合成孔径雷达成像方法及系统与流程

1.本发明涉及合成孔径雷达成像领域，具体地，涉及合成孔径雷达成像方法及系统，尤其是一种基于广义尺度变换的捷变脉冲重复频率模式下合成孔径雷达成像方法及系统。


背景技术：

2.传统雷达成像系统的脉冲重复间隔视固定的，导致了固定的距离盲区，造成观测区域的不连续性。捷变脉冲重复频率采样技术可有效的打乱固定距离盲区，是一种解决固定距离盲区的有效手段。但变化的脉冲重复间隔导致了非均匀的采样信号，若直接进行雷达成像处理会存在多普勒模糊现象，使得雷达成像质量下降。因此，对捷变脉冲重复频率采样的雷达数据进行传统的雷达成像处理前，需要进行数据恢复处理。
3.在公开号为cn112834992a的中国发明专利申请文件中，公开了一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法、装置及存储介质，该方法包括循环发射一个脉组，脉组包括多个不同频率编码的发射脉冲；接收响应脉组返回的回波信号；使用匹配滤波器组对回波信号进行依次匹配滤波，进行不同距离模糊区域的分离；利用keystone变换方法对每个距离模糊区域进行距离走动的校正；遍历预设范围内的多普勒模糊数进行多普勒模糊数补偿；根据多普勒模糊数补偿后的相参积累结果的峰值大小，确定对应的多普勒模糊数，完成多普勒解模糊。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种合成孔径雷达成像方法及系统。
5.根据本发明提供的一种合成孔径雷达成像方法，包括以下步骤：
6.步骤s1：确定雷达的高度h、速度v、距离调频率k
r
以及发射的捷变prf波形，求解地面散射点的瞬时斜距；
7.步骤s2：根据求解的瞬时斜距及发射的捷变脉冲重复频率信号建立雷达的回波信号模型；
8.步骤s3：对雷达信号进行距离脉冲压缩；
9.步骤s4：对距离脉冲压缩后的信号进行广义尺度变换操作，将非均匀信号恢复成均匀采样网格信号；
10.步骤s5：对恢复后的信号利用距离徙动校正函数进行距离徙动校正，利用rd算法进行方位压缩，获得成像结果。
11.优选的，所述步骤s1中的瞬时斜距表达式具体为：
12.13.式中，v、h、θ0分别表示雷达速度、雷达高度、波束中心下视角、波束中心方位角，表示目标离航线的最近斜距，t
m
表示非均匀的方位慢时间，是均匀时间基与偏移量的组合，即：
14.t
m
＝τ
m
γ
m
=mpri
mean
γ'
m
pri
mean
15.其中，m=1,2,
…
,m；m表示均匀时间基，m为方位脉冲数，0≤γ
′
m
＜1表示第m个脉冲的偏移量的基，τ
m
表示均匀采样的第m个脉冲的方位慢时间，γ
m
表示第m个脉冲的随机偏移时间，pri
mean
表示平均的脉冲重复间隔。
16.优选的，所述步骤s2中雷达的回波信号模型具体为：
[0017][0018]
式中，s0(t,t
m
)表示接收的回波信号进行下调频后的信号，其中t、t
m
分别表示距离时间和方位时间，a0、f
c
、c、k
r
、b分别表示信号幅度、中心载频、光速、信号调频率、信号带宽，rect( )表示矩形窗函数，j表示虚数单位，t表示距离快时间，t
a
表示积累时间，f
r
表示距离频率变量。
[0019]
优选的，所述步骤s3中的距离压缩的匹配函数为：
[0020][0021]
式中，h1(f
r
,t
m
)表示距离压缩的匹配函数。
[0022]
优选的，所述步骤s4中广义尺度变换操作具体为：
[0023]
s2(f
r
，t
′
m
(i))＝∑
j∈z
s1(f
r
，t
m
(j))φ(f
c
f
′
m
(i)/(f
r
f
c
)
‑
t
m
(j))
[0024]
式中，s2(f
r
，t
′
m
(i))表示广义尺度变换后的信号，其中t
′
m
(i)表示进行广义尺度变化后的方位第i个时间，φ(
·
)表示一维高斯核函数，z表示核函数的作用范围，t
′
m
＝m
′
pri
mean
，m
′
＝1，2，...，m
new
，m
new
表示广义尺度变换后的方位点数，t
′
m
( )表示进行广义尺度变化后的方位均匀时间序列，i表示进行广义尺度变化后的方位均匀时间的序号，t
m
(j)表示原始的第j个方位时间。
