一种基于MIMO图像域的BP宽带合成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于MIMO图像域BP宽带合成方法，其特点是首先利用MIMO体制下多个发射机同时发射中心频率步进的LFM信号，对接收到的各个窄带回波信号经BP成像得到各个低分辨率的子图像后，再对多个低分辨的子图像进行图像域的相参叠加以获得高分辨距离向的SAR图像。这种方法与现有的数据域的宽带合成方法相比，大大简化了宽带合成过程中的通道不一致性误差补偿步骤，在图像域进行宽带合成避免了数据域合成带来的子带重叠误差校正繁琐的问题，在降低运算量的同时实现了SAR距离向的高分辨率成像。本发明专利技术可适用于系统硬件条件(发射端瞬时发射带宽和接收机采样率)受限条件下的SAR距离向高分辨率成像的技术领域。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种基于MIMO图像域BP宽带合成方法，其特点是首先利用MIMO体制下多个发射机同时发射中心频率步进的LFM信号，对接收到的各个窄带回波信号经BP成像得到各个低分辨率的子图像后，再对多个低分辨的子图像进行图像域的相参叠加以获得高分辨距离向的SAR图像。这种方法与现有的数据域的宽带合成方法相比，大大简化了宽带合成过程中的通道不一致性误差补偿步骤，在图像域进行宽带合成避免了数据域合成带来的子带重叠误差校正繁琐的问题，在降低运算量的同时实现了SAR距离向的高分辨率成像。本专利技术可适用于系统硬件条件(发射端瞬时发射带宽和接收机采样率)受限条件下的SAR距离向高分辨率成像的
。【专利说明】—种基于MIMO图像域的BP宽带合成方法
:本专利技术属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)高分辨成像
，它特别涉及到了系统硬件条件(发射端瞬时发射带宽和接收机采样率)受限条件下的SAR距离向高分辨率成像的
。
技术介绍
:合成孔径雷达是一种具有高分辨率的微波成像雷达，具有全天时和全天候工作的优点，并具有一定的植被和地面穿透能力，因而被广泛应用于军事及民用领域。在军事侦察、地质普查、地形测绘和制图、灾情预报等应用时，为了获取观测区域更多的信息，需对观测区域高分辨成像，实现高分辨率一直是SAR发展的重要目标。SAR利用载机的运动来模拟大孔径天线实现方位向高分辨；通过发射大带宽的线性调频信号(Linear FrequencyModulation,LFM)并利用脉冲压缩(Pulse Compression)技术获得距离向高分辨率。传统雷达系统由于受硬件复杂度和成本制约难以发射很大带宽的信号以获得距离向高分辨率，带宽合成技术就是利用在发射端发射多个中心频率步进的LFM信号，并在接收端将各个接收机接收的回波信号经过相参叠加形成等效的大带宽LFM信号，从而实现距离向高分辨率成像的技术。详见“邓云凯、陈倩、祁海明、郑慧芳、刘亚东.一种基于频域子带合成的多发多收高分辨率SAR成像算法.电子与信息学报.2011,33(5):1082_1087”。后向投影(Back Projection, BP)算法首先将合成孔径雷达原始数据沿距离向进行距离压缩(脉冲压缩)，然后通过选择不同慢时间观测空间中任意像素点在距离压缩后SAR数据空间中的数据，补偿方位向多普勒相位，并进行相干累加，最终获得各像素点散射系数的成像算法。由于BP算法可以有效的补偿运动误差，针对雷达平台抖动和非匀速直线运动带来的运动误差可以精确补偿以实现合成孔径雷达的精确成像，非常适用于宽带合成技术中对高分辨率的要求。详见“师君.双基地SAR与线阵SAR原理及成像技术研究.电子科技大学博士论文.2009”。图像域宽带合成技术就是将各个接收机接收的中心频率步进的窄带LFM回波信号各自进行BP成像获得低分辨率的子图像并在图像域对各子带图像进行相参叠加以获得等效宽带信号的高分辨率距离向的SAR图像的技术。多输入多输出(MultipleInput Multiple Output,ΜΙΜΟ)技术最早是由 Marconi于1908年提出的用多天线来抑制信道衰落的。该技术可以解决传统宽带合成系统中单发单收SISO(Single-1nput Single-Output)系统顺次发射步进频信号导致脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency, PRF)过低引起测绘带受限的问题。
