專利名稱：一種基于距離分割的sar回波時(shí)頻混合模擬方法
一種基于距離分割的SAR回波時(shí)頻混合模擬方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于雷達(dá)信號處理領(lǐng)域，它特別涉及一種具有高精度的SAR面目標(biāo)回波模擬方法。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)的概念于上世紀(jì)50年代提出，由于SAR系統(tǒng)本身所具有的全天時(shí)、全天候和高分辨率成像等特點(diǎn)，使得SAR系統(tǒng)在發(fā)展初期就引起了人們的注意。1978世界第一顆搭載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的SEASAT衛(wèi)星在美國成功發(fā)射，標(biāo)志著合成孔徑雷達(dá)進(jìn)入空間領(lǐng)域，也掀起了合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)信號處理及其應(yīng)用研究的高潮。時(shí)至今日，SAR系統(tǒng)在民用和軍用領(lǐng)域中發(fā)揮的作用和巨大的潛力依舊是世界各國研究的熱點(diǎn)。
SAR系統(tǒng)的建立所需成本往往比較高，尤其是星載SAR系統(tǒng)，所以在建設(shè)初期，往往采用模擬的方法對系統(tǒng)的一些核心部分進(jìn)行功能驗(yàn)證。
在SAR回波模擬中，具體可以做如下區(qū)分
(一)根據(jù)模擬對象的不同，主要可以分為點(diǎn)目標(biāo)模擬和面目標(biāo)模擬。點(diǎn)目標(biāo)的模擬可以用來驗(yàn)證系統(tǒng)的具體性能指標(biāo)，為面目標(biāo)回波的模擬提供基礎(chǔ)；面目標(biāo)的模擬則對系統(tǒng)的整體效果進(jìn)行估計(jì)。
( 二)根據(jù)模擬域的不同，則主要可以分為時(shí)域模擬和頻域模擬，其中
(1)時(shí)域模擬根據(jù)飛行器的飛行時(shí)間，計(jì)算在當(dāng)前脈沖發(fā)射時(shí)刻波束照射范圍內(nèi)的目標(biāo)數(shù)量，求得各個目標(biāo)同飛行平臺之間的相對位置和距離，同時(shí)根據(jù)目標(biāo)的不同后向散射特性，求得每個目標(biāo)的回波，并根據(jù)距離的不同進(jìn)行一定時(shí)延后進(jìn)行疊加，從而得到當(dāng)前發(fā)射脈沖的回波數(shù)據(jù)。以此類推，隨著飛行器的不斷前進(jìn)，計(jì)算每個脈沖的發(fā)射時(shí)間， 得到每個脈沖發(fā)射后的回波數(shù)據(jù)，直至整個場景回波計(jì)算完畢。這種方法得到的結(jié)果較為精確，但是計(jì)算量太大，模擬速度慢。
(2)頻域模擬傳統(tǒng)面目標(biāo)的頻域模擬主要采取二維快速傅里葉變換的方法。該方法從整個場景中各個散射單元對整個SAR回波信號的貢獻(xiàn)出發(fā)，根據(jù)面目標(biāo)回波信號是各個分辨單元的沖激響應(yīng)與目標(biāo)散射特性的卷積這一原理，利用由點(diǎn)目標(biāo)回波得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)和面目標(biāo)的二維后向散射系數(shù)，再結(jié)合二維快速傅里葉變換，將兩者變換到二維頻域，通過做相乘處理來實(shí)現(xiàn)時(shí)域上的卷積結(jié)果，降低了計(jì)算量。但在計(jì)算轉(zhuǎn)移函數(shù)的時(shí)候中心距離一般選擇為面目標(biāo)中心場景到飛行平臺的最近距離，然后進(jìn)行坐標(biāo)變換，繼而求出表達(dá)式，并且在模擬的過程中，需要對已有場景的頻譜進(jìn)行插值或者近似處理求得變換后的頻譜，這就使得頻域模擬的回波數(shù)據(jù)不如時(shí)域模擬精確。
