基于模式变异的多模式合成孔径雷达回波信号仿真方法与流程

本发明属于雷达信号处理领域，具体涉及合成孔径雷达回波信号的仿真技术，特别是一种基于模式变异的多模式合成孔径雷达回波信号仿真方法。

背景技术：

sar(syntheticapertureradar，合成孔径雷达)回波信号仿真器是sar系统开发、成像算法创新、教学目的等的重要工具。随着多种sar数据获取模式越来越多地得到应用，例如条带模式、tops(terrainobservationbyprogressivescans,循序扫描对地观测)模式、滑动聚束模式、聚束模式等，多模式sar回波信号仿真技术的研究受到广泛关注。

目前，现有技术能够针对某一种特定的sar数据获取模式，仿真sar回波信号，如文献g.franceschetti,r.guida,a.iodice,d.riccio,andg.ruello,“efficientsimulationofhybridstripmap/spotlightsarrawsignalsfromextendedscenes(针对扩展场景的混合条带/聚束模式sar原始信号高效仿真技术),”ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing(地球科学与遥感学报),42卷,11期,2385–2396页,2004年11月.和文献w.xu,y.deng,f.feng,y.liu,andg.li,“topsmoderawdatagenerationfromwide-beamsarimagingmodes(从宽波束条带模式sar产生tops模式sar原始信号),”ieeegeoscienceandremotesensingletters(地球科学与遥感快报),9卷,4期,720–724页,2012年7月.等中公开的技术。然而，针对多种不同sar数据获取模式，仍然必须分别设计、实现各自不同的sar回波信号仿真器，这无疑是繁杂的工作。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种基于模式变异的多模式合成孔径雷达回波信号仿真方法，该方法用统一的框架和流程仿真多种不同数据获取模式(包括条带模式、tops模式、滑动聚束模式、聚束模式等)条件下的sar回波信号，可极大简化多模式sar回波信号仿真器的设计、实现工作。

为了达到上述目的，本发明首先仿真条带模式的sar回波信号(或计算条带模式的sar传递函数)，而后通过在距离频域-方位时域中对sar回波信号(或sar传递函数)沿着方位向进行带通滤波，实现sar数据获取模式的变异，最终达到利用统一的方式仿真多模式sar回波信号的目的。本发明采取的技术方案有两种实现方式。

本发明基于模式变异的多模式合成孔径雷达回波信号仿真方法，第一种实现方式如下：

步骤一：仿真计算条带模式sar回波信号。

步骤二：对步骤一得到的条带模式sar回波信号进行距离向傅里叶变换，得到条带模式sar回波信号的距离频谱。

步骤三：对步骤二得到的条带模式sar回波信号的距离频谱沿着方位向进行带通滤波。其中，带通滤波器的设计决定了本方法最终得到的sar回波信号所对应的数据获取模式。

步骤四：对步骤三得到的计算结果进行距离向逆傅里叶变换，即可得到所需要的sar回波信号。

本发明基于模式变异的多模式合成孔径雷达回波信号仿真方法，第二种实现方式如下：

步骤一：计算条带模式的sar传递函数。

步骤二：对步骤一得到的条带模式sar传递函数沿着方位向进行带通滤波。其中，带通滤波器的设计决定了本方法最终得到的sar回波信号所对应的数据获取模式。

步骤三：将步骤二所得结果与sar发射信号距离频谱进行点对点相乘。

步骤四：对步骤三所得结果沿着距离向进行逆傅里叶变换，即可得到所需要的sar回波信号。

本发明的有益效果主要在于：

第一，利用统一的框架和流程仿真多种不同数据获取模式条件下的sar回波信号，可极大简化多模式sar回波信号仿真器的设计、实现工作。

第二，在距离频域方位时域进行信号处理，使得本发明方法具有较高的计算精度，具有对多种sar数据获取模式的适用性(如条带模式、tops模式、聚束模式、滑动聚束模式等)。

