本发明涉及一种合成孔径雷达(syntheticapertureradar,sar)成像处理方法,具体涉及基于lfm-pc复合调制信号和极坐标格式算法的sar成像方法,属于雷达成像技术领域。
背景技术:
sar通过成像的方式来获得目标的信息,是对地观测和空间侦察的重要手段。自20世纪50年代首次被提出以来,取得了飞速发展,在军用和民用领域都发挥着重大作用。在民用方面,sar可以用于地表测绘、海洋监测和灾情观测等;在军用方面,sar可用于战场侦察和目标识别等。
线性调频(linearformatmodulation,lfm)信号、非线性调频(non-linearformatmodulation,nlfm)信号、相位编码信号和混沌类信号是几种常用的雷达信号。目前,sar常用lfm信号作为雷达发射信号,但是lfm信号的自相关性能差,信号形式简单,抗干扰性能差。与lfm信号相比,nlfm信号没有信噪比的损失,自相关函数具有较低的旁瓣,但是精确的nlfm信号难以设计、生成和处理,且nlfm信号对多普勒敏感,因此并不常用。相位编码信号和混沌类信号正交性能好,具有良好的抗干扰性能,但是这两种信号都是多普勒敏感信号,只能用于目标多普勒变化范围较窄的场合。
随着sar成像技术的发展,出现了很多成像模式,如:条带模式、聚束模式、扫描模式、滑动聚束模式等。对于聚束sar,极坐标格式算法(polarformatalgorithm,pfa)是一种比较合适的算法。pfa适用于高分辨率、小场景成像,通过两维重采样和两维傅里叶变换实现。由于处理过程较为简单,因此被广泛应用。传统的基于lfm信号和极坐标格式算法的sar成像方法可以取得很好的成像效果,但抗干扰性能差。相位编码信号的采样与一个脉冲内光滑的lfm信号的采样不同,因此不能利用pfa成像。
技术实现要素:
本发明所要解决的技术问题是:提供基于lfm-pc复合调制信号和极坐标格式算法的sar成像方法,能在小斜视角下,依然取得良好的成像效果,且抗干扰性能好。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
基于lfm-pc复合调制信号和极坐标格式算法的sar成像方法,包括如下步骤:
步骤1,利用相位编码信号调制lfm信号,得到lfm-pc复合调制信号,将lfm-pc复合调制信号作为雷达发射信号发射出去;
步骤2,对雷达回波数据进行距离向傅里叶变换,得到包含距离频域和方位时域的二维数据;
步骤3,将二维数据乘以参考函数,实现距离压缩和场景中心相位矫正;
步骤4,对步骤3得到的数据,通过尺度变换进行距离向插值处理,得到变换后的距离频率变量;
步骤5,通过重采样,均匀化雷达天线相位中心瞬时方位角的正切,得到方位时间变量;
步骤6,通过尺度变换进行方位向插值处理,得到变换后的方位时间变量;
步骤7,对经过距离向和方位向插值处理后的数据做二维傅里叶变换,实现对点目标的成像。
作为本发明的一种优选方案,步骤3所述参考函数的表达式为:
其中,h1表示参考函数,fτ为距离向频率,ulfm-pc(fτ)为lfm-pc信号的频谱,*为共轭运算,j为虚数单位,c为光速,fc为雷达中心频率,ra为雷达天线相位中心与场景中心之间的瞬时距离。
作为本发明的一种优选方案,步骤4所述距离向插值的公式为:
fτ=fc(δr-1)+δrfτ',
其中,fτ为距离向频率,fc为雷达中心频率,
作为本发明的一种优选方案,所述步骤5的公式为:
tanθ=ωtacosθs,
其中,θ为雷达天线相位中心瞬时方位角,ω=v/ya,v为雷达平台飞行速度,ya为点目标的纵坐标,ta为方位时间变量,θs为斜视角。
作为本发明的一种优选方案,步骤6所述方位向插值处理的公式为:
其中,fτ为距离向频率,fc为雷达中心频率,ta为方位时间变量,t'a为变换后的方位时间变量。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1、本发明利用相位编码信号调制lfm信号得到了一种新的复合调制信号——lfm-pc信号,利用lfm-pc信号的正交性进行抗干扰,克服了lfm信号抗干扰性能差的问题。
