基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法，包括雷達波形產生模塊產生各發(fā)射陣元發(fā)射所需的正交編碼信號；雷達以M個發(fā)射陣元同時發(fā)射信號，以N個接收陣元同時接收回波信號；每個接收陣元通過主接收通道接收回波信號，通過子接收通道從主接收通道接收到的回波信號中提取自身需要的部分回波信號，每個接收陣元具有M個子接收通道；對M個子接收通道得到的部分回波信號進行信號重構；對重構后的信號在距離向進行子帶合成。本發(fā)明采用基于子脈沖線性調頻步進體制即子帶合成的方位多孔徑MIMOSAR系統(tǒng)，成倍降低了系統(tǒng)的瞬時工作帶寬及采樣率，可在SAR模式下可以實現遠距離高分辨率寬觀測帶成像。
【專利說明】基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及合成孔徑雷達【技術領域】，尤其是一種基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法。
【背景技術】
[0002]隨著合成孔徑雷達(SAR)系統(tǒng)和信號處理技術的不斷發(fā)展，同時實現高分辨率寬測繪帶已成為新一代SAR系統(tǒng)的研制目標。為了突破脈沖重復頻率(PRF)對觀測帶寬和方位向分辨率的限制，Currie等提出多相位中心SAR模式。然而，一發(fā)多收(MISO) SAR采用方位向單發(fā)多收的體制，可用的空間采樣數目受限于接收陣元的數目?？紤]到實際的機/星載運動平臺尺寸、有效載荷等限制，MISO SAR的接收陣元數目和陣列尺寸不能大量增加。因此，MISO SAR在解決方位分辨力和測繪帶寬矛盾方面的能力有限。
[0003]多輸入多輸出(MMO)體制能夠帶來更高的陣列得益和空間分集增益，可以更為有效地緩解PRF的壓力。另外距離分辨率同系統(tǒng)發(fā)射信號的帶寬成反比，分辨率越高要求的系統(tǒng)發(fā)射信號的帶寬越大。若要達到0.1m分辨率，則要求的系統(tǒng)發(fā)射信號的帶寬高達1.SGHz以上，大帶寬帶來了寬帶發(fā)射、寬帶解調、寬帶采樣等一系列難題，當前器件水平很難滿足大帶寬系統(tǒng)要求，為了解決這一矛盾，可以采用子脈沖線性調頻步進體制，即子帶合成。中國電子科技集團公司第三十八所在2009年采用子帶合成的體制率先在國內實現了優(yōu)于0.1米X0.1米的SAR成像，但是子帶合成體制的不足之處在于增大了系統(tǒng)的PRF，在應用中受到一定的限制。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠成倍降低系統(tǒng)的瞬時工作帶寬及采樣率，有效地解決了常規(guī)子帶合成SAR系統(tǒng)中存在的PRF限制的問題，在SAR模式下可以實現遠距離高分辨率寬觀測帶成像的基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法，該方法包括下列順序的步驟:
(1)雷達波形產生模塊產生各發(fā)射陣元發(fā)射所需的正交編碼信號；
(2)雷達以M個發(fā)射陣元同時發(fā)射信號，以N個接收陣元同時接收回波信號；
(3)每個接收陣元通過主接收通道接收回波信號，通過子接收通道從主接收通道接收到的回波信號中提取自身需要的部分回波信號，每個接收陣元具有M個子接收通道；
(4)對M個子接收通道得到的部分回波信號進行信號重構；
(5 )對重構后的信號在距離向進行子帶合成。
[0005]所述發(fā)射信號波形采用線性調頻步進子脈沖信號，各連續(xù)發(fā)射的兩個子帶中心頻率非相鄰；各發(fā)射陣元在方位向發(fā)射在同一脈沖重復周期PRT內同頻段、在多個脈沖重復周期PRT內步進載頻子帶合成的正交編碼信號。
[0006]通過子接收通道從接收到的回波信號中等間隔提取自身需要的部分回波信號之后，通過常數相位補償，對由空間采樣代替時間采樣引入的等效相位中心誤差進行補償。
[0007]在通過主接收通道接收回波信號后，先經匹配濾波將回波信息分離，等間隔地提取出需要的部分回波信號，再利用多普勒模糊算法計算出回波的多普勒速度信息，用于信號重構；在進行信號重構時，對所有子接收通道的部分回波信號均勻重構，各方位的回波信號可用以下矩陣表示:
【權利要求】
1.一種基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法，其特征在于該方法包括下列順序的步驟: (1)雷達波形產生模塊產生各發(fā)射陣元發(fā)射所需的正交編碼信號； (2)雷達以M個發(fā)射陣元同時發(fā)射信號，以N個接收陣元同時接收回波信號； (3)每個接收陣元通過主接收通道接收回波信號，通過子接收通道從主接收通道接收到的回波信號中提取自身需要的部分回波信號，每個接收陣元具有M個子接收通道； (4)對M個子接收通道得到的部分回波信號進行信號重構； (5 )對重構后的信號在距離向進行子帶合成。
2.根據權利要求1所述的基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法，其特征在于:所述發(fā)射信號波形采用線性調頻步進子脈沖信號，各連續(xù)發(fā)射的兩個子帶中心頻率非相鄰；各發(fā)射陣元在方位向發(fā)射在同一脈沖重復周期PRT內同頻段、在多個脈沖重復周期PRT內步進載頻子帶合成的正交編碼信號。
