基於子孔徑和等效散射體的sar回波快速模擬方法
2023-12-10 10:14:17
專利名稱：基於子孔徑和等效散射體的sar回波快速模擬方法
技術領域：
本發明涉及一種雷達信號回波模擬方法，更具體的說，涉及一種適用於自然場景的合成孔徑雷達回波快速模擬方法。
背景技術：
合成孔徑雷達(SAR)回波模擬的對象主要分為人造場景和自然場景。人造場景回波模擬指對人為製作的點目標、點陣目標的回波信號的模擬，自然場景回波模擬指對真實自然環境的回波信號進行的模擬。對於一般的SAR仿真研究，點目標和點陣目標已經夠用。但是對於研究高精度的運動補償算法、SAR制導中的景象匹配算法等內容時，點目標仿真已經難以滿足要求，因此需要模擬自然場景的回波數據。
現有的自然場景回波模擬的算法主要有距離時域疊加方法、基於一維頻域傅立葉變換的方法、二維頻域傅立葉變換方法。
距離時域疊加方法的基本原理是在每個方位脈衝時刻，首先計算波束照射範圍內的所有目標與雷達平臺之間的距離，得到每個目標的回波信號。然後將所有目標的回波信號相干疊加，得到一個脈衝的回波信號。隨著雷達平臺的運動，在距離時域按照脈衝順序，就生成了所有脈衝的回波信號。這種方法的優點是模擬的精度很高，容易模擬姿態誤差對於回波的影響；缺點是當模擬目標數很多時，生成回波的運算量很大，仿真時間也很長。
基於一維頻域傅立葉變換的方法的基本原理與距離時域疊加方法相似，不同只是通過發射信號與系統衝激響應函數的卷積產生一個脈衝的回波信號。所以，計算速度會快很多。
二維頻域傅立葉變換法是通過目標散射特性的二維頻譜與SAR系統傳遞函數的二維頻域表達式相乘，再利用二維逆傅立葉變換得到最終的時域回波信號。與前兩種回波生成算法相比，這種算法的效率顯著提高，但是當SAR系統包含平臺運動誤差和天線姿態誤差的時候，這種算法無法精確的進行模擬。
綜上所述，距離時域疊加算法是一種最優方法，仿真精度很高，但仿真的運行時間也很長。基於一維頻域傅立葉變換方法的仿真精度較高，仿真時間較長。二維頻域傅立葉變換法屬於次優方法，仿真時間很短，但仿真精度均受限於加入的誤差類型，對於有運動誤差情況下的模擬真實性較差。
因此，為了在運算效率和仿真精度之間進行折中，需要一種基於子孔徑和等效散射體的快速生成合成孔徑雷達回波的方法。
發明內容
本發明提供一種基於子孔徑和等效散射體的快速生成合成孔徑雷達回波的方法，以實現較好的運算效率和仿真精度。
本發明所述的基於子孔徑和等效散射體的SAR回波快速模擬方法包括以下步驟 第一步沿雷達飛行方向將所有航跡點對應的脈衝劃分為若干等長的脈衝組，每個脈衝組被看作一個子孔徑，並在脈衝組中給各個脈衝的位置進行編號； 第二步與此同時，將場景劃分為若干等大小的小矩形場景，根據雷達平臺到目標場景的最小和最大距離，劃分等距離環； 第三步在第二步得到的小矩形場景裡的每個等距離環區域內，捕獲所有目標並進行疊加，得到等效散射體的後向散射係數，從而得到系統衝激響應函數；在計算中，採用目標所在的等距離環區域的中心斜距來代替各個目標的斜距，此近似帶來的都卜勒相位項誤差可以通過在衝激響應中增加相應的斜距差對應的相移因子補償掉；將所有等距離環區域內所有目標的回波幅度信息和都卜勒相位補償疊加，就可以得到場景對應的整個系統衝激響應函數，形式如下 其中，n為等距離環區域個數，fc為雷達發射信號中心頻率；式中Rdm表示第d個等距離環區域中心的斜距，c為光速； 