本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(dá)和信號處理領(lǐng)域，具體涉及合成孔徑雷達(dá)回波信號的仿真技術(shù)，特別是一種適用于多種發(fā)射信號波形的合成孔徑雷達(dá)回波仿真方法。

背景技術(shù)：

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)回波信號仿真器對于研究SAR成像算法、驗(yàn)證SAR系統(tǒng)方案等具有重要作用。目前，現(xiàn)有SAR回波信號仿真技術(shù)不僅能夠用于傳統(tǒng)的條帶模式SAR，也可用于聚束SAR，TopSAR等多種SAR數(shù)據(jù)獲取模式；不僅能夠用于傳統(tǒng)的單站SAR系統(tǒng)，也可用于雙站SAR、SAR動(dòng)目標(biāo)指示等新體制SAR系統(tǒng)。一些SAR回波信號仿真技術(shù)考慮了電磁波的二次或多次散射、陰影效應(yīng)等因素，使目標(biāo)散射特性的建模更為逼真；一些SAR回波信號仿真技術(shù)考慮了雷達(dá)平臺(tái)的偏航、波束指向誤差等因素，使雷達(dá)平臺(tái)的建模更為逼真。

然而，現(xiàn)有的高效SAR回波信號仿真技術(shù)面臨著無法靈活地選擇雷達(dá)發(fā)射信號波形的技術(shù)瓶頸。例如，A.Khwaja,L.Ferro-Famil,and E.Pottier,“Efficient SAR raw data generation for anisotropic urban scenes based on inverse processing,”IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,vol.6,no.4,pp.757–761,2009中公開的逆成像仿真技術(shù)，以及G.Franceschetti,A.Iodice,S.Perna,and D.Riccio,“Efficient simu-lation of airborne SAR raw data of extended scenes,”IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,vol.44,no.10,pp.2851–2860,2006中公開的頻域仿真技術(shù)等，無一例外的假設(shè)了雷達(dá)發(fā)射信號波形為線性調(diào)頻信號的形式，且在雷達(dá)成像期間發(fā)射信號不隨時(shí)間發(fā)生變化。對發(fā)射信號波形的限制無疑不利于雷達(dá)發(fā)射信號建模的靈活性和逼真性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出了一種適用于多種發(fā)射信號波形的合成孔徑雷達(dá)回波仿真方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的適用于多種發(fā)射信號波形的合成孔徑雷達(dá)回波仿真方法，采取的技術(shù)方案如下：

步驟一：設(shè)定雷達(dá)發(fā)射信號波形。根據(jù)實(shí)際需求靈活地選擇雷達(dá)發(fā)射信號波形，可以設(shè)定雷達(dá)發(fā)射信號波形為理想線性調(diào)頻信號、或由于器件不理想導(dǎo)致失真的線性調(diào)頻信號、或非線性調(diào)頻信號、或相位編碼信號、或具有抗干擾功能的波形捷變信號等脈沖形式的信號。

步驟二：對每一個(gè)雷達(dá)發(fā)射信號分別進(jìn)行傅里葉變換，得到雷達(dá)發(fā)射信號頻譜。

步驟三：計(jì)算合成孔徑雷達(dá)傳遞函數(shù)。合成孔徑雷達(dá)傳遞函數(shù)的定義式為

${\mathrm{hh}}_{tran}({\stackrel{\→}{l}}_r,f_r)=\underset{{\stackrel{\→}{l}}_s}{\Σ}{s}_{amp}({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}R({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)}{c}{f}_r)---\left(1\right)$

其中，代表雷達(dá)的瞬時(shí)位置。f_r為雷達(dá)發(fā)射信號的頻率分量，又稱距離頻率。代表雷達(dá)成像場景中任一散射中心的位置。代表一個(gè)以為自變量的函數(shù)在其定義域上的求和運(yùn)算。exp(·)代表指數(shù)函數(shù)。j為虛數(shù)符號。c為電磁波傳播速度。代表當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)，對于位于位置的散射中心而言，雷達(dá)信號在發(fā)射、傳輸、目標(biāo)散射、雷達(dá)接收過程中發(fā)生的幅度衰減，

