本发明专利技术公开一种频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法，主要解决现有技术在高分辨成像模式下测绘带宽受限问题。其实现步骤是：1.设计频率分集阵列的频率增量；2.频率分集阵列根据频率增量确定并发射信号集；3.频率分集阵列接收回波信号，并对该回波信号依次进行矢量化输出和接收波束形成，得到回波信号的快拍矢量；4.对回波信号的快拍矢量进行距离解模糊，得到无距离模糊的回波信号；5.对无距离模糊的回波信号进行成像，得到整个场景的高分辨宽测绘带成像结果。本发明专利技术能在空间频率域有效分解距离模糊的回波信号，通过对距离解模糊后的回波信号进行成像，得到高分辨宽测绘带的合成孔径雷达图像，可用于海洋观测和全球测绘。
【技术实现步骤摘要】
频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法
本专利技术属于雷达
，更进一步涉及合成孔径雷达SAR高分辨宽测绘带成像技术，可用于海洋观测和全球测绘。
技术介绍
合成孔径雷达SAR具有全天时、全天候和远距离对地成像能力，在地形测绘、海洋监测、环境及灾害监视和侦察等方面具有广泛的需求和应用，机载/星载合成孔径雷达逐渐得到各国的广泛研究和应用。一方面，很多实际应用需要对观测场景进行高分辨率成像，例如海洋和陆地监测、地图测绘以及灾害评估等；另一方面，也需要进行大幅宽、宽测绘带的大面积成像，例如土地规划、海洋观测和全球测绘等，宽测绘带成像能够缩短重访时间，大大提高测绘效率。随着地球遥感应用的发展，人们逐渐对合成孔径雷达SAR提出了更高的要求，同时获得高分辨率和宽测绘带合成孔径雷达SAR图像成为一种必然趋势。合成孔径雷达具有高分辨率成像能力，现有合成孔径雷达能够生成亚米级分辨率的微波遥感图像，其在距离向的高分辨率依靠发射带宽波形信号及脉冲压缩技术来实现，而方位向高分辨率要求雷达与目标具有较大的相对运动从而得到较大的多普勒带宽。然而传统单通道合成孔径雷达系统在高分辨率成像模式下无法实现宽测绘带场景成像，这是因为方位向高分辨率意味着较大的多普勒带宽，为了避免多普勒模糊需要以足够高的脉冲重复频率PRF进行方位采样，然而宽测绘带要求采用低脉冲重复频率PRF来保证测绘带内无距离模糊，高分辨率成像和宽测绘带成像对系统的脉冲重复频率提出了截然相反的要求，这一矛盾在星载雷达中尤为突出。为了解决方位高分辨率与宽测绘带的矛盾，满足实际应用对观测场景同时高分辨率和宽测绘带成像的需求，需要解决多普勒模糊和距离模糊问题。设计新体制的合成孔径雷达系统和有效的解模糊方法是高分辨宽测绘带成像的关键技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法，以解决上述已有技术矛盾，在方位向高分辨率成像模式下大幅提高测绘带宽度。本专利技术的基本思路是：通过频率分集阵列发射正交波形信号，通过对接收回波信号的矢量化及接收波束形成，通过补偿回波信号的距离依赖特性和发射波束形成实现距离解模糊，通过对所得无距离模糊回波信号进行成像处理，进而得到无模糊成像结果。其实现方案如下：1)设计频率分集阵列的频率增量Δf：根据平台速度v和方位分辨率ρa得到脉冲重复频率fr＝1.2v/ρa，其中比例系数1.2为设计裕量；根据测绘带宽Wg和脉冲重复频率fr得到距离模糊次数其中表示向上取整；根据脉冲重复频率fr和距离模糊次数Na设计载频的频率增量：Δf＝(u+q)fr，其中u为整数部分，q为小数部分，取q＝1/Na，其中Bw为发射信号带宽，表示向下取整；2)频率分集阵列发射信号集{sn(t)}n＝1,...,N，其中sn(t)为第n个天线的发射信号，为包络信号，n＝1,...,N，N为天线数，f0为第一个天线载频，即参考天线的载频；3)频率分集阵列接收回波信号，并对该回波信号依次进行矢量化输出和接收波束形成，得到接收回波信号的快拍矢量其中l＝1,...,L，k＝1,...,M，L为距离门个数，M为脉冲个数；4)对回波信号的快拍矢量进行距离解模糊：4a)距离依赖特性补偿：设计补偿函数：hl＝[