基于空间脉冲相位编码的HRWS-SAR成像方法与流程

本发明属于雷达
技术领域：
，特别涉及一种高分辨率宽测绘带hrws合成孔径雷达sar成像的方法，可用于海陆监测、地表测绘、环境和灾害监视以及土地规划。
背景技术：
：随着合成孔径雷达sar技术的发展，现在许多sar技术的应用都要求sar图像不仅具有高分辨率，而且具有宽测绘带，例如海陆监测、地表测绘、环境和灾害监视以及土地规划。然而，对于传统的单通道sar系统来说，在提升覆盖幅宽时，为了避免发生主瓣距离模糊，要求sar系统具有低的脉冲重复频率prf；而在获得高的方位分辨率时，为了避免发生严重地方位模糊，则要求sar系统具有高的prf，从而导致高方位分辨率和宽测绘带成为一对不可调和的矛盾。为了解决上述宽测绘带与高方位分辨率的矛盾，国内外研究者们已提出多种解决方案。g.krieger等人在其发表的论文“multidimensionalwaveformencoding:anewdigitalbeamformingtechniqueforsyntheticapertureradarremotesensing”(ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing)中提出一种高分辨率宽测绘带hrws-sar成像方法，该方法通过结合多维编码信号与俯仰维数字波束形成技术dbf来实现hrws-sar成像。但该方法中各个俯仰维波束的临近旁瓣会引入严重距离模糊，难以在实际应用中实现。中国科学院电子学研究所在其申请的专利“一种高分辨、宽测绘带的星载sar体制实现方法”(申请号：201410020544.4，公开号：cn103728618a)中提出了一种基于方位多输入多输出mimo体制的星载hrws-sar实现方法，该方法其采用滑动聚束模式，并通过各发射通道发射频带互不相交的线性调频信号实现hrws-sar成像。但该方法体制的系统复杂度过高，不易实现实时处理。技术实现要素：本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于空间脉冲相位编码的hrws-sar成像方法，以通过对发射脉冲进行空时二维相位编码，有效地解决sar距离模糊问题，简化系统复杂度，实现高分辨率宽测绘带hrws的sar成像实时处理。为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：(1)设计编码相位其中，b≡((k-1)modp)，1≤m≤m，m为发射通道的个数，tk为方位慢时间，k＞0，p为天线主波束覆盖的距离区域个数，u为阵列相位梯度因子，u≠0，(2)对每个发射通道所发射脉冲信号沿方位慢时间进行相位编码，即用编码相位φm(tk)对第m个发射通道发射的第k个脉冲信号进行相位编码，每个接收通道接收回波数据；(3)分别对每个接收通道所接收到的回波数据进行匹配滤波，得到每个接收通道输出的m路匹配滤波结果信号；(4)对每个接收通道输出的m路匹配滤波结果信号并行进行p次不同的解码，得到每个接收通道对应的p组m路解码结果信号；(5)对于每个接收通道对应的p组m路解码结果信号，将每组内的m路解码结果信号进行发射加权求和，得到每个接收通道最终对应的p组发射加权结果信号，即第n个接收通道最终对应得到p组发射加权结果信号n为接收通道的个数；(6)分别将具有相同组序号i的发射加权结果信号进行接收加权求和，得到p组接收加权结果信号zi；(7)利用的p组接收加权结果信号zi，通过成像算法分别对天线主波束所覆盖的p个距离区域进行成像，得到高分辨率宽测绘带的sar图像。本发明与现有技术相比，具有以下优点：1)本发明由于通过对每个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码使发射方向图在方位维沿慢时间不断变化，因此使得不同距离区域的主瓣回波在方位空域可被完全分开且可分别被提取，消除了距离模糊区域回波对期望区域成像质量的影响，解决了sar的距离模糊问题；2)本发明由于通过优化接收方向图将每个距离区域的主瓣回波分别提取出来，因此可通过对每个距离区域的单独成像，实现hrws-sar成像，从而解决了传统sar系统中高分辨率与宽测绘带的矛盾问题；3)本发明由于使用的天线在俯仰维的具有宽的波束，因此天线在俯仰维不需要高的自由度，使得降低了系统复杂度，同时也使得天线的垂直尺寸可以较小，节省了平台空间资源。