$s_{amp}({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)=\frac{\mathrm{\ω}\left(\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}\right({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s),{\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_0\left({\stackrel{\→}{l}}_r\right))\mathrm{\σ}\left({\stackrel{\→}{l}}_s\right)}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{3/2}R{({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)}^2}---\left(2\right)$

其中，代表天線波束方向性引起的幅度調(diào)制。代表當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)，位于位置的散射中心相對雷達(dá)的方向向量；||·||為范數(shù)運(yùn)算符號。代表當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)，雷達(dá)波束指向向量。代表位于位置的散射中心的散射系數(shù)。代表當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)，位于位置的散射中心與雷達(dá)之間的距離。

步驟四：將步驟二所得到的雷達(dá)發(fā)射信號頻譜與步驟三所得到的合成孔徑雷達(dá)傳遞函數(shù)相乘，得到SAR回波信號的方位時(shí)域距離頻域譜。

步驟五：對步驟四所得結(jié)果沿距離頻率f_r進(jìn)行逆傅里葉變換。

經(jīng)過以上五個(gè)步驟，得到設(shè)定雷達(dá)發(fā)射信號波形條件下的SAR回波信號。

本發(fā)明的適用于多種發(fā)射信號波形的合成孔徑雷達(dá)回波仿真方法，其有益效果主要包括：

第一，可以根據(jù)實(shí)際需求靈活地選擇發(fā)射信號波形，使SAR回波信號仿真器可以對雷達(dá)發(fā)射信號的建模更為靈活、逼真?？晒┻x擇的發(fā)射信號波形包括理想線性調(diào)頻信號、失真的線性調(diào)頻信號、非線性調(diào)頻信號、相位編碼信號、抗干擾模式下的波形捷變信號等脈沖形式的信號。

第二，發(fā)射波形的建模與雷達(dá)工作模式、目標(biāo)散射特性的建模、雷達(dá)平臺(tái)的建模等相對獨(dú)立，不會(huì)相互制約。

【附圖說明】

圖1是合成孔徑雷達(dá)成像的幾何示意圖。

圖2是本發(fā)明方法流程圖。

圖3是以距離-多普勒成像算法對本發(fā)明方法仿真的單個(gè)散射中心的回波信號進(jìn)行成像后的圖像結(jié)果、距離向剖面和方位向剖面。

圖4是以距離-多普勒成像算法對本發(fā)明方法仿真的擴(kuò)展場景的SAR回波信號進(jìn)行成像后的圖像結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步解釋。圖1在三維幾何空間中展現(xiàn)了SAR成像的幾何示意圖。可不失一般性的假設(shè)雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸方向；雷達(dá)位置坐標(biāo)為散射中心坐標(biāo)為

本發(fā)明適用于多種發(fā)射信號波形的合成孔徑雷達(dá)回波仿真方法，采用如圖3所示的五個(gè)步驟。

步驟一：設(shè)定雷達(dá)發(fā)射信號波形s_T(x,t_r)，其中t_r為雷達(dá)快時(shí)間。由于雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)位置的x坐標(biāo)隨著雷達(dá)慢時(shí)間t_a而發(fā)生變化。對于一個(gè)固定的雷達(dá)位置x坐標(biāo)，s_T(x,t_r)代表特定慢時(shí)間t_a時(shí)的雷達(dá)雷達(dá)發(fā)射信號，其波形不僅可以設(shè)定為理想線性調(diào)頻信號、或由于器件不理想導(dǎo)致失真的線性調(diào)頻信號、或非線性調(diào)頻信號、或相位編碼信號等多種脈沖信號形式。在不同的雷達(dá)位置x坐標(biāo)上，可設(shè)置s_T(x,t_r)為常量值；也可設(shè)置雷達(dá)發(fā)射信號波形為具有抗干擾功能的波形捷變信號，此時(shí)s_T(x,t_r)隨雷達(dá)位置x坐標(biāo)發(fā)生變化。雷達(dá)發(fā)射信號波形可以根據(jù)實(shí)際需求靈活地選擇，只要是脈沖形式的信號即可。

