一种星载合成孔径雷达工作模式的侦察鉴别方法
【专利摘要】本发明公开了一种星载合成孔径雷达工作模式的侦察鉴别方法。本发明包括以下步骤：1.编写仿真信号源生成信号；2.对星载SAR信号进行距离向参数估计，获取调频斜率Kr、剩余频差Δf等参数；3.根据Kr，进行距离压缩，得到聚焦的距离延迟曲线；4.对距离压缩后的信号进行Radon变换估计出距离走动斜率Kwalk，并根据Kwalk进行距离走动矫正，得到矫正的距离延迟曲线；5.从校正后的距离延迟曲线得到方位向功率图，根据接收功率的形态判决星载SAR的工作模式。本发明提出了对星载SAR信号进行估计的方式来鉴别星载SAR的工作模式，对常见工作模式具备很好的鉴别能力，可应用于星载SAR的侦察、对抗、测试等领域。
【专利说明】
一种星载合成孔径雷达工作模式的侦察鉴别方法
技术领域
[0001] 本发明属于信号处理领域，特别涉及雷达信号侦察领域，具体是一种对星载合成 孔径雷达工作模式的侦察鉴别方法。
【背景技术】
[0002] 星载SAR是一种不受气候和光照影响、全天候、全天时的主动成像雷达，具有远程、 宽幅、高分辨等优点。波长较长的SAR信号还可以穿透地表覆盖物，对隐藏在地表伪装物以 下的目标进行成像。因此，星载SAR技术在区域监测、地表测绘和动目标检测等领域得到了 广泛应用。目前为止，我国大量重要设施和广大国土是完全暴露在拥有先进星载SAR系统的 国家监视之下的。针对这种状况，我国必须积极发展星载SAR的干扰对抗技术，以削弱和破 坏对方在星载SAR上的性能优势。
[0003] 星载SAR干扰对抗系统的有效性和可靠性，直接取决于对敌方星载SAR系统的基本 工作方式和信号参数等信息的掌握程度。当星载SAR运行于条带、聚束、滑动聚束等不同的 工作模式时，其采用的信号参数、处理方法和成像算法都有很大不同，对关键性参数的敏感 程度也具有显著区别，对SAR采用的干扰方式也有很大差别，因此开展对SAR工作模式的侦 察与鉴别研究具备极其重要的意义。
[0004] 当前，在SAR工作模式的侦察鉴别方面，常见的方法是通过SAR卫星的轨道参数或 测量SAR信号的距离向参数(调频带宽、中心频率、距离分辨率等)信息，来判断鉴别星载SAR 的工作模式。但随着SAR技术的快速发展，星载SAR具备了多波段、多极化、多模式的工作能 力，使得传统方法无法有效鉴别星载SAR的实时工作模式。在文献"对不同工作模式星载合 成孔径雷达的侦察研究"（《计算机工程与应用》，vol. 49，no. 12，pp. 223-227，2013.)和文献 "对聚束和滑动聚束模式下星载合成孔径雷达的旁瓣侦察比较研究"（《科学技术与工程》， vol. 20，no. 8，pp. 1785-1789，2012.)中，从理论分析和仿真实验的角度研究了星载SAR不同 工作模式的方位向接收功率形态，得出了星载SAR不同工作模式下的方位向接收功率形态 具有较大差别的结论。本发明就是基于该结论，从截获的星载SAR信号入手，提出基于分数 阶傅立叶变换与Radon变换的处理算法，有效估计出星载SAR的方位向接收功率图，从而鉴 别星载SAR的工作模式。本发明处理的流程与一般的星载SAR成像流程存在很大的区别，它 根据方位向接收功率形态估计的需求特性，将成像处理流程与参数估计流程进行了有机地 结合与改进，从而设计出有效的星载SAR模式鉴别方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是从侦察到的星载SAR信号入手，基于分数阶傅立叶变换(FrFT)与 Radon变换提出了一种对回波信号的方位向接收功率形态进行估计的星载SAR工作模式鉴 别方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案具体包括如下步骤：
[0007] S1:利用地基侦察机截获星载SAR信号，假设对接收信号进行了接收功率方位向图 补偿和距离衰减功率补偿，接收机输出端输出的星载SAR信号为：