表示第d個等距離環區域內所有目標的回波幅度信息和都卜勒相位補償的疊加，稱之為等效後向散射係數；式中N為某個等距離環區域內目標的總數，Ai為目標散射係數的幅度信息，Ri為目標與雷達的斜距； 第四步進行距離向處理設雷達發射信號為ssend(t)，通過雷達發射信號與衝激響應函數的卷積得到第一步中劃分的每個脈衝組中心脈衝的回波信號，如下式 s(t)＝ssend(t)*hcenter(t) 第五步進行方位向處理通過一階近似模型，由第一步中劃分的每個脈衝組中心脈衝的回波信號計算脈衝組內其它任意脈衝的回波信號，具體步驟為 1)計算非中心時刻脈衝的小矩形場景等效後向散射係數 對於系統衝激響應函數h(t)，只有σd是和方位向有關的 其中，Δri，jj(ta)表示ta時刻第(i，jj)個目標的斜距與其所在的等距離環中心斜距的差值，a1，a2，b1，b2為目標在場景中的位置索引範圍，Δri，jj(ta)＝Ri，jj(ta)-Rdm為目標與雷達間斜距與目標所在等弧中心斜距的差值； 對Ri，jj(ta)進行二階泰勒展開，並將θl，i，jj定義為第l個脈衝組中心時刻雷達與後向散射係數為σi，jj的目標的連線與航跡法線的夾角，即斜視角，λ為雷達發射信號波長，可以得到Ri，jj(ta)≈Ri，jj(tcenter)+vsinθl，i，jj·(ta-tcenter)，其中，tcenter為脈衝組中心時刻，此式即為斜距的一階近似模型； 這樣，脈衝組內非中心時刻脈衝的等效後向散射係數就可以通過中心時刻脈衝的等效後向散射係數乘一個相位因子獲得，即 場景劃分模塊沿方位向劃分了小矩形場景，認為在一個小矩形場景內，可以用其中心的斜視角來近似代替小矩形場景中的所有點的斜視角，即為θl，因此每個小矩形場景對應的衝激響應可以通過脈衝組中心時刻對應的衝激響應乘以相位因子統一獲得； 2)非中心時刻脈衝的脈衝衝激響應函數計算 對於非脈衝組中心時刻的脈衝，將每個小矩形場景的同一個脈衝的衝激響應函數對應相加，就生成整個目標場景的脈衝衝激響應函數，表達式如下 其中，Ns為小矩形場景的數量，ne為等弧的數量，ta為脈衝組內非中心時刻的方位向時間，tcenter為脈衝組中心的方位向時間，λ為信號波長，v為平臺速度，θl為斜視角沒，σd為等距離環的等效後向散射係數，tcenter為脈衝組中心時刻，fc為雷達發射信號中心頻率； 3)非中心時刻脈衝的回波計算 將上個步驟得到的衝激響應函數h(t)與發射信號卷積，即可獲得該脈衝對應的回波信號； 通過以上五個步驟，按照脈衝組的順序，獲得任意脈衝組中的所有脈衝的回波信號，就得到了所有脈衝對於SAR自然場景的原始回波數據。
有益效果 本發明所述的方法既充分利用了頻域處理方法速度快和精度高的優勢，又引入了方位向的展開近似處理，進一步節省了計算量，有效的提高仿真速度。本發明提供的方法，相對一維頻域傅立葉變換方法在仿真速度上有非常大的提升；同時，相對二維頻域傅立葉變換法更便於真實的體現出雷達的運動特徵對回波的影響。
圖1是根據本發明的示例性實施例的基於子孔徑和等效散射體的合成孔徑雷達回波快速模擬方法的流程圖； 圖2是根據本發明的示例性實施例的側視SAR的基本幾何關係的示意圖； 圖3是根據本發明的示例性實施例的等距離環和小矩形場景的示意圖； 圖中，101、102、103、104、105為方法的步驟，201為目標場景，301為等距離環，302為小矩形場景，303為等距離環狀區域。