附图说明

图1是sar成像在二维斜距平面上的几何示意图。

图2a、b是本发明方法流程图。

图3是以本发明方法仿真tops模式和滑动聚束模式的sar回波信号时，点目标回波信号相比其理论值的相位误差。

图4是以本发明方法仿真tops模式和滑动聚束模式的sar回波信号时，雷达天线方位向方向图。

图5a～图5f是以本发明方法仿真tops模式的sar回波信号时，点目标回波信号经雷达成像处理所得的图像结果。

图6a～图6f是以本发明方法仿真滑动聚束模式的sar回波信号时，点目标回波信号经雷达成像处理所得的图像结果。

图7是以本发明方法仿真tops模式的sar回波信号时，扩展场景目标回波信号经雷达成像处理所得的图像结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释。

令雷达的位置坐标为描述目标电磁特性的任一散射中心的位置坐标为图1展现了sar成像在二维斜距平面上的几何示意图，不妨令其中x轴正方向为雷达平台运动方向；令

为了以统一的框架和流程仿真多种不同数据获取模式条件下的sar回波信号，本发明可采用如图2所示的两种实现方式，每一种实现方式包含四个步骤。

本发明基于模式变异的多模式合成孔径雷达回波信号仿真方法，如图2a所示，第一种实现方式如下：

步骤一：仿真计算条带模式sar回波信号。条带模式sar回波信号的仿真可利用多种公开的技术，如g.franceschetti,m.migliaccio,d.riccio,andg.schirinzi,“saras:asyntheticapertureradar(sar)rawsignalsimulator(saras:一种合成孔径雷达原始信号仿真器),”ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing(地球科学与遥感学报),30卷,1期,110–123页,1992年1月.中提出的频域仿真方法，或a.s.khwaja,l.ferro-famil,ande.pottier,“efficientsarrawdatagenerationforanisotropicurbanscenesbasedoninverseprocessing(基于逆处理的城市场景sar原始信号高效生成方法),”ieeegeoscienceandremotesensingletters(地球科学与遥感快报),6卷,4期,757–761页,2009年10月.中提出的逆成像方法等。

步骤二：对步骤一得到的条带模式sar回波信号进行距离向傅里叶变换，得到条带模式sar回波信号的距离频谱。

步骤三：对步骤二得到的sar回波信号的距离频谱沿着方位向进行带通滤波。带通滤波可以通过sar回波信号的距离频谱sr(k,x,y)卷积fir(finiteimpulseresponse，有限长冲激响应)滤波器的单位冲激响应来实现，其中卷积沿着雷达x坐标进行。以数学表达式表达，带通滤波后的距离频谱与滤波前的距离频谱sr(k,x,y)存在如下关系：

其中，k＝2fr/c(单位m^-1)为快时间频率fr(单位hz)除以电磁波传播速度c的一半，本专利中称其为距离频率。∫为积分符号。

由式(1)可知，在任一x位置处，滤波后的距离频谱实质上是滤波前距离频谱sr(k,x,y)在[x-lf/2,x+lf/2]区间上加权求和的结果，其中权值函数由带通滤波器的单位冲激响应给定，lf为带通滤波器的单位冲激响应的长度。带通滤波器的设计决定了本方法最终得到的sar回波信号所对应的数据获取模式。在每一个距离频率k和雷达x坐标处，带通滤波器的中心频率kc,x和带宽bx应为

kc,x＝ksinθ0(2)

其中，θ0为当雷达位于位置时雷达天线主瓣中心的波束指向，如图1所示；θbw为雷达位于位置时雷达天线方位向波束宽度，如图1所示。带通滤波器的频谱幅度影响雷达天线方位向方向特性。

严格地讲，带通滤波器的中心频率kc,x和带宽bx都可能随着距离频率k和雷达x坐标的变化而变化，因此我们需要在针对每一个距离频率k和雷达x坐标计算单位冲激响应然而，为了减小计算量，我们可以认为带通滤波器的带宽bx不随着雷达波束指向θ0的变化而变化，并将带通滤波器的单位冲激响应简化为

