基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达与流程

本发明涉及雷达成像领域，尤其涉及基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达。

背景技术：

合成孔径雷达(syntheticapertureradar,sar)是一种全天时、全天候、高分辨率的成像雷达，被广泛应用在遥感领域。由于sar图像具有相位信息，因此可以通过对sar图像序列的干涉处理，实现对成像区域形变信息的非接触式的高精度提取。鉴于sar系统的上述优势，它成为了地面形变监测的重要手段之一。但是传统的sar系统多搭载在卫星和飞机等平台上，这使得雷达的重访时间很长，不能对特定目标持续监测。地基sar(groundbasedsar,gbsar)是一种小型化、低成本的sar系统，可实现对特定区域的持续观测。它的重访周期短，监测精度高，结合干涉和差分干涉技术，可以对一个特定场景长时间连续形变监测，被广泛应用于塌陷、滑坡等灾害预警。然而，通常gbsar都安装在直线轨道上，由于轨道长度有限，gbsar在方位向的观测范围受到了限制。另一种在上世纪90年代初提出的旋转式合成孔径雷达(rotorsar,rosar)，通过将雷达置于旋转机械臂上，从而获得了更广的观测范围。rosar通常安装在直升机旋翼上，并使用脉冲形式的信号，这使得rosar的系统十分复杂。基于rosar的运动形式，一种使用调频连续波(frequencymodulatedcontinuouswave,fmcw)体制的改进的旋转式sar在2012年被提出，并命名为圆弧sar(arc-sar)。

arc-sar通过附在旋臂末端的天线旋转生成合成孔径，在保证系统分辨率的前提下，能够在一次观测中覆盖周边360°大范围场景。尽管近年来arc-sar的可行性及独特优势已经被验证，但它的成像算法研究仍存在难点：arc-sar的天线运动轨迹为弧线，这种特殊的运动轨迹给成像算法增加了难度。目前处理弧线运动轨迹的算法是针对圆迹sar的，但圆迹sar与arc-sar几何模型不同(圆迹sar是围绕探测区域做弧线运动从而获取该区域的sar图像。arc-sar是通过旋转天线对平台周围区域进行成像)，因此针对圆迹sar的成像算法不适用于arc-sar。使用时域成像算法虽然能够得到arc-sar的高精度成像结果，但时域成像算法计算效率较低。2019年3月，北方工业大学林赟等人(旋转扫描地基sar大视场快速成像算法，信号处理，第35卷，第3期)提出了一种适用于arc-sar的二维频率算法，成像精度与时域算法相当。

对于sar系统而言，方位积累角越大，方位多普勒带宽越大，方位分辨率就越高。2014年luoy等人(arcfmcwsarandapplicationsingroundmonitoring[j].ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing,2014,52(9):5989–5998)推导出了arc-sar方位向的角分辨率和空间分辨率，对于固定目标点而言，系统的积累角越大，上述分辨率越高。但在实际工程应用中，sar二维成像算法的研究与实现，大多以成像积累角不大于天线3db波束宽度为限制条件，以避免天线相位方向图不一致性造成方位分辨率的下降，进而影响成像质量。由于天线相位方向图具有空变性，即波束照射范围内的空间任一点的附加天线相位均不同，是关于目标方位角α和俯仰角β的空变函数，使得雷达天线波束照射范围内的各目标点雷达散射截面积(radarcrosssection,rcs)均附加了一个空变的非相干相位误差，在arc-sar系统方位累积过程中影响目标回波在方位向的相干累积，造成方位分辨率的降低。

申请号为cn201610846537.9的专利文献公开了一种适用于圆周合成孔径雷达快速时域成像方法，整个流程包括三个处理步骤：第一步，子孔径划分与初始子图像生成；第二步，循环递归子孔径合并和子图像生成；第三步，全孔径合并和最终图像生成。但还是没有有效解决上述问题。

因而现有的圆弧合成孔径雷达成像领域存在不足，还有待改进和提高。

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相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达，能够解决大积累角条件下圆弧合成孔径雷达方位分辨率受天线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：

一种基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，包括步骤：

s1、对圆弧孔径雷达的天线方向图进行精准测量，获得雷达天线相位特性矩阵；

s2、将圆弧孔径雷达固定在预定位置，对雷达探测区域进行成像网络剖分，形成若干成像像素点；并将所述圆弧合成孔径雷达的摆臂旋转形成的圆弧划定多个圆弧合成孔径，同时对每个所述圆弧孔径位置的采样回波进行脉冲压缩，得到一维距离像；

s3、获取所述圆弧合成孔径雷达在单一所述圆弧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圆弧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、根据步骤s3中所述成像像素点的所述距离延迟和所述步骤s2得到的所述圆弧合成孔径的一维距离像，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，同时对各个所述成像像素点进行空变补偿，进而与步骤s4得到的所述相位补偿矩阵复共轭相乘得到当前所述圆弧合成孔径的子图像；

s6、将步骤s2中确定的所有所述圆弧合成孔径均执行步骤s3-s5，将各个所述圆弧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相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤s5具体包括：