1exp(j2πfR,l)...exp(j2πfR,l(N-1))]T，其中Rl为参考区域的第l个距离门的斜距，j表示虚数，c为光速，(·)T表示转置；用补偿函数hl对回波信号的快拍矢量进行距离依赖特性补偿，得到补偿后回波信号的快拍矢量：其中□为哈达玛积；4b)发射波束形成：设计发射波束权值：wp＝a(fs,p)，其中a(fs,p)＝[1exp(-j2πfs,p)...exp(-j2πfs,p(N-1))]T为频率分集阵列的发射导向矢量，为第p距离模糊区域的空间频率，p＝1,...,Na，Na为最大距离模糊次数，Ru＝1/fr为最大无模糊距离，d为相邻天线间距，λ＝c/f0为波长，θ0为发射波束指向；采用发射波束权值wp对补偿后的回波信号快拍矢量进行发射波束形成，即用权矢量wp对快拍矢量的各元素进行加权求和，得到无距离模糊的回波信号：其中(·)H表示共轭转置；5)对无距离模糊的回波信号xp,l(k)进行成像，得到整个观测场景的高分辨宽测绘带成像结果。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，本专利技术利用频率分集阵列的发射导向矢量的距离和角度二维依赖性，能够在空间频率域有效区分距离模糊的回波信号，通过发射波束形成在空间频率域滤波，实现对回波信号的距离解模糊，从而得到无距离模糊的成像结果。第二，本专利技术通过设计频率分集阵列的频率增量Δf，能够改善回波信号在空间频率域的频谱结构，从而简化发射波束形器的设计，降低系统信号处理复杂度。附图说明图1是本专利技术的使用场景图；图2是本专利技术的实现流程图；图3是距离多普勒算法对距离模糊回波信号的成像结果图；图4是本专利技术方法对距离模糊回波信号的成像结果图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术实施例及效果作进一步的详细描述。参照图1，本专利技术的使用场景为：采用高速运动的低轨卫星作为雷达平台，平台高度为H，运动速度为v。频率分集阵列可等效为一维等距线阵，阵元数为N，阵列轴线平行于雷达运动方向，阵列发射信号的脉冲重复频率为fr，第n个天线的发射载频为fn。天线波束指向阵列正侧方的地面观测场景，观测场景的宽度即为测绘带宽，用Wg表示。系统要求的方位分辨率为ρa，测绘带宽为Wg，系统的最大无模糊距离Ru＝1/fr，当Wg>Ru时，测绘带内的观测场景产生距离模糊，距离模糊次数参照图2，本专利技术的实现步骤如下。步骤1，设计频率分集阵列的频率增量Δf。根据平台速度v和方位分辨率ρa得到脉冲重复频率fr＝1.2v/ρa，其中比例系数1.2为设计裕量；根据测绘带宽Wg和脉冲重复频率fr得到距离模糊次数其中表示向上取整；根据脉冲重复频率fr和距离模糊次数Na设计载频的频率增量：Δf＝(u+v)fr，其中u为整数部分，v为小数部分，取v＝1/Na，其中Bw为发射信号带宽，表示向下取整。上述频率增量Δf的设计对于优化系统的距离解模糊性能至关重要，所设计的频率增量Δf能够使相邻距离模糊区域的信号在空间频率域fs∈[-0.5,0.5]上的间距最大化，有利于在空间频率域区分距离模糊的回波信号，也能够简化后续分解滤波器的设计，降低信号处理复杂度。步骤2，频率分集阵列发射信号集{sn(t)}n＝1,...,N。频率分集阵列同时发射信号集{sn(t)}n＝1,...,N中的所有信号，其中不同天线发射信号集中的不同信号，sn(t)为第n个天线的发射信号，为包络信号，n＝1,...,N，N为天线数，f0为第一个天线载频，即参考天线的载频。频率分集阵列利用不同天线发射载频的微小差异，能够区分距离模糊的回波信号，这是因为回波信号的延时由距离与光速决定，而回波信号的相位由距离和波长决定，因此频率分集阵列利用多载频、多波长的优势造成距离模糊回波信号的相位差异，从而具有区分距离模糊回波信号的能力。步骤3，频率分集阵列接收回波信号，并对该回波信号依次进行矢量化输出和接收波束形成，得到接收回波信号的快拍矢量3a)频率分集阵列的发射信号经过观测场景的后向散射，被接收阵列接收，得本文档来自技高网...