附图说明图1为本发明的实现流程图；图2为本发明中使用的几何模型示意图；图3为本发明中对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码和未进行相位编码这两种情况下各个距离区域回波所对应的发射方位方向图；图4为本发明中对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下优化的接收方位方向图和其对应的双程方位方向图；图5为本发明中对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码和未进行相位编码这两种情况下回波多普勒谱仿真图；图6为本发明中对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下各个距离区域的距离模糊信号比-斜距仿真图；图7为本发明中对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码和未进行相位编码这两种情况下测绘区域的成像仿真图。具体实施方式下面结合附图对本发明做更清楚、更完整的描述。本发明是采用多输入多输出mimo的sar系统，发射通道和接收通道均沿方位向共址均匀分布，且采用的mimo-sar系统满足阵列空间窄带和远场假设，通过对发射脉冲进行空时二维相位编码，实现了传统mimo-sar无法实现的高分辨率宽测绘带sar成像，参照图1，本发明的实施步骤如下：步骤1，预设mimo-sar系统参数。参照图2，考虑正侧条带模式下天线主波束覆盖了多个距离区域，以第一个发射通道为参考通道，并以点目标为例，其预设sar系统的参数包括：平台速度vr、平台高度h、载频f0、脉冲重复频率fprf、发射脉宽tp、发射信号带宽bs、多普勒带宽bd、下视角θ、俯仰维波束宽度δθ、发射通道个数m、接收通道个数n和距离区域个数p。步骤2，设计编码相位。设第m个发射通道发射的第k个脉冲信号所采用的编码相位为其中，b≡((k-1)modp)，1≤m≤m，tk为方位慢时间，k＞0，u为阵列相位梯度因子，u≠0，步骤3，对每个发射通道所发射脉冲信号沿方位慢时间进行相位编码，每个接收通道接收回波数据。(3a)用编码相位φm(tk)对第m个发射通道发射的第k个脉冲信号进行相位编码，即用exp(jφm(tk))乘以脉冲信号得到经过相位编码后的发射脉冲信号为：其中，j为虚数符号，τ为距离快时间，rect(·)为距离窗函数，为发射信号波形，其满足：其中，(·)*表示共轭操作，τ0为快时间时刻；(3b)在每个脉冲重复间隔pri内，每个接收通道接收来自p个不同距离区域的回波信号之和，即在忽略了距离窗函数rect(·)的情况下，第n个接收通道在第k个脉冲重复间隔pri内接收到的回波数据形式为：其中，，0≤i≤p-1，1≤n≤n，δi为第i+1个距离区域回波信号的复系数，ξm,n(tk)为与第m个发射通道和第n个接收通道对应的回波信号的时延，为经过时延调制后的发射信号波形，k0为当前发射脉冲序号k与第一距离区域回波信号对应的发射脉冲序号的差，为第m个发射通道发射的第k-k0-i个脉冲信号经第i+1个距离区域内散射点散射后的回波的编码相位。步骤4，对每个接收通道输出的m路匹配滤波结果信号并行进行p次不同的解码，得到每个接收通道对应的p组m路解码结果信号。(4a)以发射信号波形为参考信号，对每个接收通道所接收到的回波数据并行进行m次匹配滤波，得到的第n个接收通道的第m路匹配滤波结果信号为：其中，gm(τ-ξm,n(tk))为距离包络，其表达式为(4b)基于阵列窄带和远场假设，将第n个接收通道输出的m路匹配滤波结果信号写成向量表达式，其表示如下：其中，r(tk)为点目标到参考通道的参考斜距，d1为接收通道的间距，β为第一个发射通道与参考通道的间距，θi(tk)为第i+1距离区域点目标的方位角，λ为波长，⊙表示hadamard积，距离包络矢量的表达式为：g(τ,tk)＝[g1(τ-γ(tk)),g2(τ-γ(tk)),…,gm(τ-γ(tk))]t，其中，γ(tk)为参考斜距r(tk)对应的参考时延，(·)t表示转置操作，发射导向矢量的表达式为：其中，d2为发射通道的间距，编码相位矢量的表达式为：c(tk)＝[exp(jφ1(tk)),exp(jφ2(tk)),…,exp(jφm(tk))]t。步骤5，对每个接收通道输出的m路匹配滤波结果信号并行进行p次不同的解码，得到每个接收通道对应的p组m路解码结果信号。以对每个接收通道输出的m路匹配滤波结果信号进行解码，即用对第n个接收通道匹配滤波输出的m路匹配滤波结果信号xn(τ,tk)进行解码，得到第i+1组m路解码结果信号为：第n个接收通道对应的p组m路解码结果信号为：步骤6，对于每个接收通道对应的p组m路解码结果信号，将每组内的m路解码结果信号进行发射加权求和，得到每个接收通道最终对应的p组发射加权结果信号。(6a)选择发射加权矢量，当双程方向图主瓣内的距离模糊信号比小于-20db时，发射权矢量采用m×1维全1矢量[1,1,…,1]t，当双程方向图主瓣内的距离模糊信号比大于-20db时，发射权矢量采用能降低发射方向图旁瓣的权矢量；(6b)先将每组内m路解码结果信号与发射权矢量中所有元素的共轭一一对应相乘，再将每组内所有相乘的结果相加，即用发射权矢量对第i+1组内的m路解码结果信号进行加权求和，得到第n个接收通道最终对应的第i+1组发射加权结果信号为：其中，(·)h表示共轭转置操作，第n个接收通道最终对应得到的p组发射加权结果信号为：步骤7，分别将具有相同组序号i的发射加权结果信号进行接收加权求和，得到p组接收加权结果信号zi。