具體實施例方式 為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面參照附圖和實施例，對本發明作進一步詳細說明。
本發明的回波模擬方法以自然場景復散射係數和雷達航跡信息作為輸入參數，先後經過脈衝組劃分、場景劃分、系統衝激響應計算、距離向處理和方位向近似處理5個步驟，最終獲得SAR自然場景回波。
圖1是根據本發明的示例性實施例的基於子孔徑和等效散射體的合成孔徑雷達回波快速模擬方法的流程圖。
在步驟101，沿雷達飛行方向將所有航跡點對應的脈衝劃分為若干等長的脈衝組，並在脈衝組中給各個脈衝的位置進行編號。
在步驟102，將場景劃分為若干等大小的小矩形場景，根據雷達平臺到目標場景的最小和最大距離，劃分等距離環。
在步驟103，在小矩形場景裡的每個等距離環狀區域內，計算等效散射體的後向散射係數，得到系統衝激響應函數。
在步驟104，進行距離向處理，通過發射信號與衝激響應函數的卷積得到脈衝組中心脈衝的回波信號。
在步驟105，進行方位向處理，通過一階近似模型，由脈衝組中心脈衝的回波信號計算脈衝組內其它任意脈衝的回波信號。
通過以上五個步驟，可以獲得任意脈衝組中的所有脈衝的回波信號，按照脈衝組的順序，依次求出所有脈衝組的回波信號，就得到了所有脈衝對於SAR自然場景的原始回波數據。
脈衝組劃分步驟將所有需要計算的雷達航跡沿雷達飛行方向按時間先後順序均勻劃分為若干個航跡組。由於每個航跡點對應一個雷達脈衝信號，所以每個航跡組對應具有相應航跡點個數的一個脈衝組，且每個脈衝組包含相同數目的脈衝。在脈衝組中給各個脈衝的位置進行編號，如圖2所示。例如，脈衝總數為1400，將7個脈衝劃分為1個脈衝組，一個脈衝組內的脈衝編號依次為0到6，編號3的脈衝是位於脈衝組中心時刻的脈衝。根據對回波模擬仿真精度的不同要求，脈衝組包含的脈衝個數可以進行適當調整。脈衝組包含的脈衝個數越少，回波模擬仿真精度就越高。對於星載等運動速度很高的情況，或彈載等脈衝重複頻率很高的情況，脈衝組包含的脈衝個數可以較多，一般可以取32～128個；而對於機載等情況，脈衝組包含的脈衝個數較少，一般取8～16個。
場景劃分步驟將輸入SAR單視復圖像數據作為自然場景目標的後向散射係數，將目標場景沿方位向劃分為若干個相同大小的小矩形場景，一般小矩形場景的個數要等於或略小於脈衝組包含的脈衝個數。場景劃分模塊計算雷達平臺到目標場景的最小斜距(rmin)、最大斜距(rmax)，並劃分等距離環的個數，如圖3所示。圖3中，x為方位向，r為距離向。兩個相鄰等距離環之間的區域可被稱為等距離環狀區域。其中，沿方位向劃分小矩形場景是為了方位向近似處理；劃分等距離環是為了計算等效後向散射係數。沿距離向劃分等距離環的個數不同和沿方位向劃分小矩形場景的大小不同，所能獲得的回波模擬精度將不同。一般距離環和方位向場景劃分間隔越小，所能得到的回波模擬精度就越高。最小和最大斜距的計算方法一般採用取雷達飛行航跡的起點、中點、終點，分別計算三個點到整個矩形場景的四個頂點的距離，取以上計算的距離中的最小值和最大值分別作為最小和最大斜距。等距離環的劃分依據是一般採用系統距離向解析度的1/16或1/8為等距離環的間距，以提高仿真精度。
