一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法及装置

1.本发明属于目标识别、小目标成像、灾害预测等领域，特别涉及一种合成孔径雷达成像技术。


背景技术：

2.高分辨合成孔径成像广泛应用于目标识别、小目标成像、灾害预测等领域。大面积、高分辨率一直是合成孔径雷达领域的研究热点，是实现高精度探测的基本要求。但是分辨率和成像幅宽往往不能同时兼顾。目前的合成孔径雷达大多基于单频雷达系统进行成像，如果要达到高分辨率，则需要大大提高雷达的频率范围，这不仅带来雷达系统更加复杂，极大的提高了雷达的复杂度和成本，另一方面，提高了雷达的频率范围，会恶化扫频的线性度等指标，降低了雷达的性能。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提出一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法及装置，通过在一个平台上安装两个频段雷达系统，不同频段照射不同的区域，分别对各自区域成像，且区域之间相互有一定的重叠，成像后按几何关系拼接形成大的宽测绘带。
4.本发明采用的技术方案之一为：一种多频段合成孔径雷达装置，包括：信号源、功分器、倍频器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器、第一混频器、第二混频器；
5.信号源输出端与功分器输入端相连；
6.功分器第一输出端分别与第一放大器输入端、第一混频器输入端相连，功分器第二输出端与倍频器输入端相连，倍频器输出端分别与第三放大器输入端、第二混频器输入端相连；第一混频器输出第一中频信号；第二混频器输出第二中频信号；第一放大器输出端接第一发射天线；第三放大器输出端接第二发射天线；
7.第一混频器还与第二放大器输出端相连；第二放大器输入端接第一接收天线；
8.第二混频器还与第四放大器输出端相连；第四放大器输入端接第二接收天线。
9.本发明采用的技术方案之二为：基于上述装置的双频高分辨率合成孔径雷达成像方法，包括：
10.s1、利用两部雷达发射两个不同频段的信号；得到不同频段的两路反射回波信号；
11.s2、对步骤s1中的两路反射回波信号进行频率相干处理；
12.s3、对经步骤s2处理后的两路反射回波信号进行频移处理；
13.s4、对经步骤s3处理后的两路反射回波信号进行时间匹配处理；
14.s5、对经步骤s4处理后的两路反射回波信号进行幅度和相位偏差补偿；
15.s6、将经步骤s5时移处理后的两路反射回波信号进行合成叠加；得到合成的回波信号；
16.s7、将合成的回波信号分别进行快速傅里叶变换，得到一维距离像，再通过频域成
像算法进行方位像聚焦，得到sar二维成像图像。
17.频域成像算法为反向成像算法或距离多普勒算法。
18.本发明的有益效果：本发明提出了如图3所示的一种多频段合成孔径雷达装置，本装置与目前的双频雷达相比具有：
19.1、相位中心基本重合，天线采用交叉分布设计，相位中心基本重合，可以大大减少两个雷达通道间的相位不一致；
20.2、初使相位相干；
21.这几点设计大大降低了多频段融合的难度，并基于此装置提出了高分辨率的成像方法。本发明通过对不同雷达信息的融合处理，可以大大的提高探测分辨率，增加成像的信息，可以获得超过单频段的空间、频率及速度信息，基于这些信息利用信息融合处理方式能够提高探测的分辨率，获得更加细致的雷达图像。本发明所述双频雷达虽然增加了一路tr组件，但是对每路tr组件的性能都大大降低，总体来说，降低复杂度和难度，节约了成本。
附图说明
22.图1为双频合成孔径雷达宽幅模式；
23.图2为双频合成孔径雷达高分辨率模式；
24.图3为多频段雷达架构；
25.图4为多频段合成成像的流程图。
具体实施方式
26.为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
27.本发明公开了一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法及装置，其中，所述方法包括：本发明的双频高分辨率sar包括两种不同频率tr(transmitter and receiver，发射机和接收机)组件，所述双频成像有两种工作模式，1、宽幅模式；2、高分模式；
28.1、宽幅模式，双频雷达系统的两个频段照射不同区域，分别成像，且区域之间相互有大于10％的重叠，成像后进行拼接成一个如图1所示宽的测绘带；
29.2、高分模式，对于重点地区，利用两个频带照射相同区域，进行信号级数据融合，得到如图2所示的图像，从而提高分辨率。
30.在一个平台上安装两个频段雷达系统，不同频段照射不同的区域，分别对各自区域成像，且区域之间相互有超过10％的重叠，成像后按几何关系拼接形成大的宽测绘带。若区域之间相互重叠达到100％。则认为双频雷达系统进入高分模式。