[0009] 其中Ao为包括散射系数在内的距离向总增益，T为距离向快时间，t为方位向慢时 间，to为波束中心偏离时间，wrg( ?)和waz( ?)分别为距离向和方位向包络函数，Kr为距离向 调频率，R(t)为瞬时距离，c为光速，A f为剩余频差，A为波长;j表示复数；
[0010] S2:对接收机输出端的星载SAR信号进行距离向参数估计，以获取距离向调频率 Kr、剩余频差A f?等距离向参数信息，消除剩余频差。具体步骤如下：
[0011] S21:设接收到的星载SAR信号为s(t)，那么s(t)的p阶分数阶傅立叶变换是一个线 性积分运算：
[0013]其中，p为FrFT的阶数，a为坐标系旋转角度，其中a = pji/2，KP(t，u)为FrFT的核函 数，即：
[0015]将(3)代入(2)，那么信号s(t)的p阶FrFT就能够表示为：
[0017] S22:检测星载SAR的距离向信号就是以旋转角度a为变量进行扫描，求星载SAR信 号so(T，t)的距离向信号的FrFT，从而形成信号能量在参数{a，u}平面上的二维分布，在此 平面上按阈值进行峰值点的二维搜索得到沾，心：
[0019]星载SAR距离向信号的距离向调频率Kr和剩余频差A f与参数他W的关系为：
[0021]利用上述公式估计出距离向信号的距离向调频率Kr和频差A f;
[0022] S23:利用估计出的频差A f构建剩余频差滤波器压（A f):
[0023] Hi( Af) = exp{-j23iAfT} (7)
[0024]将星载SAR信号so(T，t)与剩余频差滤波器HK Af)相乘，得到消除频差的星载SAR 信号 Sl(T，t):
[0026] S3:根据距离向参数估计的距离向调频率Kr构建距离向匹配滤波器出(&):
[0028]其中fT是距离向频率。消除剩余频差。然后对消除频差的星载SAR信号S1(i，t)进行 距离压缩，具体步骤如下：
[0029] S31:对SAR信号S1(T，t)进行距离向傅立叶变换，得到SKLt);
[0030] S32:然后将&出，〇与距离向匹配滤波器H2(fT)相乘；
[0031] S33:再对S32中处理的信号进行距离向傅立叶逆变换，得到距离压缩后的星载SAR 信号S2(T，t)为
[0033] 通过上述处理就得到聚焦的二维距离延迟曲线。
[0034] S4:采用Radon变换估计方法对聚焦的二维距离延迟曲线进行距离走动矫正：
[0035] 距离压缩后的SAR信号s2(i，t)的距离徙动量是由式（10)中sine函数的斜距R(t) 决定的。无论处于何种成像模式下，侦察机到卫星的瞬时斜距R(t)都是相同的，表示为：
[0037] 其中ts = RQtan(0s)/V，RQ是卫星到侦察机最近距离，0 S是斜视角，v是卫星的飞行速 度。
[0038] 瞬时斜距R(t)可以用下式表示 [0039] R(t)=R(to)+RL(t)+Rc(t) (12)
[0040] 其中，R (to)是波束中心时刻的瞬时斜距，Rl (t)是瞬时斜距的线性分量(也叫做距 离走动），RC(t)是瞬时斜距的高阶分量。距离走动RL(t)为距离走动斜率Kwalk与时间t的乘 积，即：
[0041 ] RL(t)=Kwaikt (13)
[0042] 距离走动斜率Kwalk是距离走动RL(t)在时间t上的一阶导数，即：
[0044]因为在侦察星载SAR信号时无法获悉星载卫星的飞行速度v和斜视角0S，只能采用 估计的方式估计距离走动斜率Kwaik。接下来就是Radon变换来估计走动斜率Kwaik的具体步 骤：
[0045] S41:选取经过距离压缩后的信号数据平面D，其中数据平面横纵轴分别表示方位 向和距离向的采样点数，每个数据点表示像素点的幅度；
[0046] S42:然后通过Radon变换将数据平面D映射到p-0平面Rf(p，0);
[0047] 343:求口-0平面1^(口，9)的最大值1]^1(1^(口， 9))对应的角度知；
[0048] S44:计算估计的距离走动斜率Kwaik = tan(9f);
[0049] S45:对信号s2(T，t)进行距离向傅立叶变换，得到S2(f\，t);
[0050] S46:将S2(ft，t)与相位相乘器Glrcmc相乘：
[00511相位乘法器为：