s51、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；

s52、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，得到所述圆弧合成孔径的所述子图像。

优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，步骤s2中，所述一维距离像的获取步骤包括：

s21、所述圆弧合成孔径雷达对采样回波根据雷达发射信号进行混频后，得到差频信号；

s22、对所述差频信号进行去斜处理，得到时域信号；

s23、对所述时域信号进行傅立叶变换得到采样回波频谱；

s24、根据频率与目标距离的对应关系，得到采样回波的一维距离像。

优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤s21中，所述差频信号的求解过程为：

所述雷达发射信号st(t)的表达式为：

其中，fc为载频；tp为信号脉宽；t为快时间；θ(α,β)为天线相位因子；kr为调频率；α为雷达照射目标的方位角；β为雷达照射目标的俯仰角；

所述采样回波的表达式为：

其中，c为光速；r(η)为目标与雷达之间的瞬时斜距；τ0为悬臂旋转起始时刻；η＝τn+t，为悬臂以角速度ω旋转一定角度后的当前时刻，τn为慢时间；

所述瞬时斜距r(η)可表示为：

其中，r0为雷达转臂旋转轴中心到目标的距离；l为悬臂长度；

混频后的差频信号为：

其中，rδ为距离差值，rδ＝r(η)-rref；rref为参考距离。

优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤s22中，所述时域信号的表达式为：

其中，r0为雷达转臂旋转轴中心到目标的距离；rδ为距离差值，rδ＝r(η)-rref；rref为参考距离；τ0为起始时刻；θ(α,β)为天线相位因子；tp为信号脉宽；kr为调频率。

优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤s23中，所述傅立叶变换的计算公式为：

其中，θ(α,β)为天线相位因子；tp为信号脉宽；kr为调频率。

优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤s24中，所述对应关系公式为：

f＝2rkr/c；

所述一维距离像的计算公式为：

其中，f为傅立叶频率；r为目标距离；c为光速；kr为调频率。

优选的所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，所述步骤s2中，所述圆弧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相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，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。

一种圆弧合成孔径雷达，使用所述的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法进行雷达成像。

相较于现有技术，本发明提供的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法和雷达，具有以下有益效果：

本发明是通过对天线方向图的成像区域进行网络剖分，进而对形成的各个成像像素点进行相位不一致性的补偿，使arc-sar的成像突破了天线3db波束角的限制，增大了arc-sar成像积累角，提高了系统方位分辨率，改善了系统成像质量。

附图说明

图1是本发明提供的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法流程图；

图2是本发明提供的arc-sar测量几何示意图；

图3是本发明提供的成像仿真的天线方相位向图；

图4是本发明提供的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中点目标二维图像的一维剖面图；

图6是本发明提供的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中点目标二维图像的一维剖面图

图8是本发明提供的基于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相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，包括步骤：

s1、对圆弧孔径雷达的天线方向图进行精准测量，获得雷达天线相位特性矩阵；

s2、将圆弧孔径雷达固定在预定位置，对雷达探测区域进行成像网络剖分，形成若干成像像素点；并将所述圆弧合成孔径雷达的摆臂旋转形成的圆弧划定多个圆弧合成孔径；具体的，所述摆臂旋转形成的圆弧可以是一段扇形弧线，也可以是360°的完整圆形弧线；优选的，所述圆弧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；

s3、获取所述圆弧合成孔径雷达在单一所述圆弧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圆弧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、根据步骤s3中所述成像像素点的所述距离延迟得到所述圆弧合成孔径的一维距离像，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，同时对各个所述成像像素点进行空变补偿，进而根据所述相位补偿矩阵得到当前所述圆弧合成孔径的子图像；

s6、将步骤s2中确定的所有所述圆弧合成孔径均执行步骤s3-s5，将各个所述圆弧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，本发明提供了一种基于天线相位方向图补偿的基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，首先根据成像区域和圆弧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补偿。对于一个确定的雷达天线而言，其天线相位方向图就是确定的，可以通过电磁仿真计算或天线方向图测量得到。显然，天线相位方向图是关于方位角α和俯仰角β的空变函数，而非关于时间t的时变函数，因此天线方向图幅相补偿可在成像过程进行补偿。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。本发明能够有效解决天线相位方向图相位不一致性而造成arc-sar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散射特性影响，增大了arc-sar成像方位积累角，突破了sar系统受天线3db波束宽度的成像制约，提高了方位分辨率，改善了系统成像质量。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，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，所述步骤s5具体包括：

