多发多收合成孔径雷达成像方法与流程

本发明涉及电子信息技术雷达技术领域，尤其涉及一种基于多维波形编码信号和收发全数字波束形成的多发多收合成孔径雷达(multi-inputmulti-outputsyntheticapertureradar，mimo-sar)成像方法。

背景技术：

合成孔径雷达(syntheticapertureradar，sar)作为一种全天候、全天时、高分辨率的主动式微波成像雷达，具备了可见光、红外等探测系统难以比拟的优点，在军事侦察、灾害监测、地形测绘、海洋研究、资源勘探等诸多领域得到了广泛应用。其基本原理是利用方位向小孔径的天线与目标之间的相对运动虚拟合成一个大的天线，从而得到更高的方位向分辨率。

对于传统的合成孔径雷达，要增大测绘幅宽则需要减小天线的面积，而天线面积减小将降低天线的增益，使功率孔径积变小，成像能力变差。除此以外，高的方位分辨率要求sar系统具有较高的脉冲重复频率，而高脉冲重复频率则会导致脉冲盲区增大，进一步限制了测绘幅宽。所以单通道sar和单发多收sar无法满足日益增长的测绘需求，而多发多收合成孔径雷达(mimo-sar)提供的多个通道和大的天线面积，可以满足既能增大天线面积，又能保持大的测绘幅宽的需求；而且方位向多个等效相位中心可以提高系统的多普勒分辨力，从而放宽脉冲重复频率的限制。

mimo-sar通过方位向发射多个正交波形并同时接收，从而实现多个等效相位中心，其中正交频分复用-线性调频(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing-chirp，ofdm-chirp)信号是一种有效的编码方式。而ofdm-chirp信号由于其自身固有的距离模糊的特性，其测绘带宽必须限制在最大不模糊距离以内，无法真正实现高分宽幅测绘。采用接收端的数字波束成形技术可以对距离模糊进行抑制，但是会牺牲信噪比，导致无法进一步提升距离向的测绘带宽。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种多发多收合成孔径雷达成像方法，以至少部分解决现有方法中存在的天线面积小导致的测绘幅宽小，增益低，成像能力，以及传统mimo-sar使用的编码方式ofdm-chirp，ofdm-chirp无法真正实现高分宽幅测绘的问题。

(二)技术方案

在本发明的一方面，一种多发多收合成孔径雷达成像方法，包括：

设置参数，所述参数包括方位向发射天线个数、距离向子带个数、距离向阵元个数，以及方位向接收天线个数；

根据所述方位向发射天线个数，确定相应数量正交的多维波形编码信号；

根据距离向子带个数，确定距离向阵元的发射波形；

根据所述编码信号和发射波形将信号发射至待成像的场景；

接收所述信号经待成像物体反射后的信号并进行采样；

基于采样过的信号，通过空域滤波，将多个距离向子带的反射回波分离；

通过频域滤波，将所述多个距离向子带的反射回波进一步分离，提升该些距离向子带信号之间的隔离度；

将分离后的距离向子带的反射回波进行解调，从而得到每个方位向发射天线对应的接收回波；

对所述接收回波利用多发多收合成孔径雷达成像方法进行成像。

在进一步的方案中，所述正交的多维波形编码信号为正交频分复用-线性调频信号，其表达式为：

其中，为线性调频信号，rect(·)为矩形窗函数，其值在[0，1]区间为1，在其它区间为0，表示克罗内克积，kr为线性调频信号的调频率，t表示单个线性调频信号的周期，m为正交的多维波形编码信号个数，该表达式的意义为将线性调频信号经过ofdm调制，成为m个正交的波形，并通过m个不同的方位向发射天线发射。

在进一步的方案中，所述距离向子带频率范围互不重叠。

在进一步的方案中，所述距离向阵元的发射波形表达式为：

其中，n为距离向子带个数；

fi，i＝1，2，...，n为距离向子带中心频率；

λi，i＝1，2，...，n距离向子带中心频率对应的波长；

l为距离向阵元个数；

d为距离向阵元间距；

sa为正交的多维波形编码信号；

θci，i＝1，2...，n为距离向子带波束与天线阵列法向方向的夹角；

sofi，i＝1，2，...，n为距离向子带对应的发射信号。

在进一步的方案中，所述各距离向阵元的发射波形合成后得到归一化天线方向图，其表达式为：

其中，d为距离向阵元间距；

l为距离向阵元个数；

θci，i＝1，2...，n为距离向子带波束与方位向发射天线阵列法向方向的夹角；

λi，i＝1，2，...，n距离向子带中心频率对应的波长。

在进一步的方案中，所述空域滤波为将接收到的各距离向阵元进行加权处理，从而得到对应的波束指向的信号，加权矩阵表达式为：

d为距离向阵元间距；

l为距离向阵元个数；

θci，i＝1，2...，n为距离向子带波束与方位向发射天线阵列法向方向的夹角；

λi，i＝1，2，...，n距离向子带中心频率对应的波长。

接收到的各距离向阵元信号经过空域滤波后表达为：

[sr]表示距离向阵元的接收信号；

sri，i＝1，2...，n，表示每个距离向子带滤波后的回波。

在进一步的方案中，所述频域滤波后距离向子带信号的表达式为：

sri＝ifft(fft(sri)·hi)

fft(·)表示傅里叶变换；

ifft(·)表示傅里叶逆变换；

其中，hi为距离向子带中心频率为fi的带通滤波器。

在进一步的方案中，所述将分离后的距离向子带的反射回波进行解调，包括：将空域滤波和频域滤波后的信号进行傅里叶变换，根据ofdm-chirp调制的特性，在频域对信号进行抽取，从而得到解调后的各个方位向发射天线的接收信号。

