專(zhuān)利名稱(chēng)：距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)信噪比的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)(SAR)是當(dāng)今合成孔徑雷達(dá)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，在需要全球觀(guān)測(cè)和高重復(fù)周期觀(guān)測(cè)等許多應(yīng)用中有迫切的需求。但是常規(guī)合成孔徑雷達(dá)的基本原理決定了測(cè)繪帶寬度和方位向分辨率之間是一對(duì)相互矛盾的制約變量，提高方位向分辨率將降低測(cè)繪帶寬度，提高測(cè)繪帶寬度就會(huì)降低方位向分辨率，兩者無(wú)法同時(shí)提高。
為了解決方位向分辨率和測(cè)繪帶寬度的矛盾，國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)提出了一些寬測(cè)繪帶的合成孔徑雷達(dá)體制。距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)的測(cè)繪方法是其中一種復(fù)雜度低、信噪比高的方法，具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。由于該方法的信噪比分析非常復(fù)雜，牽涉到許多非線(xiàn)性變量，以往的研究中只是定性的對(duì)系統(tǒng)的信噪比進(jìn)行分析，無(wú)法給出信噪比設(shè)計(jì)的最優(yōu)準(zhǔn)則，這樣就阻礙了該方法的進(jìn)一步應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種達(dá)到距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)信噪比的設(shè)計(jì)方法，該方法利用信噪比設(shè)計(jì)最優(yōu)準(zhǔn)則公式計(jì)算出距離向子天線(xiàn)間距，解決了方位向分辨率和測(cè)繪帶寬度的矛盾，且本方法簡(jiǎn)單明確。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)設(shè)計(jì)方法，其提供了距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)方法的最優(yōu)信噪比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即
cos(θ0-β)cosθ0(H+RE)-r0r0(H+RE)sinθ0c2FrDλ=1N]]>其中，θ0為測(cè)繪帶內(nèi)波束中心視角，r0為波束中心線(xiàn)對(duì)應(yīng)的斜距，c為光速，RE為本地地球半徑，H為合成孔徑雷達(dá)平臺(tái)高度，F(xiàn)r為脈沖重復(fù)頻率，D為子天線(xiàn)距離向間距，λ為波長(zhǎng)，N為子測(cè)繪帶個(gè)數(shù)。
所述的設(shè)計(jì)方法，其首先根據(jù)應(yīng)用要求確定測(cè)繪帶范圍、子測(cè)繪帶個(gè)數(shù)和相關(guān)指標(biāo)，再根據(jù)信噪比最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則公式確定子天線(xiàn)間距。
所述的設(shè)計(jì)方法，包括下列步驟a)根據(jù)方位向分辨率要求確定脈沖重復(fù)頻率Fr；b)根據(jù)脈沖重復(fù)頻率確定子測(cè)繪帶寬度和子測(cè)繪帶個(gè)數(shù)N；c)根據(jù)子測(cè)繪帶寬度、測(cè)繪帶位置和寬度要求劃分子測(cè)繪帶；d)根據(jù)測(cè)繪帶位置和寬度確定波束中心視角θ0及其對(duì)應(yīng)的斜距r0；e)根據(jù)信噪比最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則公式計(jì)算距離向子天線(xiàn)間距D。


圖1距離向多孔徑合成孔徑雷達(dá)原理示意圖；圖2目標(biāo)、合成孔徑雷達(dá)天線(xiàn)的幾何關(guān)系圖；圖3本發(fā)明距離向多孔徑接收寬帶合成孔徑雷達(dá)設(shè)計(jì)方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
