多通道多子带滑动聚束模式sar成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达信号处理领域，设及步进频合成孔径雷达系统中的频带合成技 术，特别设及多通道多子带滑动聚束SAR成像，可用于机载或星载平台SAR多通道多子带成 像处理。
【背景技术】
[0002] 合成孔径雷达在对地观测方面的应用越来越广泛，为了缩短对于地面的再访时 间，要求观测带的宽度要大。高分辨也是对地进行精确观测的要求，为了获得距离高分辨率 的SAR图像，在距离向通过发射大带宽的信号，并对回波进行匹配滤波而获得高分辨距离 像。实现大带宽信号的一种比较经济的方式是通过发射步进频率SF的波形信号，利用步进 信号的频带合成技术，得到大带宽信号。该样可W降低对雷达接收机带宽的要求，同时降低 AD采样频率，便于系统实现。步进信号的频带合成技术在SAR上面都得到了广泛应用。
[0003] 传统的SAR工作模式如滑动聚束是通过波束控制，其波束指向随慢时间发生变 化，从而提高方位分辨率。但是，波束方位变化导致其方位信号带宽急剧增大，通常比采样 频率PRF要大很多，因此方位信号通常是混叠的。该使得采用常规成像方法，距离多普勒算 法，调频变标算法，距离徙动算法等成像方法不能得到无混叠的图像。一种解混叠的方法就 是在系统设计时要提高采样频率PRF，然而大的采样频率PRF将导致方位数据量极大地增 加，而且也容易带来距离模糊、数据下传受限等问题。
[0004] 为了获得宽测绘带，目前国内外开展多发多收MIMO-SAR技术研究，MIMO-SAR很难 同时达到二维高分辨率。为了同时达到SAR成像结果的高分辨率和宽测绘带两个要求，需 要将滑动聚束模式与MIMO-SAR技术相结合，然而由于天线波束的旋转将导致方位频带的 增加，很难实现方位重建和频带合成，从而不能有效实现高分辨率宽测绘带的SAR成像。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述MIMO-SAR在滑动聚束模式下的方位重建和频带合成 难度大的不足，提出一种多通道多子带滑动聚束模式SAR成像方法，获得高分辨率宽测绘 带的SAR成像结果。
[0006] 实现本发明目的的技术关键是：结合MIMO-SAR系统的多通道和SF波形信号多子 带的优点，通过方位多通道同时发射一组步进频率SF波形信号，参考图1，成像步骤包括如 下：
[0007] (1)对步进频率多通道合成孔径雷达SF-MIMO-SAR的天线进行子孔径划分，并对 子孔径接收的回波依次进行多通道天线等效相位中屯、的误差补偿和距离向脉冲压缩；
[000引 （2)对距离向脉冲压缩后的信号进行多普勒频移操作，将多普勒谱搬移到多普勒 基带；
[0009] (3)对W上得到的多普勒基带进行方位快速傅里叶FFT处理，即将多普勒基带的 第i子孔径信号转化到多普勒频域，并为了减少空域滤波器中的权重系数的计算量，继续 对W上方位FFT处理后的结果按如下补偿函数&,。江。，m)进行补偿：
[0010]
【主权项】
1. 一种多通道多子带滑动聚束模式SAR成像，包括如下步骤： (1) 对步进频率多通道合成孔径雷达SF-MIMO-SAR的天线进行子孔径划分，并对子孔 径接收的回波依次进行多通道天线等效相位中心的误差补偿和距离向脉冲压缩； (2) 对距离向脉冲压缩后的信号进行多普勒频移操作，将多普勒谱搬移到多普勒基 带； (3) 对以上得到的多普勒基带进行方位快速傅里叶FFT处理，即将多普勒基带的第i子 孔径信号转化到多普勒频域，并为了减少空域滤波器中的权重系数的计算量，继续对以上 方位FFT处理后的结果按如下补偿函数H 3，n(fa，m)进行补偿：
式中，X' "是第η和m两个通道的等效位置，υ是雷达运动速度，1是方位多普勒频 率，f。是距离频率，t,为第i子孔径的方位中心时间； (4) 对补偿后的基带信号数据进行多普勒解模糊操作，计算空域滤波的权重系数矩阵
其中：wn(m)是第η个发射通道，第m个接收通道的回 波的权重系数； (5) 利用权重系数A=1与补偿后的基带信号相乘，即进行空域滤波处理，得到多普勒解 模糊后的基带信号多普勒谱S 2，n(t，fd):
