一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法

专利名称：一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法
技术领域：
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种线性调频连续波(LFMCW)合成孔径雷达 (SAR)视频回波信号的仿真方法。
背景技术：
合成孔径雷达(SAR， Synthetic Aperture Radar)是一种高分辨率成像雷达，SAR主动 发射电磁波(从微波波段到毫米波波段)，并接收目标反射的回波信号通过复杂的信号处 理过程实现成像，具有全天时、全天候工作的能力。线性调频是合成孔径雷达常用的信号 波形，传统的SAR系统采用脉冲多普勒体制的线性调频信号，其回波模型的仿真与成像算 法相对比较成熟。
线性调频连续波SAR的概念最先由英国伦敦大学提出并首先应用与飞机高度计中。线 性调频连续波SAR相对于传统脉冲多普勒体制SAR具有结构简单、体积小、重量轻、能 耗小、成本低、截获率低、抗干扰能力强等特点。
LFMCWSAR具有上述的诸多优点，因此受到国内外越来越多的重视。对这一新体制 雷达的研究，在研究初期，对成像方式的原理及相应处理算法的研究需要符合条件的SAR 回波数据，应用合成孔径雷达的模拟技术可以降低雷达开发成本，縮短了开发的周期，使 雷达各个单元之间的设计和测试可以同时进行。特别是对于高速运动平台，雷达在超大前
斜视条件下成像的情况，由于客观条件的限制，国内外没有相关的真实数据，此时雷达信 号的模拟可以在实际雷达系统前端不具备的条件下对雷达系统后期信号处理部分进行调 试和测试，为雷达系统的设计、分析和性能测试提供了有效的工具。
雷达信号的仿真主要分为功能仿真和视频信号仿真，功能仿真通常是通过对目标和载 体运动方程的计算，预测出目标会在某个时刻某个位置被检测到，得到该时刻目标的距离 和方位数据；目标视频信号仿真包含了信号的相位信息，比功能仿真更复杂，逼真度更高。
传统体制的脉冲多普勒雷达采用线性调频脉冲信号作为发射信号，由于脉冲信号的持 续时间非常短，占空比一般低于10%，可以忽略雷达从发射脉冲信号到接收到目标的回波 信号这S时间内雷达平台的运动，即认为雷达在发射与接收信号时，平台是静止不动的，这就是常用的"STOP AND GO"模型的假设。该模型对于脉冲体制雷达具有一定的合理性， 但线性调频连续波体制雷达有其特殊性。 一方面，采用线性调频连续波技术的新体制雷达 不同于脉冲体制雷达在工作时会反复的开关，它始终在不断发射信号，信号的持续时间占 据了整个脉冲重复周期，而且线性调频连续波的重复周期比较长，必须考虑脉冲周期内雷 达平台的运动；另一方面，为避免回波信号与发射信号的混叠，需要将发射天线与接收天 线分开，使雷达系统在发射的同时接收，而信号的发射与接收又是充分隔离的。因此传统 脉冲体制雷达的"STOPAND GO"模型不再适用，需要建立一种新的适用与线性调频连续 波合成孔径雷达的回波仿真方法。目前对于LFMCWSAR的回波模拟方法基本上可分为两类， 一种是延用"STOPAND G0"模型，但之后会对雷达平台连续运动带来的影响进行补偿，另一种是考虑了雷达平台 在脉冲重复周期内的运动，但在处理过程中，经过大量近似达到化简的目的。这两种方法 对于慢速平台对近距离观测(无人机与小型机平台)的情况是可行的，但应用于高速运动 平台，进行大前斜视远距观测时，会出现较大的误差；虽然在后续处理中可以进行补偿， 增加了处理过程的复杂度，也限制了仿真方法的通用性。 发明内容本发明提供了一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法，它具有精确、 通用性强的特点，可以方便的得到各种参数条件下雷达回波信号的仿真数据。特别是在高 速飞行、超大前斜视条件下，本发明仍能较快速得到准确的仿真数据。本发明提供了一种高速运动、远距离、雷达处于大斜视观测条件下的调频连续波信号 的仿真方法，它包括以下几个实现步骤(1) 设置并读取仿真的SAR系统参数信息，包括仿真信号、雷达运动平台和雷达波 束天线的参数信息等。信号参数选择为信号所处的波段为Ka波段，脉冲带宽 ^为百兆量级，脉冲重复周期在毫秒的数量级。雷达平台做高速运动，即速度r〉1000w〃，雷达作用距离较远，即雷达与目标的距离为l-10km。雷达处于 大斜视观测条件即是选取雷达天线波束中心与航向夹角为15° 30° 。(2) 设置目标的信息参数，包括目标的个数、运动状态、位置等。多点目标可以看 成是多个单点目标仿真信号的叠加。(3) 仿真时间的离散化处理。