一种雷达的成像方法与流程

本发明涉及雷达的成像领域，尤其涉及一种雷达的成像方法。
背景技术：
：合成孔径雷达具有全天时、全天候、远距离、高分辨成像的特点，自问世以来，在民用、军事领域有着广泛应用，按搭载的载体不同可分为机载合成孔径雷达、星载合成孔径雷达以及地基合成孔径雷达等。近年来我国山体滑坡、塌方等自然灾害频繁发生，地基合成孔径雷达的研究需求相当迫切，其相对于传统的监测预警方式而言，有如下特点：监测范围广，最大可达数平方公里；形变测量精确度高，利用相位差分干涉原理测量，精度可达亚毫米级；全天时全天候，由于电磁波的穿透性，不受天气和昼夜的影响。通常合成孔径雷达系统中，由于系统脉冲重复频率是有限的以及平台的高速运动，大斜视角会导致多普勒模糊。当雷达的慢速运动，例如速度为0.03m/s，多普勒频率中心没有超过prf，则不必考虑多普勒模糊问题。另一方面，更大的成像范围一直是人们追求的目标，但是，地基合成孔径雷达的方位合成孔径很短(仅有数米长)，照射场景却要求达数平方千米，为了满足此条件，就需要地基合成孔径雷达工作在大斜视角扫描的模式下，即斜视角小于80或大于100度扫描的模式下。对于地基合成孔径雷达来说，当斜视角较大时，会带来误差大、距离徙动较大、距离方位耦合严重以及处理速度慢等问题，因此需要一种能适应大视场大斜视的信号模型特点和需求的雷达的成像方法。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种雷达的成像方法，该方法能适应大视场大斜视的信号模型特点和需求，以解决目前地基合成孔径雷达当斜视角较大时，误差大、距离徙动较大、距离方位耦合严重以及处理速度慢等问题。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种雷达的成像方法，包括步骤：s1、分别以θ1，θ2，…，θm为斜视角进行m次扫描，并通过数据预处理，得到m个变换到频域的回波信号；s2、对频域中的每个所述回波信号进行方位向傅里叶变换以及相位波数域建模，得到波数域信号；s3、对每个所述波数域信号依次进行距离波数一阶量的补偿和斜视相位的补偿，并根据所述斜视角计算多普勒中心，进而得到与斜视角无关的波数域信号；s4、对多个所述波数域信号同时执行stolt插值，然后进行相干积累，得到信号矩阵；s5、对所述信号矩阵进行傅里叶逆变换以获得雷达的聚焦图像。具体地，所述步骤s1包括：s101、分别以θ1，θ2，…，θm为斜视角进行m次扫描，得到m个时域中的回波信号：其中，公式(1)中t是雷达运动时间，ta为雷达方位向采样时间，τ为距离时间，tp为发射信号的脉冲宽度，f0为载波频率，kr为距离向调频率，c是光速，τp为距离向时延，包含斜视角θ，θ＝θ1，θ2，…，θm；s102、根据基带参考信号，利用去调频接收技术对公式(1)中所述回波信号进行处理，得到去调频后的回波信号：其中，公式(2)中kr是距离波数，τc＝2rc/c为参考信号的时延，τδ是距离向时延和参考信号时延的差，τd＝τ-τc和τδ＝τp-τc.*表示复共轭；s103、利用去扭曲技术，消除公式(2)所述回波信号中残留视频相位误差，得到去扭曲后的回波信号：s104、将公式(3)所述回波信号进行时频转换，得到频域中的回波信号：其中，公式(4)中fr是距离频率，br是发射信号的带宽。进一步地，所述步骤s101包括步骤：s1011、以雷达的直线轨道为x轴，直线轨道的中心作为原点o，雷达在原点正交扫描的视线方向为y轴建立直角坐标系xoy，雷达视线方向与x轴正方向之间的夹角为斜视角θ，雷达以运动速度v沿x轴运动，运动时间为t，雷达坐标为(vt，0)；s1012、雷达分别以θ1，θ2，…，θm为斜视角θ进行m次扫描，并根据原点到场景中心的斜距rc，计算得到场景中心坐标(rccosθ，rcsinθ)；s1013、根据目标点与场景中心的横坐标差x0和目标点与场景中心的纵坐标差y0计算得到目标点坐标(x，y)＝(rccosθ+x0，rcsinθ+y0)；s1014、根据目标点坐标(x，y)以及雷达坐标(vt，0)，得到雷达与目标点的斜距为：根据公式(101)进而得到距离向时延其中公式(102)中c是光速；s1015、定义发射信号为其中，公式(103)中τ为距离时间，tp为发射信号的脉冲宽度，f0为载波频率，kr为距离向调频率；s1016、根据公式(103)得到m个时域中的回波信号：其中，公式(1)中ta为雷达方位向采样时间，θ＝θ1，θ2，…，θm。