技术实现思路
:为了提高SAR图像距离向分辨率同时降低雷达系统对发射机发射信号带宽和接收机采样率的要求，本专利技术提出了一种基于MIMO图像域BP宽带合成方法，其特点是首先利用MIMO体制下多个发射机同时发射中心频率步进的LFM信号，对接收到的各个窄带回波信号经BP成像得到各个低分辨率的子图像后，再对多个低分辨的子图像进行图像域的相参叠加以获得高分辨距离向的SAR图像。这种方法与现有的数据域的宽带合成方法相比，大大简化了宽带合成过程中的通道不一致性误差补偿步骤，避免了数据域合成带来的子带重叠误差校正繁琐的问题，在降低运算量的同时实现了 SAR距离向的高分辨率成像。为了方便描述本专利技术的内容，首先作以下术语定义:定义1、距离向在雷达系统中，将雷达测距的范围划分成若干小的区域并将其编号，每个编号代表一个距离向。定义2、方位向将雷达扫描空间均匀划分为若干等分，每一等分为一个方位向。定义3、快时间和慢时间将距离向和方位向的时间分别定义为快时间和慢时间，“快”和“慢”是相对而言的。一般而言距离向的时间变化的快而方位向的时间变化的较慢。定义4、斜距平面本专利技术中的斜距平面是指由雷达速度方向矢量和斜距方向矢量构成的空间平面。定义5、脉冲压缩脉冲压缩是一种现代雷达信号处理技术，简单来说就是雷达发射宽脉冲，然后再接收端“压缩”为窄脉冲，从而改善雷达的两种性能:作用距离和距离分辨率。详见“皮亦鸣，杨建宇，付毓生，杨晓波.合成孔径雷达成像原理.第一版.电子科技大学出版社.2007.3”。定义6、升采样本专利技术中的升采样(Up sampling)技术是指将信号变换到频域后在原始信号的每两个采样点之间插L-1个零，然后再变换到时域的过程，其中L为升采样倍数。定义7、脉冲重复频率本专利技术中的脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency, PRF)是指雷达I秒钟内发射脉冲的个数，即脉冲重复的频率，在这里也即方位向的采样率。定义8、步进频率本专利技术中的步进频率(Step Frequency)是指发射脉冲信号的相邻窄带信号中心频率的间隔。定义9、BP算法后向投影(Back Projection, BP)算法是一种首先将合成孔径雷达原始数据沿距离向进行距离压缩，然后从距离压缩后的数据中选择空间中各散射点回波，并进行相干累加以恢复各散射点的散射系数的成像算法。详见“师君.双基地SAR与线阵SAR原理及成像技术研究.电子科技大学博士论文.2009”。定义10、快速傅里叶变换计算离散傅里叶变换的一种快速算法，简称FFT。快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省就越显著。详见“程乾生.数字信号处理.北京大学出版社，北京，2003”。定义11、线性调频信号线性调频(LinearFrequency Modulation, LFM)信号又称为 Chirp 信号，它是研究最早而且应用最广泛的一种脉冲压缩信号。采用线性调频脉冲压缩技术的雷达可以同时获得远的作用距离和高的距离分辨力。线性调频信号的主要优点是所用的匹配滤波器对回波的多普勒频移不敏感，即使回波信号有较大的多普勒频移，仍能用同一个匹配滤波器完成脉冲压缩，这将大大简化信号处理系统。详见“皮亦鸣，杨建宇，付毓生，杨晓波.合成孔径雷达成像原理.第一版.电子科技大学出版社.2007.3”。定义12、MMO系统多输入多输出(MultipleInput Multiple Output,ΜΙΜΟ)技术最早是由 Marconi于1908年提出用多天线来抑制信道衰落的。