一般合成孔徑雷達(dá)的天線(xiàn)是收發(fā)復(fù)用的，發(fā)射脈沖時(shí)不能接收數(shù)據(jù)。對(duì)于常規(guī)合成孔徑雷達(dá)來(lái)說(shuō)要求回波在兩次發(fā)射脈沖之間回到天線(xiàn)，所以測(cè)繪帶內(nèi)的斜距范圍為(nFr+τ)c2<R<(n+1Fr-τ)c2---(1)]]>其中τ為脈沖持續(xù)時(shí)間，F(xiàn)r為脈沖重復(fù)頻率，c為光速，n為某一整數(shù)。所以理論上最大測(cè)繪帶寬度為RM=(1Fr-2τ)c2---(2)]]>Fr就是方位向采樣率，它必須大于方位向帶寬，而方位向帶寬又決定了方位向分辨率，它們之間的關(guān)系為vFr<σ---(3)]]>其中σ為方位向分辨單元大小，所以RM<cσ2v-τc---(4)]]>從(4)式可以看出測(cè)繪帶寬度和方位向分辨率是一對(duì)矛盾。要提高測(cè)繪帶寬RM就必須增大方位向分辨單元大小σ，也就是降低方位向分辨率。
上世紀(jì)90年代后陸續(xù)有一些學(xué)者提出了一些寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)(SAR)方法來(lái)解決測(cè)繪帶寬度和方位向分辨率的矛盾，多孔徑接收的寬測(cè)繪帶方法與其他方法相比系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以在擴(kuò)展測(cè)繪帶的同時(shí)保持高分辨率，子測(cè)繪帶之間串?dāng)_小，信噪比較高，是一種應(yīng)用前景較好的寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)(SAR)方法。該方法的基本原理如圖1所示天線(xiàn)在距離向上分為N個(gè)子天線(xiàn)，每個(gè)子天線(xiàn)間距D。發(fā)射時(shí)用一個(gè)波束發(fā)射，照射的斜距范圍(nFr+τ)c2<R<(n+NFr-τ)c2,]]>n為某一整數(shù)(5)其中包括N個(gè)子測(cè)繪帶，它們的范圍為(n+iFr+τ)c2<Ri<(n+1+iFr-τ)c2]]>，0≤i≤N-1(6)接收時(shí)用N個(gè)子天線(xiàn)分別進(jìn)行接收。記這N個(gè)子天線(xiàn)為A0，A1，...，AN-1。
很顯然，這N個(gè)子測(cè)繪帶的回波會(huì)同時(shí)到達(dá)天線(xiàn)，也就是第1個(gè)子測(cè)繪帶反射的n個(gè)周期以前的脈沖，第2個(gè)子測(cè)繪帶反射的n+1個(gè)周期以前的脈沖...第N個(gè)子測(cè)繪帶反射的n+N-1個(gè)周期以前的脈沖回波同時(shí)到達(dá)天線(xiàn)。這就是常規(guī)合成孔徑雷達(dá)的距離向模糊問(wèn)題，如果能從混疊信號(hào)中提取出各子測(cè)繪帶信號(hào)就能突破(4)式的限制。
對(duì)各個(gè)子天線(xiàn)用同一本振解調(diào)并用同一距離向匹配濾波器進(jìn)行距離向脈沖壓縮后，進(jìn)行同步采樣，對(duì)τ時(shí)刻的采樣值，可以近似認(rèn)為是斜距分別為 …， 的地面目標(biāo)信號(hào)的混疊信號(hào)。由于這N個(gè)地面目標(biāo)到天線(xiàn)的連線(xiàn)與天線(xiàn)法線(xiàn)的夾角不同，所以這N個(gè)地面目標(biāo)信號(hào)在各個(gè)天線(xiàn)面板會(huì)產(chǎn)生不同的相移。記這N個(gè)點(diǎn)與天線(xiàn)的連線(xiàn)與天線(xiàn)法線(xiàn)的夾角(離開(kāi)天線(xiàn)法線(xiàn)往上為正、往下為負(fù))分別為α0(τ)，α1(τ)，...，αN-1(τ)。令α(r)為斜距r的目標(biāo)視角與天線(xiàn)法線(xiàn)的夾角，則根據(jù)目標(biāo)與天線(xiàn)相對(duì)位置(如圖2所示)可以得出α(r)=arccos[r2+H2+2HRE2r·(H+RE)]-β---(7)]]>β為合成孔徑雷達(dá)到地心的連線(xiàn)與合成孔徑雷達(dá)天線(xiàn)面板的法線(xiàn)夾角，H為合成孔徑雷達(dá)的高度，RE為地球半徑。
所以αi(τ)=α[c2(τ+n+iFr)].]]>這樣第1個(gè)點(diǎn)在A(yíng)0，A1，...，AN-1上的相移分別為0， ...， ；第2個(gè)點(diǎn)在A(yíng)0，A1，...，AN-1上的相移分別為0， ，...， ；其它點(diǎn)在A(yíng)0，A1，...，AN-1上的相移可類(lèi)似寫(xiě)出。只要這N組相移線(xiàn)性無(wú)關(guān)就可以利用這N組不同的相移在混疊的信號(hào)中提取出這N個(gè)點(diǎn)的信號(hào)。