根據(jù)上述比較，時(shí)域模擬特點(diǎn)是精度高，但計(jì)算量大，尤其是在大場景模擬時(shí)，模擬時(shí)間會比較長；頻域模擬的精度不如時(shí)域模擬的高，但計(jì)算量卻比時(shí)域模擬要小很多。也有將兩種模擬域的方法結(jié)合起來進(jìn)行場景回波模擬，但是需要分別計(jì)算系統(tǒng)的距離向沖激響應(yīng)和方位向沖激響應(yīng)，需要兩次循環(huán)才能得到回波數(shù)據(jù)，降低了計(jì)算效率。
綜合以上各種方法，考慮到在面目標(biāo)場景回波計(jì)算中，相同距離向上的點(diǎn)可以認(rèn)為具有相同的多普勒歷程，因此采用一種基于距離分割的方法對場景按距離向的不同進(jìn)行分割，在回波模擬精度和速度間進(jìn)行折中，提出一種新的SAR回波時(shí)頻混合模擬方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在兼顧回波模擬精度和模擬速度的情況下，提供一種基于對面目標(biāo)場景進(jìn)行距離分割的、新的時(shí)頻混合的SAR面目標(biāo)回波數(shù)據(jù)模擬方法，具有實(shí)用性和有效性?；诰嚯x分割的時(shí)頻混合SAR回波數(shù)據(jù)模擬方法，包括如下步驟步驟一輸入SAR系統(tǒng)參數(shù)，包括平臺飛行高度H、平臺的有效飛行速度V、雷達(dá)工作頻率f。、發(fā)射脈沖線性調(diào)頻率I、發(fā)射脈寬 ；、天線長度D，波束入射角θ等；步驟二根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算出系統(tǒng)的理論空間分辨率，包括距離向辨率和方位分辨率；步驟三輸入離散化的面目標(biāo)場景的二維后向散射系數(shù)矩陣σ (r，a)，大小為Na 行XNr列，每一個矩陣單元值代表一個系統(tǒng)分辨單元等效的后向散射系數(shù)，將矩陣的行方向記為距離向方向，列方向記為方位向方向，這就意味著處于同一列的分辨單元具有相同的距離向坐標(biāo)，然后按照距離向的不同對矩陣進(jìn)行分割，并對矩陣的每一列進(jìn)行編號，分別記為距離線1，距離線2......距離線隊(duì)。步驟四從距離線1開始，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，針對距離線i計(jì)算此時(shí)對應(yīng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)^(τ，μ )，同時(shí)將該距離線上的后向散射系數(shù)值填充到具有和系統(tǒng)輸入的后向散射系數(shù)矩陣同樣大小的空白矩陣ο ‘ i(r，a)的對應(yīng)位置，同時(shí)對回波存儲矩陣做全零初始化操作；步驟五將得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)比“，μ)和Qi' (r, a)作二維快速傅里葉變換，并分別記為氏(口，ξ) = 2DFT[hi(T，μ)]和 Γ/ (μ , ξ) = 2DFT[o ‘ “口)]，然后更新回波存儲矩陣 Ε(μ，ξ)，令 Ε(μ，ξ) = Ε(μ , ξ )+Hi ( μ，ξ) · Γ/ (μ , ξ)；步驟六重復(fù)步驟四 步驟五，直至對所有距離線完成處理；步驟七將得到的回波存儲矩陣做二維快速傅里葉逆變換，得到面目標(biāo)的回波，即 e( τ , μ ) = 2IDFT[E(y，ξ)]。本發(fā)明的積極效果本發(fā)明結(jié)合了傳統(tǒng)時(shí)域模擬方法精度高和傳統(tǒng)頻域模擬方法速度快的特點(diǎn)，在模擬精度和模擬速度間進(jìn)行折中。通過對仿真場景進(jìn)行距離分割，將具有相同多普勒歷程的分辨單元劃分到一起，并在時(shí)域一次完成對特定系統(tǒng)二維轉(zhuǎn)移函數(shù)的精確計(jì)算，然后在頻域計(jì)算得到回波數(shù)據(jù)，在保證精度的同時(shí)進(jìn)一步提到了計(jì)算效率。


