基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法和系统与流程

本发明涉及雷达成像领域，尤其涉及基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法和系统。
背景技术：
：雷达(radiodetectionandranging,radar)通过主动辐射电磁波来获取目标的距离、方位和速度等信息。为获取更多的观测信息和目标特性，实孔径雷达成像技术应运而生，其原理是：对发射的宽带信号进行脉冲压缩分辨距离维远近分布的点目标；通过波束形成分辨平行于天线方向分布的点目标。在实孔径雷达成像中，方位分辨力由雷达波束宽度决定的。孔径越长，分辨率越高；而距离越远，分辨率越低。对于远距离作用雷达，为了获取足够高的方位分辨率，天线孔径需要达到足够的长度。1951年6月，美国goodyearaerospace公司的c.wiley提出利用多普勒波束锐化技术(dopplerbeamsharpening,dbs)来提高方位分辨率，为雷达信号对地表进行二维高分辨成像提供依据。dbs利用空间采样构建了一个等效的长天线孔径，突破了实孔径技术对方位分辨率的限制，标志着合成孔径雷达(syntheticapertureradar,sar)成像技术的诞生。sar利用雷达与目标之间的相对运动获取不同时刻、不同空间位置的观测信息，通过相干处理实现方位高分辨成像。与光学成像相比，sar成像具有全天时、全天候和远距探测等优点。根据工作平台的不同，sar可以分为机载sar、星载sar、弹载sar、车载sar和球载sar等。同时sar系统根据具体工作模式的不同又分为条带sar、聚束sar、循序扫描地形观测(terrainobservationbyprogressivescans,tops)sar以及滑动聚束sar，并且每种工作模式又可以衍生出正侧视和斜视两种几何构型。其中，正侧视条带sar是最常见的工作模式，在该模式下，雷达安装于搭载平台，天线指向角度固定，当雷达沿直线运动时，天线波束均匀扫过地面，形成带状观测区域。在正侧视条件下，雷达波束中心线与测绘带垂直，设雷达在方位向波束角宽度为θ，合成孔径的长度为l。建立雷达-目标坐标系，以雷达坐标为(x,0)、目标p的坐标为p(x0,y0)，雷达沿x轴做匀速运动，速度为v，设探测区域内有一点目标p(x0,y0)，雷达到目标的距离为r(t)，最短径向距离设为r0，则时刻t雷达到目标的瞬时距离为：其中x＝vt，在理想运动条件下，且当目标点和雷达满足r0＞＞(x0-x)时，用菲涅尔近似对式(1)进行简化得：假设雷达发射连续正弦波s(t)＝aexp(jωct)，则理想点目标回波信号r(t)为：r(t)＝aexp[jωc(t-τ)](3)式中，a为天线幅度增益，ωc为发射信号的载频，τ＝2r(t)/c为目标回波信号延迟，c为光速。对式(3)进行相干检波并幅度归一化得：r(t)＝exp[-jωcτ](4)在sar孔径合成过程中，雷达与目标发生相对运动，即回波存在多普勒频移，对式(4)的相位求导数可得目标方位向回波的多普勒频率为：从式子(5)可以看出回波信号在方位向上为线性调频信号，对式(5)求导数可得多普勒调频率：由于受天线相位方向图的影响，sar方位积累过程中通常考虑3db波束宽度的积累角，因此合成孔径长度、波束角以及目标径向垂直距离的关系近似满足l≈r0θ，则相干积累时间t≈l/v。由多普勒调频率可以得出多普勒带宽，即由式(7)可进一步得到系统的方位向分辨率为：由式(8)不难发现，当发射信号一定的条件下，系统方位分辨率与积累角成反比。积累角越大，合成孔径越长，方位分辨率就越高。与方位分辨率相比，sar距离向分辨率ρr只与发射信号带宽b相关，即ρr＝c/2b。因此，sar系统在系统参数和几何配置一定的条件下，增大积累角有利于系统成像分辨率的提高。随着积累角的逐渐增大，系统方位分辨率逐渐提高，当积累约束突破天线3db波束限制时，由天线相位方向图引入的相位不一致性误差将变得无法忽略，就会造成图像分辨率降低的情况发生。