本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(dá)和信號(hào)處理領(lǐng)域，具體涉及合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)的仿真技術(shù)，特別是一種在非直線航跡條件下的合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)的仿真方法。

背景技術(shù)：

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)回波信號(hào)仿真器對(duì)于研究SAR成像算法、驗(yàn)證SAR系統(tǒng)方案等具有重要作用。在理想直線航跡的假設(shè)條件下，已有多種高效的SAR回波信號(hào)仿真技術(shù)可供選擇，如G.Franceschetti,M.Migliaccio,D.Riccio,and G.Schirinzi,“SARAS:a synthetic aperture radar(SAR)raw signal simulator,”IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,vol.30,no.1,pp.110–123,1992中公開的頻域仿真技術(shù)，以及A.Khwaja,L.Ferro-Famil,and E.Pottier,“Efficient SAR raw data generation for anisotropic urban scenes based on inverse processing,”Geoscience and Remote Sensing Letters,IEEE,vol.6,no.4,pp.757–761,2009.中公開的逆成像仿真技術(shù)等。由于空氣擾動(dòng)，機(jī)載SAR或無人機(jī)載SAR通常存在偏航，實(shí)際雷達(dá)平臺(tái)的航跡往往為非直線航跡，致使對(duì)SAR成像處理造成一定困擾。為了開展偏航條件下SAR成像與補(bǔ)償?shù)姆椒?，提出了多種專門用于非直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)仿真方法，如G.Franceschetti,A.Iodice,S.Perna,and D.Riccio,“Efficient Simulation of Airborne SAR Raw Data of Extended Scenes,”IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,vol.44,no.10,pp.2851–2860中公開的技術(shù)等。

然而，當(dāng)前SAR回波信號(hào)仿真器存在如下技術(shù)瓶頸。第一，在非直線航跡條件下，如果SAR回波信號(hào)仿真器想要保持和理想直線航跡條件下相似的計(jì)算效率，必須對(duì)雷達(dá)參數(shù)提出諸多限制條件，如低斜視角、窄波束、小信號(hào)帶寬、或小航跡偏移等。對(duì)于現(xiàn)代SAR系統(tǒng)，上述限定條件越來越得不到滿足，必然導(dǎo)致SAR回波信號(hào)仿真器的計(jì)算效率大為下降。第二，反觀理想直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)仿真器，計(jì)算效率較高，而且對(duì)雷達(dá)參數(shù)并不存在上述限制。然而，目前為止，在理想直線航跡的假設(shè)條件下提出的高效SAR回波信號(hào)仿真方法并不能用于存在偏航的非直線航跡條件。第三，盡管在某一特定的非直線航跡條件下，SAR回波信號(hào)仿真器的計(jì)算效率尚可接受，但是多個(gè)不同航跡條件下的蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)仍然非常耗時(shí)。第四，目前SAR回波信號(hào)仿真器是針對(duì)某一特定的SAR成像模式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)不同的SAR成像模式，需要設(shè)計(jì)不同的SAR回波信號(hào)仿真方法。顯而易見，如果能夠設(shè)計(jì)一種適用于多種成像模式的SAR回波信號(hào)仿真方法，將極大簡(jiǎn)化SAR回波信號(hào)仿真器的復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出了一種在非直線航跡條件下的合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)的仿真方法，尤其是一種合成孔徑雷達(dá)信號(hào)仿真器由直線航跡條件向非直線航跡條件進(jìn)行功能升級(jí)的方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種在非直線航跡條件下的合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)的仿真方法，采取的技術(shù)方案如下：

步驟一：設(shè)定一組等間隔的直線航跡。其中，直線航跡在空間中的采樣頻率應(yīng)大于SAR回波信號(hào)空域譜帶寬，即要求相鄰直線航跡之間的距離應(yīng)不大于SAR回波信號(hào)空域譜帶寬的倒數(shù)。直線航跡的個(gè)數(shù)應(yīng)足夠在空間上覆蓋非直線航跡。

步驟二：分別針對(duì)每一條直線航跡，利用直線航跡假設(shè)條件下的SAR回波信號(hào)仿真器計(jì)算SAR回波信號(hào)。其中，直線航跡假設(shè)條件下的SAR回波仿真器所采取的技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方案可根據(jù)現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)或需求任意地選擇。

步驟三：對(duì)每條直線航跡上的每個(gè)SAR發(fā)射脈沖的回波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。傅里葉變換將得到在不同雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率分量k上的SAR回波信號(hào)。

步驟四：在每個(gè)頻率分量k上，對(duì)SAR回波信號(hào)在不同直線航跡之間進(jìn)行插值濾波。插值濾波器應(yīng)按照一般的帶通信號(hào)插值濾波的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取，其中，插值濾波器的中心頻率應(yīng)對(duì)應(yīng)SAR回波信號(hào)空域譜的中心頻率。