圖1是該回波模擬方法的總體流程圖；圖2是后向散射系數(shù)矩陣存儲示意圖；圖3是不同距離線對應(yīng)的不同中心距離Rtl和飛行平臺到目標(biāo)距離R( η)計(jì)算的空間示意圖；圖4是后向散射系數(shù)矩陣提取示意圖。
具體實(shí)施方式
下面就結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明該發(fā)明的工作過程?；夭M過程可以分為四大部分。
第一部分主要是針對系統(tǒng)計(jì)算必要的參數(shù)，包括步驟一和步驟二。在系統(tǒng)仿真最開始，首先按照步驟一和步驟二進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的輸入和主要指標(biāo)的計(jì)算。輸入的參數(shù)包括平臺飛行高度H、平臺的有效飛行速度ν、雷達(dá)工作頻率f^、發(fā)射脈沖線性調(diào)頻率&、發(fā)射脈寬 ；、信號的采樣頻率&、天線長度D，波束入射角θ等。根據(jù)公式計(jì)算得到系統(tǒng)的理論距離向分辨率和方位向分辨率，其中距離向分辨率h = c/2KJ(C為光速)，方位向分辨率Pa =D/2。
第二部分是針對仿真場景的二維后向散射系數(shù)進(jìn)行處理。按照步驟三的方法，我們將面目標(biāo)看作是各個點(diǎn)集合，每一個點(diǎn)代表系統(tǒng)的一個分辨單元，對應(yīng)于實(shí)際仿真場景中大小為P^X Pa的一片區(qū)域。由于很難獲取到準(zhǔn)確的真實(shí)后向散射系數(shù)，所以我們在進(jìn)行仿真時(shí)采用處理后的等效后向散射系數(shù)，并以矩陣的形式進(jìn)行存儲和表示。具體表示方法如圖2所示，整個二維后向散射系數(shù)矩陣用ο (r，a)表示，σ (ri Bj)代表距離向坐標(biāo)為 i、方位向坐標(biāo)為j的對應(yīng)點(diǎn)的后向散射系數(shù)，其中1彡i彡凡，1彡j彡Na。
第三部分則主要針對步驟四到步驟六，包含兩部分內(nèi)容，首先是針對仿真場景進(jìn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)的計(jì)算，其次是將計(jì)算得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)與后向散射系數(shù)結(jié)合起來，循環(huán)計(jì)算得到回波。
(1)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)計(jì)算
SAR回波信號可以看作是后向散射系數(shù)和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)的卷積，即
s(r, a) =I f ο (r, a)h(r-r'，a-a' )dr' da'(1)
其中，r和a分別表示距離向和方位向。
考慮特殊情況，當(dāng)σ (r，a)為二維單位沖激函數(shù)，S卩σ (r，a) = δ (r, a)時(shí)，得到的h(r，a)即為系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)。
根據(jù)SAR系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合“stop-go”模型得到系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)在時(shí)域的精確表達(dá)式。
Sr (0 = -^-fSXt-CCΓ 芒 ，R(t)、2 T'-t + nT + 2R(t)/c....