申请号为cn201210166779.5的专利文献公开了一种线性调频连续波雷达高度表的数字化处理方法，属于无线电高度表领域，包括步骤一：从雷达高度表的前端正交混频器得到差拍信号，进行a/d采样得到数字信号序列；步骤二：对数字信号序列进行傅里叶变换并计算谱线的幅度；步骤三：根据幅度谱谱线幅度进行判决并测量数字信号序列的差拍频率；步骤四：进行频谱细化，计算出锯齿波斜率修正量，对锯齿波电压信号的斜率进行修正；步骤五：根据锯齿波电压信号斜率计算当前高度表的高度值。但是依然没有解决上述问题。因而现有的雷达成像技术还存在不足，有待改进和提高。技术实现要素：鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法和系统，能够解决在大积累角条件下直线合成孔径雷达方位分辨率受天线相位方向图不一致性影响而下降的问题。为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：一种基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法，包括步骤：s1、对直线合成孔径雷达天线方向图进行精确测量，获得雷达天线相位特性矩阵；s2、对雷达探测区域进行成像网络剖分，形成若干成像像素点；确定直线合成孔径雷达的所有直线合成孔径位置；s3、获取所述直线合成孔径雷达在单一所述直线合成孔径上波束照射范围内的所有所述成像像素点，计算每个所述成像像素点与所述直线合成孔径之间的距离延迟、方位角与俯仰角；s4、根据步骤s3中每个所述成像像素点的所述方位角和所述俯仰角结合所述雷达天线相位特性矩阵计算得到每个像素点的相位补偿因子；多个所述相位补偿因子形成相位补偿矩阵；s5、所述直线合成孔径雷达对每个所述成像像素点的采样回波进行脉冲压缩处理得到所述一维距离像；s6、根据所述距离延迟将所述一维距离像中的复数值投影至相应的所述成像像素点，同时对所述成像像素点进行多普勒相位和剩余视频相位的空变补偿，得到所述成像像素点的补偿图像；s7、将得到所述补偿图像与所述相位补偿矩阵进行复共轭相乘，得到所述直线合成孔径的所述子图像；s8、将步骤s2中确定的所有所述直线合成孔径均执行步骤s3-s7，将各个所述直线合成孔径得到的所述子图像进行相干叠加得到最终成像。优选的所述的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法，所述步骤s5中，所述一维距离像的获取步骤为：s51、所述直线合成孔径雷达对采样回波进行混频和幅度归一化后，得到差频信号；s52、进而对所述差频信号进行傅立叶变换后得到采样回波频谱；s53、再根据频率与目标距离的对应关系，得到所述采样回波的一维距离像。优选的所述的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法，所述步骤s51中，所述差频信号的求解公式为：所述采样回波信号表达式为：其中，t为时刻；r为时刻t直线合成孔径雷达到目标的瞬时距离；c为光速；tp为信号脉冲；kr表示调频斜率；α为方位角；β为俯仰角；ω(α,β)为天线相位因子，即在方位角α和俯仰角β方向上天线的相位值；所述差频信号的表达式为：其中，fc为发射信号的载频。优选的所述的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法，所述步骤s52中，所述采样回波频谱的表达式为：其中，f为频率。优选的所述的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法，所述步骤s53中，所述频率与目标距离的对应关系表达是为：f＝2rkr/c；其中，f为频率；kr表示调频斜率；c为光速；r为目标距离。优选的所述的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法，所述一维距离像的表达式为：其中，r为目标距离；kr表示调频斜率；c为光速；ω(α,β)为天线相位因子；r为时刻t直线合成孔径雷达到目标的瞬时距离。