[0025]
根据本发明提供的一种合成孔径雷达成像系统，包括以下模块：
[0026]
模块m1：确定雷达的高度h、速度v、距离调频率k
r
以及发射的捷变prf波形，求解地面散射点的瞬时斜距；
[0027]
模块m2：根据求解的瞬时斜距及发射的捷变脉冲重复频率信号建立雷达的回波信号模型；
[0028]
模块m3：对雷达信号进行距离脉冲压缩；
[0029]
模块m4：对距离脉冲压缩后的信号进行广义尺度变换操作，将非均匀信号恢复成均匀采样网格信号；
[0030]
模块m5：对恢复后的信号利用距离徙动校正函数进行距离徙动校正，利用rd算法进行方位压缩，获得成像结果。
[0031]
优选的，所述模块m1中的瞬时斜距表达式具体为：
[0032][0033]
式中，v、h、θ0分别表示雷达速度、雷达高度、波束中心下视角、波束中心方位角，表示目标离航线的最近斜距，t
m
表示非均匀的方位慢时间，是均匀时间基与偏移量的组合，即：
[0034]
t
m
＝τ
m
γ
m
＝mpri
mean
γ
′
m
pri
mean
[0035]
其中，m＝1，2，
…
，m；m表示均匀时间基，m为方位脉冲数，0≤γ
′
m
＜1表示第m个脉冲的偏移量的基，τ
m
表示均匀采样的第m个脉冲的方位慢时间，γ
m
表示第m个脉冲的随机偏移时间，pri
mean
表示平均的脉冲重复间隔。
[0036]
优选的，所述模块m2中雷达的回波信号模型具体为：
[0037][0038]
式中，s0(t，t
m
)表示接收的回波信号进行下调频后的信号，其中t、t
m
分别表示距离时间和方位时间，a0、f
c
、c、k
r
、b分别表示信号幅度、中心载频、光速、信号调频率、信号带宽，rect()表示矩形窗函数，j表示虚数单位，t表示距离快时间，t
a
表示积累时间，f
r
表示距离频率变量。
[0039]
优选的，所述模块m3中的距离压缩的匹配函数为：
[0040][0041]
式中，h1(f
r
，t
m
)表示距离压缩的匹配函数。
[0042]
优选的，所述模块m4中广义尺度变换操作具体为：
[0043]
s2(f
r
，t
′
m
(i))＝∑
j∈z
s1(f
r
，t
m
(j))φ(f
c
f
′
m
(i)/(f
r
f
c
)
‑
t
m
(j))
[0044]
式中，s2(f
r
，t
′
m
(i))表示广义尺度变换后的信号，其中t
′
m
(i)表示进行广义尺度变化后的方位第i个时间，φ(
·
)表示一维高斯核函数，z表示核函数的作用范围，t
′
m
＝m
′
pri
mean
，m
′
＝1，2，...，m
new
，m
new
表示广义尺度变换后的方位点数，t
′
m
( )表示进行广义尺度变化后的方位均匀时间序列，i表示进行广义尺度变化后的方位均匀时间的序号，t
m
(j)表示原始的第j个方位时间。
[0045]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0046]
1、本方法考虑了距离包络徙动的影响。
[0047]
2、本发明能够精确的对非均匀采样信号恢复及sar成像。
[0048]
3、本发明方法的输出具有较高的信噪比。
附图说明
[0049]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0050]
图1为本发明实施例一种合成孔径雷达成像方法的流程图；
[0051]
图2为本发明实施例中不执行非均匀恢复算法的成像结果图；
[0052]
图3为为图2的一维切片图；
[0053]
图4为利用非均匀快速傅里叶变换算法进行非均匀信号恢复后的sar成像结果图；
[0054]
图5为图4的一维切片图；
[0055]
图6为利用三次样条插值算法进行非均匀信号恢复后的sar成像结果图；
[0056]
图7为图6的一维切片图；
[0057]
图8为利用最优线性插值算法进行非均匀信号恢复后的sar成像结果图；
[0058]
图9为图8的一维切片图；
[0059]
图10为本发明方法进行处理后的sar成像结果图；
[0060]
图11为图10的一维切片图。
具体实施方式
