申请/专利权人：电子科技大学

申请日：2016-08-31

公开（公告）日：2018-09-28

公开（公告）号：CN106199602B

主分类号：G01S13/90(2006.01)I

分类号：G01S13/90(2006.01)I

优先权：

专利状态码：失效-未缴年费专利权终止

法律状态：2022.08.12#未缴年费专利权终止;2018.09.28#授权;2017.01.04#实质审查的生效;2016.12.07#公开

摘要：本发明公开一种Staggered‑SAR回波信号重建方法，利用共形傅立叶变换处理距离压缩后的雷达信号，该方法充分考虑了Staggered‑SAR的回波特点，能够得到适用于雷达高质量成像的均匀方位向频谱。该方法获取的频谱可以准确反映出数据丢失、非均匀采样条件下方位向回波的频谱特性，最后可以用于Staggered‑SAR系统高质量成像。与现有方法相比，本发明的方法能够得到均匀的方位向频谱，适合经典频域算法等优点，而且能够获得高质量的成像结果。

主权项：1.一种Staggered‑SAR回波信号重建方法，其特征在于，包括：S1、初始化Staggered‑SAR成像系统参数，包括：雷达发射信号波长，记做λ；雷达系统发射脉冲宽度，记做Tp；雷达系统发射信号带宽，记做B；雷达系统平台速度，记做Vs；雷达系统波束速度，记做Vg；雷达系统脉冲重复频率呈周期变化，每个周期内为线性增长或减小，其中最大脉冲重复频率，记做PRFmax；最小脉冲重复频率，记做PRFmin；一个脉冲重复频率变化周期内脉冲发射个数，记做M；Staggered‑SAR原始回波数据矩阵，记做S，其中，S为Na行Nr列的矩阵，每列数据是方位向回波信号的采样，每行的数据是逐个单脉冲距离向回波信号的采样，Na为方位向采样点数，Nr为距离向采样点数；S2、距离压缩，根据步骤S1中的参数，利用传统频域距离压缩方法对Staggered‑SAR原始回波数据矩阵S进行距离压缩，得到数据矩阵Sr，其中Sr为Na行Nr列的矩阵；S3、计算数据丢失位置记录矩阵blind；其中，数据丢失位置记录矩阵blind维数为Ntarget行Na列，该矩阵中第k行第j列元素的值blindk,j为0或1，blindk,j的值由时延Tk,j决定；Tk,j为第k个点目标接收第j个发射脉冲时的延时，k＝1,2…Ntarget，j＝1,2…Na，Ntarget为场景中目标个数；S4、预处理距离压缩数据，根据S3计算得到的丢失位置记录矩阵blind，将矩阵Sr中对应blind矩阵中值为0位置的各行数据去除，得到预处理后的数据矩阵Sc；其中，Sc为Nc行Nr列矩阵，Nc为接收脉冲个数；S5、共形傅立叶变换，对S4得到的预处理数据矩阵Sc，逐列进行共形傅立叶变换，得到均匀的Na行Nr列的方位向频谱矩阵Fcft；其中，共形傅立叶变换处理时的分段长度为M‑Mmiss+1，M为雷达系统一个周期脉冲发射个数，Mmiss为一个周期内丢失的脉冲个数，Mmiss利用blind矩阵，计算一个脉冲重复周期内丢失的脉冲个数，得到Mmiss；S6、二维频谱共轭补偿，对S5得到的方位向频谱矩阵Fcft的各行进行快速傅立叶变换，得到Na行Nr列的二维频谱矩阵Bcft，将二维频谱矩阵Bcft与参考频谱矩阵θ2df进行共轭复乘，得到Na行Nr列的二维数据矩阵S2df，即再对S2df进行二维快速傅立叶逆变换，得到成像结果；其中，为参考频谱，Rmin为最短斜距，c为光速，Vr为平台等效速度，fττ为距离向频谱等分向量，fηη为方位向频率等分向量；所述距离向频率等分向量fττ具体通过将[‑B,B等分成Nr份得到，B为发射信号带宽，Nr为距离向采样点数；所述方位向频率等分向量fηη具体通过将等分成Na份得到，TSAR为合成孔径时间，Na为方位向采样点数。