优选的所述的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法，在所述步骤s2中，所述直线合成孔径的数量根据方位采样间隔和雷达扫描探测范围确定。优选的所述的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法，在所述步骤s3中，在计算所述成像像素点的俯仰角时，叠加当前雷达天线探测俯视角进行计算。一种使用所述的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法的直线合成孔径雷达成像系统，直线合成孔径雷达装设在可移动装置上，所述可移动装置用于按照预定的直线合成孔径移动。优选的所述的直线合成孔径雷达成像系统，所述可移动装置按照预定的直线合成孔径直线移动。相较于现有技术，本发明提供的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法和系统，具有以下有益效果：本发明通过对成像区域进行剖分得到若干成像像素点，进而基于若干所述成像像素点进行补偿，实现对天线相位方向图的相位不一致性的补偿，将由天线相位方向图引入的相位不一致性误差进行消除，突破了3db波束角的限制，提高了直线孔径sar大积累角条件下的方位分辨率，改善了二维成像质量。附图说明图1是本发明提供的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法的流程图；图2是本发明提供的直线sar测量几何示意图；图3是本发明提供的成像仿真得到的天线相位方向图；图4是本发明提供的点目标未叠加天线相位方向图二维成像结果；图5是本发明提供的图4点目标二维图像的一维剖面图；图6是本发明提供的点目标叠加天线相位方向图二维成像结果；图7是本发明提供的图6点目标二维图像的一维剖面图；图8是本发明提供的基于像素点的天线相位方向图补偿点目标二维成像结果；图9是本发明提供的图8点目标二维图像的一维剖面图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请一并参阅图1-图9，本发明提供一种基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法，包括步骤：s1、对直线合成孔径雷达天线方向图进行精确测量，获得雷达天线相位特性矩阵；s2、对雷达探测区域进行成像网络剖分，形成若干成像像素点；确定直线合成孔径雷达的所有直线合成孔径位置；具体的，所述雷达探测区域是雷达波束扫描过的区域，在本实施例中，使用直线合成孔径雷达进行探测，所述直线合成孔径雷达沿直线移动，则形成的是长方形的探测区域，将所述探测区域进行网络剖分对探测区域进行细化处理，进而能够基于对每个所述成像像素点的补偿，实现对探测区域进行精细化补偿，进而提高在大积累角条件下的方位分辨率；剖分的精度视现场的具体情况进行设定，本发明不做限定；直线合成孔径是所述直线合成孔径雷达在探测过程中形成的合成孔径，在本实施例中，所述直线合成孔径是每个直线合成孔径的中线位置；s3、获取所述直线合成孔径雷达在单一所述直线合成孔径上波束照射范围内的所有所述成像像素点，计算每个所述成像像素点与所述直线合成孔径之间的距离延迟、方位角与俯仰角；所述距离延迟是所述直线合成孔径雷达发出的发射信号与相应接收信号之间的时延，即距离向接收时延；s4、根据步骤s3中每个所述成像像素点的所述方位角和所述俯仰角结合所述雷达天线相位特性矩阵计算得到每个像素点的相位补偿因子；多个所述相位补偿因子形成相位补偿矩阵；s5、所述直线合成孔径雷达对每个所述成像像素点的采样回波进行脉冲压缩处理得到所述一维距离像；s6、根据所述距离延迟将所述一维距离像中的复数值投影至相应的所述成像像素点，同时对所述成像像素点进行多普勒相位和剩余视频相位的空变补偿，得到所述成像像素点的补偿图像；s7、将得到所述补偿图像与所述相位补偿矩阵进行复共轭相乘，得到所述直线合成孔径的所述子图像；s6、将步骤s2中确定的所有所述直线合成孔径均执行步骤s3-s5，将各个所述直线合成孔径得到的所述子图像进行相干叠加得到最终成像。