优选地，所述步骤s102包括：s1021、被τc延迟的基带参考信号为sref＝exp{j[2πf0(τ-τc)+πkr(τ-τc)2]}(201)其中，公式(201)中τc＝2rc/c为参考信号的时延；s1022、根据公式(201)中的基带参考信号，利用去调频接收技术对公式(1)中所述回波信号进行处理，得到去调频信号：其中，公式(2)中kr是距离波数，，τc＝2rc/c为参考信号的时延，τδ是距离向时延和参考信号时延的差，τd＝τ-τc和τδ＝τp-τc.*表示复共轭。具体地，所述步骤s2包括：s201、对公式(4)中所述回波信号进行方位向傅里叶变换，并且根据驻定相位原理，得到波数域中的相位：φ＝-2πkθrc+2πkrrc+2πkax0-2πkry0cosφ(5)其中，公式(5)中方位波数fa为方位频率；s202、将雷达视线附近的球面波局部近似为平面波，平面波传播方向的波长为λ，其斜视方向的投影波长表示为λθ：s203、由公式(6)得到斜视方向上的投影波数为：kθ＝1/λθ(7)s204、由公式(5)(6)(7)，得到新的波数域中的相位：φ＝-2πkrrcsin(θ-φ)+2πkrrc+2πkax0-2πkry0cosφ(8)建立二维波数域模型，波数域信号完全表达式为：ss(ka，kr；θ)＝w(ka，kr)·ej·φ(9)其中w(ka，kr)为方位波数ka的一阶量：优选地，所述步骤s3包括：s301、rc已知，对公式(9)波数域信号依次进行距离波数kr一阶量的补偿，得到：ss1(ka，kr；θ)＝ss(ka，kr；θ)·exp{-j·2πkrrc}＝w(ka，kr)·exp{-j·2πkrrcsin(θ-φ)}·exp{j·[2πkax0-2πkry0cosφ]}(10)s302、对公式(10)中的波数域信号的第一个相位项进行斜视相位的补偿，得到波数域中斜视相位补偿后的波数域信号：ss2(ka，kr；θ)＝ss1(ka，kr；θ)·exp{j·2πkrrcsin(θ-φ)}＝w(ka，kr)·exp{j·[2πkax0-2πkry0cosφ]}(11)s304、根据所述斜视角θ计算得到多普勒中心：kac＝-2/λ·cosθ(12)s305、由公式(11)参考公式(12)得到与斜视角无关的波数域信号：进一步地，所述步骤s302中，对公式(10)中波数域信号的第一个相位项进行的斜视相位补偿是逐点进行的。优选地，所述步骤s4包括：s401、对公式(13)的波数域信号执行的stolt插值，得到：s402、对公式(14)中不同斜视角θ对应的波数域信号相干积累，得到信号矩阵：具体地，所述步骤s401中，对不同斜视角θ对应的波数域信号分别执行stolt插值，或者对多个斜视角θ对应的波数域信号同时执行stolt插值。优选地，步骤s5中，对公式(15)所述信号矩阵进行傅里叶逆变换以获得聚焦图像：其中，f-1表示逆傅立叶变换，wx(·)和wy(·)分别表示在方位向和距离向的包络函数。与现有技术相比，本发明提供的一种雷达的成像方法，具有以下有益效果：本发明提供的一种雷达的快速成像方法，分别以θ1，θ2，…，θm为斜视角进行m次扫描，并通过数据预处理，得到m个变换到频域的回波信号，在回波信号采集、处理过程中，本发明使用调频连续波模式，雷达可以在移动时接收数据，提高数据采集效率，可以在1分钟内完成一次扫描；接下来对频域中的每个回波信号进行方位向傅里叶变换以及相位波数域建模，得到波数域信号，对每个波数域信号依次进行距离波数一阶量的补偿和斜视相位的补偿，并根据斜视角计算多普勒中心，进而得到与斜视角无关的波数域信号，因而，本发明在处理大斜视角对应的信号时误差很小，能够达到视场扩大的技术效果；接下来对多个波数域信号同时执行stolt插值，然后进行相干积累，得到信号矩阵，进而对信号矩阵进行傅里叶逆变换以获得聚焦图像。