全文数据：_种3138@6「6〇|-3八1^回波信号重建方法技术领域[0001]本发明属于雷达技术领域，尤其涉及高分辨宽条幅（High-ResolutionWide-Swath，简称:HRWS合成孔径雷达SyntheticApertureRadar，简称SAR的成像技术。背景技术[0002]Staggered-SAR是一种新型雷达模式，用于高分辨宽条幅成像。Staggered-SAR与传统SAR相比，在于捷变的脉冲重复频率PulseRepetitionFrequency,简称PRF，由于捷变PRF，Staggered-SAR系统能够改善传统SAR系统雷达回波中的盲区分布，可实现对目标的高分辨宽条幅成像。因此，Staggered-SAR系统可以应用于全天时、全天候的星载SAR快速大范围地图测绘等领域，为国民经济的发展和国家安全发挥重要的作用。德国宇航局DLR微波与雷达技术研究所于2012年对Staggered-SAR展开了研究。[0003]Staggered-SAR系统完整回波频谱是构建频域成像算法的必要前提和基础。Staggered-SAR系统获取的回波相比于传统SAR的回波，改变了盲区分布，在PRF快速变化条件下，不会出现大段连续丢失情况，但依然存在盲区分布的现象，在实际成像处理的过程中这些盲区会严重影响成像质量，所以在成像处理之前，有必要对回波数据进行重建。此外，由于Staggered-SAR采用捷变PRF技术，这样产生的结果就是雷达回波中的方位向出现非均匀采样，再利用传统的频域算法时，非均匀采样同样会影响成像质量。因此，对回波数据进行重建并获得回波频谱是Staggered-SAR信号处理中的关键环节。[0004]目前已公开发表的Staggered-SAR回波信号重建文献中，有代表的方法有意大利Villano等学者采用的两点线性插值、多通道重建、最佳线性插值等方法见文献l:VillanoMjKriegerGjMoreiraA.StaggeredSAR:High-resolutionwide-swathimagingbycontinuousPRIvariation[J].GeoscienceandRemoteSensing,IEEETransactionson，2014,527:4462-4479.。然而，这些方法在雷达回波的重建过程中出现了两点线性插值结果不理想的情况，多通道重建适用条件窄，最佳线性插值计算量大等缺点，因此，提出一种新的重建方法至关重要。发明内容[0005]本发明为克服上述技术问题，提出一种Staggered-SAR回波信号重建方法，通过采用共形傅里叶变换处理距离压缩后的雷达信号;得到适用于雷达高质量成像的均匀方位向频谱，可以准确反映出数据丢失、非均匀采样条件下方位向回波的频谱特性。[0006]本发明采用的技术方案是：一种Staggered-SAR回波信号重建方法，包含如下步骤：[0007]SI、初始化Staggered-SAR成像系统参数，包括:雷达发射信号波长，记做λ;雷达系统发射脉冲宽度，记做Tp;雷达系统发射信号带宽，记做Β;雷达系统平台速度，记做Vs;雷达系统波束速度，记做Vg;雷达系统脉冲重复频率呈周期变化，每个周期内为线性增长或减小，其中最大脉冲重复频率，记做PRFmax;最小脉冲重复频率，记做PRFmin;—个脉冲重复频率变化周期内脉冲发射个数，记做Μ;[0008]Staggered-SAR原始回波数据矩阵，记做S，其中，S为1行队列的矩阵，每列数据是方位向回波信号的采样，每行的数据是逐个单脉冲距离向回波信号的采样，Na为方位向采样点数，Nr为距离向采样点数；[0009]S2、距离压缩，根据