步驟五：對(duì)每個(gè)SAR發(fā)射脈沖的回波信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換。逆傅里葉變換將把每個(gè)SAR發(fā)射脈沖的回波信號(hào)變換回二維時(shí)域。

經(jīng)過以上五個(gè)步驟，即可通過直線航跡假設(shè)條件下的SAR回波仿真器得到非直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)。

本發(fā)明一種在非直線航跡條件下的合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)的仿真方法，其有益效果主要包括：

第一，本發(fā)明可在不對(duì)內(nèi)部代碼進(jìn)行任何修改的前提下，實(shí)現(xiàn)理想直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)仿真器的功能升級(jí)，使之具備在非直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)仿真能力。

第二，本發(fā)明對(duì)雷達(dá)參數(shù)的限制條件少，具有廣泛的適用性。在寬泛的雷達(dá)斜視角，雷達(dá)波束寬度、雷達(dá)信號(hào)帶寬、雷達(dá)偏航形式的條件下，本發(fā)明方法均具有有效性。

第三，本發(fā)明方法計(jì)算效率高。一方面，對(duì)于單次、特定非直線航跡條件下的仿真實(shí)驗(yàn)而言，計(jì)算復(fù)雜度主要來自于步驟二，即直線航跡條件下SAR回波信號(hào)仿真器的計(jì)算。因而能夠保持和理想直線航跡條件下SAR回波仿真器相近的計(jì)算效率。另一方面，對(duì)于多次、不同航跡條件下的蒙特卡洛仿真而言，步驟一至步驟三只需計(jì)算一次，需要多次計(jì)算的只有步驟四和步驟五，因而重復(fù)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度大大降低。

第四，由于本發(fā)明方法不僅適用于經(jīng)典的條帶SAR，也適用于滑動(dòng)聚束SAR、聚束SAR、TopSAR等多種SAR成像模式，本發(fā)明方法可作為一個(gè)統(tǒng)一框架，用于多種SAR成像模式在非直線航跡條件下的回波信號(hào)仿真。

【附圖說明】

圖1是SAR成像在二維斜距平面的幾何示意圖。

圖2是SAR成像在三維空間的幾何示意圖。

圖3是本發(fā)明方法流程圖。

圖4是通過對(duì)直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)進(jìn)行一維插值獲得二維非直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)的示意圖。

圖5是通過對(duì)直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)進(jìn)行二維插值獲得三維非直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)的示意圖。

圖6是條帶SAR的二維正弦曲線形式的航跡。

圖7是本發(fā)明方法產(chǎn)生的二維條帶SAR回波信號(hào)與理論值之間的相位誤差。

圖8是條帶SAR的三維螺旋曲線形式的航跡。

圖9是本發(fā)明方法產(chǎn)生的三維條帶SAR回波信號(hào)與理論值之間的相位誤差。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步解釋。圖1在SAR二維斜距平面上展現(xiàn)了SAR成像的幾何示意圖。當(dāng)我們?cè)诙S斜距平面上討論SAR回波信號(hào)時(shí)，可不失一般性的假設(shè)雷達(dá)平臺(tái)主體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸方向；雷達(dá)位置坐標(biāo)為散射中心坐標(biāo)為雷達(dá)波束指向?yàn)槠渲笑?sub>sq代表雷達(dá)波束指向的斜視角；散射中心相對(duì)雷達(dá)的瞬時(shí)方向?yàn)槠渲腥鐖D1所示；圖2在三維幾何空間中展現(xiàn)了SAR成像的幾何示意圖。當(dāng)我們?cè)谌S空間中討論SAR回波信號(hào)時(shí)，仍可不失一般性的假設(shè)雷達(dá)平臺(tái)主體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸方向；雷達(dá)位置坐標(biāo)為散射中心坐標(biāo)為雷達(dá)波束指向?yàn)槠渲蟹謩e代表雷達(dá)波束指向與x,y,z軸所成夾角；散射中心相對(duì)雷達(dá)的瞬時(shí)方向?yàn)槠渲腥鐖D2所示。

本發(fā)明采用如圖3所示的五個(gè)步驟。

步驟一：設(shè)定一組等間隔的直線航跡。其中，直線航跡在空間中的采樣頻率應(yīng)大于SAR回波信號(hào)空域譜帶寬，即要求相鄰直線航跡之間的距離應(yīng)不大于SAR回波信號(hào)空域譜帶寬的倒數(shù)。直線航跡的個(gè)數(shù)應(yīng)足夠在空間上覆蓋非直線航跡。具體分為以下兩種情況：

第一種情況，如果我們?cè)赟AR二維斜距平面上考慮偏航問題，此時(shí)應(yīng)在SAR二維斜距平面上設(shè)定一組直線航跡，如圖4所示。其中，相鄰直線航跡之間的距離Δy^2d為常數(shù)，且應(yīng)滿足