【技术保护点】
频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法，包括：1)设计频率分集阵列的频率增量Δf：根据平台速度v和方位分辨率ρa得到脉冲重复频率fr＝1.2v/ρa，其中比例系数1.2为设计裕量；根据测绘带宽Wg和脉冲重复频率fr得到距离模糊次数其中表示向上取整；根据脉冲重复频率fr和距离模糊次数Na设计载频的频率增量：Δf＝(u+q)fr，其中u为整数部分，q为小数部分，取q＝1/Na，其中Bw为发射信号带宽，表示向下取整；2)频率分集阵列发射信号集{sn(t)}n＝1,...,N，其中sn(t)为第n个天线的发射信号，为包络信号，n＝1,...,N，N为天线数，f0为第一个天线载频，即参考天线的载频；3)频率分集阵列接收回波信号，并对该回波信号依次进行矢量化输出和接收波束形成，得到接收回波信号的快拍矢量其中l＝1,...,L，k＝1,...,M，L为距离门个数，M为脉冲个数；4)对回波信号的快拍矢量进行距离解模糊：4a)距离依赖特性补偿：设计补偿函数：hl＝[1 exp(j2πfR,l) ... exp(j2πfR,l(N‑1))]T，其中Rl为参考区域的第l个距离门的斜距，j表示虚数，c为光速，(·)T表示转置；用补偿函数hl对回波信号的快拍矢量进行距离依赖特性补偿，得到补偿后回波信号的快拍矢量：其中□为哈达玛积；4b)发射波束形成：设计发射波束权值：wp＝a(fs,p)，其中a(fs,p)＝[1 exp(‑j2πfs,p) ... exp(‑j2πfs,p(N‑1))]T为频率分集阵列的发射导向矢量，为第p距离模糊区域的空间频率，p＝1,...,Na，Na为最大距离模糊次数，Ru＝1/fr为最大无模糊距离，d为相邻天线间距，λ＝c/f0为波长，θ0为发射波束指向；采用发射波束权值wp对补偿后的回波信号快拍矢量进行发射波束形成，即用权矢量wp对快拍矢量的各元素进行加权求和，得到无距离模糊的回波信号：xp,l(k)=wpHx~l(k),]]>其中(·)H表示共轭转置；5)对无距离模糊的回波信号xp,l(k)进行成像，得到整个观测场景的高分辨宽测绘带成像结果。...
【技术特征摘要】
1.频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法，包括：1)设计频率分集阵列的频率增量Δf：根据平台速度v和方位分辨率ρa得到脉冲重复频率fr＝1.2v/ρa，其中比例系数1.2为设计裕量；根据测绘带宽Wg和脉冲重复频率fr得到距离模糊次数其中表示向上取整；根据脉冲重复频率fr和距离模糊次数Na设计载频的频率增量：Δf＝(u+q)fr，其中u为整数部分，q为小数部分，取q＝1/Na，其中Bw为发射信号带宽，表示向下取整；2)频率分集阵列发射信号集{sn(t)}n＝1,...,N，其中sn(t)为第n个天线的发射信号，为包络信号，n＝1,...,N，N为天线数，f0为第一个天线载频，即参考天线的载频；3)频率分集阵列接收回波信号，并对该回波信号依次进行矢量化输出和接收波束形成，得到接收回波信号的快拍矢量其中l＝1,...,L，k＝1,...,M，L为距离门个数，M为脉冲个数；4)对回波信号的快拍矢量进行距离解模糊：4a)距离依赖特性补偿：设计补偿函数：hl＝[1exp(j2πfR,l)...exp(j2πfR,l(N-1))]T，其中Rl为参考区域的第l个距离门的斜距，j表示虚数，c为光速，(·)T表示转置；用补偿函数hl对回波信号的快拍矢量进行距离依赖特性补偿，得到补偿后回波信号的快拍矢量：其中⊙为哈达玛积；4b)发射波束形成：设计发射波束权值：wp＝a(fs,p)，其中a(fs,p)＝[1exp(-j2πfs,p)...exp(-j2πfs,p(N-1))]T为频率分集阵列的发射导向矢量，为第p距离模糊区域的空间频率，p＝1,...,Na，Na为最大距离模糊次数，Ru＝1/fr为最大无模糊距离，d为相邻天线间距，λ＝c/f0为波长，θ0为发射波束指向；采用发射波束权值wp对补偿后的回波信号快拍矢量进行发射波束形成，即用权矢量wp对快拍矢量的各元素进行加权求和，得到无距离模糊的回波信号：
【专利技术属性】
技术研发人员：廖桂生，许京伟，王成浩，兰岚，冯阳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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