步骤SI中的参数，利用传统频域距离压缩方法对Staggered-SAR原始回波数据矩阵S进行距离压缩，得到数据矩阵Sr，其中Sr为1行队列的矩阵；[0010]S3、计算数据丢失位置记录矩阵blind;[0011]其中，数据丢失位置记录矩阵blind维数为Ntarget行1列，该矩阵中第k行第j列元素的值131;[1111^为0或1，131;[1111^的值由时延1'1^决定;1'1^为第1^个点目标接收第j个发射脉冲时的延时，k=I，2"_Ntarget，j=I，2"_Na,Ntarget为场景中目标个数；[0012]S4、预处理距离压缩数据，根据S3计算得到的丢失位置记录矩阵blind，将矩阵Sr中对应blind矩阵中值为0位置的各行数据去除，得到预处理后的数据矩阵S。；[0013]其中，Sc为Nc行Nr列矩阵，Nc为接收脉冲个数；[0014]S5、共形傅立叶变换，对S4得到的预处理数据矩阵S。，逐列进行共形傅立叶变换，得到均匀的1行队列的方位向频谱矩阵Frft;[0015]其中，共形傅立叶变换处理时的分段长度为M-Mmiss+1，M为雷达系统一个周期脉冲发射个数，Mmiss为一个周期内丢失的脉冲个数，Mmiss利用blind矩阵，计算一个脉冲重复周期内丢失的脉冲个数，得到Mmiss;[0016]S6、二维频谱共辄补偿，对S5得到的方位向频谱矩阵Frft的各行进行快速傅立叶变换，得到Na行Nr列的二维频谱矩阵Bcft，将二维频谱矩阵Bcft与参考频谱矩阵92df进行共辄复乘，得到NaRNr列的二维数据矩阵S2dfJP，再对S2df进行二维快速傅立叶逆变换，得到成像结果；[0017]其中_为参考频谱，Rmin为最短斜距，C为光速，Vr为平台等效速度，ί·ττ为距离向频谱等分向量，fnn为方位向频率等分向量；[0018]所述距离向频率等分向量fn具体通过将[_B，B等分成Nr份得到，B为发射信号带宽，Nr为距离向采样点数;所述方位向频率等分向量fnn具体通过将等分成Na份得到，Tsar为合成孔径时间，Na为方位向采样点数。[0019]进一步地，步骤S3中所述时延Tk，j计算式如下：[0020]Tk,j=Rtk,j+Rrk,jc；[0021]其中，Rtk，j表示发射第j个脉冲时平台与第k个点目标之间的斜距;Rrk，j表示接收第j个脉冲时平台与第k个点目标之间的斜距。[0022]更进一步地，步骤S3所述blindk，j的值由时延Tk，j决定，具体为:如果Tk，j满足条件ITk，j-transjIΤΡ，贝Ijblindk，j=0，否则blindk，j=I;[0023]其中，transj=Transj+ii-Transj表示第j个发射脉冲与第j+ii个发射脉冲之间的时间间隔，ii的取值为自然数;Transj为第j个脉冲发射时刻;Tp为雷达系统发射脉冲宽度。[0024]进一步地，心1^_、心1^和雷达运动方向与平台发射第」个脉冲到第1^个点目标方向夹角ak,j之间满足：[0026]更进一步地，Rtk,j根据下式的确定：[0028]其中，表示平台发射第j个脉冲时的坐标，表示第k个点目标的坐标。[0029]进一步地，COsakJ根据下式确定：[0031]其中，为平台发射第j个脉冲时的坐标，为第k个点目标的坐标，：为平台飞行方向，Vr为平台等效速度，表示与之间的夹角。[0032]本发明的有益效果:本发明公开一种Staggered-SAR回波信号重建方法，利用共形傅立叶变换处理距离压缩后的雷达信号，该方法充分考虑了Staggered-SAR的回波特点，能够得到适用于雷达高质量成像的均匀方位向频谱;本申请的方法获取的频谱可以准确反映出数据丢失、非均匀采样条件下方位向回波的频谱特性，最后可以用于Staggered-SAR系统高质量成像。