D1和D2 ；步骤三方位向傅里叶变换；将步骤二得到的距离压缩后的数据D1和D2沿每个距离门(按列)进行快速傅里叶变换(FFT)，得到方位向频谱数据D1-FFT和D2_FFT ；然后将方位向频谱数据D1,和D2_fft的前X/4行数据和后X/4行数据进行交换， 得到方位频谱数据E1和E2 ；步骤四距离徙动校正；对于步骤三得到的方位频谱数据E1和E2，利用sine插值法进行精确校正距离徙动，分别得到进行距离徙动校正后的数据F1和F2 ；步骤五方位向数据高频补零；将步骤四得到的距离徙动校正后的数据F1和F2在频域中的高频部分进行补零处理，补零数目为Y/2 ;补零后的数据乘以二倍，得到方位向高频补零后数据G1和G2 ；步骤六对补零后数据进行移位相加；将步骤五中得到的数据G2进行移位，然后与G1进行叠加；得到移位相加后数据H ;步骤七方位向压缩，得到最终图像；对步骤六中得到的移位相加后数据H进行方位向压缩，得到最终图像I。本发明具有的优点在于(I)本发明提出一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法，具有雷达信号波形容易产生的特点。由于采用属于相位编码信号的完全互补序列，相对于传统体制SAR所使用的线性调频信号，更易用数字器件产生。(2)本发明提出一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法，具有脉冲压缩处理容易实现的特点。由于采用属于相位编码信号的完全互补序列，相对于传统体制SAR所使用的线性调频信号，更易用数字器件完成脉冲压缩处理。(3)本发明提出一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法，具有距离向超低旁瓣的特点。由于采用完全互补序列，通过脉冲压缩处理，无须加权，即可以使最终的雷达图像在距离向实现超低旁瓣。(4)本发明提出一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法，具有距离向分辨率高的特点。由于距离向无须进行加权，使得距离向分辨率不会因加权而变差， 最终的雷达图像在距尚向实现闻分辨率。(5)本发明提出一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法，具有图像质量高的特点。由于采用完全互补序列后，雷达图像距离向旁瓣很低，旁瓣干扰很小， 因此，图像质量较高，更易判读。
图I是本发明提出的一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法流程图；图2是本发明实施例中的单点目标成像结果；图3是基于线性调频信号的单点目标成像结果；图4是本发明实施例中的单点目标成像距离向剖面图；图5是基于线性调频信号的单点目标成像距离向剖面图；图6是本发明实施例中的单点目标成像方位向剖面图；图7是基于线性调频信号的单点目标成像方位向剖面图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明提出一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法，处理的对象是以完全互补序列信号波形作为雷达发射信号的回波数据，得到的结果是一幅高分辨率、超低距离向旁瓣图像。完全互补序列由一对互补序列构成。定义长度为L的完全互补序列对{A，B}为
权利要求
1.一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法，其特征在于，具体步骤包括步骤一将基于完全互补序列信号波形的回波数据C分成单独以序列A和序列B作为雷达发射信号得到的回波数据C1和C2 ；C1和C2为二维复数组，大小为(X/2) XY ；步骤二 基于匹配滤波的距离脉冲压缩处理；利用完全互补序列的两个互补码序列信号作为参考信号，分别对序列A和序列B的回波数据C1和C2进行距离向匹配滤波，完成距离压缩过程，获得压缩后的两个信号分别为D1 和D2 ；步骤三方位向傅里叶变换；将步骤二得到的距离压缩后的数据D1和D2沿每个距离门进行快速傅里叶变换，得到方位向频谱数据Dn和D2_fft ；然后将方位向频谱数据D1,和D2_fft的前X/4行数据和后X/4行数据进行交换，得到方位频谱数据E1和E2 ；步骤四距离徙动校正；对于步骤三得到的方位频谱数据E1和E2，利用sine插值法进行精确校正距离徙动，分别得到进行距离徙动校正后的数据F1和F2 ；步骤五方位向数据高频补零；将步骤四得到的距离徙动校正后的数据F1和F2在频域中的高频部分进行补零处理，补零数目为Y/2 ;补零后的数据乘以二倍，得到方位向高频补零后数据G1和G2 ；步骤六对补零后数据进行移位相加；将步骤五中得到的数据G2进行移位，然后与G1进行叠加；得到移位相加后数据H ； 步骤七方位向压缩，得到最终图像；对步骤六中得到的移位相加后数据H进行方位向压缩，得到最终图像I。
2.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法， 其特征在于，所述的步骤一中，C1和C2为C1 (m, η) = C(2m-1, η)，m = 1，2，…，X/2 ;η = 1，2，…，Y(3)C2 (m, η) = C(2m, η)，m = 1，2，…，X/2 ;n = 1，2，…，Y(4)其中，C1On, n)表示二维数组C1的第m行的第η个元素，C2 (m，η)表示二维数组C2的第 m行的第η个元素，C(2m-l，n)表示二维数组C的第2m_l行的第η个元素，C (2m，η)表示二维数组C的第2m行的第η个元素；根据式(3)和(4)，得到回波数据C1和C2。