其中，為二維SAR回波信號(hào)空域譜帶寬，且

其中，θ_bw為雷達(dá)方位向波束寬度；k＝2f_r/c為對(duì)應(yīng)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率f_r(單位為赫茲，Hz)的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波數(shù)(單位為米分之一，m^-1)，c為電磁波傳播速度。直線航跡的個(gè)數(shù)M_y應(yīng)足夠在二維空間上覆蓋非直線航跡，且應(yīng)滿足

其中，代表向上取整數(shù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算；為非直線航跡在y軸方向上變化的半徑；為直線航跡空間間隔的過采樣系數(shù)；為步驟四中一維插值濾波器的長(zhǎng)度。

第二種情況，如果我們?cè)谌S空間上考慮偏航問題，此時(shí)應(yīng)在三維空間上設(shè)定一組直線航跡，如圖5所示。其中，相鄰直線航跡之間的距離Δy^3d,Δz^3d均為常數(shù)，且應(yīng)滿足

其中，為三維SAR回波信號(hào)空域譜帶寬，且

其中，θ_w,y,θ_w,z分別為雷達(dá)相對(duì)y軸、z軸的波束寬度。沿y軸的直線航跡的個(gè)數(shù)沿z軸的直線航跡的個(gè)數(shù)應(yīng)足夠在三維空間上覆蓋非直線航跡，且應(yīng)滿足

其中，為非直線航跡在y軸、z軸方向上變化的半徑；為直線航跡空間間隔在y軸、z軸方向上的過采樣系數(shù)；分別為步驟四中二維插值濾波器沿y軸、z軸的長(zhǎng)度。

步驟二：分別針對(duì)每一條直線航跡，利用直線航跡假設(shè)條件下的SAR回波仿真器計(jì)算SAR回波信號(hào)。其中，直線航跡假設(shè)條件下的SAR回波仿真器所采取的技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方案可根據(jù)現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)或需求任意地選擇。例如，可選擇G.Franceschetti,M.Migliaccio,D.Riccio,and G.Schirinzi,“SARAS:a synthetic aperture radar(SAR)raw signal simulator,”IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,vol.30,no.1,pp.110–123,1992中公開的頻域仿真技術(shù)，或者A.Khwaja,L.Ferro-Famil,and E.Pottier,“Efficient SAR raw data generation for anisotropic urban scenes based on inverse processing,”Geoscience and Remote Sensing Letters,IEEE,vol.6,no.4,pp.757–761,2009中公開的逆成像仿真技術(shù)，或者自主設(shè)計(jì)的SAR回波信號(hào)仿真技術(shù)。

步驟三：對(duì)每個(gè)SAR發(fā)射脈沖的回波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。傅里葉變換將得到在不同雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波數(shù)分量k上的SAR回波信號(hào)。其中，k∈[2f₀/c-B_r/c,2f₀/c+B_r/c]，f₀和B_r分別為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的中心頻率和帶寬。

步驟四：對(duì)每個(gè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波數(shù)分量k和雷達(dá)位置x坐標(biāo)，對(duì)SAR回波信號(hào)在不同直線航跡之間進(jìn)行插值濾波。具體分為以下兩種情況：

第一種情況，如果我們?cè)赟AR二維斜距平面上考慮偏航問題，應(yīng)在SAR二維斜距平面上，針對(duì)每個(gè)固定的k和x，對(duì)不同直線航跡上的SAR回波信號(hào)數(shù)據(jù)沿著y軸進(jìn)行一維插值濾波，如圖4所示。插值濾波器應(yīng)按照帶通信號(hào)插值濾波的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取。插值濾波器的中心頻率應(yīng)等于二維SAR回波信號(hào)空域譜的中心頻率其中

為保證仿真信號(hào)具有良好的相位精度，選取插值濾波器時(shí)應(yīng)確保其頻率響應(yīng)在二維SAR回波信號(hào)空域譜頻帶范圍之內(nèi)足夠平坦，并在此頻帶范圍之外具有低副瓣。需要注意的是，當(dāng)SAR工作在條帶模式，θ_sq為常數(shù)值；而當(dāng)SAR工作在聚束模式、滑動(dòng)聚束、TopSAR等其他模式時(shí)，θ_sq的值隨著雷達(dá)x坐標(biāo)變化，因此插值濾波器的中心頻率也應(yīng)按照式(8)相應(yīng)地隨雷達(dá)x坐標(biāo)變化。