(7a)选择接收加权矢量，接收加权矢量采用n×1维全1矢量[1,1,…,1]t对距离模糊回波能量进行抑制，若采用全1矢量无法良好抑制距离模糊回波能量，则接收加权矢量采用最优权矢量，最优权矢量需要满足其形成的接收方向图中距离模糊主瓣回波对应的方位位置上具有能良好抑制距离模糊回波能量的凹口；(7b)先分别将具有相同组序号的发射加权结果信号与接收权矢量中所有元素的共轭一一对应相乘，得到p组相乘结果信号，再将每组内所有的相乘结果信号相加求和，即用接收权矢量对第k个pri内的具有相同组序号i的发射加权结果信号进行加权求和，得到的第i+1组接收加权结果信号为：zi(τ,tk)＝(qi(k))hyi(τ,tk)，其中，步骤8，利用的p组接收加权结果信号zi，通过成像算法分别对天线主波束所覆盖的p个距离区域进行成像，得到高分辨率宽测绘带的sar图像。本步骤为了描述简单，省去了zi(τ,tk)中τ和tk，其实现如下：(8a)对p组接收加权结果信号z0,z1,z2,…,zi,…,zp-1中的每一路回波信号均沿距离向和方位向进行二维傅里叶变换，得到距离频率-多普勒域的p组回波信号(8b)对距离频率-多普勒域的p组回波信号分别进行距离徙动校正，得到距离徙动校正后的p组回波信号(8c)对距离徙动校正后的p组回波信号分别进行距离向的逆傅里叶变换，得到距离徙动校正后的距离-多普勒域的p组回波信号(8d)对距离徙动校正后的距离-多普勒域的p组回波信号分别进行方位压缩，分别得到这p个距离区域的高分辨率sar图像；(8e)将这p个距离区域的高分辨率sar图像进行组合，得到高分辨率宽测绘带的sar图像。本发明成像方法的成像效果可以通过以下实验仿真结果进一步说明：1)仿真条件：实验仿真参数如表1所示，实验中，所有的通道均用来发射和接收雷达信号，考虑正侧条带模式下天线主波束覆盖了三个距离区域，以点目标为例，设阵列相位梯度因子u＝5。表1系统仿真参数系统参数参数值系统参数参数值平台高度550km平台速度7.56km/s载波频率9.6ghz脉冲重复频率4840hz多普勒带宽3084hz脉冲宽度10μs发射信号带宽100mhz覆盖距离区域数3发射/接收通道个数16天线方位孔径5m下视角38.89°俯仰维波束宽度7.77°2)仿真内容与结果分析为了形成对比，实验中考虑对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码和未进行相位编码这两种情况。仿真1，发射权矢量采用泰勒权矢量，将发射方位方向图旁瓣限制在-25db以下，对于不同接收通道的匹配滤波输出经过解码后得到的三组回波信号，组序号相同的回波信号对应具有相同的发射方位方向图，而对于不同pri内每个接收通道的匹配滤波输出经过解码后得到的三组回波信号，各组间回波信号对应的发射方位方向图的差异性相同，故以某一个pri内某一个接收通道的匹配滤波输出经过解码后得到的三组回波信号为例，在对各个发射通道所发射的脉冲信号未进行相位编码的情况下，得到回波信号中不同距离区域回波对应的发射方位方向图，在对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下，得到解码后每一组回波信号中不同距离区域回波对应的发射方位方向图，结果如图3所示，其中：图3(a)为对各个发射通道所发射的脉冲信号未进行相位编码的情况下回波信号中不同距离区域回波对应的发射方位方向图；图3(b)为对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下，针对第一距离区域回波解码后得到的第一组回波信号中不同距离区域回波对应的发射方位方向图；图3(c)为对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下，针对第二距离区域回波解码后得到的第二组回波信号中不同距离区域回波对应的发射方位方向图；图3(d)为对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下，针对第三距离区域回波解码后得到的第三组回波信号中不同距离区域回波对应的发射方位方向图；由图3(a)可以看出，对各个发射通道所发射的脉冲信号未进行相位编码的情况下，各个距离区域回波对应的发射方位方向图主瓣指向完全一致，这将导致在所成的sar图像中，各个距离区域的sar图像重叠，即发生重影现象；由图3(b)、图3(c)和图3(d)可以看出，对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下，分别针对三个不同距离区域回波解码后得到的三组回波信号中，每一组回波中不同距离区域回波对应的发射方位方向图主瓣在方位空域是完全分开的，这将使得通过空域滤波可以分别将这三个距离区域的主瓣回波从混叠的回波中提取出来。