可见，本发明基于波数域，采用批量处理目标点的方法，大大提升了运算速度，同时解决了目前地基合成孔径雷达当斜视角较大时，误差大、距离徙动较大、距离方位耦合严重以及处理速度慢等问题。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明实施例中雷达的成像方法的过程示意图；图2为本发明实施例中雷达观测区域示意图；图3为本发明实施例中雷达扫描过程示意图；图4为本发明实施例中具有斜视角的数据采集几何图；图5为本发明实施例中雷达发射信号与回波信号的关系示意图；图6为本发明实施例中斜视平面波几何关系图；图7为本发明实施例中包含多个斜视角的波数几何图；图8a～图8c为本发明实施例中θ＝90°的成像结果及响应分析的示意图；图9a～图9d分别为本发明实施例中斜视角θ＝60°、75°、105°和120°的成像仿真结果的示意图；图10a～图10b为本发明实施例中场景中心的rcmc分析的示意图。具体实施方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。实施例一请参阅图1，本实施例提供的一种雷达的成像方法，主要应用于直线轨道雷达系统，该系统的雷达安装在可任意旋转的平台上，该雷达的成像方法包括步骤：s1、分别以θ1，θ2，…，θm为斜视角进行m次扫描，并通过数据预处理，得到m个变换到频域的回波信号。s2、对频域中的每个回波信号进行方位向傅里叶变换以及相位波数域建模，得到波数域信号。s3、对每个波数域信号依次进行距离波数一阶量的补偿和斜视相位的补偿，并根据斜视角计算多普勒中心，进而得到与斜视角无关的波数域信号。s4、对多个波数域信号同时执行stolt插值，然后进行相干积累，得到信号矩阵。s5、对信号矩阵进行傅里叶逆变换以获得聚焦图像。本发明实施例提供的是一种雷达的成像方法，应用于直线轨道雷达系统，该系统的雷达安装在可任意旋转的平台上，在回波信号采集、处理过程中，本方法使用调频连续波模式，雷达可以在移动时接收数据，提高数据采集效率，可以在1分钟内完成一次扫描。此外，本方法在成像过程中，本发明基于波数域，该成像方法相比于后向投影算法，采用批量处理目标点的方法，而不是逐点计算，大大提升了运算速度，并且通过多个斜视角对应的波数域信号的相干累加解决了大视场成像的问题，相比于传统距离多普勒算法、频率变标算法等，本发明提供的成像方法在处理大斜视角采集的信号时误差很小，能够避免距离徙动较大、距离方位耦合严重的问题，达到视场扩大的技术效果，有效解决了目前地基合成孔径雷达当斜视角较大时，误差大、距离徙动较大、距离方位耦合严重以及处理速度慢等问题。本发明实施例提供的一种雷达的成像方法中，步骤s1包括：s101、分别以θ1，θ2，…，θm为斜视角进行m次扫描，得到m个时域中的回波信号：其中，t是雷达运动时间，ta为雷达方位向采样时间，τ为距离时间，tp为发射信号的脉冲宽度，f0为载波频率，kr为距离向调频率，c是光速，τp为距离向时延，包含斜视角θ，θ＝θ1，θ2，…，θm。请参阅图2、图3或图4，采集时域中的回波信号具体采用以下方法：s1011、以雷达的直线轨道为x轴，直线轨道的中心作为原点o，雷达在原点正交扫描的视线方向为y轴建立直角坐标系xoy，雷达视线方向与x轴正方向之间的夹角为斜视角θ，雷达以运动速度v沿x轴运动，运动时间为t，雷达坐标为(vt，0)。s1012、雷达分别以θ1，θ2，…，θm为斜视角θ进行m次扫描，根据原点o到场景中心的斜距rc，并将θ＝θ1kθm依次带入，计算得到场景中心坐标(rccosθ，rcsinθ)。s1013、根据目标点与场景中心的横坐标差x0和目标点与场景中心的纵坐标差y0，计算得到目标点坐标(x，y)＝(rccosθ+x0，rcsinθ+y0)。s1014、根据目标点坐标(x，y)以及雷达坐标(vt，0)，得到雷达与目标点的斜距为。