具体的，本发明提供的直径合成孔径雷达成像方法首选根据成像区域和方位孔径位置计算每个成像像素点对应当前孔径的方位角与俯仰角；然后依据天线相位方向图计算天线相位方向图相位补偿因子；最后在二维成像积累过程中对每个像素点进行天线相位方向图相位补偿。能够有效解决天线相位方向图相位不一致性而造成直线合成孔径雷达方位向聚焦不佳的问题，通过对像素点进行的天线相位方向图空变相位补偿，降低了天线相位方向图相位不一致性对雷达系统方位聚焦和目标rcs(radarcrosssection，雷达散射截面)散射特性影响，增大了直线合成孔径雷达成像方位积累角，突破了常规直线合成孔径雷达3db波束宽度的成像制约，提高了方位分辨率，改善了目标成像质量。应当说明的是，所述积累角为雷达检测中的天线波束角，使用本发明提供的成像方法进行雷达成像，突破了所述积累角制约在3db的限制，此时所述积累角即使扩大几倍，成像依然清晰，极大的扩大了雷达检测的方位分辨率。作为优选方案，本实施例中，所述一维距离像的获取步骤包括：s51、所述直线合成孔径雷达对采样回波进行混频和幅度归一化后，得到差频信号；其中，所述采样回波信号表达式为：其中，t为时刻；r为时刻t直线合成孔径雷达到目标的瞬时距离；c为光速；tp为信号脉冲；kr表示调频斜率；α为方位角；β为俯仰角；ω(α,β)为天线相位因子，即在方位角α和俯仰角β方向上天线的相位值；所述差频信号的表达式为：其中，fc为发射信号的载频；s52、进而对所述差频信号进行傅立叶变换后得到采样回波频谱；其中，所述采样回波频谱的表达式为：其中，f为频率；s53、再根据频率与目标距离的对应关系f＝2rkr/c，得到所述采样回波的一维距离像，一维距离像的表达式为：其中，r为目标距离。上述所有公式中，相同的项均表达相同的物理量，未重复标示。具体的，下面结合附图并举例对本发明进行详细描述。图2给出了本发明直线sar的测量几何示意图，表1给出了参与测试的直线孔径sar系统的几何参数。表1直线sar系统、几何参数参数名称符号参数值载频fc10ghz发射信号带宽b1ghz信号脉宽tp800us调频率krkr＝b/tp积累角θ50°光速c3×108m/s目标坐标(x0,y0,z0)(0,200,-100)请着重参阅图1，所述直线合成孔径雷达沿x轴正向(箭头方向)匀速运动，t时刻的坐标为(x,y,z)，直线合成孔径雷达测量几何如图1所示。假设理想点目标p位于探测区域的中心，坐标为(x0,y0,z0)，所述直线合成孔径雷达发射调频连续波信号，收发天线共用同一个雷达天线(即所述调频连续波信号的发射点和采样回波的接收点为相同的位置，例如在图1中为坐标(x,y,z))，可以得到雷达天线的相位方向图的相位特性因子为exp[jω(α,β)]，点目标p的采样回波信号sr(t)可表示为：此时，根据所述采样回波信号和发射信号(即调频连续信号)经过混频和幅度归一化后得到的差频信号为：其中，为t时刻直径合成孔径雷达与目标p之间的瞬时径向距离，kr表示调频斜率。在一个周期内，r为一常数；所述差频信号表达式中，为第一项，表示所述瞬时径向距离所对应的相位；为第二项，表示回波的多普勒效应，这是进行方位向脉压所必须处理的；为第三项，是解线性调频方法所特有，称为剩余视频相位，一般为常数：当第三项为常数时，需要补偿的相位项可表示为：对式(2)进行傅立叶变换得采样回波频谱：根据频率与目标距离的对应关系f＝2rkr/c，可以得到采样回波一维距离像的表达式为：从式(5)可以看出：当目标与直线合成孔径雷达相对固定时，雷达天线相位方向图相位特性因子均可视为常数。由于雷达天线的相位方向图相位特性因子是关于方位角α和俯仰角β的空变函数，因此需要在成像过程中逐像素点进行补偿。