其中，为θ0＝0时的基带滤波器的单位冲激响应，是带通滤波器的基带部分；kc,x如式(2)所示。

步骤四：对步骤三得到的计算结果进行距离向逆傅里叶变换，即可得到所需要的sar回波信号。

本发明第二种实现方式如下，如图2b所示：

步骤一：计算条带模式的sar传递函数。其中sar传递函数的物理意义为：以雷达发射信号作为输入信号、以雷达回波信号作为输出信号，将雷达信号的发射、传播、反射、接收等环节建模为一个线性系统，这一线性系统的频率响应即为sar传递函数。sar传递函数定义如下

其中，因式rect(·)代表一个以雷达载频所对应的距离频率k0为中心、以b＝2br/c为宽度的矩形窗，其中br为雷达发射信号带宽(单位hz)。因此，sar回波信号仿真过程中只需考虑有限距离频率k的范围，即k∈[k0-b/2,k0+b/2]。∫∫·dxsdys代表对空间中所有散射中心的二重积分；j为虚数单位；表征雷达信号在发射、传播、目标反射、接收等过程中发生的幅度衰减，且

其中，ω(·)为雷达天线方向特性引起的幅度调制；θ为当雷达位于位置时位于处的散射中心相对雷达的方向，如图1所示；θ0为当雷达位于位置时雷达天线主瓣中心的波束指向，如图1所示；σ为散射中心的后向散射系数，r(·)为雷达与散射中心之间的瞬时距离，且

其中，符号表示“定义为”；||·||符号为l2范数。

需要注意的是，θ0可以是常数亦可以是个变量，θ0如何随雷达位置(或雷达慢时间)变化是sar回波信号对应何种数据获取模式的重要决定因素。

步骤二：对步骤一得到的条带模式sar传递函数沿着方位向进行带通滤波。带通滤波可以通过sar传递函数卷积fir滤波器的单位冲激响应来实现，其中卷积沿着雷达x坐标进行。带通滤波器的设计决定了本方法最终得到的sar回波信号所对应的数据获取模式。带通滤波器的设计与本发明第一种实现方式的步骤三相同。经过带通滤波，sar传递函数所对应的数据获取模式已根据带通滤波器的设计发生响应改变。

步骤三：在对应的雷达坐标和距离频率，将步骤二所得结果与sar发射信号距离频谱进行点对点相乘。

根据sar传递函数的物理意义，如果令雷达发射信号的频谱和雷达回波信号的距离频谱分别为和我们有

因此，经过步骤三即可得到所需要的sar回波信号的距离频域方位时域谱。

步骤四：对步骤三所得结果沿着距离向进行逆傅里叶变换，即可得到所需要的sar回波信号。

图3至图7是以tops模式和滑动聚束模式为例的sar回波信号仿真实验的结果。仿真实验中，首先利用时域仿真方法仿真下表1中所示条带模式sar的回波信号，而后利用本发明方法分别得到表1中所示tops模式和滑动聚束模式的sar回波信号。

表1

实验中设定带通滤波器的基带部分为25点的gaussian函数加权的sinc函数。图3展示了本发明方法得到tops模式和滑动聚束模式时的sar回波信号与其理论值之间的相位差异。相位误差的最大值控制在0.025rad以内，这说明本发明方法产生的sar回波信号具有较高精度。图4展示了从所得tops模式和滑动聚束模式的sar回波信号推算的雷达天线方位向方向图。图5a～图5f和图6a～图6f分别展示了所得tops模式和滑动聚束模式的sar回波信号经过雷达成像处理后的雷达二维图像和一维像剖面图。三个方位向位置不同的散射中心均能够良好聚焦，再次体现了本发明方法的有效性。最后，我们利用文献“yongcailiu(刘永才),weiwang(王伟),xiaoyipan(潘小义),qixiangfu(傅其祥),guoyuwang(王国玉).inverseomega-kalgorithmfortheelectromagneticdeceptionofsyntheticapertureradar(对合成孔径雷达电磁欺骗的逆距离徙动算法),ieeejournalofselectedtopicsonappliedearthobservationandremotesensing(地球观测与遥感专题期刊),2016年,9卷(7)期:3037-3049页”中公开的技术仿真一个扩展场景的条带模式sar回波信号，再利用本发明方法仿真tops模式sar回波信号，经雷达成像处理所得的图像结果如图7所示。