= V a w(t —f rect{-；———~)(2)^acT/7=-00■*·
.exp|y2^ fc(t-nT-^-) + ^Kr(t-nT-^-f) |
相干解調(diào)后，對表達(dá)式進(jìn)行整合。記τ為距離向快時(shí)間量，η為方位向慢時(shí)間量。 用快慢時(shí)間變量代替原有的時(shí)間變量，得到時(shí)域上用(τ，η)表示的系統(tǒng)二維轉(zhuǎn)移函數(shù)表達(dá)式
h^ =^ .快時(shí)間)…xexpL^(r-^M)2) L c54^(77) exp/I _慢時(shí)間y
其中η。為波束中心穿越時(shí)刻，并記零多普勒平面掃過目標(biāo)的時(shí)間為零時(shí)刻，則
權(quán)利要求
1.一種基于距離分割的SAR回波時(shí)頻混合模擬方法，其特征由以下步驟給出 步驟一輸入SAR系統(tǒng)參數(shù)，包括平臺飛行高度H、平臺的有效飛行速度ν、雷達(dá)工作頻率f。、發(fā)射脈沖線性調(diào)頻率&、發(fā)射脈寬 ；、天線長度D，波束入射角θ等；步驟二 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算出系統(tǒng)的理論空間分辨率，包括距離向分辨率和方位向分辨率；步驟三輸入離散化的面目標(biāo)場景的二維后向散射系數(shù)矩陣σ (r，a)，大小為NaRX凡列，每一個矩陣單元值代表一個系統(tǒng)分辨單元等效的后向散射系數(shù)，將矩陣的行方向記為距離向方向，列方向記為方位向方向，這就意味著處于同一列的分辨單元具有相同的距離向坐標(biāo)，然后按照距離向的不同對矩陣進(jìn)行分割，并對矩陣的每一列進(jìn)行編號，分別記為距離線1，距離線2......距離線隊(duì)；步驟四從距離線1開始，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，針對距離線i計(jì)算此時(shí)對應(yīng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù) hjr，a)，同時(shí)將該距離線上的后向散射系數(shù)值填充到具有和系統(tǒng)輸入的后向散射系數(shù)矩陣同樣大小的空白矩陣ο ‘ Jr，a)的對應(yīng)位置，同時(shí)對回波存儲矩陣做全零初始化操作； 步驟五將得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)Iii ( τ，η)和σ / (r, a)作二維快速傅里葉變換，并分別記為氏(口，ξ) =2DFT[hi(r，a)]和 Γ/ (μ , ξ) = 2DFT[o ‘ i(r，a)]，然后更新回波存儲矩陣 Ε( μ，ξ)，令E(μ，ξ) = Ε(μ , ξ)+Η (μ , ξ) · Γ/ (μ , ξ)； 步驟六重復(fù)步驟四 步驟五，直至對所有距離線完成處理；步驟七將得到的回波存儲矩陣做二維快速傅里葉逆變換，得到面目標(biāo)的回波，即 e( τ , n) = 2IDFT[E(y，ξ)]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種基于距離分割的SAR回波時(shí)頻混合模擬方法，其特征在于在所述步驟三中需要對仿真場景進(jìn)行距離分割，將具有相同多普勒歷程的具有相同距離向坐標(biāo)的分辨單元劃分為一組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種基于距離分割的SAR回波時(shí)頻混合模擬方法，其特征在于在所述步驟四中，針對不同的距離線，通過時(shí)域一次完成對系統(tǒng)二維轉(zhuǎn)移函數(shù)的精確計(jì)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種基于距離分割的SAR回波時(shí)頻混合模擬方法，其特征在于在所述步驟四中針對不同的距離線計(jì)算出特定的系統(tǒng)二維轉(zhuǎn)移函數(shù)后，為了消除仿真場景中其他非該距離線上的分辨單元的影響，對分組后的仿真場景進(jìn)行特定距離線上的后向散射系數(shù)提取，填充到一個空白矩陣中，得到計(jì)算所需的新的二維后向散射系數(shù)矩陣 σ ‘ i (r, a) ο
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于距離分割的SAR回波時(shí)頻混合模擬方法，該方法采用一種基于距離分割的方法對場景按距離向的不同進(jìn)行分割，將具有相同多普勒歷程的點(diǎn)在仿真模擬時(shí)劃分為一組，并通過一次計(jì)算在時(shí)域精確得出對應(yīng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)，并將得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)和提取后的二維后向散射系數(shù)分別作2DFT變換后，在頻域相乘來實(shí)現(xiàn)時(shí)域卷積運(yùn)算，以此類推，只需按照距離向進(jìn)行一次循環(huán)即可得到模擬的回波數(shù)據(jù)，在保留回波模擬精度的同時(shí)進(jìn)一步提高模擬速度。
文檔編號G01S13/90GK102478653SQ20101055228
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者朱立東, 閆佳 申請人:電子科技大學(xué)