一種基于mimo圖像域的bp寬帶合成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于MIMO圖像域BP寬帶合成方法，其特點是首先利用MIMO體制下多個發(fā)射機同時發(fā)射中心頻率步進的LFM信號，對接收到的各個窄帶回波信號經(jīng)BP成像得到各個低分辨率的子圖像后，再對多個低分辨的子圖像進行圖像域的相參疊加以獲得高分辨距離向的SAR圖像。這種方法與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)域的寬帶合成方法相比，大大簡化了寬帶合成過程中的通道不一致性誤差補償步驟，在圖像域進行寬帶合成避免了數(shù)據(jù)域合成帶來的子帶重疊誤差校正繁瑣的問題，在降低運算量的同時實現(xiàn)了SAR距離向的高分辨率成像。本發(fā)明可適用于系統(tǒng)硬件條件(發(fā)射端瞬時發(fā)射帶寬和接收機采樣率)受限條件下的SAR距離向高分辨率成像的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專利說明】—種基于MIMO圖像域的BP寬帶合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)高分辨成像【技術(shù)領(lǐng)域】，它特別涉及到了系統(tǒng)硬件條件(發(fā)射端瞬時發(fā)射帶寬和接收機采樣率)受限條件下的SAR距離向高分辨率成像的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】:
[0002]合成孔徑雷達是一種具有高分辨率的微波成像雷達，具有全天時和全天候工作的優(yōu)點，并具有一定的植被和地面穿透能力，因而被廣泛應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域。在軍事偵察、地質(zhì)普查、地形測繪和制圖、災(zāi)情預(yù)報等應(yīng)用時，為了獲取觀測區(qū)域更多的信息，需對觀測區(qū)域高分辨成像，實現(xiàn)高分辨率一直是SAR發(fā)展的重要目標。SAR利用載機的運動來模擬大孔徑天線實現(xiàn)方位向高分辨；通過發(fā)射大帶寬的線性調(diào)頻信號(Linear FrequencyModulation,LFM)并利用脈沖壓縮(Pulse Compression)技術(shù)獲得距離向高分辨率。傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)由于受硬件復(fù)雜度和成本制約難以發(fā)射很大帶寬的信號以獲得距離向高分辨率，帶寬合成技術(shù)就是利用在發(fā)射端發(fā)射多個中心頻率步進的LFM信號，并在接收端將各個接收機接收的回波信號經(jīng)過相參疊加形成等效的大帶寬LFM信號，從而實現(xiàn)距離向高分辨率成像的技術(shù)。詳見“鄧云凱、陳倩、祁海明、鄭慧芳、劉亞東.一種基于頻域子帶合成的多發(fā)多收高分辨率SAR成像算法[J].電子與信息學(xué)報.2011,33(5):1082_1087”。
[0003]后向投影(Back Projection, BP)算法首先將合成孔徑雷達原始數(shù)據(jù)沿距離向進行距離壓縮(脈沖壓縮)，然后通過選擇不同慢時間觀測空間中任意像素點在距離壓縮后SAR數(shù)據(jù)空間中的數(shù)據(jù)，補償方位向多普勒相位，并進行相干累加，最終獲得各像素點散射系數(shù)的成像算法。由于BP算法可以有效的補償運動誤差，針對雷達平臺抖動和非勻速直線運動帶來的運動誤差可以精確補償以實現(xiàn)合成孔徑雷達的精確成像，非常適用于寬帶合成技術(shù)中對高分辨率的要求。詳見“師君.雙基地SAR與線陣SAR原理及成像技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)博士論文.2009”。
[0004]圖像域?qū)拵Ш铣杉夹g(shù)就是將各個接收機接收的中心頻率步進的窄帶LFM回波信號各自進行BP成像獲得低分辨率的子圖像并在圖像域?qū)Ω髯訋D像進行相參疊加以獲得等效寬帶信號的高分辨率距離向的SAR圖像的技術(shù)。