将模拟信号转换成离散的数字信号是通过采样来实现 的，对模拟信号进行采样的频率即为信号的采样率。将整个仿真时间划分成若干等长的时间段，每段的时间长度即采样时间的确定决定着仿真的精度，分得越细越精确，但运算量也会随之增加。鉴于调频连续波的特殊性，对信号的采样可以分为两种快采样和慢采样。以脉冲重复周期为周期对信号进行采样称 为慢采样，即方位向上的采样率，数值上与脉冲重复频率/p相等；对同一个周期内的信号进行采样称为快采样，即距离向上的采样率，用y;表示。根据抽样 定理，采样率要大于信号带宽，才能从抽样信号中恢复原连续信号。另一方面，选取的采样率越大，整个仿真过程中的数据率与计算量也会随之增加。SAR回波信号多为复数信号，因此釆样率约为信号带宽的1.1倍就能满足信号不失真的条件。信号先经过慢采样，设得到iv"个长度为r的时间段，再对每个时间段进 行快采样，则每个时间段^又被分为M^/^r个时间段，即整个仿真时间离散分为A^油.A^个长度为丄的时间段，则瞬时时刻可以表示为<formula>formula see original document page 7</formula>(4)分别计算雷达平台与目标的瞬时位置，根据其几何位置关系得到相位中心与目标的距离矢量即雷达天线中心与目标连线的长度和视线夹角。设平台的初始位置为A。 =[^。 &。 zm。f ，目标的初始位置为= &。 ^。r，平台速度和它在各个方向的分量分别为&=[rrf p":T，目标速度和它在各个方向的分量分别为&=[FCT ^ ^f，设^时刻为与快采样时间有关的瞬时时刻， 即整个仿真时间被离散化为^个时长为&的时间段，
^,/ = 1、2……N时刻平台的位置为<formula>formula see original document page 7</formula>f,，z、l、2…iV时刻目标的位置为Pm、 A为雷达平台与目标的瞬时位置，时刻等效斜距为<formula>formula see original document page 7</formula> 其中r。为f, = 0时刻雷达平台与目标之间的距离，7为雷达平台相对于目标的相对运动速率。-为斜视角，即&与r之间的夹角。斜距的计算不再是传统的雷达仿真方法中仅随慢釆样时间即方位向时间变化，而是在采用了 "瞬时停走"的假设 以后，在每个快采样时间都会有相应变化。因此，本发明所提供的雷达信号仿真 方法比现有的雷达信号仿真方法更加精确。 (5)结合合成孔径雷达回波信号数学模型与步骤(1)中的雷达系统参数，得到一维 的回波信号。步骤(3)时间的离散化中对采样率的选择可以看出，信号的带宽 越大，采样率也会随之增大。雷达信号的带宽多在百兆的量级，步骤(4)中对 雷达平台与目标位置及等效斜距的计算都直接与采样率相关，若直接采用传统 的雷达信号模型，会带来很大的运算量，也影响了整个仿真过程的速度，因此， 本发明采用经过去调频(dechirping)处理的回波信号模型，下面详细说明去 调频处理的过程。去调频是用一个时间固定，而频率、调频率相同的线性调频信号作为参考信号，用它与回波做差频处理，设接收信号为 ="(~ —^1)exp"2;r(义(r-+ -&)2)},其中6为发射线性调频信号的调频率；a(/)为发射脉冲包络，^为点目标到雷达的斜距瞬时变化，C为光速，X为信号载频，^为距离向上的时间，~=mod(r，r)-1， mod(/，r)为f除以r的余数，，接收信号的延时时间r-^;设参考距离为^，则参考信号为V ="(~ -+)6邓{7'2</;(卜+) ++^ -+)2)}，混频信号^ = 《,上述处理为去调频过程，^为去调频处理后的信号。经过去调频处理的雷达信号数学模型表达式为=-&)邵W-~)}^ C C 4;rC ， ^为点目标后向散射特性，『。(/)为方位向天线方向性函数，a(O为发射脉冲包络，f为瞬时时刻，上式为本发明雷达回波信号数学模型，将步骤(4)中求出的瞬时斜距与步骤(1)中的雷达系统参数代入，即可得到随瞬时时间变化的长度为iV的一维回波信号，将信号依次存入储存器中。本发明还可以加入误差模型，注入各种误差，即 s = ~+^， y为误差表达式，可以得到存在误差的雷达回波信号的仿真数据。(6) —维信号按脉冲重复周期划分，格式成二维信号。雷达图像处理需要二维的回波信号，将步骤(5)中得到的长度为7V的一维信号按脉冲重复周期进行划分， 设每个周期内的离散信号为M个，有M7个仿真周期，即iV-iW"，iVa,将每一个 重复周期时间内的信号叠放于上一个重复周期的数据后，得到了一个A^xi^的 二维信号，完成线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真。 