2、本发明提出的lfm-pc信号的相位调制函数连续,因此基于lfm-pc复合调制信号和极坐标格式算法的sar成像方法可行。lfm-pc信号的多普勒容忍性与相位编码信号相比有很大改善。
附图说明
图1是聚束sar成像几何模型图。
图2是本发明基于lfm-pc复合调制信号和极坐标格式算法的sar成像方法的流程图。
图3是点目标仿真结果,其中,(a)、(b)、(c)分别对应斜视角为0°、5°、10°。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
本发明利用相位编码信号调制lfm信号得到一种新的复合调制信号——lfm-pc信号,将lfm-pc信号作为雷达发射信号,利用pfa进行成像处理。由于lfm-pc信号的相位调制函数连续,因此基于lfm-pc信号和极坐标格式算法的sar成像方法可行。同时,lfm-pc信号的多普勒容限与相位编码信号相比有很大改善,因此小斜视角下,依然可以取得良好的成像效果。
本发明所有步骤、结论都用仿真数据在matlab和idl上验证正确,实施例利用sar仿真数据对本发明方法进行验证和分析,仿真数据设置如下:载频为5.3ghz,lfm信号的带宽为20mhz,信号时宽为40μs,脉冲重复频率prf为1700hz,飞行平台速度为7100m/s,场景中心斜距为850km,飞行平台高度为800km,相位编码信号的码长取p=160。斜视角分别取0°、5°、10°进行仿真。
参考上述参数,lfm-pc复合调制信号包含如下性质:
性质1:lfm-pc信号的时域表达式如(1)所示:
其中,t为时间,tr=40μs为信号时宽,p=160为相位编码信号码长,
性质2:lfm-pc信号的频域表达式如(2)所示:
其中,
b≈bp+bl(3)
其中,b≈24mhz为lfm-pc信号的带宽,bp=4mhz为相位编码信号的带宽,bl=20mhz为lfm信号的带宽。
性质3:lfm-pc信号的模糊函数表达式如(4)所示:
其中,τ为延迟时间,ξ为多普勒频率,{sk}和{sl}分别对应两个相位编码序列,
性质4:lfm-pc信号的多普勒范围表达式如(5)所示:
性质5:选取一组正交的相位编码信号调制lfm信号,可以得到正交的lfm-pc信号。
如图1所示,为聚束sar成像几何模型,其中,飞行平台速度为v,高度为h,场景中心o定义为坐标原点,雷达天线相位中心(antennaphasecenter,apc)的瞬时坐标为(xa,ya,h),点目标q的坐标为(xt,yt,0)。θ和
如图2所示,基于lfm-pc复合调制信号和极坐标格式算法的sar成像方法包括如下步骤:
步骤1,将lfm-pc复合调制信号作为雷达发射信号;
步骤2,对回波数据进行距离向傅里叶变换,得到距离频域、方位时域数据;
步骤3,乘以参考函数以实现距离压缩和场景中心相位矫正。参考函数的表达式如(6)所示:
其中,fτ为距离向频率,ulfm-pc(fτ)为lfm-pc信号的频谱,*为共轭运算,c=3×108m/s为光速,fc=5.3ghz为雷达中心频率,ra为雷达天线相位中心与场景中心之间的瞬时距离。
步骤4,通过二维插值将数据由极坐标格式转换为矩形格式,其中距离向插值通过尺度变换实现:
fτ=fc(δr-1)+δrfτ'(7)
其中,
步骤5,通过重采样使得tanθ均匀化:
tanθ=ωtacosθs(8)
其中,ω=v/ya,v=7100m/s为雷达平台飞行速度,ya为点目标的纵坐标,ta为方位时间变量,θs=0°,5°,10°为斜视角。
步骤6,通过尺度变换实现方位向插值处理:
其中,t'a为变换后的方位时间变量。
步骤7,对插值后的信号做二维傅里叶变换实现对点目标的成像。
如图3所示,为利用本发明方法得到的点目标仿真结果,其中,(a)、(b)、(c)分别对应斜视角为0°、5°、10°。横轴rangeprofile表示距离像,纵轴azimuthprofile表示方位像。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。