[0053] S47:再对S46中处理的信号进行距离向傅立叶逆变换，得到自适应距离走动矫正 的星载SAR信号s3(T，t)为：
[0055]其中RlrcmcU) =R(t)_RL(t)。
[0056] S5:从距离延迟曲线中估计出方位向接收功率，得到方位向功率图，根据接收功率 的形态判决星载SAR的工作模式。条带模式下的功率变换速度最快，聚束模式下的功率变换 最小，滑动聚束介于两者之间。然后根据接收功率的形态判决星载SAR的工作模式。
[0057]本发明的有益效果：
[0058]本发明从侦察到的星载SAR信号入手，利用分数阶傅立叶变换估计星载SAR信号的 距离向参数，并根据距离向参数进行脉冲压缩，再利用Radon变换得到距离走动斜率进行自 适应距离走动矫正，最后从聚焦且完成距离走动矫正的二维距离延迟曲线中恢复出方位向 功率图，根据功率图判决星载SAR的工作模式。与传统的依赖卫星轨道参数及距离向信号参 数信息进行工作模式判决方法不相同，可以从雷达信号处理的角度去获取星载SAR的方位 向接收功率图，其鉴别准确率及可靠性优于传统方法。
【附图说明】
[0059] 图1为本发明技术方案的流程示意图。
[0060] 图2为侦察机回波仿真信号。
[0061]图3为信号经分数阶傅立叶变换的结果。
[0062]图4为经过距离压缩后的星载SAR信号。
[0063]图5为熵随步长A K变换趋势。
[0064]图6为经过自适应距离走动矫正后的星载SAR信号。
[0065] 图7为星载SAR工作在条带模式下的方位向接收功率图。
[0066] 图8为星载SAR工作在聚束模式下的方位向接收功率图。
[0067] 图9为星载SAR工作在滑动聚束模式下的方位向接收功率图。
【具体实施方式】
[0068] 下面结合附图对本发明方法作进一步说明。
[0069] 如图1所示，其具体实施步骤如下：
[0070] S1:根据星载SAR不同工作模式下的侦察场景模型，并利用Matlab生成星载SAR的 星载SAR仿真信号(如图2)。
[0071] S2:对接收机输出端的星载SAR信号进行距离向参数估计，以获取距离向调频率 Kr、剩余频差A f?等距离向参数信息，具体步骤如下：
[0072] S21:设接收到的星载SAR信号为s(t)，那么s(t)的p阶分数阶傅立叶变换是一个线 性积分运算：
[0074]其中，p为FrFT的阶数，a为坐标系旋转角度，其中a = p3i/2，KP(t，u)为FrFT的核函 数，即：
[0076] 将（18)代入(17)，那么信号s (t)的p阶FrFT就能够表示为：
[0078] S22:检测星载SAR的距离向信号就是以旋转角度a为变量进行扫描，求星载SAR信 号so(T，t)的距离向信号的FrFT，从而形成信号能量在参数{a，u}平面上的二维分布（如图 3)，在此平面上按阈值进行峰值点的二维搜索得到丨djh
[0080]星载SAR距离向信号的距离向调频率Kr和剩余频差A f与参数丨么的关系为：
[0082]利用上述公式估计出距离向信号的距离向调频率Kr和频差A f;
[0083] S23:利用估计出的频差A f构建剩余频差滤波器压（A f):
[0084] Hi( Af) = exp{-j23iAfT} (22)
[0085]将星载SAR信号so(T，t)与剩余频差滤波器HK A f)相乘，得到消除频差的星载SAR 信号 Sl(T，t):
[0087] S3:根据距离向参数估计的距离向调频率Kr构建距离向匹配滤波器出(&):
[0089] 其中fT是距离向频率。然后对消除频差的星载SAR信号S1(i，t)进行距离压缩，具体 步骤如下：
[0090] S31:对SAR信号S1(T，t)进行距离向傅立叶变换，得到SKht);
[0091] S32:然后将&(匕，〇与距离向匹配滤波器H2(fT)相乘；
[0092] S33:再对S32中处理的信号进行距离向傅立叶逆变换，得到距离压缩后的星载SAR 信号S2(T，t)为
[0094] 通过上述处理就得到聚焦的二维距离延迟曲线(如图4)。
[0095] S4:采用Radon变换来估计距离走动斜率Kwalk，并对聚焦的二维距离延迟曲线进行 距离走动矫正：