本发明提供的线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的精细仿真方法的优点(1) 本发明提供的方法解决了雷达仿真处理在高速平台、大前斜视条件下使用"STOP AND GO"模型所引入的误差问题，使得雷达每个快采样时间内(瞬时时刻)的斜距信息 更精确，进而得到更准确的回波仿真信号。(2) 本发明提供的方法吸收了对线性调频信号进行去调频的方式处理的方法，避免了 雷达发射信号与接收信号的混叠，同时可以减小信号的带宽，降低了采样率，提高了处理 效率。(3) 本发明提供的方法中的斜距计算，直接应用了点对点的空间几何关系来确定斜距， 是一种比较准确的雷达距离模型，适用于正侧视、大斜视等情况下的斜距计算。(4) 具有较好的灵活性与可控性。可以根据应用场合的不同，将仿真时间按需进行划 分，从而在满足应用需求的条件下，实现效率最优。(5) 强大的适应性，该平台可通过设置不同的参数完成机载、弹载等雷达平台的回波 仿真运算。(6) 强大的兼容性。通过改变回波信号的数学模型，可以完成LFMCW信号在不同调制 形式下的仿真如相位编码等技术。(7) 强大完善性。留有误差接口，可根据应用场合的不同注入各种误差。


图1是本发明LFMCW雷达视频信号的仿真方法流程图； 图2是本发明中关于斜距计算时雷达平台与目标空间位置的示意图； 图3是本发明中将一维信号格式化为二维信号的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。本发明提供的一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法是通过以下步 骤来实现的，如图l所示步骤一、读取仿真的SAR系统参数信息，包括仿真信号、雷达运动平台和雷达波束天线的参数信息等。(a) 仿真信号的参数信号的波段(载频和波长;i)、脉冲带宽5"脉冲重复频率/p(脉冲扫频周期r-i/力)等，这类参数由仿真的具体需求决定，本发明可以很灵活的进行参数设置。根据调频连续波信号(FMCW)的特殊性，本发明信号参数选择为信号所 处的波段为Ka波段，脉冲带宽^^为百兆量级，脉冲重复周期在毫秒的数量级。(b) 雷达运动平台参数平台的初始位置、平台的运动状态等，这类参数决定了雷达运动的航迹。本发明可针对高速运动的雷达平台，即速度「>1000 〃，雷达作用距离 较远，即雷达与目标的距离为l-10km。(c) 雷达波束天线的参数天线位置、天线尺寸、波束的中心视角等，天线尺寸决定 了天线的观测范围，本发明可以对雷达在大斜视条件下进行观测的情况进行信号仿真，大 斜视条件即天线中心指向与雷达平台航线夹角很小的情况，如夹角仅为15° ~30° 。步骤二、设置目标的信息参数，包括目标的个数、运动状态、位置等。多点目标可以 看成是多个单点目标仿真信号的叠加。步骤三、仿真时间的离散化处理，即将整个仿真时间划分成若干等长的时间段，对整个仿真时间进行快采样。将模拟信号转换成离散的数字信号通过采样来实现，对模拟信号进行采样的频率即为信号的采样率。鉴于调频连续波的特殊性，对信号的采样可以分为两种快采样和慢采样。以脉冲重复周期为周期进行采样称为慢采样，即方位向上的采样率， 数值上与力相等；对同一个周期内的信号进行采样称为快采样，即距离向上的采样率，用,表示，根据抽样定理，采样率要大于信号带宽，才能从抽样信号中恢复原连续信号。另一方面，选取的采样率越大，整个仿真过程中的数据率与计算量也会随之增加，因此需要 权衡准确性与计算量来选择采样率。SAR回波信号多为复数信号，因此采样率约为信号带 宽的1.1倍就能满足信号不失真的条件。由于本发明是仿真的经过去调频后的回波信号， 信号的带宽比实际信号的带宽窄得多， 一般不会超过MHZ的量级。设脉冲重复周期r，仿真时间为Afa个脉冲重复周期，即仿真时间为r.Ab，慢采样 可看做将整个仿真时间按脉冲重复周期进行划分，快采样速率为,，即前面文字中的采样率，则整个仿真时间分为A^iVaT，乂个长度为+的时间段。则瞬时时刻(可以表 示为=-"^"+丄，/ = 12^.^。步骤四、分别计算雷达平台与目标的瞬时位置，根据几何位置关系得到相位中心与目
标的距离矢量即雷达天线中心与目标连线的长度和视线夹角。步骤一和步骤二已经提供了 雷达平台与目标的初始位置和运动参数，只需要将步骤三中离散化后的时间纟,代入
^,=^。+、— &=^。+^^,，式中尸m。、尽。分别为雷达平台与目标的初始位置坐标，、、 ^分别为雷达平台与目标的运动速度，(.为瞬时时刻，就可以得到相应时间雷达平台与目 标的位置信息A,、 A，由空间几何关系，可以得到雷达的斜距信息，并将斜距的值r顺序 存入计算机存储器中。
