本發(fā)明涉及合成孔徑雷達(dá)成像，具體涉及基于微型超寬帶雷達(dá)傳感模塊的高分辨SAR成像方法。

背景技術(shù)：

雷達(dá)圖像是雷達(dá)對照射場景區(qū)域目標(biāo)的電磁散射回波信號進(jìn)行重構(gòu)得到的，它包含了目標(biāo)位置，幾何特征等方面的信息，從而可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測、定位、識別，主要使用兩類雷達(dá)：合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)和超寬帶雷達(dá)(Ultra Wide Band，UWB)。

SAR是一種搭載在衛(wèi)星，飛機(jī)等移動平臺上的雷達(dá)系統(tǒng)，它通過平臺的移動性形成大的波束寬度，從而拓寬了照射區(qū)域范圍，可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的方位向高分辨成像。UWB雷達(dá)系統(tǒng)具有極大帶寬的波形信號，穿透力強(qiáng)、功耗低等特性，能夠分辨目標(biāo)的各單個(gè)散射體單元，其距離分辨率通?？蛇_(dá)亞米級到米級，在有效范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)地目標(biāo)探測和成像。

在SAR技術(shù)中，如何實(shí)現(xiàn)高分辨的雷達(dá)圖像是研究熱點(diǎn)。因此，將SAR成像技術(shù)與UWB雷達(dá)傳感器相結(jié)合的雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的高分辨成像，從而更加有效的揭示目標(biāo)物理特征，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。目前對基于UWB雷達(dá)傳感器的SAR成像研究主要集中在驗(yàn)證目標(biāo)成像和識別的可行性階段，然而對基于UWB雷達(dá)傳感器的SAR成像的分辨率研究還未見報(bào)道。微型的UWB雷達(dá)因攜帶方便，靈活性好，更具有實(shí)用價(jià)值。因此，需要一種基于微型超寬帶雷達(dá)傳感器的高分辨SAR成像方法以實(shí)現(xiàn)高精度的雷達(dá)圖像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明目的在于提供基于微型超寬帶雷達(dá)傳感模塊的高分辨SAR成像方法，解決現(xiàn)有技術(shù)對不同距離向的待測目標(biāo)或兩個(gè)獨(dú)立待測目標(biāo)不能夠?qū)崿F(xiàn)高精度分辨率合成孔徑雷達(dá)成像等技術(shù)問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

基于微型超寬帶雷達(dá)傳感模塊的高分辨SAR成像方法,包括如下步驟，

步驟1、測量待測目標(biāo)與雷達(dá)傳感模塊的距離，并將雷達(dá)傳感模塊向待測目標(biāo)以不同方位向發(fā)出雷達(dá)脈沖；

步驟2、相對待測目標(biāo)移動雷達(dá)傳感模塊的天線，進(jìn)行對應(yīng)不同方位向的回波掃描并接收由雷達(dá)脈沖經(jīng)待測目標(biāo)反彈的回波信號；

步驟3、利用距離多普勒算法和二維加窗方法，結(jié)合距離計(jì)算回波信號，獲得合成孔徑雷達(dá)圖像。

上述方法中，所述的步驟1，包括如下步驟，

步驟1.1、將待測目標(biāo)與雷達(dá)傳感模塊構(gòu)成不同的距離向，利用紅外測距儀測量待測目標(biāo)與雷達(dá)傳感模塊的距離；

步驟1.2、將雷達(dá)傳感模塊的天線安裝于滑軌平臺，天線在滑軌平臺上作勻速運(yùn)動并向待測目標(biāo)以不同方位向發(fā)出雷達(dá)脈沖。

上述方法中，所述的步驟2，

回波信號S_tu表示為

$S_{tu}=\underset{u}{\∫}\underset{t}{\∫}{\mathrm{\α}}_{n}p\[t-\frac{2\sqrt{{x_i}^2+{(y_j-u)}^2}}{c}\]dtdu$

其中，(x_i,y_j)(n＝1,2,...)為探測區(qū)域內(nèi)待測目標(biāo)的微元點(diǎn)，α_n為散射系數(shù)，p(t)為雷達(dá)脈沖，c為電磁波傳播速度；

還利用雷達(dá)傳感模塊對移除待測目標(biāo)的相同探測區(qū)域進(jìn)行環(huán)境掃描，獲得環(huán)境雜波信號。

上述方法中，所述的步驟3，包括如下步驟，

步驟3.1、將距離作為參考距離R_c，計(jì)算出距離向壓縮參考函數(shù)S_refr

$S_{refr}=p(t-\frac{2R_c}{c});$

步驟3.2、去除回波信號S_tu中的環(huán)境雜波信號，然后再將去雜波的回波信號S_tu和距離向壓縮參考函數(shù)S_refr進(jìn)行匹配濾波與距離向傅里葉逆變換，獲得時(shí)域的距離向壓縮信號S_rc

