專利名稱：一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(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(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(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)是一種利用微波雷達(dá)進(jìn)行對地觀測的設(shè)備，具有全天時、全天候觀測能力的對地觀測系統(tǒng)。當(dāng)前，提升圖像質(zhì)量和提高SAR的對地觀測能力是當(dāng)前SAR 系統(tǒng)發(fā)展所追求的重要目標(biāo)。然而傳統(tǒng)體制的SAR系統(tǒng)存在以下兩個方面的缺點。一方面，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，由于線性調(diào)頻信號的固有特點，導(dǎo)致最終的圖像會受到較強(qiáng)的旁瓣干擾，影響圖像質(zhì)量。實際成像中，經(jīng)常采用頻域加權(quán)法來抑制旁瓣，其缺點是降低了圖像分辨率。另一方面，由于傳統(tǒng)體制的SAR系統(tǒng)，特別是星載SAR系統(tǒng)，存在圖像分辨率和觀測帶寬度的固有矛盾，在提高圖像分辨率的同時， 觀測帶寬度將受到損失，導(dǎo)致對地觀測能力受到嚴(yán)重制約。針對傳統(tǒng)體制SAR系統(tǒng)的第一個方面的缺點，近年來，相繼有人提出采用除線性調(diào)頻信號以外其他形式的信號波形作為雷達(dá)發(fā)射信號，以降低距離向峰值旁瓣比，提高圖像信噪比。對相位編碼信號的研究是其中的研究熱點之一。由于相位編碼信號比較容易產(chǎn)生和處理，所以經(jīng)常作為雷達(dá)的脈沖壓縮信號。完全互補(bǔ)序列屬于相位編碼的范疇，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(bǔ)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(bǔ)序列對，這些互補(bǔ)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(bǔ)碼擴(kuò)展到二維二相、四相正交完全互補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)序列的性能與偽隨機(jī)序列的性能進(jìn)行了比較，并對正交采樣的互補(bǔ)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(bǔ)序列，對其模糊特性進(jìn)行了分析。Suehiix)將互補(bǔ)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(bǔ)序列。因此，可以將完全互補(bǔ)序列作為雷達(dá)發(fā)射信號，以獲得距離向超低旁瓣。針對傳統(tǒng)體制SAR系統(tǒng)的第二個方面的缺點，國際上一般提出多通道體制(單發(fā)多收體制)來予以解決。根據(jù)耐奎斯特采樣定理，提高分辨率的同時要求方位向信號采樣率也相應(yīng)提高，在傳統(tǒng)體制SAR中，脈沖重復(fù)頻率就是方位向信號采樣率。而脈沖重復(fù)頻率的提高意味著觀測帶寬度的降低，所以在傳統(tǒng)體制SAR中，高分辨率和寬觀測帶是一對固有的矛盾。通過將雷達(dá)天線劃分為多個接收子天線，利用多個子天線同時接收雷達(dá)回波信號，利用時空等效原理來提高方位向信號等效采樣率，進(jìn)而在不降低觀測帶寬度的前提下， 提高方位分辨率。另有文獻(xiàn)針對多通道回波信號存在方位向非均勻采樣的特點，提出方位頻譜重構(gòu)的方法，消除方位向非均勻采樣，將多通道信號等效為傳統(tǒng)條帶信號，然后用常規(guī)的成像處理算法進(jìn)行處理。
目前關(guān)于完全互補(bǔ)序列在合成孔徑雷達(dá)中的應(yīng)用，特別是將完全互補(bǔ)序列和多通道雷達(dá)結(jié)合的應(yīng)用還鮮有文獻(xiàn)介紹。由于完全互補(bǔ)序列由兩個互補(bǔ)相位信號序列構(gòu)成，需要首先對這兩個互補(bǔ)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。而兩個序列必須在相鄰的脈沖重復(fù)周期由雷達(dá)交替發(fā)射， 導(dǎo)致各自的方位向相位不同，破壞了完全互補(bǔ)序列匹配濾波之和無旁瓣的特性。因此，必須先對方位向相位進(jìn)行補(bǔ)償。然而，由于采用多通道體制，各通道接收的信號在方位頻域是混疊的，無法直接補(bǔ)償方位向相位，進(jìn)而無法完成成像過程中的距離壓縮。這些缺點都限制了完全互補(bǔ)序列在多通道合成孔徑雷達(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(bǔ)序列在多通道合成孔徑雷達(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(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，利用方位頻譜重構(gòu)技術(shù)，結(jié)合完全互補(bǔ)序列的發(fā)射規(guī)律，解決了基于完全互補(bǔ)序列的合成孔徑雷達(dá)回波信號的距離壓縮難題；再結(jié)合多通道技術(shù)可以實現(xiàn)寬觀測帶的優(yōu)點，進(jìn)一步實現(xiàn)合成孔徑雷達(dá)高分辨率寬觀測帶、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，并能同時提高圖像分辨率和觀測帶寬度，獲得高分辨率、寬觀測帶、超低距離旁瓣干擾圖像。