本發(fā)明屬于雷達(dá)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)，特別是一種基于模式變異的多模式合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)仿真方法。

背景技術(shù)：

sar(syntheticapertureradar，合成孔徑雷達(dá))回波信號(hào)仿真器是sar系統(tǒng)開發(fā)、成像算法創(chuàng)新、教學(xué)目的等的重要工具。隨著多種sar數(shù)據(jù)獲取模式越來(lái)越多地得到應(yīng)用，例如條帶模式、tops(terrainobservationbyprogressivescans,循序掃描對(duì)地觀測(cè))模式、滑動(dòng)聚束模式、聚束模式等，多模式sar回波信號(hào)仿真技術(shù)的研究受到廣泛關(guān)注。

目前，現(xiàn)有技術(shù)能夠針對(duì)某一種特定的sar數(shù)據(jù)獲取模式，仿真sar回波信號(hào)，如文獻(xiàn)g.franceschetti,r.guida,a.iodice,d.riccio,andg.ruello,“efficientsimulationofhybridstripmap/spotlightsarrawsignalsfromextendedscenes(針對(duì)擴(kuò)展場(chǎng)景的混合條帶/聚束模式sar原始信號(hào)高效仿真技術(shù)),”ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing(地球科學(xué)與遙感學(xué)報(bào)),42卷,11期,2385–2396頁(yè),2004年11月.和文獻(xiàn)w.xu,y.deng,f.feng,y.liu,andg.li,“topsmoderawdatagenerationfromwide-beamsarimagingmodes(從寬波束條帶模式sar產(chǎn)生tops模式sar原始信號(hào)),”ieeegeoscienceandremotesensingletters(地球科學(xué)與遙感快報(bào)),9卷,4期,720–724頁(yè),2012年7月.等中公開的技術(shù)。然而，針對(duì)多種不同sar數(shù)據(jù)獲取模式，仍然必須分別設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)各自不同的sar回波信號(hào)仿真器，這無(wú)疑是繁雜的工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供一種基于模式變異的多模式合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)仿真方法，該方法用統(tǒng)一的框架和流程仿真多種不同數(shù)據(jù)獲取模式(包括條帶模式、tops模式、滑動(dòng)聚束模式、聚束模式等)條件下的sar回波信號(hào)，可極大簡(jiǎn)化多模式sar回波信號(hào)仿真器的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)工作。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明首先仿真條帶模式的sar回波信號(hào)(或計(jì)算條帶模式的sar傳遞函數(shù))，而后通過(guò)在距離頻域-方位時(shí)域中對(duì)sar回波信號(hào)(或sar傳遞函數(shù))沿著方位向進(jìn)行帶通濾波，實(shí)現(xiàn)sar數(shù)據(jù)獲取模式的變異，最終達(dá)到利用統(tǒng)一的方式仿真多模式sar回波信號(hào)的目的。本發(fā)明采取的技術(shù)方案有兩種實(shí)現(xiàn)方式。

本發(fā)明基于模式變異的多模式合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)仿真方法，第一種實(shí)現(xiàn)方式如下：

步驟一：仿真計(jì)算條帶模式sar回波信號(hào)。

步驟二：對(duì)步驟一得到的條帶模式sar回波信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉變換，得到條帶模式sar回波信號(hào)的距離頻譜。

步驟三：對(duì)步驟二得到的條帶模式sar回波信號(hào)的距離頻譜沿著方位向進(jìn)行帶通濾波。其中，帶通濾波器的設(shè)計(jì)決定了本方法最終得到的sar回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取模式。

步驟四：對(duì)步驟三得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行距離向逆傅里葉變換，即可得到所需要的sar回波信號(hào)。

本發(fā)明基于模式變異的多模式合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)仿真方法，第二種實(shí)現(xiàn)方式如下：

步驟一：計(jì)算條帶模式的sar傳遞函數(shù)。

步驟二：對(duì)步驟一得到的條帶模式sar傳遞函數(shù)沿著方位向進(jìn)行帶通濾波。其中，帶通濾波器的設(shè)計(jì)決定了本方法最終得到的sar回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取模式。

步驟三：將步驟二所得結(jié)果與sar發(fā)射信號(hào)距離頻譜進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘。

步驟四：對(duì)步驟三所得結(jié)果沿著距離向進(jìn)行逆傅里葉變換，即可得到所需要的sar回波信號(hào)。

本發(fā)明的有益效果主要在于：

第一，利用統(tǒng)一的框架和流程仿真多種不同數(shù)據(jù)獲取模式條件下的sar回波信號(hào)，可極大簡(jiǎn)化多模式sar回波信號(hào)仿真器的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)工作。

第二，在距離頻域方位時(shí)域進(jìn)行信號(hào)處理，使得本發(fā)明方法具有較高的計(jì)算精度，具有對(duì)多種sar數(shù)據(jù)獲取模式的適用性(如條帶模式、tops模式、聚束模式、滑動(dòng)聚束模式等)。