[0096]距离压缩后的SAR信号s2(i，t)的距离徙动量是由式（25)中sine函数的斜距R(t) 决定的。无论处于何种成像模式下，侦察机到卫星的瞬时斜距R(t)都是相同的，表示为：
[0098] 其中ts = RQtan(0s)/V，RQ是卫星到侦察机最近距离，0 S是斜视角，v是卫星的飞行速 度。
[0099] 瞬时斜距R(t)可以用下式表示 [0100] R(t)=R(to)+RL(t)+Rc(t) (27)
[0101] 其中，R (to)是波束中心时刻的瞬时斜距，Rl (t)是瞬时斜距的线性分量(也叫做距 离走动），RC(t)是瞬时斜距的高阶分量。距离走动RL(t)为距离走动斜率Kwalk与时间t的乘 积，即：
[0102] RL(t)=Kwaikt (28)
[0103] 距离走动斜率Kwalk是距离走动RL(t)在时间t上的一阶导数，即：
[0105]因为在侦察星载SAR信号时无法获悉星载卫星的飞行速度v和斜视角0S，只能采用 估计的方式估计距离走动斜率Kwalk。接下来就是Radon变换来估计距离走动斜率Kwaik的具体 步骤：
[0106] S41:选取经过距离压缩后的信号数据平面D，其中数据平面横纵轴分别表示方位 向和距离向的采样点数，每个数据点表示像素点的幅度；
[0107] S42:然后通过Radon变换将数据平面D映射到P-0平面Rf(p，0);
[0108] S43:求p-0平面Rf(p，0)的最大值max(Rf(p，0))对应的角度0f(如图5);
[0109] S44:计算估计的距离走动斜率Kwaik = tan(9f);
[0110] S45:对信号s2(T，t)进行距离向傅立叶变换，得到S2(f\，t);
[0111] S46:将S2(ft，t)与相位相乘器Glrqc相乘：
[0112]相位乘法器为：
[0114] S47:再对S46中处理的信号进行距离向傅立叶逆变换，得到自适应距离走动矫正 的星载SAR信号s3(T，t)为：
[0116]其中Rlroc⑴=R(t)-RL(t)。得到矫正并聚焦的距离延迟曲线(如图6)。
[0117] S5:从距离延迟曲线中估计出方位向接收功率，得到方位向功率图（如图7-9 )，根 据接收功率的形态判决星载SAR的工作模式。条带模式下的功率变换速度最快，聚束模式下 的功率变换最小，滑动聚束介于两者之间。然后根据接收功率的形态判决星载SAR的工作模 式。
【主权项】
1. 一种星载合成孔径雷达工作模式的侦察鉴别方法，其特征在于包括如下步骤： S1:利用地基侦察机截获星载SAR信号，对接收到的星载SAR信号进行接收天线方向图 补偿和距离衰减功率补偿，获得接收机输出端输出的星载SAR信号； S2:对接收机输出端的星载SAR信号进行距离向参数估计，以获取距离向参数信息：距 离向调频率Kr、剩余频差A f; S3:根据距离向参数信息估计获取的距离向调频率Kr，构建距离向匹配滤波器，并通过 该滤波器对星载SAR信号进行距离压缩，得到聚焦的二维距离延迟曲线； S4:对经过距离压缩后的星载SAR信号进行Radon变换，估计出星载SAR信号的距离走动 斜率Kwalk，并根据估计出的距离走动斜率Kwalk对聚焦的二维距离延迟曲线进行距离走动矫 正，得到矫正后的距离延迟曲线； S5:从校正后的距离延迟曲线中估计出方位向接收功率，得到方位向功率图，根据接收 功率的形态判决星载SAR的工作模式。2. 根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达工作模式的侦察鉴别方法，其特征在于步 骤S1中接收机输出端输出的星载SAR信号so ( t，t)表示如下：其中Ao为包括散射系数在内的距离向总增益，t为距离向快时间，t为方位向慢时间，to 为波束中心偏离时间，wrg( ?)和waz( ?)分别为距离向和方位向包络函数，Kr为距离向调频 率，R(t)为瞬时距离，c为光速，A f为剩余频差，A为波长，j表示复数。3. 