專利名稱：一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于完全互補序列的超低旁瓣、高分辨率合成孔徑雷達(dá)成像方法，屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)(SAR)具有全天時、全天候的對地觀測能力，是目前備受關(guān)注的對地觀測系統(tǒng)。當(dāng)前，圖像質(zhì)量是制約SAR應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。空間分辨率、旁瓣比、模糊度是衡量SAR圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)體制的SAR系統(tǒng)采用線性調(diào)頻信號作為雷達(dá)發(fā)射信號波形，在不加權(quán)條件下，其距離壓縮后的峰值旁瓣比約為-13. 2dB。在實際成像處理過程中，通常采用頻域加權(quán)法來抑制旁瓣，其缺點是犧牲了空間分辨率。近年來，相繼有學(xué)者提出采用其他的信號波形作為雷達(dá)發(fā)射信號，以改善距離向的旁瓣比，并提高圖像信噪比。其中，相位編碼信號是目前的研究熱點之一。由于相位編碼信號易于生成和處理，因此經(jīng)常作為雷達(dá)的脈沖壓縮信號。然而，普通的相位編碼信號仍無法實現(xiàn)距離向超低旁瓣性能，相對于傳統(tǒng)的線性調(diào)頻信號而言，其優(yōu)勢并不明顯。完全互補序列屬于相位編碼范疇，由于其良好的相關(guān)函數(shù)在通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。對互補序列的研究始于20世紀(jì)60年代，Golay等研究了一些二進(jìn)制互補序列對，這些互補對的自相關(guān)函數(shù)值在所有的偶數(shù)移位時都為零。Peter等人將一維互補碼擴展到二維二相、四相正交完全互補碼，對每一維信號的相關(guān)特性進(jìn)行理論性的推導(dǎo)。關(guān)于互補碼作為雷達(dá)信號，也有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分析A. K. Ojha對互補碼在噪聲和目標(biāo)波動情況下的性能進(jìn)行了研究，將互補序列的性能與偽隨機序列的性能進(jìn)行了比較，并對正交采樣的互補碼的穩(wěn)健性進(jìn)行分析，得出分辨率與序列個數(shù)以及碼元長度的關(guān)系。Z. Peter等利用普羅米修斯正交集技術(shù)構(gòu)造了一類互補序列，對其模糊特性進(jìn)行了分析。Suehiix)將互補碼的概念進(jìn)行了推廣，提出了自相關(guān)函數(shù)值在非零移位都為零，而互相關(guān)函數(shù)值也都為零的完全互補序列。目前，關(guān)于完全互補序列在合成孔徑雷達(dá)中的應(yīng)用還鮮有文獻(xiàn)介紹。由于完全互補序列由兩個互補相位信號序列構(gòu)成，需要首先對兩個互補相位信號序列的雷達(dá)回波信號分別進(jìn)行距離向匹配濾波，再對它們進(jìn)行求和以完成距離向脈沖壓縮，理論上該脈沖壓縮信號近似為沖激函數(shù)，不存在旁瓣。為了充分利用完全互補序列的這種優(yōu)良特性，需對兩個組成序列分別進(jìn)行處理。為了避免完全互補序列的兩個組成序列相互干擾，兩個序列必須在相鄰脈沖重復(fù)周期交替發(fā)射。這意味著兩個序列形成的脈沖所處的方位時刻不同，導(dǎo)致其延時相位不同，破壞了完全互補序列脈沖壓縮信號的無旁瓣特性。該問題導(dǎo)致基于完全互補序列信號波形的成像性能甚至差于傳統(tǒng)的線性調(diào)頻信號，其優(yōu)勢完全沒有體現(xiàn)，從而限制了完全互補序列在合成孔徑雷達(dá)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決完全互補序列在合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)應(yīng)用中的瓶頸技術(shù)問題，提出一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法，充分利用完全互補序列的正交性和超低旁瓣性能，實現(xiàn)合成孔徑雷達(dá)高分辨率、距離向超低旁瓣成像新體制。該方法能夠提高合成孔徑雷達(dá)的圖像質(zhì)量，進(jìn)而提高合成孔徑雷達(dá)圖像的可判讀性， 擴展合成孔徑雷達(dá)在遙感科學(xué)中的應(yīng)用?！