与现有方法相比，本发明的方法能够得到均匀的方位向频谱，适合经典频域算法等优点，而且能够获得高质量的成像结果。附图说明[0033]图1为本发明的工作流程框图。具体实施方式[0034]为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。[0035]为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义：[0036]定义1、拉格朗日插值[0037]已知一个函数;^在其定义域|^，口1]内有1+1个不同时刻点七1〇1^=1，...，]\[+1，则可以通过拉格朗日插值构造f⑴的M阶插值多项式Pm⑴为：[0039]其中，ftk为对应时间为tk时的函数值，Ut是tk点的拉格朗日插值基函数，可以为为。具体参见参考文献:朱春辉，共形傅立叶变换算法的研究.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012，第3章。[0040]定义2、共形傅里叶变换[0041]函数fX在有限区间[pa,pi]内连续，在区间[pa,pi]之外函数值恒为零，则定义fX的共形傅里叶变换FU为：[0043]其中，L为[ρο,ρι]的分段个数，起始点χι=ρ〇，χι=χι+1-1Δ，1=1，2,···，L+1，分段间隔1是fX的拉格朗日插值多项式，CFT的具体实现步骤详情参见参考文献:朱春辉，共形傅立叶变换算法的研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2012，第3章。[0044]定义3、传统频域距离压缩方法[0045]设发射信号•其中T是发射信号的脉冲宽度，μ是发射信号的调频斜率是矩形窗。目标回波信号为，其中τ〇是回波时延。距离压缩算法为：[0047]其中，Srcf是距离压缩后信号傅里叶变换的结果，Sf是目标回波信号sτ傅里叶变换后的结果，是发射信号SoT经过傅里叶变换后的复共辄，详情参见参考文献：保铮，邢孟道，王彤等，雷达成像技术，电子工业出版社，2004年。[0048]本发明主要采用仿真实验的方法进行验证，所有步骤、结论都在MATLABR2013b上验证正确。如图1所示为本发明的工作流程，包括以下步骤：[0049]SI、初始化参数[0050]初始化Staggered-SAR系统参数包括:雷达发射信号波长，记做λ;雷达系统发射脉冲宽度，记做Tp;雷达系统发射信号带宽，记做Β;雷达系统平台速度，记做Vs;雷达系统波束速度，记做Vg;雷达系统脉冲重复频率呈周期变化，每个周期内为线性增长或减小，其中最大脉冲重复频率，记做PRFmax;最小脉冲重复频率，记做PRFmin;—个脉冲重复频率变化周期内脉冲发射个数，记做Μ;雷达系统距离向采样点数，记做Nr;雷达系统方位向采样点数，记做1。具体初始化的参数值如表1所示，平台初始位置Ptinit=[0,622661，750000]，场景点目标位置Ptarget=[0，0，0]。[0051]表1初始化参数[0052][0053]~Staggered-SAR原始回波数据矩阵，记做S，其中S为1行队列的矩阵，每列数据是方位向回波信号的采样，每行的数据是逐个单脉冲距离向回波信号的采样，Na为方位向采样点数，Nr为距离向采样点数。