寫(xiě)成矩陣形式為F(τ)＝W(τ)σ(τ)(8)其中F(τ)＝[f0(τ)，f1(τ)，...，fN-1(τ)]T為各數(shù)據(jù)通道的采樣值，σ(τ)＝[σ0(τ)，σ1(τ)，...，σN-1(τ)]T為斜距分別為 ...， 的地面目標(biāo)的復(fù)反射系數(shù)。

只要w(τ)可逆，各子測(cè)繪帶的回波信號(hào)便可從混疊信號(hào)F(τ)中由下式分離出來(lái)σ(τ)＝W-1(τ)F(τ)(10)反解出各子測(cè)繪帶信號(hào)后的處理就和常規(guī)合成孔徑雷達(dá)一樣了。
假設(shè)信號(hào)反解前各接收通道的噪聲平均功率都是Pn，且互不相關(guān)，分別為為δ0(τ)，δ1(τ)，…，δN-1(τ)，反解后的噪聲為δ0′(τ)，δ1′(τ)，…，δN-1′(τ)，這樣δ′(τ)＝W-1(τ)δ(τ)(11)其中δ'(τ)=[δ0'(τ),δ1'(τ),...,δN-1'(τ)]T]]>，δ(τ)＝[δ0(τ)，δ1(τ)，…，δN-1(τ)]T根據(jù)Vandermonde的求逆方法，對(duì)于矩陣 逆矩陣A-1的各個(gè)元素為Am,n-1=bm,nΠk=0,k≠mN-1(xm-xk)---(13)]]>其中bm，n為如下多項(xiàng)式的系數(shù)Ym(x)=Πk=0,k≠mN-1(x-xk)=Σn=0N-1bm,nxn---(14)]]>只要令xk=exp[j2πDsinαk(τ)λ]]]>，代入(13)式就可以計(jì)算矩陣W的逆矩陣。
這樣反解后第m個(gè)子測(cè)繪帶的噪聲功率與原噪聲功率之比為令Bm，n為bm，n的離散傅立葉變換， Bm,n=Σk=0N-1bm,kexp(j2πnkN)=Ym[exp(j2πnN)]---(16)]]>根據(jù)Parseval定理
Σn=0N-1|bm,n|2=1NΣn=0N-1|Bm,n|2=1NΣn=0N-1|Ym[exp(j2πnN)]|2]]>=1NΣn=0N-1|Πk=0,k≠mN-1[exp(j2πnN)-xk]|2]]>(17)=1NΣn=0N-1Πk=0,k≠mN-1|{exp(j2πnN)-exp[j2πDsinαk(τ)λ]}|2]]>=4N-1NΣn=0N-1Πk=0,k≠mN-1sin2[πnN-πDsinαk(τ)λ]]]>這樣ρ(m)=Σn=0N-1Πk=0,k≠mN-1sin2[nπN-πDsinαk(τ)λ]NΠk=1,k≠mN-1sin2[πDsinαm(τ)λ-πDsinαk(τ)λ]---(18)]]>可以證明 其中k為任一數(shù)值序列，ψ為任一常數(shù)。
這樣令 ψ=πDsinαm(τ)λ,]]>就可以得到ρ(m)=Σn=0N-1Πk=0,k≠mN-1sin2[nπN-πDsinαk(τ)λ]NΠk=0,k≠mN-1sin2[πDsinαm(τ)λ-πDsinαk(τ)λ]]]>=Σn=0N-1Πk=0,k≠mN-1sin2[nπN+πDsinαm(τ)λ-πDsinαk(τ)λ]NΠk=0,k≠mN-1sin2[πDsinαm(τ)λ-πDsinαk(τ)λ]---(20)]]>=1N+Σn=1N-1Πk=0,k≠mN-1sin2[nπN+πDsinαm(τ)λ-πDsinαk(τ)λ]NΠk=0,k≠mN-1sin2[πDsinαm(τ)λ-πDsinαk(τ)λ]≥1N]]>從(20)式可以看出反解運(yùn)算后，反解計(jì)算后，每個(gè)子測(cè)繪帶信號(hào)最多可以將信噪比提高為原來(lái)的N倍。
設(shè)測(cè)繪帶內(nèi)波束中心視角為θ0，波束中心線(xiàn)對(duì)應(yīng)的斜距為r0，對(duì)sinα(r)在r＝r0處泰勒展開(kāi)并忽略二階以上的項(xiàng)，可得sinα(r)≈sin(θ0-β)+cos(θ0-β)cosθ0(H+RE)-r0r0(H+RE)sinθ0(r-r0)---(21)]]>將(21)式代入(20)式可得ρ(m)≈1N+Σn=1N-1Πk=0,k≠mN-1sin2[nπN+(m-k)ξπ]NΠk=0,k≠mN-1sin2[(m-k)ξπ]---(22)]]>其中ξ=cos(θ0-β)cosθ0(H+RE)-r0r0(H+RE)sinθ0c2FrDλ]]>，可以證明看出只有當(dāng)ξ=iN]]>，i＝kN+j，k為任一正整數(shù)，1≤j≤N-1，且j與N互質(zhì)ρ(m)才能達(dá)到最小值 。但是(22)式是一階近似，如果ξ越大則會(huì)將近似誤差放大，所以我們應(yīng)該選擇ξ的最小解，也就是ξ=cos(θ0-β)cosθ0(H+RE)-r0r0(H+RE)sinθ0c2FrDλ=1N---(23)]]>這就是實(shí)現(xiàn)距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)信噪比最優(yōu)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)參數(shù)之間的約束準(zhǔn)則。