[0005]多輸入多輸出(MultipleInput Multiple Output,ΜΙΜΟ)技術(shù)最早是由 Marconi于1908年提出的用多天線來抑制信道衰落的。該技術(shù)可以解決傳統(tǒng)寬帶合成系統(tǒng)中單發(fā)單收SISO(Single-1nput Single-Output)系統(tǒng)順次發(fā)射步進頻信號導(dǎo)致脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency, PRF)過低引起測繪帶受限的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0006]為了提高SAR圖像距離向分辨率同時降低雷達系統(tǒng)對發(fā)射機發(fā)射信號帶寬和接收機采樣率的要求，本發(fā)明提出了一種基于MIMO圖像域BP寬帶合成方法，其特點是首先利用MIMO體制下多個發(fā)射機同時發(fā)射中心頻率步進的LFM信號，對接收到的各個窄帶回波信號經(jīng)BP成像得到各個低分辨率的子圖像后，再對多個低分辨的子圖像進行圖像域的相參疊加以獲得高分辨距離向的SAR圖像。這種方法與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)域的寬帶合成方法相比，大大簡化了寬帶合成過程中的通道不一致性誤差補償步驟，避免了數(shù)據(jù)域合成帶來的子帶重疊誤差校正繁瑣的問題，在降低運算量的同時實現(xiàn)了 SAR距離向的高分辨率成像。
[0007]為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作以下術(shù)語定義:
[0008]定義1、距離向
[0009]在雷達系統(tǒng)中，將雷達測距的范圍劃分成若干小的區(qū)域并將其編號，每個編號代表一個距離向。
[0010]定義2、方位向
[0011]將雷達掃描空間均勻劃分為若干等分，每一等分為一個方位向。
[0012]定義3、快時間和慢時間
[0013]將距離向和方位向的時間分別定義為快時間和慢時間，“快”和“慢”是相對而言的。一般而言距離向的時間變化的快而方位向的時間變化的較慢。
[0014]定義4、斜距平面
[0015]本發(fā)明中的斜距平面是指由雷達速度方向矢量和斜距方向矢量構(gòu)成的空間平面。
[0016]定義5、脈沖壓縮
[0017]脈沖壓縮是一種現(xiàn)代雷達信號處理技術(shù)，簡單來說就是雷達發(fā)射寬脈沖，然后再接收端“壓縮”為窄脈沖，從而改善雷達的兩種性能:作用距離和距離分辨率。詳見“皮亦鳴，楊建宇，付毓生，楊曉波.合成孔徑雷達成像原理.第一版.電子科技大學(xué)出版社.2007.3”。
[0018]定義6、升采樣
[0019]本發(fā)明中的升采樣(Up sampling)技術(shù)是指將信號變換到頻域后在原始信號的每兩個采樣點之間插L-1個零，然后再變換到時域的過程，其中L為升采樣倍數(shù)。
[0020]定義7、脈沖重復(fù)頻率
[0021]本發(fā)明中的脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency, PRF)是指雷達I秒鐘內(nèi)發(fā)射脈沖的個數(shù)，即脈沖重復(fù)的頻率，在這里也即方位向的采樣率。
[0022]定義8、步進頻率
[0023]本發(fā)明中的步進頻率(Step Frequency)是指發(fā)射脈沖信號的相鄰窄帶信號中心頻率的間隔。
[0024]定義9、BP算法
[0025]后向投影(Back Projection, BP)算法是一種首先將合成孔徑雷達原始數(shù)據(jù)沿距離向進行距離壓縮，然后從距離壓縮后的數(shù)據(jù)中選擇空間中各散射點回波，并進行相干累加以恢復(fù)各散射點的散射系數(shù)的成像算法。詳見“師君.雙基地SAR與線陣SAR原理及成像技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)博士論文.2009”。