一種基于完全互補(bǔ)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(bǔ)序列的各通道回波數(shù)據(jù)分成單獨以兩個互補(bǔ)序列作為雷達(dá)發(fā)射信號得到的回波數(shù)據(jù)；第i個通道的回波數(shù)據(jù)C(i)經(jīng)分離后分別為二維復(fù)數(shù)組Cf)和C )，大小為 (X/2)XY；步驟二 對分離后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離向傅里葉變換；得到距離向頻域數(shù)據(jù)分別為和if ；步驟三方位向頻譜重構(gòu)；方位向頻譜重構(gòu)指對各接收通道回波數(shù)據(jù)的方位頻譜進(jìn)行延時、補(bǔ)償、疊加，得到等效的單接收通道回波數(shù)據(jù)；方位向頻譜重構(gòu)的對象為各接收通道回波數(shù)據(jù)Aw、其中，i = 1,2,…，Na，方位向頻譜重構(gòu)后的數(shù)據(jù)分別為EJP E2，即以進(jìn)行重構(gòu)得到E1，以 #)進(jìn)行重構(gòu)得到E2 和E2的維數(shù)為(Na · X/2) XY ；步驟四距離壓縮；對步驟四得到的方位向頻譜重構(gòu)后的數(shù)據(jù)EJPE2進(jìn)行距離向匹配濾波，即用參考信號對E1和E2的每一行進(jìn)行匹配濾波，得到距離向匹配濾波后的數(shù)據(jù)F1和F2,并對F1和F2 進(jìn)行疊加，得到距離壓縮后的數(shù)據(jù)F ；步驟五距離徙動校正；對于步驟四得到的距離壓縮后的數(shù)據(jù)F，利用sine插值法精確校正距離徙動，得到進(jìn)行距離徙動校正后的數(shù)據(jù)G ；步驟六方位向壓縮，得到最終圖像。
對步驟五中得到的距離徙動校正后的數(shù)據(jù)G進(jìn)行方位向壓縮，得到最終圖像H。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(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(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(bǔ)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(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(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(bǔ)序列，相對于傳統(tǒng)體制雷達(dá)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(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(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(bǔ)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(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(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)圖像在距離向?qū)崿F(xiàn)高分辨率。(5)本發(fā)明提出一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，具有圖像質(zhì)量高的特點。由于采用完全互補(bǔ)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。(6)本發(fā)明提出一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，同時具有方位分辨率高、觀測帶寬的特點。由于采用多通道體制，在脈沖重復(fù)頻率較低的前提下， 利用空時等效特性提高了方位向信號的采樣率，既保證了觀測帶寬度，又在一定程度上提高了方位向分辨率。


圖I是本發(fā)明提出的一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法的方法流程圖2是本發(fā)明涉及的多接收通道SAR的空間幾何模型示意圖。
圖3是本發(fā)明實施例中的單點目標(biāo)成像結(jié)果；
圖4是基于線性調(diào)頻信號的傳統(tǒng)體制SAR單點目標(biāo)成像結(jié)果；
圖5是本發(fā)明實施例中的單點目標(biāo)成像距離向剖面圖6是基于線性調(diào)頻信號的傳統(tǒng)體制SAR單點目標(biāo)成像距離向剖面圖7是本發(fā)明實施例中的單點目標(biāo)成像方位向剖面圖8是基于線性調(diào)頻信號的傳統(tǒng)體制SAR單點目標(biāo)成像方位向剖面圖。
具體實施方式
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(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，處理的對象
是以完全互補(bǔ)序列信號波形作為雷達(dá)發(fā)射信號的多通道合成孔徑雷達(dá)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，并可以有效降低雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率。 完全互補(bǔ)序列由一對互補(bǔ)序列構(gòu)成。定義長度為L的完全互補(bǔ)序列對{A，B}為
權(quán)利要求