在本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MIMO图像域的BP宽带合成的方法，其特征是它包括以下步骤：步骤1、用于基于MIMO图像域的BP宽带合成方法相关参数的初始化初始化的参数均为已知，且初始化的参数如下：所有的坐标都是以笛卡尔直角坐标形式给出；光速为C；雷达发射线性调频信号，脉冲重复频率为PRF，脉冲重复周期为PRI，MIMO阵列天线个数为N，也即每个脉冲重复周期内雷达发射N个中心频率步进的窄带即子带线性调频信号，这N个天线同时也应用于接收各自信号反射的回波；雷达发射的各个子带信号的带宽为Bpn；雷达发射的各个子带信号的时宽为Tpn；发射信号的调频斜率记为γ，发射脉冲各子带信号的步进频率为Δf；经宽带合成后的宽带信号的中心频率为f0；各子带信号的中心频率记为fc(n)，fc(n)＝f0+nΔf,n＝0,1，…，N?1；发射平台中心Pt0；场景中心Pcenter；雷达参考斜距R0；雷达在距离向上窄带信号的采样频率Fpn；雷达载机平台速度为V；合成孔径长度为Lsar；合成孔径时间为Tsar，一个合成孔径时间内距离向采样点数为Nr，便于FFT计算，在此取值为2的整数次幂，方位向采样点数为Na，便于FFT计算，采样点数为取值为2的整数次幂；快时间为一个长度为Nr的行矢量，慢时间ts为一个长度为Na的行矢量，BP成像场景距离向即斜距平面和方位向点数分别为M和K；BP成像场景距离向即斜距平面和方位向网格间距为dx和dy；目标位置(x0，y0)；步骤2、获取雷达回波数据第n个子带信号回波数据为一个Na×Nr的矩阵，记为S(n)，其表现形式如下：其中第n个子带信号的第jj个快时间、第ii个慢时间的雷达回波数据记为Sii,jj(n)=rect((t(jj)-τ(ii))Tpn)·exp(jπγ(t(jj)-τ(ii))2)·exp(-j2πfc(n)·τ(ii)),n＝1，…，N；ii＝1,2，…，Na；jj＝1,2，…，Nr，N、Na、Nr分别为子带数、方位采样点数、距离向采样点数，其中τ(ii)为第ii个方位时刻雷达天线到场景目标点的双程距离延迟时间，τ(ii)=2R02+(y0-V·ts(ii))2/C,ts(ii)为ts的第ii个元素，exp(·)为以自然底数e为底的指数函数，j为虚数单位，rect(t/Tpn)为矩形窗函数，满足t、Tpn分别为距离向快时间、子带时宽。步骤3、对雷达回波数据矩阵每一行即距离向进行脉冲压缩取出步骤2中所获得的雷达回波数据构造距离向参考函数Hr，利用传统的脉冲压缩方法对S(n)的每一行即距离向进行脉冲压缩，脉冲压缩后的矩阵记为PS(n)，PS(n)＝IFFT(FFT((S(n))′)·FFT(Hr))，其中(S(n))′表示S(n)的转置，PS(n)的第ii行第jj列记为其中n＝1，…，N；ii＝1,2，…，Na；jj＝1,2，…，Nr。其中Hr为一个Na×Nr的矩阵，其表现形式如下：Hr＝ones(Na，1)×rect(t/Tpn)·exp(jπγt2)其中ones(Na，1)产生Na×1的全1矩阵，FFT(·)、IFFT(·)分别为快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换；步骤4、对每个距离向的所有回波数据矩阵进行升采样L倍对步骤3中脉冲压缩后的N个子带、Na个方位向数据矩阵统一做如下处理：取出步骤3中处理后的第n个子带信号的第ii个方位向的脉压后的数据n＝1，…，N；ii＝1,2，…，Na，表示PS(n)矩阵的第ii行即第ii个方位向数据；首先将第n个子带信号的第ii个方位向的脉压后的数据变换到频域得到数据记为然后将数据中间插零，得到 数据矩阵记为PSii,:(n)‾′=[PSii,1(n)‾,PSii,2(n)‾,···,PSii,Nr2(n)‾,SO,PSii,Nr2+1(n)‾,PSii,Nr2+2(n)‾,···,PSii,Nr(n)‾],其中n＝1，…，N；ii＝1,2，…，Na，其中S0为1行(L?1)·Nr的零矩阵；然后将数据矩阵记为变换到时域n＝1，…，N；ii＝1,2，…，Na；步骤5、对每个方位向数据矩阵进行相关叠加进行BP成像对步骤4中升采样...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓玲，王辉，胡克彬，师君，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：