以下结合图2-图9，使用后向投影(backprojection,bp)算法为例对基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法进行详细说明：1)根据表1中的几何参数进行直线合成孔径雷达进行设定，设定后的直线合成孔径雷达的天线方向图如图3所示，所述直线合成孔径雷达(x,y,z)在t时刻与点目标p(x0,y0,z0)之间的位置关系如图2所示，计算此时点目标p在对应所述直线合成孔径雷达在此位置形成的孔径的方位角α和俯仰角β，在仿真回波上叠加雷达天线相位方向图的相位特性因子；2)对所有直线合成孔径的采样回波均进行脉冲压缩处理，即均执行步骤s511-s513得到所述直线合成孔径雷达位于所有直线合成孔径的一维距离像；此处应当说明，所述直线合成孔径的数量根据方位采样间隔和雷达扫描探测范围进行确定，数量设为n；3)对雷达探测区域进行成像网络剖分，得到若干成像像素点；4)计算成像网格中各个所述成像像素点到第i个所述直线合成孔径的距离延迟、方位角和俯仰角；具体的，每个所述直线合成孔径均对应多个所述成像像素点；5)根据步骤4计算的距离延迟将第i(1≤i≤n)个方位孔径对应的一维距离像的复数值投影至成像网格中对应像素点，同时对各像素点进行多普勒相位和剩余视频相位的空变补偿，获取第i个补偿图像；6)根据步骤4计算的方位角和俯仰角，结合所述雷达天线相位特性举证(由所述天线方位图得到)得到每个所述成像像素点的相位补偿因子，进而整合成所述相位补偿矩阵，并对步骤5)获取的第i个所述补偿图像进行复共轭相乘，完成天线相位方向图相位补偿得到第i个所述直线合成孔径的子图像；7)重复步骤4)至步骤6)，直至遍历n个方位孔径，然后将n个子图像进行相干叠加完成最终成像处理。综上，设天线相位方向图相位特性因子为exp[jω(α,β)]，其中α和β分别对应点目标p在当前方位孔径下的方位角与俯仰角，那么理想点目标回波信号r(t)则变为：r(t)＝exp[jω(α,β)]exp[jωc(t-τ)]；由于采样回波叠加的天线相位方向图相位特性因子是关于方位角α和俯仰角β的空变函数，而非关于时间t的时变函数，因此天线相位方向图相位补偿可考虑在二维时域成像过程中进行补偿。不难发现，通过对天线相位方向图相位一致性的补偿，能够增大方位积累角，改善sar方位分辨率。图3为本发明示例仿真所使用的仿真天线相位方向图。图4-图9给出了利用本发明实现的点目标仿真成像结果。图4和图5分别为无天线相位方向图影响的点目标二维成像结果和一维剖面图，即结果目标图。图6和图7分别为增加天线相位方向图影响的点目标二维成像结果和一维剖面图，即本领域传统的简单叠加天线相位方向图的结果，从结果可以看出，天线相位方向图的相位不一致性影响了目标的方位向聚焦。图8和图9分别为利用本发明得到的点目标二维成像结果和一维剖面图。可以看出，本发明能够有效补偿天线相位方向图的相位不一致性，实现目标的精确聚焦。表2给出了三种仿真条件下的成像分辨率分析结果，对比可知，天线相位方向图相位不一致性会造成二维分辨率的降低，而通过本发明则可以获取与理论分辨率基本一致的成像效果。表2成像分辨率对比表相应的，本发明还提供一种使用所述的基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法的直线合成孔径雷达成像系统，直线合成孔径雷达装设在可移动装置上，所述可移动装置用于按照预定的直线合成孔径移动。作为优选方案，本实施例中，所述可移动装置按照预定的直线合成孔径直线移动。作为优选方案，本实施例中，所述步骤s2中，多个预定的直线合成孔径按照顺序呈一条直线排列。作为优选方案，本实施例中，在所述步骤s2中，所述直线合成孔径的数量根据方位采样间隔和雷达扫描探测范围确定。作为优选方案，本实施例中，在所述步骤s3中，在计算所述成像像素点的俯仰角时，叠加当前雷达天线探测俯视角进行计算。具体的，在所述成像系统实施过程中，在应用所述基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法的流程为成像过程中实时补偿，具体请参阅上述实施例。可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。当前第1页12