附圖說(shuō)明

圖1是sar成像在二維斜距平面上的幾何示意圖。

圖2a、b是本發(fā)明方法流程圖。

圖3是以本發(fā)明方法仿真tops模式和滑動(dòng)聚束模式的sar回波信號(hào)時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)相比其理論值的相位誤差。

圖4是以本發(fā)明方法仿真tops模式和滑動(dòng)聚束模式的sar回波信號(hào)時(shí)，雷達(dá)天線方位向方向圖。

圖5a～圖5f是以本發(fā)明方法仿真tops模式的sar回波信號(hào)時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)雷達(dá)成像處理所得的圖像結(jié)果。

圖6a～圖6f是以本發(fā)明方法仿真滑動(dòng)聚束模式的sar回波信號(hào)時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)雷達(dá)成像處理所得的圖像結(jié)果。

圖7是以本發(fā)明方法仿真tops模式的sar回波信號(hào)時(shí)，擴(kuò)展場(chǎng)景目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)雷達(dá)成像處理所得的圖像結(jié)果。

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。

令雷達(dá)的位置坐標(biāo)為描述目標(biāo)電磁特性的任一散射中心的位置坐標(biāo)為圖1展現(xiàn)了sar成像在二維斜距平面上的幾何示意圖，不妨令其中x軸正方向?yàn)槔走_(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向；令

為了以統(tǒng)一的框架和流程仿真多種不同數(shù)據(jù)獲取模式條件下的sar回波信號(hào)，本發(fā)明可采用如圖2所示的兩種實(shí)現(xiàn)方式，每一種實(shí)現(xiàn)方式包含四個(gè)步驟。

本發(fā)明基于模式變異的多模式合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)仿真方法，如圖2a所示，第一種實(shí)現(xiàn)方式如下：

步驟一：仿真計(jì)算條帶模式sar回波信號(hào)。條帶模式sar回波信號(hào)的仿真可利用多種公開的技術(shù)，如g.franceschetti,m.migliaccio,d.riccio,andg.schirinzi,“saras:asyntheticapertureradar(sar)rawsignalsimulator(saras:一種合成孔徑雷達(dá)原始信號(hào)仿真器),”ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing(地球科學(xué)與遙感學(xué)報(bào)),30卷,1期,110–123頁(yè),1992年1月.中提出的頻域仿真方法，或a.s.khwaja,l.ferro-famil,ande.pottier,“efficientsarrawdatagenerationforanisotropicurbanscenesbasedoninverseprocessing(基于逆處理的城市場(chǎng)景sar原始信號(hào)高效生成方法),”ieeegeoscienceandremotesensingletters(地球科學(xué)與遙感快報(bào)),6卷,4期,757–761頁(yè),2009年10月.中提出的逆成像方法等。

步驟二：對(duì)步驟一得到的條帶模式sar回波信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉變換，得到條帶模式sar回波信號(hào)的距離頻譜。

步驟三：對(duì)步驟二得到的sar回波信號(hào)的距離頻譜沿著方位向進(jìn)行帶通濾波。帶通濾波可以通過(guò)sar回波信號(hào)的距離頻譜sr(k,x,y)卷積fir(finiteimpulseresponse，有限長(zhǎng)沖激響應(yīng))濾波器的單位沖激響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中卷積沿著雷達(dá)x坐標(biāo)進(jìn)行。以數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)，帶通濾波后的距離頻譜與濾波前的距離頻譜sr(k,x,y)存在如下關(guān)系：

其中，k＝2fr/c(單位m^-1)為快時(shí)間頻率fr(單位hz)除以電磁波傳播速度c的一半，本專利中稱其為距離頻率?！覟榉e分符號(hào)。

由式(1)可知，在任一x位置處，濾波后的距離頻譜實(shí)質(zhì)上是濾波前距離頻譜sr(k,x,y)在[x-lf/2,x+lf/2]區(qū)間上加權(quán)求和的結(jié)果，其中權(quán)值函數(shù)由帶通濾波器的單位沖激響應(yīng)給定，lf為帶通濾波器的單位沖激響應(yīng)的長(zhǎng)度。帶通濾波器的設(shè)計(jì)決定了本方法最終得到的sar回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取模式。在每一個(gè)距離頻率k和雷達(dá)x坐標(biāo)處，帶通濾波器的中心頻率kc,x和帶寬bx應(yīng)為

kc,x＝ksinθ0(2)

其中，θ0為當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)雷達(dá)天線主瓣中心的波束指向，如圖1所示；θbw為雷達(dá)位于位置時(shí)雷達(dá)天線方位向波束寬度，如圖1所示。帶通濾波器的頻譜幅度影響雷達(dá)天線方位向方向特性。