s51、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；

s52、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，得到所述圆弧合成孔径的所述子图像。

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：

s21、所述圆弧合成孔径雷达对采样回波根据雷达发射信号进行混频后，得到差频信号；其中，所述差频信号的求解过程为：

所述雷达发射信号st(t)的表达式为：

其中，fc为载频；tp为信号脉宽；t为快时间；θ(α,β)为天线相位因子；kr为调频率；α为雷达照射目标的方位角；β为雷达照射目标的俯仰角；

所述采样回波的表达式为：

其中，c为光速；r(η)为目标与雷达之间的瞬时斜距；τ0为悬臂旋转起始时刻；η＝τn+t，为悬臂以角速度ω旋转一定角度后的当前时刻，τn为慢时间；

所述瞬时斜距r(η)可表示为：

其中，r0为雷达转臂旋转轴中心到目标的距离；l为悬臂长度；

混频后的差频信号为：

其中，rδ为距离差值，rδ＝r(η)-rref；rref为参考距离；

s22、对所述差频信号进行去斜处理，得到时域信号，所述时域信号的表达式为：

其中，r0为雷达转臂旋转轴中心到目标的距离；rδ为距离差值，rδ＝r(η)-rref；rref为参考距离；τ0为起始时刻；θ(α,β)为天线相位因子；tp为信号脉宽；kr为调频率；

s23、对所述时域信号进行傅立叶变换得到采样回波频谱：

其中，θ(α,β)为天线相位因子；tp为信号脉宽；kr为调频率；

s24、根据频率与目标距离的对应关系f＝2rkr/c，得到采样回波的一维距离像：

其中，f为傅立叶频率；r为目标距离；c为光速；kr为调频率。

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，上述所有公式中，相同字母代表的含义相同，未释明的请参照前述内容。

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arc-sar的测量几何示意图，表1给出了arc-sar系统成像仿真参数。

表1arc-sar系统成像几何参数

arc-sar成像几何模型如图2所示，假设远处存在目标点p，图2中标识的坐标是时刻-距离坐标，雷达至目标p的俯视角为β，天线转动的角速度为ω，转臂长度为l，转臂旋转轴中心到目标的距离为r0，起始时刻为τ0，r(η)为雷达与目标p的瞬时斜距，其中η＝τn+t，τn为慢时间，t为快时间，积累角设定为60°。雷达发射调频连续波信号，收发天线共用，设雷达天线方向图相位为ω(α,β)，其中α为雷达照射目标的方位角，则对应的天线相位特性因子为exp[jω(α,β)]，则雷达发射信号st(t)可表示为

则目标p的雷达的采样回波信号为：

其中目标斜距r(η)可表示为：

经过混频后的差频信号为：

其中，rδ＝r(η)-rref，kr表示调频斜率，rref表示参考距离，tp表示脉冲调制周期，fc表示载波频率，即载频，r(η)表示目标真实距离，c表示光速。

在一个周期内，rδ为一常数，上述第一项表示距离所对应的相位；第二项和第三项为常数：

其中，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；第三项是解线性调频方法所特有，称为剩余视频相位。所以需要补偿的相位项可表示为：

其中表示瞬时频率。

那么去斜后的时域信号为：

对式(6)进行傅里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，得到采样回波一维距离像可转换为下式：

从式(8)可以看出：当目标与雷达相对固定时，天线方向图相位特性因子均可视为常数。由于天线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。下面以后向投影(backprojection,bp)算法为例对本发明方法进行简要说明。

1)根据表1参数仿真点目标回波，计算目标在对应孔径下的方位角α和俯仰角β，在仿真回波上叠加天线方向图的相位特性因子；

2)对所有方位采样回波进行脉冲压缩处理，得到各圆弧合成孔径的一维距离像；具体的，所述一维距离像的获取优选采用上述步骤s511-s513步骤得到，其中给的所述脉冲压缩处理也是本领域的常用技术手段，不做限定；此处应当说明，所述圆弧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)对成像区域进行网格划分；

4)计算成像网格各像素点到第i(1≤i≤n)个所述圆弧合成孔径位置的距离延迟、方位角和俯仰角；

5)根据步骤4计算的距离延迟将第i个圆弧合成孔径对应的一维距离像投影至成像网格对应像素点，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，结合天线实测方向图获取相位补偿矩阵，并对步骤5)获取的第i个补偿图像进行复共轭相乘，完成天线方向图相位补偿得到第i个圆弧合成孔径的子图像；

7)重复步骤4)至步骤6)，直至遍历n个圆弧合成孔径，然后将n个补偿后的子图像进行相干叠加完成最终成像处理。

图3为本发明示例仿真所使用的仿真天线方向图。图4-图9给出了利用本发明实现的点目标仿真成像结果与不使用本发明提供的成像方法的仿真结果对比图。图4和图5分别为无天线方向图影响的点目标二维成像结果和方位向一维剖面图。图6和图7分别为增加天线方向图影响的点目标二维成像结果和方位向一维剖面图，从结果可以看出，天线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方位向一维剖面图。可以看出，本发明能够有效补偿天线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方位向成像性能分析结果，对比可知，天线方向图相位不一致性会造成方位成像质量的降低，而通过本发明则可以在积累角为60°(可以设定更高范围，积累角的上下限不做限定)的情况下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，本发明还提供一种圆弧合成孔径雷达，使用上述基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法进行雷达成像，能够降低天线相位方向图相位不一致对雷达系统方位聚焦和目标rcs散射特性影响，增大了arc-sar成像方位积累角，突破了sar系统受天线3db波束宽度的成像制约，提高了方位分辨率，改善了系统成像质量。

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。