N基于完全互補序列的合成孔徑雷達(dá)高分辨率、超低距離向旁瓣成像方法，包括以下幾個步驟步驟一將基于完全互補序列信號波形的回波數(shù)據(jù)分成單獨以兩個互補序列作為雷達(dá)發(fā)射信號得到的回波數(shù)據(jù)；將基于完全互補序列信號波形的回波數(shù)據(jù)C分成單獨以序列A和序列B作為雷達(dá)發(fā)射信號得到的回波數(shù)據(jù)，分離后的回波數(shù)據(jù)分別為二維復(fù)數(shù)組C1和C2，大小為 (X/2)XY；步驟二 基于匹配濾波的距離脈沖壓縮處理；利用完全互補序列的兩個互補碼序列信號作為參考信號，分別對序列A和序列B 的回波數(shù)據(jù)C1和C2進(jìn)行距離向匹配濾波，完成距離壓縮過程，獲得壓縮后的兩個信號分別為D1和D2 ；步驟三方位向傅里葉變換；將步驟二得到的距離壓縮后的數(shù)據(jù)D1和D2沿每個距離門(按列)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到方位向頻譜數(shù)據(jù)D1-FFT和D2_FFT ；然后將方位向頻譜數(shù)據(jù)D1,和D2_fft的前X/4行數(shù)據(jù)和后X/4行數(shù)據(jù)進(jìn)行交換， 得到方位頻譜數(shù)據(jù)E1和E2 ；步驟四距離徙動校正；對于步驟三得到的方位頻譜數(shù)據(jù)E1和E2，利用sine插值法進(jìn)行精確校正距離徙動，分別得到進(jìn)行距離徙動校正后的數(shù)據(jù)F1和F2 ；步驟五方位向數(shù)據(jù)高頻補零；將步驟四得到的距離徙動校正后的數(shù)據(jù)F1和F2在頻域中的高頻部分進(jìn)行補零處理，補零數(shù)目為Y/2 ;補零后的數(shù)據(jù)乘以二倍，得到方位向高頻補零后數(shù)據(jù)G1和G2 ；步驟六對補零后數(shù)據(jù)進(jìn)行移位相加；將步驟五中得到的數(shù)據(jù)G2進(jìn)行移位，然后與G1進(jìn)行疊加；得到移位相加后數(shù)據(jù)H ;步驟七方位向壓縮，得到最終圖像；對步驟六中得到的移位相加后數(shù)據(jù)H進(jìn)行方位向壓縮，得到最終圖像I。本發(fā)明具有的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明提出一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法，具有雷達(dá)信號波形容易產(chǎn)生的特點。由于采用屬于相位編碼信號的完全互補序列，相對于傳統(tǒng)體制SAR所使用的線性調(diào)頻信號，更易用數(shù)字器件產(chǎn)生。(2)本發(fā)明提出一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法，具有脈沖壓縮處理容易實現(xiàn)的特點。由于采用屬于相位編碼信號的完全互補序列，相對于傳統(tǒng)體制SAR所使用的線性調(diào)頻信號，更易用數(shù)字器件完成脈沖壓縮處理。(3)本發(fā)明提出一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法，具有距離向超低旁瓣的特點。由于采用完全互補序列，通過脈沖壓縮處理，無須加權(quán)，即可以使最終的雷達(dá)圖像在距離向?qū)崿F(xiàn)超低旁瓣。(4)本發(fā)明提出一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法，具有距離向分辨率高的特點。由于距離向無須進(jìn)行加權(quán)，使得距離向分辨率不會因加權(quán)而變差， 最終的雷達(dá)圖像在距尚向?qū)崿F(xiàn)聞分辨率。(5)本發(fā)明提出一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法，具有圖像質(zhì)量高的特點。由于采用完全互補序列后，雷達(dá)圖像距離向旁瓣很低，旁瓣干擾很小， 因此，圖像質(zhì)量較高，更易判讀。


圖I是本發(fā)明提出的一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法流程圖；圖2是本發(fā)明實施例中的單點目標(biāo)成像結(jié)果；圖3是基于線性調(diào)頻信號的單點目標(biāo)成像結(jié)果；圖4是本發(fā)明實施例中的單點目標(biāo)成像距離向剖面圖；圖5是基于線性調(diào)頻信號的單點目標(biāo)成像距離向剖面圖；圖6是本發(fā)明實施例中的單點目標(biāo)成像方位向剖面圖；圖7是基于線性調(diào)頻信號的單點目標(biāo)成像方位向剖面圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明提出一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法，處理的對象是以完全互補序列信號波形作為雷達(dá)發(fā)射信號的回波數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果是一幅高分辨率、超低距離向旁瓣圖像。完全互補序列由一對互補序列構(gòu)成。定義長度為L的完全互補序列對{A，B}為
權(quán)利要求