31.多频段雷达架构如图3所示。由于系统有高分辨率的需求，双频段高分辨成像雷达选择频段1和频段2作为其工作频段，并且频段2由频段1倍频产生，这样可以使得频段2和频段1构成相位相干，易于信号融合处理。同时，两种波段频率相隔较远，不会存在严重的干扰，尽可能地避开严重的电磁兼容问题。成像时，对两个频段在数字域进行频率和时域匹配，然后对其幅度和相位进行校准，实现相邻信号的宽带拼接，完成大幅宽成像。在硬件架构上，天线采用交叉分布设计，相位中心基本重合，这样可以使得两个通道之间相位基本一致，减少补偿量，更易于收敛。
32.如图3所示频段1的发射信号通过与功分器直接相连的放大器后通过发射天线输出，频段2的发射信号通过与倍频器直接相连的放大器后通过发射天线输出。
33.多频段合成成像，就是利用两部雷达发射两个不同频段的信号，回波信号经过数字信号合成处理，将两个子带频带通过频域和时域的变换拼接起来，使其带宽不小于子带带宽之和。利用宽带合成技术进行雷达成像，不仅可以得到更高分辨率的图像，而且还可以降低系统的复杂度。图4是多频段合成成像的流程图。
34.发射信号：
[0035][0036][0037]
其中，f1、f2为第一、二部雷达的载波频率，k为扫频斜率，t1、t2分别是两个雷达脉冲重复周期。
[0038]
反射回波信号频谱为：
[0039]sr1
(f)＝∑ams
f1
(f)
[0040]
其中，s
f1
(f)＝s(f)exp(-j4πτmf)
[0041]sr2
(f)＝∑ams
f2
(f)
[0042]
其中，s
f2
(f)＝s(f)exp(-j4πτmf)
[0043]
其中，s
f1
，s
f2
是s
t1
(t)和s
t2
(t)的频谱，为雷达到目标并返回的延时，c为光速，rm为雷达到第m个反射点目标的距离。
[0044]
步骤一：去斜处理，使两个雷达信号载频变换至中心频率。
[0045]
雷达的参考信号
[0046]sref1
(f)＝s
r1
(f
1-f)
[0047]sref2
(f)＝s
r2
(f
2-f)
[0048]
经过频率相干处理后的信号：
[0049][0050][0051]
其中，*为共轭运算子。易得，两路信号存在固定相位差
[0052]
步骤二：频移
[0053]
雷达接收机接收到的信号频率有一定的间隔无法直接拼接，需要从频域进行补偿差值，使得频率能够衔接。两路信号分别下移b2/2和上移b1/2，其中b1、b2分别为频段1和频段2的带宽。
[0054]
频移后的信号：
[0055]sf21
(f)＝s1(f-b1/2)
[0056]sf22
(f)＝s2(f+b2/2)
[0057]
信号1的频率范围：
[0058][0059]
信号2的频率范围：
[0060][0061]
经过频移后的信号的频率已经完全连接起来了，当两路信号拼接后，信号的频率范围为计算出信号频率带宽是b1+b2，只有当两路信号的频率融合成了，对相位的合成补偿才有意义和价值。
[0062]
步骤三：时间匹配
[0063]
对于频率搬移后的信号，时间域上也需要匹配，对时域进行移动。两路信号分别左移t2/2和右移t1/2，经分析相当于对相位补偿后的信号分别乘以相位因子和
[0064][0065][0066]
其中，s
t21
(t)和s
t22
(t)是经过步骤2频移后的时域信号。
[0067]
步骤四：非相干幅度、相位补偿
[0068]
对于不同频段的发射和接收信号，包括不同频段的天线幅度不同，不同路径相位差异。对其进行建模，令幅度差别为a。固有相位偏差为α，线性相位偏差为β，二次非线性相位偏差为γ。定义两个频段的偏差函数为
[0069][0070]
当偏差函数最低时，两个频段合成成像经过幅度差别为a。固有相位偏差为α，线性相位偏差为β，二次非线性相位偏差为γ等补偿后得到最佳值。求解偏差函数可以利用凸优化对偏差函数进行优化，即：
[0071]
(a,α,β,γ)＝arg minc(a,α,β,γ)
[0072]
s.t.c(a,α,β,γ)
[0073]
步骤六：合成宽带信号
[0074]
对幅度和相位偏差进行补偿后，合成叠加后信号如下：
[0075][0076]
其中，s
41
(t)，s
42
(t)是经过幅度、相位补偿后的时域信号。
[0077]
步骤七：距离向脉冲压缩
[0078]
将合成信号进行fft(fast fourier transform，快速傅里叶变换)，得到一维距离像，后再通过bp(back propagation，反向传播)算法或rd(range doppler,距离多普勒)等频域成像算法进行方位像聚焦，得到sar二维成像图像。