[0054]S2、距离压缩[0055]根据步骤Sl中的参数，利用传统频域距离压缩方法对Staggered-SAR原始回波数据矩阵S进行距离压缩，得到数据矩阵Sr，其中，Sr为NaRNr列的矩阵；[0056]S3、计算数据丢失位置记录矩阵和初始偏移量[0057]首先，数据丢失位置记录矩阵blind维数为Ntarget行1列，该矩阵中第k行第j列元素的值blindk,j为0或I;blindk,j的值由时延Tk,j决定;所述时延Tk,j计算式如下：[0058]Tk,j=Rtk,j+Rrk,jc,[0059]其中，Rtk，j，Rrk，j分别是发射和接收第j个脉冲时平台与第k个点目标的斜距;Rtk，j，Rrk，j和雷达运动方向与平台发射第j个脉冲到第k个点目标方向夹角〇1^之间满足：[0061]而Rtk，j可以由式子得到，cosak,j可以由式子得到，：为平台发射第j个脉冲时的坐标，为第k个点目标的坐标，为平台飞行方向，Vr为平台等效速度，用于表示向量之间的夹角，即表示向量之间的夹角；[0062]最后就可以根据计算出来的Tk，j判断blindk，j的值;具体的：如果Tk，j满足条件|Tk，j-transj|〈TP，贝Ijblindk，j=0,否则blindk，j=1〇[0063]其中，transj=Transj+ii-Transj表示第j个发射脉冲与第j+ii个发射脉冲之间的时间间隔，ii取值为自然数;Transj为第j个脉冲发射时间;Tp为发射脉冲宽度，Tk，j为第k个点目标接收第j个发射脉冲时的延时，k=I，2"_Ntarget，j=I，2"_Na，Ntarget为场景中目标个数。[0064]S4、预处理距离压缩数据[0065]根据S3计算得到的丢失位置记录矩阵blind，将矩阵Sr中对应blind矩阵中值为0位置的各行数据去除，得到预处理后的数据矩阵，其中Sc为Nc行Nr列矩阵其为接收脉冲个数。[0066]S5、共形傅里叶变换[0067]对S4得到的预处理数据矩阵S。，逐列进行共形傅立叶变换，得到均匀的1行队列的方位向频谱矩阵Fcft。其中共形傅立叶变换处理时的分段长度为M-Mmiss+1=18，M为雷达系统一个周期脉冲发射个数，Mmiss为一个周期内丢失点脉冲个数，Mmiss利用blind矩阵，计算一个脉冲重复周期内丢失的脉冲个数，得到Mmss。[0068]S6、二维频谱共辄补偿[0069]对S5得到的方位向频谱矩阵Frft的各行进行快速傅立叶变换，得到Na行Nr列的二维频谱矩阵Bcft，将二维频谱矩阵Bcft与参考频谱矩阵02df进行共辄复乘，得到Na行Nr列的二维数据矩阵«，即，再对S2df进行二维快速傅立叶逆变换，得到成像结果；[0070]其中，为参考频谱，Rmin为最短斜距，C为光速，Vr为平台等效速度，fn为距离向频率等分向量，将[-B，B等分成Nr份可得到L，B为发射信号带宽，fm为方位向频率等分向量，彳I等分成1份可得到fnn，Tsar为合成孔径时间。[0071]在上述参数条件下，丢失点位置出现在一个脉冲重复周期内的9,11，12三个位置，分布在一个脉冲重复周期的中间。表2为经过上述步骤Sl至步骤S6处理得到的成像性能评估参数，表2列出了ISLR积分旁瓣比）和PSLR峰值旁瓣比）两个参数，从表2数据可以看出本方法的处理效果相比与Iagrange插值要好。在算法运算量上，本方法的运算量近视为0NlogN，N为方位向采样点数，而直接Iagrange插值处理的运算量为0Q·NlogN，Q为Iagrange插值阶数，在算法计算量上，本方法在计算量上也比Iagrange插值小。所以在丢失点出现在分段周期的中间位置时，本方法具有一定的优势。[0072]表2本方法和不同方法的性能参数对比[0073][0074]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