采用數(shù)字信號處理的方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法時(shí)，雷達(dá)信號沿雷達(dá)快時(shí)間t_r的采樣率f_s應(yīng)滿足奈奎斯特采樣率的要求，大于復(fù)數(shù)形式的雷達(dá)發(fā)射信號帶寬；雷達(dá)信號沿雷達(dá)快時(shí)間t_r的采樣點(diǎn)數(shù)N_s應(yīng)滿足N_s/f_s大于雷達(dá)發(fā)射信號時(shí)寬。本發(fā)明方法對沿雷達(dá)位置x坐標(biāo)的采樣率無要求，但沿雷達(dá)慢時(shí)間t_a的采樣率一般大于合成孔徑雷達(dá)多普勒帶寬。

步驟二：在每一個(gè)雷達(dá)位置x坐標(biāo)上，對各個(gè)雷達(dá)發(fā)射信號分別進(jìn)行傅里葉變換，得到雷達(dá)發(fā)射信號頻譜。采用數(shù)字信號處理的方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法時(shí)，應(yīng)首先在雷達(dá)發(fā)射信號末端補(bǔ)零。補(bǔ)零后的雷達(dá)發(fā)射信號點(diǎn)數(shù)N_fft應(yīng)滿足N_fft/f_s大于雷達(dá)發(fā)射信號的時(shí)寬加上目標(biāo)時(shí)寬，其中目標(biāo)時(shí)寬等于2L_r/c，L_r為目標(biāo)的距離向長度，c為電磁波傳播速度。補(bǔ)零后，進(jìn)行N_fft點(diǎn)快速傅里葉變換，即可得到雷達(dá)發(fā)射信號頻譜在[f_c-f_s/2,f_c+f_s/2]頻帶范圍內(nèi)以f_s/N_fft為間隔的N_fft個(gè)采樣值。

步驟三：計(jì)算合成孔徑雷達(dá)傳遞函數(shù)。合成孔徑雷達(dá)傳遞函數(shù)的定義式為

${\mathrm{hh}}_{tran}({\stackrel{\→}{l}}_r,f_r)=\underset{{\stackrel{\→}{l}}_s}{\Σ}{s}_{amp}({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}R({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)}{c}{f}_r)---\left(3\right)$

其中，代表雷達(dá)的瞬時(shí)位置。f_r為雷達(dá)發(fā)射信號的頻率分量。代表雷達(dá)成像場景中任一散射中心的位置。代表一個(gè)以為自變量的函數(shù)在其定義域上的求和運(yùn)算。exp(·)代表指數(shù)函數(shù)。j為虛數(shù)符號。代表當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)，對于位于位置的散射中心而言，雷達(dá)信號在發(fā)射、傳輸、目標(biāo)散射、雷達(dá)接收過程中發(fā)生的幅度衰減，

$s_{amp}({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)=\frac{\mathrm{\ω}\left(\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}\right({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s),{\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_0\left({\stackrel{\→}{l}}_r\right))\mathrm{\σ}\left({\stackrel{\→}{l}}_s\right)}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^{3/2}R{({\stackrel{\→}{l}}_r,{\stackrel{\→}{l}}_s)}^2}---\left(4\right)$

其中，代表天線波束方向性引起的幅度調(diào)制。代表當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)，位于位置的散射中心相對雷達(dá)的方向向量；||·||為范數(shù)運(yùn)算符號。代表當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)，雷達(dá)波束指向向量。代表位于位置的散射中心的散射系數(shù)。代表當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)，位于位置的散射中心與雷達(dá)之間的距離。