經(jīng)上述利用公知的公式或定律，嚴(yán)謹(jǐn)推導(dǎo)后，得出了距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)測(cè)繪方法的信噪比定量分析方法，給出了該方法的信噪比最優(yōu)設(shè)計(jì)公式cos(θ0-β)cosθ0(H+RE)-r0r0(H+RE)sinθ0c2FrDλ=1N---(24)]]>其中θ0為測(cè)繪帶內(nèi)波束中心視角，r0為波束中心線(xiàn)對(duì)應(yīng)的斜距，c為光速，RE為本地地球半徑，H為合成孔徑雷達(dá)平臺(tái)高度，F(xiàn)r為脈沖重復(fù)頻率，D為子天線(xiàn)距離向間距，λ為波長(zhǎng)，N為子測(cè)繪帶個(gè)數(shù)。
有了這個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)公式后，我們就可以給出信噪比最優(yōu)設(shè)計(jì)步驟，如圖3所示，包括5)根據(jù)方位向分辨率要求確定脈沖重復(fù)頻率Fr。
6)根據(jù)脈沖重復(fù)頻率確定子測(cè)繪帶寬度和子測(cè)繪帶個(gè)數(shù)N。
7)根據(jù)子測(cè)繪帶寬度、測(cè)繪帶位置和寬度要求劃分子測(cè)繪帶。
8)根據(jù)測(cè)繪帶位置和寬度確定波束中心視角θ0及其對(duì)應(yīng)的斜距r0。
5)根據(jù)信噪比最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則計(jì)算距離向子天線(xiàn)間距D。
權(quán)利要求
1.一種距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，提供了距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)方法的最優(yōu)信噪比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即cos(θ0-β)cosθ0(H+RE)-r0r0(H+RE)sinθ0c2FrDλ=1N]]>其中，θ0為測(cè)繪帶內(nèi)波束中心視角，r0為波束中心線(xiàn)對(duì)應(yīng)的斜距，c為光速，RE為本地地球半徑，H為合成孔徑雷達(dá)平臺(tái)高度，F(xiàn)r為脈沖重復(fù)頻率，D為子天線(xiàn)距離向間距，λ為波長(zhǎng)，N為子測(cè)繪帶個(gè)數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，首先根據(jù)應(yīng)用要求確定測(cè)繪帶范圍、子測(cè)繪帶個(gè)數(shù)和相關(guān)指標(biāo)，再根據(jù)信噪比最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則公式確定子天線(xiàn)間距。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括下列步驟1)根據(jù)方位向分辨率要求確定脈沖重復(fù)頻率Fr；2)根據(jù)脈沖重復(fù)頻率確定子測(cè)繪帶寬度和子測(cè)繪帶個(gè)數(shù)N；3)根據(jù)子測(cè)繪帶寬度、測(cè)繪帶位置和寬度要求劃分子測(cè)繪帶；4)根據(jù)測(cè)繪帶位置和寬度確定波束中心視角θ0及其對(duì)應(yīng)的斜距r0；5)根據(jù)信噪比最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則公式計(jì)算距離向子天線(xiàn)間距D。
全文摘要
本發(fā)明是一種距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)設(shè)計(jì)方法，提供了距離向多孔徑接收寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)方法的最優(yōu)信噪比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其中，θ
文檔編號(hào)G01S13/90GK1996046SQ20051013076
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者王小青, 朱敏慧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所