系統衝激響應計算步驟在每個脈衝組中心時刻，計算小矩形場景裡的所有目標到雷達平臺的斜距。在每個小矩形場景裡，分別計算每個等距離環狀區域裡所有目標疊加得到的等效散射體的後向散射係數，得到系統的衝激響應函數。在計算中，採用目標所在的等距離環區域的中心斜距來代替各個目標的斜距，此近似帶來的都卜勒相位項誤差可以通過在衝激響應中增加相應的斜距差對應的相移因子補償掉。將所有等距離環區域內所有目標的回波幅度信息和都卜勒相位補償疊加，就可以得到場景對應的整個系統衝激響應函數，形式如 其中，n為等距離環區域個數，fc為雷達發射信號中心頻率；式中Rdm表示第d個等距離環區域中心的斜距，c為光速。
表示第d個等距離環區域內所有目標的回波幅度信息和都卜勒相位補償的疊加，稱之為等效後向散射係數。
上式中N為某個等距離環區域內目標的總數，Ai為目標散射係數的幅度信息，Ri為目標與雷達的斜距。
距離向處理步驟計算脈衝組中心脈波的回波信號，可以在距離向通過雷達發射信號ssend(t)和系統衝激響應卷積計算獲得，如下式 s(t)＝ssend(t)*hcenter(t) 在實際工程處理中，為了提高速度，採用頻域處理方法，即把發射信號和系統衝激響應經過傅立葉變換轉換到頻域，將得到的兩者的頻域數據相乘，乘積結果再進行逆傅立葉變換，就得到了發射信號和系統衝激響應的卷積結果。
方位向處理步驟對於每個脈衝組中心的脈衝，距離向處理之後就直接得到了該脈衝對應的回波；對於脈衝組內的其他脈衝，在每個小矩形場景裡，通過斜距的Taylor展開近似模型，對中心脈衝對應的等效後向散射係數中的斜距進行二階Taylor展開，得到脈衝組內的其他脈衝對應的場景等效後項散射係數，從而可以計算一個脈衝組內其它脈衝的系統的衝激響應函數，再通過距離向處理與發射信號卷積，即可得到脈衝組內非脈衝組中心的脈衝所對應的回波信號。
具體方法如下 對於系統衝激響應函數h(t)，只有σd是和方位向有關的。
其中，Δri，jj(ta)表示ta時刻第(i，jj)個目標的斜距與其所在的等距離環中心斜距的差值，a1，a2，b1，b2為目標在場景中的位置索引範圍，Δri，jj(ta)＝Ri，jj(ta)-Rdm為目標與雷達間斜距與目標所在等弧中心斜距的差值。對Ri，jj(ta)進行二階泰勒展開，並將θl，i，jj定義為第l個脈衝組中心時刻雷達與後向散射係數為σi，jj的目標的連線與航跡法線的夾角(一般稱為斜視角)，λ為雷達發射信號波長。
可以得到Ri，jj(ta)≈Ri，jj(tcenter)+vsinθl，i，jj·(ta-tcenter)，其中，tcenter為脈衝組中心時刻。此式即為斜距的一階近似模型。這樣，脈衝組內非中心時刻的等效後向散射係數就可以通過中心時刻的等效後向散射係數乘一個相位因子獲得，即 場景劃分模塊沿方位向劃分了小矩形場景，認為在一個小矩形場景內，可以用其中心的斜視角來近似代替小矩形場景中的所有點的斜視角，即為θl，因此每個小矩形場景對應的衝激響應可以通過脈衝組中心時刻對應的衝激響應乘以相位因子統一獲得。對於非脈衝組中心時刻的脈衝，將每個小矩形場景的同一個脈衝的衝激響應函數對應相加，就生成整個目標場景的脈衝衝激響應函數。表達式如下 其中，Ns為小矩形場景的數量，ne為等弧的數量，ta為脈衝組內非中心時刻的方位向時間，tcenter為脈衝組中心的方位向時間，λ為信號波長，v為平臺速度，θl為斜視角沒，σd為等距離環的等效後向散射係數，tcenter為脈衝組中心時刻，fc為雷達發射信號中心頻率。
然後將上式得到的衝激響應函數h(t)與發射信號卷積，即可獲得該脈衝對應的回波信號。