第二種情況，如果我們?cè)谌S空間中考慮偏航問題，應(yīng)在三維空間中，針對(duì)每個(gè)固定的k和x，對(duì)不同直線航跡上的SAR回波信號(hào)數(shù)據(jù)沿著y軸和z軸進(jìn)行二維插值濾波，如圖5所示。二維插值濾波可通過先后沿y軸、z軸方向進(jìn)行一維插值濾波來實(shí)現(xiàn)，沿y軸、z軸方向的一維插值濾波器應(yīng)按照帶通信號(hào)插值濾波的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取。y軸方向的插值濾波器的中心頻率應(yīng)等于三維SAR回波信號(hào)空域譜的中心頻率其中

z軸方向的插值濾波器的中心頻率應(yīng)等于三維SAR回波信號(hào)空域譜的中心頻率其中

為保證仿真信號(hào)具有良好的相位精度，選取插值濾波器時(shí)應(yīng)確保其頻率響應(yīng)在三維SAR回波信號(hào)空域譜頻帶范圍

之內(nèi)足夠平坦，并在頻譜范圍之外具有低副瓣。需要注意的是，當(dāng)SAR工作在條帶模式，為常數(shù)值；而當(dāng)SAR工作在聚束模式、滑動(dòng)聚束、TopSAR等其他模式時(shí)，的值將隨著雷達(dá)x坐標(biāo)變化，因此插值濾波器的中心頻率也應(yīng)按照式(9)和式(10)相應(yīng)地隨雷達(dá)x坐標(biāo)變化。

經(jīng)過以上四個(gè)步驟，我們能夠得到非直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)在方位時(shí)域距離頻域的值。

步驟五：在每個(gè)固定的雷達(dá)x坐標(biāo)上，對(duì)每個(gè)SAR發(fā)射脈沖的回波信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換。逆傅里葉變換將把每個(gè)SAR發(fā)射脈沖的回波信號(hào)變換回快時(shí)間域。

圖6至圖7是在SAR二維斜距平面上考慮偏航問題時(shí)應(yīng)用本發(fā)明方法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置SAR工作在條帶模式，距離和方位標(biāo)稱分辨力均為0.5m，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)載頻6GHz，帶寬300MHz；設(shè)置雷達(dá)波束指向?yàn)閷?duì)應(yīng)雷達(dá)天線斜視角θ_sq＝0.1rad，方位向波束寬度θ_bw＝0.05rad，天線方向圖其中α代表目標(biāo)偏離雷達(dá)波束主瓣指向的角度；設(shè)置雷達(dá)航跡為如圖6所示的二維正弦曲線；設(shè)置目標(biāo)為位于的散射中心。在上述參數(shù)設(shè)定條件下，在本發(fā)明步驟一中設(shè)定一組等間隔的直線航跡其中相鄰直線航跡間隔Δy^2d＝2.0m，航跡條數(shù)在本發(fā)明步驟二中，利用時(shí)域SAR回波信號(hào)仿真方法，根據(jù)SAR回波信號(hào)數(shù)學(xué)模型的定義計(jì)算每一條直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)。在本發(fā)明步驟四中，采用漢明窗加權(quán)、截?cái)嚅L(zhǎng)度為11的辛克函數(shù)作為插值核函數(shù)的基帶部分。對(duì)比本發(fā)明方法產(chǎn)生的二維條帶SAR回波信號(hào)與理論值之間的相位誤差，得到如圖7所示的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本發(fā)明方法所產(chǎn)生的信號(hào)與理論值之間高度一致，相位誤差的最大值為3×10^-3rad，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本發(fā)明方法的有效性。

圖8至圖9是在三維空間上考慮偏航問題時(shí)應(yīng)用本發(fā)明方法所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置SAR工作在條帶模式，距離和方位標(biāo)稱分辨力均為0.5m，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)載頻6GHz，帶寬300MHz；設(shè)置雷達(dá)波束指向天線方向圖其中α代表目標(biāo)偏離雷達(dá)波束主瓣指向的角度；設(shè)置雷達(dá)航跡為如圖8所示的三維螺旋形式；設(shè)置目標(biāo)為位于的散射中心。在上述參數(shù)設(shè)定條件下，在本發(fā)明步驟一中設(shè)定一組等間隔的直線航跡其中相鄰直線航跡間隔Δy^3d＝0.3923m,Δz^3d＝0.2310m，航跡條數(shù)在本發(fā)明步驟二中，利用時(shí)域SAR回波信號(hào)仿真方法，根據(jù)SAR回波信號(hào)數(shù)學(xué)模型的定義計(jì)算每一條直線航跡條件下的SAR回波信號(hào)。在本發(fā)明步驟四中，采用漢明窗加權(quán)、截?cái)嚅L(zhǎng)度為7×7的辛克函數(shù)作為插值核函數(shù)的基帶部分。應(yīng)用本發(fā)明方法所產(chǎn)生的信號(hào)與理論值之間仍高度一致，圖9所示相位誤差再次顯示了本發(fā)明方法的有效性。