S_rc＝IDFT{DFT[S_tu]·DFT[S^*_refr]}；

步驟3.3、結(jié)合天線移動速度v，計(jì)算方位向壓縮參考函數(shù)S_refa

$S_{refa}=\exp \left({\mathrm{j\πK}}_a^2{t}^2\right)$

其中，為天線移動速度v確定的方位多普勒調(diào)頻頻率，λ為雷達(dá)脈沖的波長，其中c為電磁波傳播速度，f為超寬帶雷達(dá)傳感模塊的發(fā)射信號頻率。

步驟3.4、對回波信號S_tu進(jìn)行方位向傅里葉變換，然后再進(jìn)行插值處理，獲得距離抖動校正的回波信號S_rcmc；

步驟3.5、將距離抖動校正的回波信號S_rcmc和方位向壓縮參考函數(shù)S_refa進(jìn)行匹配濾波與方位向傅里葉逆變換，最后經(jīng)二維加窗方法處理得到合成孔徑雷達(dá)圖像f_rd，

f_rd＝Window{IDFT{DFT[S_rcmc]·DFT[S^*_refa]}}

其中，Window(x，y)為二維加窗函數(shù)，采用的窗函數(shù)為Hamming窗，表達(dá)式如下：

其中M,N分別是超寬帶雷達(dá)傳感模塊的二維SAR回波信號的距離向和方位向采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

上述方法中，雷達(dá)傳感模塊通過微型超寬帶雷達(dá)進(jìn)行設(shè)置，其天線設(shè)置為一對定向型寬頻帶平面天線。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

通過基于微型超寬帶雷達(dá)傳感器的高分辨SAR成像方法，實(shí)現(xiàn)了高精度的雷達(dá)圖像；利用微型的UWB雷達(dá)因攜帶方便，靈活性好，更加具有實(shí)用價(jià)值，從而更加有效的揭示目標(biāo)物理特征，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的主要步驟示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的兩個(gè)獨(dú)立待測目標(biāo)實(shí)物圖；

圖3為本發(fā)明的圖2中待測目標(biāo)的回波信號示意圖；

圖4為本發(fā)明的對圖3處理后成像結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

實(shí)施例1

本發(fā)明提供了一種基于微型超寬帶雷達(dá)傳感器，結(jié)合距離多普勒算法(Range-Doppler)和二維加窗優(yōu)化處理的高分辨SAR成像方法。其特征在于，所述的基于微型超寬帶雷達(dá)傳感器對于實(shí)物目標(biāo)反射回波的產(chǎn)生，收集和處理由以下步驟具體實(shí)現(xiàn)：

(a).采用美國Time Domain公司生產(chǎn)的型號為PulsON 410微型超寬帶單基站雷達(dá)傳感器模塊，該模塊集成在76mm×80mm×16mm的定制硅片上，并通過配有一對自主改進(jìn)的定向型寬頻帶平面天線(一發(fā)一收的模式)對由吸波材料壁面構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的實(shí)物目標(biāo)(鋁制易拉罐)進(jìn)行測量，如圖2所示；

(b).在測量時(shí)為了避免該模塊固有的天線耦合和SMA同軸電纜的影響，將PulsON 410放置在距離目標(biāo)至少大于0.3m處，并將其天線搭載在一個(gè)可以勻速運(yùn)動的滑軌平臺上進(jìn)行SAR回波測量；

(c).基于RET軟件對實(shí)物目標(biāo)的二維時(shí)域回波數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，在測量時(shí)回波數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間間隔為61.024ps，時(shí)間序列長度大約為23ns，并選擇原始掃描模式收集數(shù)據(jù)；

(d).在平臺勻速移動的情況下，對未放置實(shí)物的測試環(huán)境進(jìn)行每個(gè)方位向采樣點(diǎn)的SAR回波數(shù)據(jù)收集，為在后續(xù)的成像預(yù)處理中消除環(huán)境雜波的影響；

(e).接著對分別放置在不同距離向的環(huán)境實(shí)物進(jìn)行每個(gè)方位向采樣點(diǎn)的SAR回波數(shù)據(jù)收集，然后對采集到目標(biāo)回波數(shù)據(jù)基于距離多普勒算法和二維加窗優(yōu)化處理獲得最終的高分辨SAR圖像。

為了避免在成像時(shí)方位向的回波信號存在混疊現(xiàn)象，在步驟d、e中將PulsON 410微型超寬帶雷達(dá)傳感器的脈沖重復(fù)頻率設(shè)置為10.1MHz。