[0079]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种多频段合成孔径雷达装置，其特征在于，包括：信号源、功分器、倍频器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器、第一混频器、第二混频器；信号源输出端与功分器输入端相连；功分器第一输出端分别与第一放大器输入端、第一混频器输入端相连，功分器第二输出端与倍频器输入端相连，倍频器输出端分别与第三放大器输入端、第二混频器输入端相连；第一混频器输出第一中频信号；第二混频器输出第二中频信号；第一放大器输出端接第一发射天线；第三放大器输出端接第二发射天线；第一混频器还与第二放大器输出端相连；第二放大器输入端接第一接收天线；第二混频器还与第四放大器输出端相连；第四放大器输入端接第二接收天线。2.一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，包括：s1、利用权利要求1所述的一种多频段合成孔径雷达装置发射两个不同频段的信号；得到不同频段的两路反射回波信号；s2、对步骤s1中的两路反射回波信号进行频率相干处理；s3、对经步骤s2处理后的两路反射回波信号进行频移处理；s4、对经步骤s3处理后的两路反射回波信号进行时间匹配处理；s5、对经步骤s4处理后的两路反射回波信号进行幅度和相位偏差补偿；s6、将经步骤s5时移处理后的两路反射回波信号进行合成叠加；得到合成的回波信号；s7、将合成的回波信号分别进行快速傅里叶变换，得到一维距离像，再通过频域成像算法进行方位像聚焦，得到sar二维成像图像。3.根据权利要求2所述的一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，记两个不同频段分别为第一载波频率、第二载波频率各自对应的照射区域之间包括大于10％的重叠部分。4.根据权利要求3所述的一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，步骤s2对应的计算式为：s2对应的计算式为：其中，记两个不同频段分别为第一载波频率、第二载波频率，s1表示经频率相干处理后的第一载波频率反射回波信号，s2表示经频率相干处理后的第二载波频率反射回波信号，s
r1
表示第一载波频率反射回波信号频谱，s
r2
表示第二载波频率反射回波信号频谱，表示第一载波频率反射回波信号对应的参考信号的共轭，表示第二载波频率反射回波信号对应的参考信号的共轭。5.根据权利要求4所述的一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，两个不同频段反射回波信号各自对应的参考信号表达式为：s
ref1
(f)＝s
r1
(f
1-f)s
ref2
(f)＝s
r2
(f
2-f)其中，s
ref1
(f)表示第一载波频率反射回波信号对应的参考信号，s
r1
(f)表示第一载波频率反射回波信号频谱，f1表示第一载波频率，s
ref2
(f)表示第二载波频率反射回波信号对应的参考信号，f2表示第二载波频率。
6.根据权利要求5所述的一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，步骤s3频移处理后的表达式为：s
f21
(f)＝s1(f-b1/2)s
f22
(f)＝s2(f+b2/2)其中，s
f21
(f)表示经频移处理后的第一载波频率频域信号，b1表示第一载波频率的带宽，s
f22
(f)表示经频移处理后的第二载波频率频域信号，b2表示第二载波频率的带宽。7.根据权利要求6所述的一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，步骤s4时间匹配处理后的表达式为：s4时间匹配处理后的表达式为：其中，s
t21
(t)表示经频移处理后的第一载波频率时域信号，s
t22
(t)表示经频移处理后的第而载波频率时域信号，t1、t2是脉冲重复周期，s
t31
表示经时间匹配处理后的第一载波频率时域信号，s
t32
表示经时间匹配处理后的第二载波频率时域信号。8.根据权利要求7所述的一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法，其特征在于，步骤s7中的频域成像算法为反向成像算法或距离多普勒算法。

技术总结
本发明公开一种双频高分辨率合成孔径雷达成像方法及装置，应用于目标识别、小目标成像、灾害预测等领域，针对现有的合成孔径雷达分辨率和成像幅宽难以同时兼顾、高分辨率成像系统复杂等问题；本发明在一个平台上安装两个频段雷达系统，两个频段相位相干，不同频段照射相同的区域，然后进行信号级融合，实现低复杂度高分辨率的合成孔径成像；本发明通过对不同雷达信息的融合处理，可以大大的提高探测分辨率，增加成像的信息，可以获得超过单频段的空间、频率及速度信息，基于这些信息利用信息融合处理方式能够提高探测的分辨率，获得更加细致的雷达图像。细致的雷达图像。细致的雷达图像。


技术研发人员：陈长伟 孟凡计
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/16