在进一步的方案中，所述多发多收合成孔径雷达算法包括距离-多普勒算法、chirpscaling算法或ωk算法。

(三)有益效果

本发明基于方位向多维波形编码信号和收发全数字波束形成技术，方位向采用多维波形编码信号，距离向采用收发全数字波束形成技术，在满足方位向高分辨率的同时增大距离向测绘带宽，可以提高合成孔径雷达的探测效率。

本发明利用基于方位向多维波形编码信号，比如ofdm-chirp信号，可以满足mimo-sar方位向信号的正交需求；但是传统ofdm-chirp信号具有其固有的距离模糊特性，而仅仅利用数字波束成形技术无法满足实际中高信噪比的需求，所以本发明提出一种距离向收发全数字波束成形技术，可以实现大的天线面积同时观测宽测绘带，在高信噪比的条件下增大测绘带幅宽。

附图说明

图1为本发明实施例一种多发多收合成孔径雷达成像方法的流程图。

图2为图1中方法方位向4发8收的mimo-sar示意图。

图3为珠海地区的实测sar成像结果。

图4a为直接利用回波信号成像的结果图。

图4b为仅接收端采用数字波束成形方法成像结果图。

图4c为图1中方法成像结果图。

图5为图1中方法与传统方法在信噪比方面的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种多发多收合成孔径雷达成像方法，图1为本发明实施例一种多发多收合成孔径雷达成像方法的流程图，如图1所示，包括：

步骤a：设置参数，所述参数包括方位向发射天线个数m、距离向子带个数n以及接收天线个数p；其中，图2为图1中方法方位向4发8收的mimo-sar示意图，如图2所示，在本发明的示例实施例中，方位发射天线m为4个，距离向子带n为4个，方位向接收天线p为8个的mimo-sar成像方法，在本发明的其他实施例中，该m、n和p的取值满足m≥2，n≥2，p≥2即可。

步骤b：根据所述方位向发射天线个数m，确定相应数量正交的多维波形编码信号；在本发明的示例实施例中，正交的多维波形编码信号的个数m为4个；

根据ofdm-chirp信号生成矩阵：

当方位发射天线m＝4时，发射时域信号形式为：

其中kr表示调频率，t为调制的线性调频信号的脉冲长度，发射信号脉宽为4t。对应的频域表达为：

由频域表达式可知，4路信号在频域是完全正交的，在解调的时候抽取对应频点的信息即可完全恢复出相应的发射信号。

步骤c：根据距离向子带个数n，设计距离向各个阵元的发射波形；

当n＝4时，其中心频率分别为fi，i＝1，2，...，n，对应的波长为λi，i＝1，2，...，n，天线沿距离向的阵元个数为l，阵元间距为d，对应的正交波形编码信号为sa，则距离向实现多个子带划分可以利用以下方式：

距离向每个阵元的发射信号可以表示为：

合成的归一化天线方向图可以表示为：

步骤d：发射模块根据所述编码信号和发射波形将信号发射至待成像物体；

步骤e：所述信号经待成像物体反射后，接收模块接收该信号，并转发给处理系统进行采样；

步骤f：处理系统基于采样过的信号，通过空域滤波，将多个距离向子带的反射回波分离；

空域滤波的方式为将l个阵元接收的信号进行加权处理，从而得到对应的波束指向的信号。对应的加权矩阵可以表示为：

假设每个阵元的接收信号为srm，则通过空域滤波以后的信号为：

步骤g：处理系统通过频域滤波，将所述多个距离向子带的反射回波进一步分离，提升该些距离向子带信号之间的隔离度；

对空域滤波以后的信号作频域滤波，得到的信号为：

sri＝ifft(fft(sri)·hi)

其中fft(·)表示傅里叶变换；

ifft(·)表示傅里叶逆变换；

hi为中心频率为fi的带通滤波器。其带通范围应略大于信号的带宽而又不至于发生混叠。

步骤h：处理系统将分离后的距离向子带的反射回波进行解调，从而得到每个方位向发射天线对应的接收回波；

由于发射信号对应的频域表达为：

所以对接收信号sri进行fft以后，再进行频域相应频点的抽取就可以解调出对应的方位向正交信号。

步骤i：处理系统对所述接收回波利用传统的mimo-sar成像方法进行成像；在本发明的示例实施例中，所述mimo-sar使用的算法包括距离-多普勒算法、chirpscaling算法或ωk算法。

在本发明的示例实施例中，还通过仿真数据验证了本实施例mimo-sar成像方法的有效性。

图3为珠海地区实测的sar成像结果；图4a为直接利用回波信号成像的结果图；图4b为仅接收端采用数字波束成形方法成像结果图；图4c为采用本发明方法结果图；从图中可以看出，采用本发明的方法成像结果更清晰，成像效果更好。

图5为图1中方法与传统方法在信噪比方面的对比图，信噪比随着测绘幅宽增加时的变化趋势。在最大不模糊带宽以内信噪比为30db的情况下，随着测绘幅宽的增加，本发明的方法信噪比下降速度远远低于利用传统方法的信噪比下降速度。可以看出本发明的方法在信噪比方面相较于传统方法有很大的提升。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。