式中：RMf是雷达作用的参考距离，w J ·)为距离向的窗函数，wazi( ·)为方位向的窗 函数，fd。是多普勒中心频率，f。是距离频率，t i为第i子孔径的方位中心时间，f d为方位多 普勒频率； (6) 对多普勒解模糊后相邻基带信号进行频带合成，依次在距离频谱上进行小数部分 的频移，并将小数部分的频移后相邻基带信号转换到距离频域，进行相干叠加，完成二维频 谱重建； (7) 对重建后的二维频谱进行成像。
2. 根据权利要求1中所述的多通道多子带滑动聚束模式SAR成像，其中所述步骤（1) 中对子孔径接收的回波进行多通道天线等效相位中心的误差补偿和距离压缩，按如下步骤 进行： (la) 设发射阵列的阵元数和接收阵列的阵元数均为N，根据收发双方的不同位置XjP Xm，计算出两者的等效相位中心位置"= (Xn+Xm)/2; 其中，Xn为第η个发射阵元的位置，η = 1，2,. . .，N ;Xm为第m个接收阵元的位置，m = 1，2，...，N，N是大于零的整数； (lb) 对收发双方的不同位置XjPXm两者的等效相位中心X' _进行相位误差补偿，补 偿函数Hl n(m)是：
式中，m为第m个接收阵元的编号，η为第η个接收阵元的编号，Rn为第η个发射阵元与 地面目标的距离，η = 1，2,. . .，N ;Rm为第m个发射阵元与地面目标的距离，m = 1，2,. . .，Ν， 收发双方两者的等效相位中心与地面目标的距离Rnm, λ是雷达载频的波长； (Ic)对相位误差补偿后等效相位中心进行距离压缩处理，压缩后的目标信号 SiJt, ta, m)公式如下：
其中：
，为第η个发射阵元和第m个接收阵元的等 效相位中心t "与某个场景目标X的斜距，w J·)为距离向的窗函数，wazi(·)为方位向 的窗函数，t为快时间，tjl时间。
3. 根据权利要求1中所述的多通道多子带滑动聚束模式SAR成像，其中步骤（2)所述 的对距离向脉冲压缩后的信号进行多普勒频移操作，按如下步骤进行： (2a)计算子孔径带宽： Bsub^i B ins+krotTsub+fdc (fc+N Δ fc/2, tj) -fdc (fc-N Δ fc/2, tj) 式中，Bins为子孔径瞬时带宽，krot= 2υ 2fycRrotS多普勒中心波束的变化率，Tsub为 子孔径录取数据时间，fd。多普勒中心频率，Rrot为旋转中心距离，t ,为第i子孔径的方位中 心时间，u雷达运动速度，f。雷达载波频率，N为天线阵元数，Af。是相邻基带信号频谱差 值； (2b)设定频移函数为：H2,n(ta，m) =exp(_j2 π I^fde(Ui)) 式中，fd。是多普勒中心频率，f。是距离频率，t a是方位时间，t i为第i子孔径的方位中 心时间，m是第m个接收通道的编号； (2c)将子孔径带宽Bsub与多普勒频移函数H 2，n(ta，m)进行相乘处理，完成多普勒频移 操作，即使多普勒谱搬移到多普勒基带。
4. 根据权利要求1中所述的多通道多子带滑动聚束模式SAR成像，其中所述步骤 (6)中在距离频谱上进行小数部分的频移，是将多普勒解模糊后的结果乘以如下频移函数 H4n(t)，完成小数部分的频移，其中频移函数公式如下： H4；n(t) = exp(j2 π t (Afcn-Kn Afr)) 式中，Δ?；是一个频点单元之间的频率间隔，Af p是相邻基带信号频谱差值，KnS Δ ?；η/ Λ f；的整数部分，此处频移的数据远小于一个频点单元的值。
【专利摘要】本发明公开了一种多通道多子带滑动聚束模式SAR成像方法，主要解决步进频率多通道合成孔径雷达在滑动聚束模式下的方位重建和频带合成难度大的问题。其实现过程是：1.对多通道天线进行子孔径划分，并对每个子孔径接收的回波依次进行等效相位中心的误差补偿和距离向脉冲压缩；2.对距离向脉冲压缩后的信号进行多普勒频移操作，将多普勒谱移到多普勒基带；3.计算出空域滤波的权重系数；4.利用空域滤波权重系数和基带信号进行多普勒解模糊；5.对多普勒解模糊后信号进行频带合成，完成二维频谱的重建并成像。本发明避免了高分辨率宽测绘数据的巨大计算量，提高了宽测绘带上的目标高分辨率，可用于机载或星载平台SAR多通道多子带成像。
【IPC分类】G01S13-90
【公开号】CN104865571
【申请号】CN201510155399
【发明人】孙光才, 景国彬, 张佳佳, 邢孟道, 保铮
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月2日