[0026]定義10、快速傅里葉變換
[0027]計算離散傅里葉變換的一種快速算法，簡稱FFT?？焖俑道锶~變換是1965年由J.W.庫利和T.W.圖基提出的。采用這種算法能使計算機計算離散傅里葉變換所需要的乘法次數(shù)大為減少，特別是被變換的抽樣點數(shù)N越多，F(xiàn)FT算法計算量的節(jié)省就越顯著。詳見“程乾生.數(shù)字信號處理.北京大學(xué)出版社，北京，2003”。[0028]定義11、線性調(diào)頻信號
[0029]線性調(diào)頻(LinearFrequency Modulation, LFM)信號又稱為 Chirp 信號，它是研究最早而且應(yīng)用最廣泛的一種脈沖壓縮信號。采用線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)的雷達可以同時獲得遠的作用距離和高的距離分辨力。線性調(diào)頻信號的主要優(yōu)點是所用的匹配濾波器對回波的多普勒頻移不敏感，即使回波信號有較大的多普勒頻移，仍能用同一個匹配濾波器完成脈沖壓縮，這將大大簡化信號處理系統(tǒng)。詳見“皮亦鳴，楊建宇，付毓生，楊曉波.合成孔徑雷達成像原理.第一版.電子科技大學(xué)出版社.2007.3”。
[0030]定義12、MMO系統(tǒng)
[0031]多輸入多輸出(MultipleInput Multiple Output,ΜΙΜΟ)技術(shù)最早是由 Marconi于1908年提出用多天線來抑制信道衰落的。在本發(fā)明中，MMO系統(tǒng)就是在發(fā)射端有多個發(fā)射天線(通道)用于發(fā)射雷達信號，同樣的在接收端有多個接收天線(通道)用于接收雷達回波的系統(tǒng)。
[0032]本發(fā)明提供了一種基于MIMO圖像域的BP寬帶合成的方法，該方法的步驟如下:
[0033]步驟1、用于基于MIMO圖像域的BP寬帶合成方法相關(guān)參數(shù)的初始化
[0034]初始化的參數(shù)均為已知，且初始化的參數(shù)如下:所有的坐標都是以笛卡爾直角坐標形式給出；光速為C ;雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號，脈沖重復(fù)頻率為PRF，脈沖重復(fù)周期為PRI，
PW =A;MMO陣列天線個數(shù)為N，也即每個脈沖重復(fù)周期內(nèi)雷達發(fā)射N個中心頻率步進
的窄帶(子帶)線性調(diào)頻信號，這N個天線同時也應(yīng)用于接收各自信號反射的回波；雷達發(fā)射的各個子帶信號的帶寬為Bpn ;雷達發(fā)射的各個子帶信號的時寬為Tpn ;發(fā)射信號的調(diào)頻斜
B
率記為
【權(quán)利要求】
1.一種基于MMO圖像域的BP寬帶合成的方法，其特征是它包括以下步驟: 步驟1、用于基于MIMO圖像域的BP寬帶合成方法相關(guān)參數(shù)的初始化初始化的參數(shù)均為已知，且初始化的參數(shù)如下:所有的坐標都是以笛卡爾直角坐標形式給出；光速為C ;雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號，脈沖重復(fù)頻率為PRF，脈沖重復(fù)周期為PRI，PU =1^pMIMO陣列天線個數(shù)為N，也即每個脈沖重復(fù)周期內(nèi)雷達發(fā)射N個中心頻率步進的窄帶即子帶線性調(diào)頻信號，這N個天線同時也應(yīng)用于接收各自信號反射的回波；雷達發(fā)射的各個子帶信號的帶寬為Bpn ;雷達發(fā)射的各個子帶信號的時寬為Tpn ;發(fā)射信號的調(diào)頻斜率記為Y，Y = ￥;發(fā)射脈沖各子帶信號的步進頻率為Af ;經(jīng)寬帶合成后的寬帶信號的中


【文檔編號】G01S13/90GK103472449SQ201310421650
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】張曉玲, 王輝, 胡克彬, 師君 申請人:電子科技大學(xué)