3.根據權利要求1所述的基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法，其特征在于:通過子接收通道從接收到的回波信號中等間隔提取自身需要的部分回波信號之后，通過常數相位補償，對由空間采樣代替時間采樣引入的等效相位中心誤差進行補償。
4.根據權利要求1所述的基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法，其特征在于:在通過主接收通道接收回波信號后，先經匹配濾波將回波信息分離，等間隔地提取出需要的部分回波信號，再利用多普勒模糊算法計算出回波的多普勒速度信息，用于信號重構；在進行信號重構時，對所有子接收通道的部分回波信號均勻重構，各方位的回波信號可用以下矩陣表示:
其中，Smn為第M個發(fā)射陣元和第N個接收陣元對應的回波信號，在SAR成像模式下，將矩陣的每一列相干疊加等效于一個空間采樣點，矩陣的列數即是成像模式在一個PRT內等效的空間采樣點數。
5.根據權利要求1所述的基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法，其特征在于:在進行信號重構時，僅針對
范圍內的信號進行重構，其中， /--/7為脈沖重復頻率，Va為雷達的載機地速，D為雷達的天線方位向口徑，N為接收陣元的個數。
6.根據權利要求1所述的基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法，其特征在于:在距離向進行子帶合成時，采用子脈沖線性調頻體制頻域合成寬帶信號，在多個PRT內發(fā)射K個載頻步進的線性調頻信號，對同個PRT內的多通道信號均勻重構后形成單通道接收信號，在頻域對每個步進頻率信號進行匹配濾波，通過頻譜搬移將各步進頻率信號在頻域進行相干合成寬帶信號，最后再進行逆Fourier變換； 回波模型如下:
其中，為第k個子帶載頻中心角頻率，?為與發(fā)射線性調頻信號調頻斜率相關的參數，J為子帶信號脈沖寬度，r為作用距離，e為光速，J為相鄰子帶脈沖起始時間間隔，K為子帶總數，^ (?設為發(fā)射的第η個脈沖是第k個子帶信號時接收的回波信號，S0 (?為觀測區(qū)域r2]之間的目標反射系數； 令τ = 2r / c.,互M = A (CT Z 2),上式可表示為: h 「
O < [t - JcTr - τ] < Ti , k = \~K 令t (?) = exp [j (? - (XTi) t + Joiz]，上式可表示為如下卷積形式:A W = Si (? 111Mi) ^ (?為s (?的一個子頻帶域觀察； 回波信號經接收機下變頻處理為: 對上式進行Fourier變換得:
Si (ω - =^(^- ?ι).βΛω~ 其中，e f-αΤ^ ]為基帶信號頻率范圍，Si O- 為發(fā)射第η個脈沖時接收到的基帶信號頻譜，Bi (ω - ^1)為第η個發(fā)射脈沖的基帶頻譜，& (ω~ 為距離目標函數的第η個基帶觀察頻譜； 對上式進行變頻處理為:
Si (ψ e_叫.A— = [4 (t)* ^ (f)].e_叫 經Fourier變換得:
其中，r ((6)是J (?)的復共軛， 5； (? - OJj + {ir -1) Αω) β*(ω- ωΛ + {A -1) Δ?)表示頻域匹配濾波；將.t = I~個脈沖所得到的&進行相干合成得:
于是可得一維距離像:
可見，第一次變頻處理由接收機硬件實現，第二次變頻處理通過K個子帶回波信號經匹配濾波后的頻譜進行搬移即可實現，最后將K個經過頻譜搬移后的頻譜進行相干合成便得到了距離函數的空間頻率域響應，對之進行逆傅里葉變換便可得到一維距離像。
7.根據權利要求1所述的基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法，其特征在于:在距離向子帶合成時，對各子帶頻譜進行相干相加，補償由不同波長帶來的延遲相位因子
，其中，~為參考距離，/s為第i個步進載頻信號的中心頻率，c
為光速。
8.根據權利要求1所述的基于子帶合成的多輸入多輸出合成孔徑雷達系統(tǒng)設計方法，其特征在于:方位向子帶合成MIMO SAR系統(tǒng)的彳目噪比表不為:
其中力雷達發(fā)射峰值功車;為發(fā)射脈沖寬度，為子孔徑天線發(fā)射增益，G-為子孔徑天線接收增益，λ為發(fā)射信號波長。為距離向分辨率，q為目標后向散射截面積，t為玻爾茲曼常數，為絕對溫度?力噪聲系數u力雷達損耗系數，&為平臺巡航速度，R為雷達作用距離，y為擦地角，N為接收陣元的個數。
【文檔編號】G01S13/90GK104166141SQ201410390192
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月11日 優(yōu)先權日:2014年8月11日
【發(fā)明者】孫龍, 鄔伯才, 陳凱, 沈明星, 江凱 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所