實(shí)施例2

基于實(shí)施例1

1.試驗(yàn)儀器

本方法搭建了一個(gè)基于微型微型超寬帶雷達(dá)傳感器的SAR成像系統(tǒng)。主要部件包括：一套由美國Time Domain公司生產(chǎn)的PulsON P410微型單基超寬帶雷達(dá)模塊、一對自主改進(jìn)的定向型寬頻帶平面天線、移動滑臺、紅外線測距儀、筆記本電腦和其它輔助配件。PulsON 410雷達(dá)模塊集成在76mm×80mm×16mm的定制硅片上，產(chǎn)生的超寬帶信號頻率范圍為3.1GHz到5.3GHz，頻率帶寬為2.2GHz，中心頻率是4.3GHz。后期對SAR回波數(shù)據(jù)處理的軟件為美國Mathworks公司的MATLAB R2015a和微軟公司的Excel 2013。

2.試驗(yàn)步驟

(1)針對選定的成像區(qū)域，在不同距離向放置兩個(gè)實(shí)物目標(biāo)(鋁制易拉罐)，實(shí)物如圖1所示，并用紅外線測距儀測量目標(biāo)至微型超寬帶雷達(dá)傳感器的距離和目標(biāo)之間的距離。

(2)基于搭載在滑動平臺的微型超寬帶雷達(dá)傳感器，在原始掃描模式下采集目標(biāo)的二維時(shí)域SAR回波數(shù)據(jù)。在收集目標(biāo)回波之前先采集測量環(huán)境的雜波數(shù)據(jù)，為后面的成像處理做好場景信息校正。其中，放置在不同距離向的兩個(gè)實(shí)物目標(biāo)回波結(jié)果如圖2所示。

(3)距離多普勒算法進(jìn)行SAR成像

a1.假設(shè)在目標(biāo)區(qū)域(x,y)中有一列位于(x_i,y_j)(n＝1,2,...)散射系數(shù)為α_n的點(diǎn)目標(biāo)，那么原始掃描的目標(biāo)SAR回波S_tu，如圖1所示，可以表示為：

$S_{tu}=\underset{u}{\∫}\underset{t}{\∫}{\mathrm{\α}}_{n}p\[t-\frac{2\sqrt{{x_i}^2+{(y_j-u)}^2}}{c}\]dtdu---\left(1\right)$

其中p(t)表示微型超寬帶雷達(dá)傳感器的發(fā)射信號；

a2.選定測量環(huán)境中目標(biāo)成像區(qū)域的中心至PulsON 410微型超寬帶雷達(dá)傳感器的垂直距離作為距離向成像參考距離，記為R_c；計(jì)算距離向壓縮參考函數(shù)，記為S_refr，可以表示為：

$S_{refr}=p(t-\frac{2R_c}{c})---\left(2\right)$

a3.將去除環(huán)境雜波影響后的回波信號S_tu進(jìn)行和距離向壓縮參考函數(shù)S_refr的進(jìn)行匹配濾波，計(jì)算匹配濾波后信號的距離向傅立葉逆變換，得到距離向壓縮后的時(shí)域信號，記為S_rc，可以表示為：

S_rc＝IDFT{DFT[S_tu]·DFT[S^*_refr]} (3)

a4.依據(jù)平臺移動速度v確定方位多普勒調(diào)頻率，記為K_a；計(jì)算方位向壓縮參考函數(shù)，記為S_refa，對于一個(gè)線性調(diào)頻信號，可表示為：

$S_{refa}=\exp \left({\mathrm{j\πK}}_a^2{t}^2\right)---\left(4\right)$

$K_a=\frac{-2v^2}{{\mathrm{\λR}}_c}---\left(5\right)$

a5.對方位向傅立葉變換后的信號S_tu進(jìn)行插值處理實(shí)現(xiàn)距離抖動校正，記為；計(jì)算距離抖動校正后的信號S_rcmc和方位向壓縮參考函數(shù)S_refa的匹配濾波，并對匹配濾波處理后的信號進(jìn)行方位向逆變換和二維加窗優(yōu)化處理得到最終的SAR圖像，記為f_rd，可表示為：

f_rd＝Window{IDFT{DFT[S_rcmc]·DFT[S^*_refa]}} (6)

得到的不同距離向?qū)崪ySAR圖像結(jié)果如圖3所示，兩目標(biāo)(鋁制易拉罐)的距離向位置分別是64cm和71cm，分辨率為7cm。此結(jié)果是在0.5m的合成孔徑長度，滑臺速度為2cm/s實(shí)測環(huán)境下獲得的。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。