1.一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，具體步驟包括步驟一將基于完全互補序列信號波形的回波數(shù)據(jù)C分成單獨以序列A和序列B作為雷達(dá)發(fā)射信號得到的回波數(shù)據(jù)C1和C2 ；C1和C2為二維復(fù)數(shù)組，大小為(X/2) XY ；步驟二 基于匹配濾波的距離脈沖壓縮處理；利用完全互補序列的兩個互補碼序列信號作為參考信號，分別對序列A和序列B的回波數(shù)據(jù)C1和C2進(jìn)行距離向匹配濾波，完成距離壓縮過程，獲得壓縮后的兩個信號分別為D1 和D2 ；步驟三方位向傅里葉變換；將步驟二得到的距離壓縮后的數(shù)據(jù)D1和D2沿每個距離門進(jìn)行快速傅里葉變換，得到方位向頻譜數(shù)據(jù)Dn和D2_fft ；然后將方位向頻譜數(shù)據(jù)D1,和D2_fft的前X/4行數(shù)據(jù)和后X/4行數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，得到方位頻譜數(shù)據(jù)E1和E2 ；步驟四距離徙動校正；對于步驟三得到的方位頻譜數(shù)據(jù)E1和E2，利用sine插值法進(jìn)行精確校正距離徙動，分別得到進(jìn)行距離徙動校正后的數(shù)據(jù)F1和F2 ；步驟五方位向數(shù)據(jù)高頻補零；將步驟四得到的距離徙動校正后的數(shù)據(jù)F1和F2在頻域中的高頻部分進(jìn)行補零處理，補零數(shù)目為Y/2 ;補零后的數(shù)據(jù)乘以二倍，得到方位向高頻補零后數(shù)據(jù)G1和G2 ；步驟六對補零后數(shù)據(jù)進(jìn)行移位相加；將步驟五中得到的數(shù)據(jù)G2進(jìn)行移位，然后與G1進(jìn)行疊加；得到移位相加后數(shù)據(jù)H ； 步驟七方位向壓縮，得到最終圖像；對步驟六中得到的移位相加后數(shù)據(jù)H進(jìn)行方位向壓縮，得到最終圖像I。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法， 其特征在于，所述的步驟一中，C1和C2為C1 (m, η) = C(2m-1, η)，m = 1，2，…，X/2 ;η = 1，2，…，Y(3)C2 (m, η) = C(2m, η)，m = 1，2，…，X/2 ;n = 1，2，…，Y(4)其中，C1On, n)表示二維數(shù)組C1的第m行的第η個元素，C2 (m，η)表示二維數(shù)組C2的第 m行的第η個元素，C(2m-l，n)表示二維數(shù)組C的第2m_l行的第η個元素，C (2m，η)表示二維數(shù)組C的第2m行的第η個元素；根據(jù)式(3)和(4)，得到回波數(shù)據(jù)C1和C2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法， 其特征在于，所述的步驟二具體包括(I)對步驟一分離出的兩部分序列A和序列B的回波數(shù)據(jù)C1和C2沿距離向做快速傅里葉變換，即對C1和C2的每個方位時刻的距離向數(shù)據(jù)做一維快速傅里葉變換，將其變換到距離向頻域，得到序列A和序列B的回波數(shù)據(jù)的距離向頻域數(shù)據(jù)CVfft和C2_FFT ；C1-FFT(m, ) = FFT(C1 (m, )),m = 1,2,…，X/2(5)C2-FFT(m，) = FFT(C1 (m, )),m = 1,2,…，X/2(6)其中，C卜FFT (m,)表不C卜FFT的第m行,C2_FFT (m,)表不C2_FFT的第m行，C1 (m,)表不C1的第m行，C2 (m,)表示C2的第m行；FFT ( ·)表示對一維數(shù)組進(jìn)行快速傅里葉變換；(2)分別以完全互補序列的兩個互補碼序列的基帶信號sA⑴和sB(t)作為參考信號； 對參考信號sA⑴和sB (t)進(jìn)行采樣，采樣點數(shù)均為Iltl Oitl = tp · fs)，n0小于回波距離向采樣點數(shù)Y ;采樣后的離散時間信號分別為sA (η)和sB (η) (η = 1,2,…，Iitl);在離散的參考信號8>)和8>)后面補零，補零數(shù)目為Y-rv使得參考信號sA (n) sB (η)的采樣點數(shù)也均為Y ;將補零后的參考信號做快速傅里葉變換，傅里葉變換點數(shù)為Y，將其變換到頻域，得到參考信號頻譜sA_FFT和sB_FFT ;sA_FFT和sB_FFT長度均為Y ；(3)將兩部分回波數(shù)據(jù)的距離向頻域數(shù)據(jù)C^fft和C2_FFT按行與對應(yīng)參考信號頻譜sA_FFT 和sB_FFT共軛相乘，即序列A的回波數(shù)據(jù)C1的距離向頻域數(shù)據(jù)C1,按行與參考信號Sk⑴頻譜sA-FFT共軛相乘，序列B的回波數(shù)據(jù)C2的距離向頻域數(shù)據(jù)C2_FFT按行與參考信號sB (t)頻譜sB_FFT共軛相乘；分別將得到的結(jié)果按每個方位向時刻進(jìn)行快速傅里葉逆變換，分別得到距離壓縮后的數(shù)據(jù)D1和D2,完成距離壓縮過程；D1 (m,:) = IFFT(C^fft (m,:)·s*A_FFT), m = \,2,…,X12(7)D2 (m,:) = IFFT{C2_FFT (m,:)·s*B_FFT), m = \,2,---,X/2(8)其中，D1On, :)、D2(m，)> C1^fft (m, :)、C2-FFT (m，)分別表示距離壓縮后的數(shù)據(jù)D1、距離壓縮后的數(shù)據(jù)D2、距離向頻域數(shù)據(jù)C1,、距離向頻域數(shù)據(jù)C2_FFT的第m行，·表示矢量點乘； IFFT ( ·)表示對一維數(shù)組進(jìn)行快速傅里葉逆變換，*表示共軛。