根据公式(101)进而得到距离向时延其中式(102)的c是光速，可见τp包含斜视角θ。s1015、定义发射信号为其中式(103)的τ为距离时间，tp为发射信号的脉冲宽度，f0为载波频率，kr为距离向调频率。s1016、根据公式(103)和公式(102)得到m个时域中的回波信号：其中，式(1)的ta为雷达方位向采样时间，斜视角θ＝θ1，θ2，…，θm。如图2、图3所示，在采集时域中的回波信号时，方位向波束角度为β，由于采用多个斜视角θ1，θ2…θm进行采集，雷达视野显著扩大，并且相邻的斜视角之间的差通常小于系统方位角波束角β，因此每个斜视数据的边界之间没有盲区。s102、根据基带参考信号，利用去调频接收技术对公式(1)中回波信号进行处理，得到去调频后的回波信号：其中，式(2)的kr是距离波数，τc＝2rc/c为参考信号的时延，τδ是距离向时延和参考信号时延的差，τd＝τ-τc和τδ＝τp-τc.*表示复共轭。请参阅图5，得到去调频回波信号具体包括步骤：s1021、以散射系数为单位，发射信号和回波信号之间的关系以如图5所示的时间-频率方式显示，横轴t为方位向采样时间，纵轴fτ为信号的频率，tp为发射信号的脉冲宽度。由于调频连续波雷达系统的特点，需要重点监测的场景的回波信号通常具有高频，为了将回波信号的频谱解调到基带，首先确定被τc延迟的基带参考信号为sref＝exp{j[2πf0(τ-τc)+πkr(τ-τc)2]}(201)其中，式(201)的τc＝2rc/c为参考信号的时延；s1022、根据公式(201)中的基带参考信号，利用去调频接收技术对公式(1)中回波信号进行处理，得到去调频信号：其中，式(2)的kr是距离波数，，τc＝2rc/c为参考信号的时延，τδ是距离向时延和参考信号时延的差，τd＝τ-τc和τδ＝τp-τc.*表示复共轭。在实际系统中，去调频信号由a/d转换器作为数字信号采集，为了方便进行之后的步骤，使用连续信号的形式。混频器中通过混合接收信号和发射信号得到回波信号，使用“去调频接收”技术来降低采样要求，然后在采样之前对混频器输出进行低通滤波。s103、利用去扭曲技术，消除公式(2)回波信号中残留视频相位误差，即最后一个指数项，该方法包括傅里叶变换(ft)、相位乘法和逆傅里叶变换。残留视频相位误差项去除后，得到去扭曲后的回波信号：s104、将公式(3)回波信号通过fr＝krτd进行时频转换，得到频域中的回波信号：其中，式(4)的fr是距离频率，br是发射信号的带宽。本发明实施例提供的一种雷达的成像方法中，步骤s2包括：s201、将公式(4)中回波信号沿方位向进行傅里叶变换，并且根据驻定相位原理，得到波数域中的相位：φ＝-2πkθrc+2πkrrc+2πkax0-2πkry0cosφ(5)其中，kr是距离波数，方位波数，fa为方位频率；s202、请参阅图6，将雷达视线附近的球面波局部近似为平面波，这种近似在雷达视线附近的局部区域是合理的。平面波传播方向的波长为λ，满足λx＝1/ka其斜视方向的投影波长表示为λθ：其中式(6)的θ是斜视角，θ＝θ1，θ2，…，θm。s203、斜视方向上的投影波数kθ决定了(9)中第一项的相位，由公式(6)得到斜视方向上的投影波数为：kθ＝1/λθ(7)值得注意的是，公式(7)是包含距离频率和方位频率的耦合项以及斜视调制项的斜视方向上的波数，对于不理想的孔径数据，回波需要补零以满足场景的方位大小。s204、由公式(5)(6)(7)，得到新的波数域中的相位：φ＝-2πkrrcsin(θ-φ)+2πkrrc+2πkax0-2πkry0cosφ(8)建立二维波数域模型，波数域信号完全表达式为：ss(ka，kr；θ)＝w(ka，kr)·ej·φ(9)其中w(ka，kr)为方位波数ka的一阶量：本发明提供的一种雷达的成像方法基于波数域，来提高运算速度，步骤s3实现了相位波数域的建模，为后续处理做好准备。