本發明所述的方法既充分利用了頻域處理方法速度快和精度高的優勢，又引入了方位向的展開近似處理，進一步節省了計算量，有效的提高仿真速度。
儘管已經較詳細的描述了本發明，但本領域的技術人員應該理解，在不脫離由權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對其進行形式和細節的各種改變。因此，本發明的範圍不限於上述實施例，而是由權利要求及其等同物來限定。
權利要求
1、一種基於子孔徑和等效散射體的SAR回波快速模擬方法，其特徵在於，包括以下步驟
第一步沿雷達飛行方向將所有航跡點對應的脈衝劃分為若干等長的脈衝組，每個脈衝組被看作一個子孔徑，並在脈衝組中給各個脈衝的位置進行編號；
第二步與此同時，將場景劃分為若干等大小的小矩形場景，根據雷達平臺到目標場景的最小和最大距離，劃分等距離環；
第三步在第二步得到的小矩形場景裡的每個等距離環區域內，捕獲所有目標並進行疊加，得到等效散射體的後向散射係數，從而得到系統衝激響應函數；
第四步進行距離向處理獲得雷達發射信號，通過雷達發射信號與衝激響應函數的卷積得到第一步中劃分的每個脈衝組中心脈衝的回波信號；
第五步進行方位向處理由第一步中劃分的每個脈衝組中心脈衝的回波信號得到脈衝組內其它任意脈衝的回波信號，即首先得到非中心時刻脈衝的小矩形場景等效後向散射係數然後得到非中心時刻脈衝的脈衝衝激響應函數；最後得到非中心時刻脈衝的回波信號；
通過以上五個步驟，按照脈衝組的順序，獲得任意脈衝組中的所有脈衝的回波信號，就得到了所有脈衝對於SAR自然場景的原始回波數據。
2、根據權利要求1所述的一種基於子孔徑和等效散射體的SAR回波快速模擬方法，其特徵在於第三步中為得到系統衝激響應函數，採用目標所在的等距離環區域的中心斜距來代替各個目標的斜距，此近似帶來的都卜勒相位項誤差通過在衝激響應中增加相應的斜距差對應的相移因子補償掉；將所有等距離環區域內所有目標的回波幅度信息和都卜勒相位補償疊加，就可以得到場景對應的整個系統衝激響應函數。
3、根據權利要求1所述的一種基於子孔徑和等效散射體的SAR回波快速模擬方法，其特徵在於所述第四步即距離向處理步驟在實際工程處理中，為了提高速度，採用頻域處理方法，即把發射信號和系統衝激響應經過傅立葉變換轉換到頻域，將得到的兩者的頻域數據相乘，乘積結果再進行逆傅立葉變換，就得到了發射信號和系統中激響應的卷積結果。
全文摘要
本發明涉及一種基於子孔徑和等效散射體的合成孔徑雷達回波快速模擬方法，包括以下步驟1)沿雷達飛行方向將所有航跡點對應的脈衝劃分為若干等長的脈衝組；2)將場景劃分為若干等大小的小矩形場景，根據雷達平臺到目標場景的距離，劃分等距離環；3)在小矩形場景裡的每個等距離環狀區域內，計算等效散射體的後向散射係數，得到系統衝激響應函數；4)進行距離向處理，通過發射信號與衝激響應函數的卷積得到脈衝組中心脈衝的回波信號；5)進行方位向處理，由脈衝組中心脈衝的回波信號計算脈衝組內其它任意脈衝的回波信號。本發明所述的方法既具有頻域處理方法速度快和精度高的優勢，又引入了方位向的展開近似處理，有效的提高了仿真速度。
文檔編號G01S13/00GK101526614SQ20091008141
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月3日 優先權日2009年4月3日
發明者丁澤剛, 王彥華, 濤 曾, 騰 龍 申請人:北京理工大學