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法， 其特征在于，所述的步驟三中方位向頻譜數(shù)據(jù)Dhft和D2_fft分別為D1^fft ( ,n) = FFT (D1 ( , η)), η = I, 2, ...，Υ(9)D1^fft ( ,η) = FFT (D1 ( , η)), η = I, 2, ...，Υ(10)其中，D卜FFT( ，η)表不Dhft的第η列，D1 ( : , η)表不D1的第η列，D2_FFT( ，n)表不 D2_FFT的第η列，D2(:，n)表示D2的第η列；FFT(·)表示對一維數(shù)組進(jìn)行快速傅里葉變換；方位頻譜數(shù)據(jù)E1和E2分別為,、Idi-FFT (m + x/4,n), m = \,2---,X/4; η = \,2···,Υ El(Tn^n) = I(11){m-X14, ), w = Χ/4 + 1,Χ/4 + 2,···,Χ/2; w = 1,2···,；Γ,、\D2_FFT(m + X/4,η), ηι = \2···^Χ/4; = 1,2···,7 E2(m,n) = \(12)[D2_fft {m-X14, ), = Χ/4 + 1,Χ/4 + 2,···,Χ/2; = 1,2···,7其中,E1 (m, η)和E2 (m, η)分別表示E1和E2的第m行的第η個元素,(m+X/4, η)表示D·的第(m+X/4)行的第η個元素，DuJm-X/ln)表示D1,的第(m-X/4)行的第η個元素，D2_FFT (m+X/4, η)表示 D2_FFT 的第(m+X/4)行的第 η 個元素，D2_FFT (m_X/4, n)表示 D2_FFT 的第(m-X/4)行的第n個元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法， 其特征在于，所述的步驟四具體包括(I)獲取方位頻譜數(shù)據(jù)的每行對應(yīng)的方位頻率；設(shè)雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率為fD，方位頻譜數(shù)據(jù)的第m行對應(yīng)的方位頻率為(2)根據(jù)參考斜距計算各距離門對應(yīng)的斜距；設(shè)參考斜距為Ro，距離向采樣率為fs，脈沖寬度為tp,光速為C,第η個距離門對應(yīng)的斜距為R(n)為
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法， 其特征在于，所述的步驟五中G1和G2具體為G1和G2均為二維復(fù)數(shù)組，大小為XXY :
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法， 其特征在于，所述的步驟六具體包括(1)構(gòu)造移位因子矢量P;移位因子矢量P為一個一維數(shù)組，數(shù)組長度為方位向采樣點數(shù)X ;按下式獲取P的每個分量
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法， 其特征在于，所述的步驟七具體包括(1)獲取移位相加后數(shù)據(jù)H的每行對應(yīng)的方位頻率；設(shè)雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率為fp，H的第m行對應(yīng)的方位頻率為fim)，則
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于完全互補序列的超低旁瓣合成孔徑雷達(dá)成像方法，包括以下幾個步驟步驟一將基于完全互補序列信號波形的回波數(shù)據(jù)分成單獨以兩個互補序列作為雷達(dá)發(fā)射信號得到的回波數(shù)據(jù)；步驟二基于匹配濾波的距離脈沖壓縮處理；步驟三方位向傅里葉變換；步驟四距離徙動校正；步驟五方位向數(shù)據(jù)高頻補零；步驟六對補零后數(shù)據(jù)進(jìn)行移位相加；步驟七方位向壓縮，得到最終圖像。本發(fā)明具有雷達(dá)信號波形容易產(chǎn)生、脈沖壓縮處理容易實現(xiàn)、距離向超低旁瓣、距離向分辨率高、圖像質(zhì)量高的特點。
文檔編號G01S13/90GK102608602SQ20121006565
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者朱燕青, 李卓, 李春升, 楊威, 王鵬波, 陳杰 申請人:北京航空航天大學(xué)