权利要求：1.一种Staggered-SAR回波信号重建方法，其特征在于，包括：51、初始化Staggered-SAR成像系统参数，包括:雷达发射信号波长，记做λ;雷达系统发射脉冲宽度，记做Tp;雷达系统发射信号带宽，记做Β;雷达系统平台速度，记做Vs;雷达系统波束速度，记做Vg;雷达系统脉冲重复频率呈周期变化，每个周期内为线性增长或减小，其中最大脉冲重复频率，记做PRFmax;最小脉冲重复频率，记做PRFmin;—个脉冲重复频率变化周期内脉冲发射个数，记做M;Staggered-SAR原始回波数据矩阵，记做S，其中，S为1行队列的矩阵，每列数据是方位向回波信号的采样，每行的数据是逐个单脉冲距离向回波信号的采样，仏为方位向采样点数，Nr为距离向采样点数；52、距离压缩，根据步骤Sl中的参数，利用传统频域距离压缩方法对Staggered-SAR原始回波数据矩阵S进行距离压缩，得到数据矩阵Sr，其中Sr为1行队列的矩阵；53、计算数据丢失位置记录矩阵blind;其中，数据丢失位置记录矩阵blind维数为Ntarget行1列，该矩阵中第k行第j列元素的值blindk,j为O或I，blindk,j的值由时延Tk,j决定;Tk,j为第k个点目标接收第j个发射脉冲时的延时，k=I，2"_Ntarget，j=I，2"_Na,Ntarget为场景中目标个数；54、预处理距离压缩数据，根据S3计算得到的丢失位置记录矩阵blind，将矩阵Sr中对应blind矩阵中值为O位置的各行数据去除，得到预处理后的数据矩阵S。；其中，Sc为Nc行Nr列矩阵，Nc为接收脉冲个数；55、共形傅立叶变换，对S4得到的预处理数据矩阵S。，逐列进行共形傅立叶变换，得到均匀的Na行Nr列的方位向频谱矩阵Fcft;其中，共形傅立叶变换处理时的分段长度为M_Mmiss+l，M为雷达系统一个周期脉冲发射个数，Mmiss为一个周期内丢失的脉冲个数，Mmiss利用blind矩阵，计算一个脉冲重复周期内丢失的脉冲个数，得到Mmss;56、二维频谱共辄补偿，对S5得到的方位向频谱矩阵Frft的各行进行快速傅立叶变换，得至IjNa行Nr列的二维频谱矩阵Brft，将二维频谱矩阵Brft与参考频谱矩阵02df进行共辄复乘，得到1行队列的二维数据矩阵S2df，即，再对S2df进行二维快速傅立叶逆变换，得到成像结果；其中为参考频谱，Rmin为最短斜距，C为光速，Vr为平台等效速度，fn为距离向频谱等分向量，fm为方位向频率等分向量；所述距离向频率等分向量fn具体通过将[_B，B等分成Nr份得到，B为发射信号带宽，Nr为距离向采样点数;所述方位向频率等分向量具体通过将等分成Na份得至IJ，Tsar为合成孔径时间，Na为方位向采样点数。2.根据权利要求1所述的一种Staggered-SAR回波信号重建方法，其特征在于，步骤S3中所述时延Tk，j计算式如下：Tk,j=Rtk,j+Rrk,jc；其中，Rtk，j表示发射第j个脉冲时平台与第k个点目标之间的斜距;Rrk，j表示接收第j个脉冲时平台与第k个点目标之间的斜距。3.根据权利要求2所述的一种Staggered-SAR回波信号重建方法，其特征在于，步骤S3所述blindk,j的值由时延Tk,j决定，具体为:如果Tk,j满足条件|Tk,j-transj〈1\，则131;[1111^，」）=0，否则131;[1111^，」）=1;其中，transj=Transj+ii-Transj表示第j个发射脉冲与第j+ii个发射脉冲之间的时间间隔，ii的取值为自然数;Transj为第j个脉冲发射时刻;Tp为雷达系统发射脉冲宽度。4.根据权利要求2所述的一种Staggered-SAR回波信号重建方法，其特征在于，Rtk，j、Rrk，j和雷达运动方向与平台发射第j个脉冲到第k个点目标方向夹角Ct1^之间满足：5.根据权利要求4所述的一种Staggered-SAR回波信号重建方法，其特征在于，Rtk，j根据下式的确定：其中：表示平台发射第j个脉冲时的坐标，表示第k个点目标的坐标。6.根据权利要求4所述的一种Staggered-SAR回波信号重建方法，其特征在于，cosak,j根据下式确定：其中，为平台发射第j个脉冲时的坐标，:i为第k个点目标的坐标，为平台飞行方向，Vr为平台等效速度：表示与之间的夹角。

百度查询： 电子科技大学 一种Staggered-SAR回波信号重建方法

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