下面结合附图2进行详细说明。设i^,"l、2…iV , i^.，z、l,2…iV分别为目标和雷达 平台在时亥IJ 时亥U的位置，平台飞行速度为F ，则有
<formula>formula see original document page 11</formula>
步骤五、结合合成孔径雷达回波信号数学模型与步骤一中的雷达系统参数，得到一维 的回波信号。雷达平台沿其航线飞行，平台与目标间的距离随着时间推进也在不断变化。 这种距离上的变化，在雷达信号中则反映的是信号的延时的不同，反映了雷达距离向的变 化。
前面的步骤可以看到，每个快采样时间都记录下斜距值会带来很大的运算量，步骤三 中已经说明了采样率应该如何选择。本发明中采用了去调频后的雷达视频信号，直接模拟 经过去调频处理后的信号。它包括了信号的所有信息，同时也大大降低了信号快采样的采 样率，减少了计算机的运算量。
(a) 雷达延时的计算雷达发射的信号是电磁波，速度为光速c，发射的信号到达目 标后再次被接收，这段时间可以表示为r-(r,+。/c， r,为发射信号时刻的斜距，。为接
收信号时刻的斜距。本发明采用"瞬时停走"的假设，认为信号在发射与接收时刻的斜距 是相等的，即每个快采样的时间间隔内方位向位置的变化引起的斜距变化可以忽略，此时 信号延时表达式简化为r = 2"7c ， ^为快采样时刻的斜距。
(b) 经过去调频处理的雷达信号数学模型表达式为<formula>formula see original document page 12</formula>为点目标后向散射特
<formula>formula see original document page 12</formula>
性，K(O为方位向天线方向性函数，"W为发射脉冲包络，6为发射线性调频信号的调频 率，r.为点目标到雷达的斜距瞬时变化，c为光速，义为信号波长，^为距离向上的时间，
~=mod":o-|, mod(f,r)为f除以r的余数，i ^为去调频处理时选取的参考斜距，/为
瞬时时刻。此处斜距G不再是传统的雷达仿真方法中仅随慢采样时间即方位向时间变化， 而是在采用了"瞬时停走"的假设以后，在每个快采样时间都会有相应变化。因此，本发 明所提供的雷达信号仿真方法比现有的雷达信号仿真方法更加精确。
(c) 将步骤四中得到的斜距信息^代入上面的经过去调频处理的雷达信号数学模型表
达式，结合与步骤一中雷达参数信息，得到一维的雷达信号，将其存入寄存器。
(d) 初始化存储器，将一维寄存器中的回波信号与存储器中数据进行叠加。
(e) 判断是否完成全部点目标的仿真，如果判断为"否"，则重复步骤二至步骤五的 处理过程，得到一维的回波信号；如果判断为"是"，则转入步骤六。
步骤六、 一维信号按脉冲重复周期划分，格式成二维信号。
下面结合附图3进行详细说明。将步骤五中得到的随快采样变化的信号按时间的先后
顺次存入储存器，得到长度为iV的一维信号，A^为仿真的脉冲周期个数，即为方位向的
采样数；A^为对一个周期内信号进行快采样后的信号数，即为距离向的采样点数， wr = :r./s。 一维信号按照脉冲周期(慢采样时间)进行划分，每个脉冲周期内有Nr段数
据，从起始时刻起，前iVr个数据存为一行，第A^ + 1个数据存到第二行第一个位置，第 A^ + 2个数据存到第二行第二个位置，第2M"个数据存到第二行第iVr个位置，第2W + 1个 数据存到第三行第一个位置，以此类推……得到一个iV"xA^的二维信号完成了线性调频 连续波合成孔径雷达视频信号的仿真。
本发明主要针对线性调频连续波信号的特点，在"瞬时停走"模型的假设的基础上， 提出了一种适用于高速运动平台，在大斜视条件下的线性调频连续波合成孔径雷达视频信 号的精细仿真方法。仿真过程中逐个脉冲记下瞬时时刻雷达斜距变化，能够较准确地实现 信号的仿真，同时该方法中选用的是与参考信号进行去调频处理的回波信号，能在很大程 度上解决由于记录瞬时斜距带来的计算量大的问题。
权利要求
1. 一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法，其特征在于它包括以下几个实现步骤，步骤一设置并读取仿真的合成孔径雷达系统参数信息，包括仿真信号、雷达运动平台和雷达波束天线的参数信息；其中信号所处的波段为Ka波段，脉冲带宽Bw为百兆量级，脉冲重复周期在毫秒的数量级，雷达平台做高速运动，即速度V＞1000m/s，雷达作用距离即雷达与目标的距离为1-10km，雷达处于大斜视观测条件即是选取雷达天线波束中心与航向夹角为15°～30°；步骤二设置目标的信息参数，包括目标的个数、运动状态、位置，多点目标看作是多个单点目标仿真信号的叠加；步骤三仿真时间的离散化处理，对整个仿真时间进行快采样，将整个仿真时间划分成若干等长的时间段；本步骤是将模拟信号转换成离散的数字信号，对模拟信号进行采样的频率即为信号的采样率，设脉冲重复周期T，仿真时间为Na个脉冲重复周期，即仿真时间为T·Na，慢采样<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>T</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008101124650C00011.gif" wi="13" he="8" top= "152" left = "42" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->将整个仿真时间按脉冲重复周期进行划分；快采样速率为fs，即前面文字中的采样率，则整个仿真时间分为N＝Na·T·fs个长度为id="icf0002" file="S2008101124650C00012.gif" wi="4" he="10" top= "165" left = "139" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>的时间段，则瞬时时刻ti表示为<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mi>N</mi> <msub><mrow> <mn>2</mn> <mi>f</mi></mrow><mi>s</mi> </msub></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mi>i</mi> <msub><mi>f</mi><mi>s</mi> </msub></mfrac><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo><mi>N</mi><mo>;</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0003" file="S2008101124650C00013.gif" wi="40" he="10" top= "182" left = "45" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->步骤四分别计算雷达平台与目标的瞬时位置，根据几何位置关系得到相位中心与目标的距离矢量即雷达天线中心与目标连线的长度和视线夹角；步骤一和步骤二已经提供了雷达平台与目标的初始位置和运动参数，只需要将步骤三中离散化后的时间ti代入Pmi＝Pm0+Vmti，PTi＝PT0+VTti，式中Pm0、PT0分别为雷达平台与目标的初始位置坐标，Vm、VT分别为雷达平台与目标的运动速度，ti为瞬时时刻，就得到相应时间雷达平台与目标的位置信息Pmi、PTi，由空间几何关系，得到雷达的斜距信息，并将斜距的值ri顺序存入计算机存储器中；设PTi，i＝1、2...N Pmi，i＝1，2...N分别为目标和雷达平台在时刻ti时刻的位置，平台飞行速度为V，则有
2、 根据权利要求1所述的一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法，其特 征在于，步骤三所述的慢采样是方位向上的采样率，以脉冲重复周期为周期进行采样， 数值上与力相等。
3、 根据权利要求1所述的一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法，其特 征在于，步骤三所述的快采样是对同一个周期内的信号进行采样，即距离向上的采样 率，用乂表示。
全文摘要
本发明提供了一种线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的仿真方法，包括以下步骤设置并读取仿真的合成孔径雷达系统参数信息；设置目标的信息参数；仿真时间的离散化处理；分别计算雷达平台与目标的瞬时位置，根据几何位置关系得到相位中心与目标的距离矢量；结合合成孔径雷达回波信号数学模型与雷达系统参数，得到一维的回波信号；一维信号按脉冲重复周期划分，格式成二维信号，存储完全部数据，得到了一个Na×Nr的二维信号，完成线性调频连续波合成孔径雷达视频信号的精细仿真。利用本发明可得到更准确的回波仿真信号，特别适用高速运动、远距离、雷达处于大斜视观测条件下的调频连续波信号的仿真方法，实现效率更优，具有更强的适应性和兼容性。
文档编号G01S7/02GK101295019SQ20081011246
公开日2008年10月29日 申请日期2008年5月23日 优先权日2008年5月23日
发明者李春升, 李显军, 威 杨, 段世忠, 莹 王, 杰 陈 申请人:北京航空航天大学