仿真2，对各个发射通道所发射的脉冲信号在进行相位编码的情况下，以每个接收通道最终对应得到的第一组回波信号为例，优化接收权矢量，得到接收方位方向图和双程方位方向图，结果如图4所示，其中：图4(a)为优化的接收方位方向图；图4(b)为最终的双程方位方向图；从图4可以看出，对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下，可以优化接收方位方向图将距离模糊区域主瓣回波抑制到可忽略水平，并将期望距离区域主瓣回波提取出来。仿真3，在对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码和未进行相位编码这两种情况下，将回波信号变换到多普勒域，得到各个距离区域回波的多普勒谱，结果如图5所示，其中：图5(a)为对各个发射通道所发射的脉冲信号未进行相位编码情况下的各个距离区域回波的多普勒谱；图5(b)为对各个发射通道所发射的脉冲信号进行了相位编码的情况下，针对第一距离区域回波解码后各个距离区域回波的多普勒谱；图5(c)为对各个发射通道所发射的脉冲信号进行了相位编码的情况下，针对第二距离区域回波解码后各个距离区域回波的多普勒谱；图5(d)为对各个发射通道所发射的脉冲信号进行了相位编码的情况下，针对第三距离区域回波解码后各个距离区域回波的多普勒谱；由图5(a)看出，在对各个发射通道所发射的脉冲信号未进行相位编码的情况下，各个距离区域的回波功率都很接近，将导致严重的距离模糊；由图5(b)、图5(c)和图5(d)可以看出，在对各个发射通道所发射的脉冲信号进行了相位编码的情况下，期望距离区域的回波功率保持不变，而其对应的距离模糊区域的回波功率被大幅地降低。仿真4，在对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下，针对各个距离区域内不同斜距处的散射点，计算它们的距离模糊信号比，结果如图6所示，其中：图6为对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下，各个距离区域内距离模糊信号比随斜距的变化情况，对于这三个不同的距离区域，横坐标区间[rnear,rfar]从近到远依次为[687.78km,716.73km]、[718.77km,747.72km]和[749.76km,778.71km]；由图6看出，在对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下，对于各个距离区域内不同斜距处的散射点，它们的距离模糊信号比都在-20db以下，表明对于期望的距离区域来说，来自其他距离模糊区域回波的能量已经被抑制到了很低的水平。仿真5，在对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码和未进行相位编码这两种情况下，对测绘区域进行成像，结果如图7所示，其中：图7(a)为对各个发射通道所发射的脉冲信号未进行相位编码情况下的成像结果；图7(b)为对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下第一距离区域的成像结果；图7(c)为对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下第二距离区域的成像结果；图7(d)为对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码的情况下第三距离区域的成像结果；由图7(a)看出，在对各个发射通道所发射的脉冲信号未进行相位编码的情况下，这三个距离区域的图像重叠在了一起；由图7(b)、图7(c)和图7(d)可以看出，在对各个发射通道所发射的脉冲信号进行了相位编码的情况下，成功地实现了对各个距离区域主瓣回波的分离提取，并对各个距离区域分别成像。上述仿真结果表明，本发明通过对各个发射通道所发射的脉冲信号进行相位编码，有效地解决了sar距离模糊问题，实现了对各个距离区域分别成像，得到了高分辨率宽测绘带sar图像。实验结果证明了本发明的正确性和有效性。以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本
发明内容和原理后，都可能在不背离本原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明的思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页12