[0061]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0062]
本实施例提供了一种合成孔径雷达成像方法，包括以下步骤：
[0063]
步骤s1：确定雷达的高度h、速度v、距离调频率k
r
以及发射的捷变prf波形，求解地面散射点的瞬时斜距。
[0064]
瞬时斜距表达式具体为：
[0065][0066]
式中，v、h、θ0分别表示雷达速度、雷达高度、波束中心下视角、波束中心方位角，表示目标离航线的最近斜距，t
m
表示非均匀的方位慢时间，是均匀时间基与偏移量的组合，即：
[0067]
t
m
＝τ
m
γ
m
＝mpri
mean
γ
m
pri
mean
[0068]
其中，m＝1，2，
…
，m；m表示均匀时间基，m为方位脉冲数，0≤γ
′
m
＜1表示第m个脉冲的偏移量的基，τ
m
表示均匀采样的第m个脉冲的方位慢时间，γ
m
表示第m个脉冲的随机偏移时间，pri
mean
表示平均的脉冲重复间隔。
[0069]
步骤s2：根据求解的瞬时斜距及发射的捷变脉冲重复频率信号建立雷达的回波信号模型。
[0070]
雷达的回波信号模型具体为：
[0071][0072]
式中，s0(t，t
m
)表示接收的回波信号进行下调频后的信号，其中t、t
m
分别表示距离时间和方位时间，a0、f
c
、c、k
r
、b分别表示信号幅度、中心载频、光速、信号调频率、信号带宽，rect()表示矩形窗函数，j表示虚数单位，t表示距离快时间，t
a
表示积累时间，f
r
表示距离
频率变量。
[0073]
步骤s3：对雷达信号进行距离脉冲压缩。
[0074]
距离压缩的匹配函数为：
[0075][0076]
式中，h1(f
r
，t
m
)表示距离压缩的匹配函数。
[0077]
步骤s4：对距离脉冲压缩后的信号进行广义尺度变换操作，将非均匀信号恢复成均匀采样网格信号。
[0078]
广义尺度变换操作具体为：
[0079]
s2(f
r
，t
′
m
(i))＝∑
j∈z
s1(f
r
，t
m
(j))φ(f
c
t
′
m
(i)/(f
r
f
c
)
‑
t
m
(j))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0080]
式中，s2(f
r
，t
′
m
(i))表示广义尺度变换后的信号，其中t
′
m
(i)表示进行广义尺度变化后的方位第i个时间，φ(
·
)表示一维高斯核函数，z表示核函数的作用范围，t
′
m
＝m
′
pri
mean
，m
′
＝1，2，...，m
new
，m
new
表示广义尺度变换后的方位点数，t
′
m
()表示进行广义尺度变化后的方位均匀时间序列，i表示进行广义尺度变化后的方位均匀时间的序号，t
m
(j)表示原始的第j个方位时间。
[0081]
步骤s5：对恢复后的信号进行距离徙动校正及方位压缩，获得成像结果。
[0082]
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：
[0083]
(1)仿真条件
[0084]
仿真实验平台参数由表1给出，本实例的各实施步骤均在matlab2018b仿真平台上进行。
[0085]
表1仿真系统参数
[0086][0087][0088]
(2)仿真内容
[0089]
首先给出在周期慢变prf模式下各非均匀信号重构算法对多点目标成像的影响。仿真结果如下所示。图2展示了不执行非均匀恢复算法的成像结果。图3为图2的切片图，从图中可以看出，不执行信号恢复的sar图像由于非均匀采样而受到多普勒模糊效应。图4、图6、图8分别为利用非均匀快速傅里叶变换算法、三次样条插值算法、最优线性插值算法进行非均匀信号恢复后的sar成像结果，图5、图7、图9分别为图4、图6、图8对应的一维切片图。图
10和图11分别为本发明方法进行处理后的sar成像结果及其一维切片图。从上图可以看出，本发明方法输出信噪比最高，验证了本发明算法的有效性。
[0090]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0091]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。