3.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法， 其特征在于，所述的步骤二具体包括(I)对步骤一分离出的两部分序列A和序列B的回波数据C1和C2沿距离向做快速傅里叶变换，即对C1和C2的每个方位时刻的距离向数据做一维快速傅里叶变换，将其变换到距离向频域，得到序列A和序列B的回波数据的距离向频域数据CVfft和C2_FFT ；C1-FFT(m, ) = FFT(C1 (m, )),m = 1,2,…，X/2(5)C2-FFT(m，) = FFT(C1 (m, )),m = 1,2,…，X/2(6)其中，C卜FFT (m,)表不C卜FFT的第m行,C2_FFT (m,)表不C2_FFT的第m行，C1 (m,)表不C1的第m行，C2 (m,)表示C2的第m行；FFT ( ·)表示对一维数组进行快速傅里叶变换；(2)分别以完全互补序列的两个互补码序列的基带信号sA⑴和sB(t)作为参考信号； 对参考信号sA⑴和sB (t)进行采样，采样点数均为Iltl Oitl = tp · fs)，n0小于回波距离向采样点数Y ;采样后的离散时间信号分别为sA (η)和sB (η) (η = 1,2,…，Iitl);在离散的参考信号8>)和8>)后面补零，补零数目为Y-rv使得参考信号sA (n) sB (η)的采样点数也均为Y ;将补零后的参考信号做快速傅里叶变换，傅里叶变换点数为Y，将其变换到频域，得到参考信号频谱sA_FFT和sB_FFT ;sA_FFT和sB_FFT长度均为Y ；(3)将两部分回波数据的距离向频域数据C^fft和C2_FFT按行与对应参考信号频谱sA_FFT 和sB_FFT共轭相乘，即序列A的回波数据C1的距离向频域数据C1,按行与参考信号Sk⑴频谱sA-FFT共轭相乘，序列B的回波数据C2的距离向频域数据C2_FFT按行与参考信号sB (t)频谱sB_FFT共轭相乘；分别将得到的结果按每个方位向时刻进行快速傅里叶逆变换，分别得到距离压缩后的数据D1和D2,完成距离压缩过程；D1 (m,:) = IFFT(C^fft (m,:)·s*A_FFT), m = \,2,…,X12(7)D2 (m,:) = IFFT{C2_FFT (m,:)·s*B_FFT), m = \,2,---,X/2(8)其中，D1On, :)、D2(m，)> C1^fft (m, :)、C2-FFT (m，)分别表示距离压缩后的数据D1、距离压缩后的数据D2、距离向频域数据C1,、距离向频域数据C2_FFT的第m行，·表示矢量点乘； IFFT ( ·)表示对一维数组进行快速傅里叶逆变换，*表示共轭。
4.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法， 其特征在于，所述的步骤三中方位向频谱数据Dhft和D2_fft分别为D1^fft ( ,n) = FFT (D1 ( , η)), η = I, 2, ...，Υ(9)D1^fft ( ,η) = FFT (D1 ( , η)), η = I, 2, ...，Υ(10)其中，D卜FFT( ，η)表不Dhft的第η列，D1 ( : , η)表不D1的第η列，D2_FFT( ，n)表不 D2_FFT的第η列，D2(:，n)表示D2的第η列；FFT(·)表示对一维数组进行快速傅里叶变换；方位频谱数据E1和E2分别为,、Idi-FFT (m + x/4,n), m = \,2---,X/4; η = \,2···,Υ El(Tn^n) = I(11){m-X14, ), w = Χ/4 + 1,Χ/4 + 2,···,Χ/2; w = 1,2···,；Γ,、\D2_FFT(m + X/4,η), ηι = \2···^Χ/4; = 1,2···,7 E2(m,n) = \(12)[D2_fft {m-X14, ), = Χ/4 + 1,Χ/4 + 2,···,Χ/2; = 1,2···,7其中,E1 (m, η)和E2 (m, η)分别表示E1和E2的第m行的第η个元素,(m+X/4, η)表示D·的第(m+X/4)行的第η个元素，DuJm-X/ln)表示D1,的第(m-X/4)行的第η个元素，D2_FFT (m+X/4, η)表示 D2_FFT 的第(m+X/4)行的第 η 个元素，D2_FFT (m_X/4, n)表示 D2_FFT 的第(m-X/4)行的第n个元素。
5.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法， 其特征在于，所述的步骤四具体包括(I)获取方位频谱数据的每行对应的方位频率；设雷达的脉冲重复频率为fD，方位频谱数据的第m行对应的方位频率为(2)根据参考斜距计算各距离门对应的斜距；设参考斜距为Ro，距离向采样率为fs，脉冲宽度为tp,光速为C,第η个距离门对应的斜距为R(n)为
6.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法， 其特征在于，所述的步骤五中G1和G2具体为G1和G2均为二维复数组，大小为XXY :
7.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法， 其特征在于，所述的步骤六具体包括(1)构造移位因子矢量P;移位因子矢量P为一个一维数组，数组长度为方位向采样点数X ;按下式获取P的每个分量
8.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法， 其特征在于，所述的步骤七具体包括(1)获取移位相加后数据H的每行对应的方位频率；设雷达的脉冲重复频率为fp，H的第m行对应的方位频率为fim)，则
全文摘要
本发明公开了一种基于完全互补序列的超低旁瓣合成孔径雷达成像方法，包括以下几个步骤步骤一将基于完全互补序列信号波形的回波数据分成单独以两个互补序列作为雷达发射信号得到的回波数据；步骤二基于匹配滤波的距离脉冲压缩处理；步骤三方位向傅里叶变换；步骤四距离徙动校正；步骤五方位向数据高频补零；步骤六对补零后数据进行移位相加；步骤七方位向压缩，得到最终图像。本发明具有雷达信号波形容易产生、脉冲压缩处理容易实现、距离向超低旁瓣、距离向分辨率高、图像质量高的特点。
文档编号G01S13/90GK102608602SQ20121006565
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者朱燕青, 李卓, 李春升, 杨威, 王鹏波, 陈杰 申请人:北京航空航天大学