采用數(shù)字信號處理的方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法時(shí)，合成孔徑雷達(dá)傳遞函數(shù)沿雷達(dá)位置x坐標(biāo)的采樣位置應(yīng)與步驟一中雷達(dá)發(fā)射信號沿雷達(dá)位置x坐標(biāo)的采樣位置一致；合成孔徑雷達(dá)傳遞函數(shù)沿頻率f_r的采樣位置應(yīng)與步驟二所得雷達(dá)發(fā)射信號頻譜沿頻率f_r的采樣位置一致，因此應(yīng)在[f_c-f_s/2,f_c+f_s/2]頻帶范圍內(nèi)以f_s/N_fft為間隔。

需要說明的是：第一，雷達(dá)航跡可以設(shè)置為理想的直線航跡，也可以設(shè)置為非直線航跡；第二，雷達(dá)工作模式可以設(shè)置為傳統(tǒng)條帶模式，此時(shí)為常數(shù)值；雷達(dá)工作模式也可以設(shè)置為聚束模式、滑動(dòng)聚束模式、TopSAR模式等其他模式，此時(shí)隨雷達(dá)平臺(tái)位置以特定形式發(fā)生變化；第三，合成孔徑雷達(dá)傳遞函數(shù)的計(jì)算方式可以根據(jù)上式中的定義直接計(jì)算，也可以根據(jù)定義式設(shè)計(jì)快速計(jì)算方法計(jì)算。第四，本發(fā)明方法既可用于仿真點(diǎn)散射目標(biāo)的SAR回波信號，也可用于仿真由大量散射中心構(gòu)建的目標(biāo)或擴(kuò)展場景。

步驟四：在對應(yīng)的雷達(dá)位置x坐標(biāo)和雷達(dá)發(fā)射信號頻率f_r，將步驟二所得到的雷達(dá)發(fā)射信號頻譜與步驟三所得到的合成孔徑雷達(dá)傳遞函數(shù)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)相乘，得到SAR回波信號的方位時(shí)域距離頻域譜。

步驟五：在每一個(gè)雷達(dá)位置x坐標(biāo)上，對步驟四所得結(jié)果沿距離頻率進(jìn)行逆傅里葉變換。采用數(shù)字信號處理的方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法時(shí)，可采用N_fft點(diǎn)快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)此步驟。

經(jīng)過以上五個(gè)步驟，得到設(shè)定雷達(dá)發(fā)射信號波形條件下的SAR回波信號。

圖3至圖4是兩組仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)中，我們以條帶SAR為例，設(shè)置SAR發(fā)射信號為非線性調(diào)頻信號，距離和方位標(biāo)稱分辨力均為0.5m，載頻9GHz，帶寬300MHz；設(shè)置雷達(dá)斜視角θ_sq＝0deg，方位向波束寬度θ_bw＝1.94deg，SAR平臺(tái)飛行速度180m/s。

第一組仿真實(shí)驗(yàn)利用本發(fā)明方法產(chǎn)生單個(gè)散射中心的SAR回波信號。散射中心與雷達(dá)的最近斜距設(shè)置為10公里。圖3展示了以距離-多普勒成像算法對本發(fā)明方法仿真的回波信號進(jìn)行成像后的圖像結(jié)果、距離向剖面和方位向剖面。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明產(chǎn)生的回波信號具有逼真的雷達(dá)回波特性，回波信號經(jīng)過雷達(dá)成像處理能夠達(dá)到或十分逼近雷達(dá)理論分辨力。

第二組仿真實(shí)驗(yàn)利用本發(fā)明方法產(chǎn)生一個(gè)擴(kuò)展場景的SAR回波信號。擴(kuò)展場景由6000×7500個(gè)散射中心構(gòu)成，場景中心與雷達(dá)的最近斜距設(shè)置為10公里。圖4展示了以距離-多普勒成像算法對本發(fā)明方法仿真的回波信號進(jìn)行成像后的圖像結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SAR回波信號在雷達(dá)圖像中所呈現(xiàn)的場景保留了場景模板精細(xì)的點(diǎn)、線、面等構(gòu)造以及明暗變化，擴(kuò)展場景的SAR回波信號同樣具有逼真的雷達(dá)回波特性。