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技术

本发明专利技术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。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、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；S3、计算每个所述成像像素点的距离延迟、方位角与俯仰角；S4、计算得到每个像素点的相位补偿因子；S5、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。本发明专利技术是通过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的检测突破了天线3dB波束角的限制，增大了Arc‑SAR成像积累角。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及雷达成像领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足之处，本专利技术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，本专利技术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(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，包括步骤：/nS1、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；/nS2、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；/nS3、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；/nS4、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；/nS5、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；/nS6、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。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于天线相位方向图补偿的圆弧孔径雷达成像方法，其特征在于，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。


2.根据权利要求1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，其特征在于，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。


3.根据权利要求1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，其特征在于，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。


4.根据权利要求3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，其特征在于，所述步骤S21中，所述差频信号的求解过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋千，王鹏宇，
申请(专利权)人：宋千，王鹏宇，
类型：发明
国别省市：湖南;43