根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达工作模式的侦察鉴别方法，其特征在于步 骤S2利用分数阶傅立叶变换估计距离向参数调频率K r和频差A f，然后消除剩余频差;具体 步骤如下： S21:设接收到的星载SAR信号为s(t)，那么s(t)的p阶分数阶傅立叶变换是一个线性积 分运算：其中，P为Frf t的阶数，a为坐标系旋转角度，其中a = pn/2，KP (t，u)为FrFT的核函数，即：将(3)代入(2)，那么信号s(t)的p阶FrFT就能够表示为：S22:检测星载SAR的距离向参数就是以旋转角度a为变量进行扫描，求星载SAR信号so (T，t)的距离向信号的FrFT，从而形成信号能量在参数{a，u}平面上的二维分布，在此平面 上按阈值进行峰值点的二维搜索得到W，W :星载SAR信号的距离向调频率Kr和剩余频差A f与参数的关系为：利用上述公式估计出星载SAR信号的距离向调频率Kr和频差A f; S23:利用估计出的频差A f构建剩余频差滤波器HK A f): Hi( A f) =exp{-j2Ji A fi:} (7) 将星载SAR信号s〇(T，t)与剩余频差滤波器HK A f)相乘，得到消除频差的星载SAR信号 si(x,t)：4. 根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达工作模式的侦察鉴别方法，其特征在于步 骤S3利用距离向调频率Kr构建距离向匹配滤波器出(&):其中ft是距尚向频率； 然后对消除频差的星载SAR信号S1(i，t)进行距离压缩，具体步骤如下： S31:对消除频差的星载SAR信号S1(i，t)进行距离向傅里叶变换，得到 S32:然后将SKLt)与距离向匹配滤波器H2(fT)相乘； S33:再对S32中处理的信号进行距离向傅里叶逆变换，得到距离压缩后的星载SAR信号 S2(T，t)为通过上述处理就得到聚焦的二维距离延迟曲线。5. 根据权利要求1所述的星载合成孔径雷达工作模式的侦察鉴别方法，其特征在于S4 利用Radon变换估计距尚走动斜率Kwaik，并完成距尚走动矫正： 距离压缩后的SAR信号s2(i，t)的距离徙动量是由式（10)中sine函数的斜距R(t)决定 的;无论处于何种成像模式下，侦察机到卫星的瞬时斜距R(t)都是相同的，表示为：其中ts = Rotan (0s)/v，Ro是卫星到侦察机的最近距离，0S是斜视角，v是卫星的飞行速 度； 瞬时斜距R(t)可以改写为以下形式 R(t)=R(t〇)+RL(t)+Rc(t) (12) 其中，R(to)是波束中心时刻的斜距，RL(t)是瞬时斜距的线性分量，Rc(t)是瞬时斜距的 高阶分量;距离走动RL(t)为距离走动斜率Kwalk与时间t的乘积，即： RL(t)=Kwalkt (13) 距离走动斜率Kwalk是距离走动RL(t)在时间t上的一阶导数，即：因为在侦察星载SAR信号时无法获悉搭载卫星的飞行速度V和斜视角0S，只能采用估计 的方式获取距离走动斜率Kwaik;接下来就是Radon变换来估计距离走动斜率Kwaik的具体步 骤： S41:选取经过距离压缩后的信号数据平面D，其中数据平面横纵轴分别表示方位向和 距离向的采样点数，每个数据点表示像素点的幅度； S42:然后通过Radon变换将数据平面D映射到p-0平面Rf (p，0); 343:求口-9平面1^(口，9)的最大值11^1(1^(口，9))对应的角度知 ； S44:计算估计的距离走动斜率Kwaik = tan (9f); S45:对信号s2 ( t，t)进行距离向傅立叶变换，得到S2 (f T，t); S46:将S2(f t，t)与相位相乘器Glrgmg相乘： 相位乘法器为：S47:再对S46中处理的信号进行距离向傅立叶逆变换，得到自适应距离走动矫正的星 载SAR信号S3(i，t)为：其中RLRCMC(t) =R(t)-RL(t) 〇
【文档编号】G01S7/40GK106054145SQ201610338223
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】钟华, 陈维, 张松, 胡剑, 李应杰, 何洋炎
【申请人】杭州电子科技大学