本发明实施例提供的一种雷达的成像方法中，步骤s3包括：s301、请参阅图7，rc已知，对公式(9)波数域信号依次进行距离波数kr一阶量的补偿，得到：ss1(ka，kr；θ)＝ss(ka，kr；θ)·exp{-j·2πkrrc}＝w(ka，kr)·exp{-j·2πkrrcsin(θ-φ)}·exp{j·[2πkax0-2πkry0cosφ]}(10)s302、对公式(10)中的波数域信号的第一个相位项进行斜视相位的补偿，得到波数域中斜视相位补偿后的波数域信号：ss2(ka，kr；θ)＝ss1(ka，kr；θ)·exp{j·2πkrrcsin(θ-φ)}＝w(ka，kr)·exp{j·[2πkax0-2πkry0cosφ]}(11)补偿后，消除了斜视调制，值得注意的是：(a)φ随着ka和kr变化，所以对公式(10)中波数域信号的第一个相位项进行的斜视相位补偿是逐点进行的。(b)ss2(ka，kr；θ)说明了斜视角θ的情况，可根据斜视角度补偿每个角度对应的波数域信号。s304、由于斜视引起多普勒中心频率偏移，根据斜视角θ计算得到多普勒中心：kac＝-2/λ·cosθ(12)s305、方程(10)中的第一个相位项是方位波数ka的一阶，它确定图像中目标的方位位置，并且不影响聚焦，第二个相位项是波数ka和波数kr在传播方向上的耦合项。因此，可由公式(11)参考公式(12)得到与斜视角无关的波数域信号：公式(13)中的信号与斜视角θ无关，但是由于斜视角θ具有多个角度数据，即θ＝θ1，θ2，…，θm，因此我们仍然将其保留在左侧变量中，相比于传统距离多普勒算法、频率变标算法等，该算法在处理大斜视角信号时误差很小，能够达到视场扩大的技术效果。本发明实施例提供的一种雷达的成像方法中，步骤s4包括：s401、对公式(13)的波数域信号执行的stolt插值，得到：对不同斜视角θ对应的波数域信号分别执行stolt插值，或者对多个斜视角θ对应的波数域信号同时执行stolt插值，相比于后向投影算法，采用批量处理目标点的方法，而不是逐点计算，大大提升了运算速度。s402、对公式(14)中不同斜视角θ对应的波数域信号相干积累，得到信号矩阵：本发明实施例提供的一种雷达的成像方法中，步骤s5中，对公式(15)信号矩阵进行傅里叶逆变换以获得聚焦图像：其中，f-1表示逆傅立叶变换，wx(·)和wy(·)分别表示在方位向和距离向的包络函数，它们是由系统模糊函数决定的。本发明提供的一种雷达的而成像方法，基于波数域，采用批量处理目标点的方法，大大提升了运算速度，同时解决了目前地基合成孔径雷达当斜视角较大时，误差大、距离徙动较大、距离方位耦合严重以及处理速度慢等问题。表1系统参数载频17.5ghz轨道长度2m雷达速度0.03m/s方位波束角度18°传输带宽500mhz采样频率50mhz方位分辨率0.90m距离分辨率0.30m请继续参阅图8a～图8c，按照表1的系统参数对雷达系统进行设置，首先，通过仿真实验验证了本发明实施例提供的雷达的成像方法的性能，我们在场景中设置等距的3×3网格，场景中心距离为200m，θ＝90°的成像结果在图8a中给出，相应的响应分析在图8b和8c中给出，测得的方位和距离分辨率分别为0.90米和0.30米。从方位和距离响应可以看出，通过本发明的方法，聚焦效果良好。然后，为了验证斜视成像效果，分别模拟了斜视角θ＝60°、75°、105°和120°的成像情况，相应的成像结果分别对应图9a～图9d，通过本发明的方法，聚焦成像效果良好。接下来，根据不同的斜视角度对场景中心点进行rcmc分析。请参阅图10a，图10a展示了rcmc的线性分量，可以看出，随着斜视角度的增加，rcmc增加更明显。在不理想孔径时间内，线性分量可以超过距离分辨率。请继续参阅图10b，图10b展示了rcmc的二次分量，可以看出，随着斜视角的增大，该项减小。在大多数斜视情况下，二次分量基本上小于距离分辨率，然而，当接近侧视时，必须考虑二次分量进行补偿。由于本发明的雷达的成像方法对斜距不作任何近似，可以完全补偿任意斜视角下的线性分量和二次分量，达到优秀的成像效果。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。当前第1页12