1.一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，包括以下幾個步驟步驟一將基于完全互補(bǔ)序列的第i個通道的回波數(shù)據(jù)c(i)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)Cf)和Ci)，i = 1，2，-,Na；Cf)和C )為二維復(fù)數(shù)組，大小為(X/2) XY ；步驟二 對回波數(shù)據(jù)Cf和C )進(jìn)行距離向傅里葉變換；得到距離向頻域數(shù)據(jù)分別為!^和政0 ；步驟三方位向頻譜重構(gòu)；方位向頻譜重構(gòu)指對各接收通道回波數(shù)據(jù)的方位頻譜進(jìn)行延時、補(bǔ)償、疊加，得到等效的單接收通道回波數(shù)據(jù)；方位向頻譜重構(gòu)的對象為各接收通道回波數(shù)據(jù)其中，i =1,2,…成，方位向頻譜重構(gòu)后的數(shù)據(jù)分別為E1和E2,即以A(0進(jìn)行重構(gòu)得到E1,以if進(jìn)行重構(gòu)得到E2 和E2的維數(shù)為(Na · X/2) XY ；步驟四距離壓縮；對步驟四得到的方位向頻譜重構(gòu)后的數(shù)據(jù)EJP E2進(jìn)行距離向匹配濾波，即用參考信號對E1和E2的每一行進(jìn)行匹配濾波，得到距離向匹配濾波后的數(shù)據(jù)F1和F2,并對F1和F2進(jìn)行疊加，得到距離壓縮后的數(shù)據(jù)F ；步驟五距離徙動校正；對于步驟四得到的距離壓縮后的數(shù)據(jù)F，利用sine插值法精確校正距離徙動，得到進(jìn)行距離徙動校正后的數(shù)據(jù)G ;步驟六方位向壓縮，得到最終圖像；對步驟五中得到的距離徙動校正后的數(shù)據(jù)G進(jìn)行方位向壓縮，得到最終圖像H。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟一中回波數(shù)據(jù)Cf)和Cf為C1^ [m,n) = C^w = 1，2，.··,X/2; μ = 1,2,...,7(4){πι,η) = {2m,η), m = 1,2,···,X/2; = 1,2,···,7(5)其中，i表示接收天線的序號，i = 1，2，…，Na表示二維數(shù)組Cf)的第m行的第η個元素，Cf 表示二維數(shù)組Cf )的第m行的第η個元素，C(i) (2m_l，η)表示二維數(shù)組 C(i)的第2m-l行的第η個元素，C(i) (2m, η)表示二維數(shù)組C(i)的第2m行的第η個元素；根據(jù)式⑷和(5)，得到回波數(shù)據(jù)Cf)和。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟二具體為對步驟一分離出的回波數(shù)據(jù)Cf)和Cf沿距離向做快速傅里葉變換，即對Cf)和C )的每行分別做一維傅里葉變換，傅里葉變換點數(shù)為Y ;根據(jù)式(6)和(7)，得到距離向頻域數(shù)據(jù)分別為踔)和；
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟三具體包括(I)獲取各接收天線等效延遲；設(shè)平臺飛行速度為V，各接收天線等效延遲為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟四具體包括(1)分別以完全互補(bǔ)序列的兩個互補(bǔ)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IV n0 = 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 (Tl)和Sb (η), η = 1,2, *··,η0 ;在離散的參考信號8>)和8>)后面補(bǔ)零，補(bǔ)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(bǔ)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 ；(2)將E1的每一行與sA_FFT的共軛進(jìn)行矢量點乘，將E2的每一行與sB_FFT的共軛進(jìn)行矢量點乘，并將得到的結(jié)果按行進(jìn)行快速傅里葉逆變換，分別得到距離向匹配濾波后的數(shù)據(jù) F1和F2 ;獲取過程如下
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟五具體為(1)獲取距離壓縮后的數(shù)據(jù)F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，距離壓縮后的數(shù)據(jù)F的第m行對應(yīng)的方位頻率為
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的步驟六具體為(1)獲取距離徙動校正后的數(shù)據(jù)G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，數(shù)據(jù)G的第m行對應(yīng)的方位頻率為/Jm)，則
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任意一個權(quán)利要求所述的一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于，所述的成像方法中完全互補(bǔ)序列由一對互補(bǔ)序列構(gòu)成，長度為L的完全互補(bǔ)序列對{Α，B}為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于完全互補(bǔ)序列的多通道合成孔徑雷達(dá)成像方法，包括以下幾個步驟步驟一將基于完全互補(bǔ)序列的各通道回波數(shù)據(jù)分成單獨以兩個互補(bǔ)序列作為雷達(dá)發(fā)射信號得到的回波數(shù)據(jù)；步驟二對分離后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離向傅里葉變換；步驟三方位向頻譜重構(gòu)；步驟四距離壓縮；步驟五距離徙動校正；步驟六方位向壓縮，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、方位分辨率高、觀測帶寬的特點。
文檔編號G01S13/90GK102608603SQ20121006587
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)