嚴(yán)格地講，帶通濾波器的中心頻率kc,x和帶寬bx都可能隨著距離頻率k和雷達(dá)x坐標(biāo)的變化而變化，因此我們需要在針對(duì)每一個(gè)距離頻率k和雷達(dá)x坐標(biāo)計(jì)算單位沖激響應(yīng)然而，為了減小計(jì)算量，我們可以認(rèn)為帶通濾波器的帶寬bx不隨著雷達(dá)波束指向θ0的變化而變化，并將帶通濾波器的單位沖激響應(yīng)簡(jiǎn)化為

其中，為θ0＝0時(shí)的基帶濾波器的單位沖激響應(yīng)，是帶通濾波器的基帶部分；kc,x如式(2)所示。

步驟四：對(duì)步驟三得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行距離向逆傅里葉變換，即可得到所需要的sar回波信號(hào)。

本發(fā)明第二種實(shí)現(xiàn)方式如下，如圖2b所示：

步驟一：計(jì)算條帶模式的sar傳遞函數(shù)。其中sar傳遞函數(shù)的物理意義為：以雷達(dá)發(fā)射信號(hào)作為輸入信號(hào)、以雷達(dá)回波信號(hào)作為輸出信號(hào)，將雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射、傳播、反射、接收等環(huán)節(jié)建模為一個(gè)線性系統(tǒng)，這一線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)即為sar傳遞函數(shù)。sar傳遞函數(shù)定義如下

其中，因式rect(·)代表一個(gè)以雷達(dá)載頻所對(duì)應(yīng)的距離頻率k0為中心、以b＝2br/c為寬度的矩形窗，其中br為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)帶寬(單位hz)。因此，sar回波信號(hào)仿真過(guò)程中只需考慮有限距離頻率k的范圍，即k∈[k0-b/2,k0+b/2]。∫∫·dxsdys代表對(duì)空間中所有散射中心的二重積分；j為虛數(shù)單位；表征雷達(dá)信號(hào)在發(fā)射、傳播、目標(biāo)反射、接收等過(guò)程中發(fā)生的幅度衰減，且

其中，ω(·)為雷達(dá)天線方向特性引起的幅度調(diào)制；θ為當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)位于處的散射中心相對(duì)雷達(dá)的方向，如圖1所示；θ0為當(dāng)雷達(dá)位于位置時(shí)雷達(dá)天線主瓣中心的波束指向，如圖1所示；σ為散射中心的后向散射系數(shù)，r(·)為雷達(dá)與散射中心之間的瞬時(shí)距離，且

其中，符號(hào)表示“定義為”；||·||符號(hào)為l2范數(shù)。

需要注意的是，θ0可以是常數(shù)亦可以是個(gè)變量，θ0如何隨雷達(dá)位置(或雷達(dá)慢時(shí)間)變化是sar回波信號(hào)對(duì)應(yīng)何種數(shù)據(jù)獲取模式的重要決定因素。

步驟二：對(duì)步驟一得到的條帶模式sar傳遞函數(shù)沿著方位向進(jìn)行帶通濾波。帶通濾波可以通過(guò)sar傳遞函數(shù)卷積fir濾波器的單位沖激響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中卷積沿著雷達(dá)x坐標(biāo)進(jìn)行。帶通濾波器的設(shè)計(jì)決定了本方法最終得到的sar回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取模式。帶通濾波器的設(shè)計(jì)與本發(fā)明第一種實(shí)現(xiàn)方式的步驟三相同。經(jīng)過(guò)帶通濾波，sar傳遞函數(shù)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取模式已根據(jù)帶通濾波器的設(shè)計(jì)發(fā)生響應(yīng)改變。

步驟三：在對(duì)應(yīng)的雷達(dá)坐標(biāo)和距離頻率，將步驟二所得結(jié)果與sar發(fā)射信號(hào)距離頻譜進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘。

根據(jù)sar傳遞函數(shù)的物理意義，如果令雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的頻譜和雷達(dá)回波信號(hào)的距離頻譜分別為和我們有

因此，經(jīng)過(guò)步驟三即可得到所需要的sar回波信號(hào)的距離頻域方位時(shí)域譜。

步驟四：對(duì)步驟三所得結(jié)果沿著距離向進(jìn)行逆傅里葉變換，即可得到所需要的sar回波信號(hào)。

圖3至圖7是以tops模式和滑動(dòng)聚束模式為例的sar回波信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)中，首先利用時(shí)域仿真方法仿真下表1中所示條帶模式sar的回波信號(hào)，而后利用本發(fā)明方法分別得到表1中所示tops模式和滑動(dòng)聚束模式的sar回波信號(hào)。

表1

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定帶通濾波器的基帶部分為25點(diǎn)的gaussian函數(shù)加權(quán)的sinc函數(shù)。圖3展示了本發(fā)明方法得到tops模式和滑動(dòng)聚束模式時(shí)的sar回波信號(hào)與其理論值之間的相位差異。相位誤差的最大值控制在0.025rad以內(nèi)，這說(shuō)明本發(fā)明方法產(chǎn)生的sar回波信號(hào)具有較高精度。圖4展示了從所得tops模式和滑動(dòng)聚束模式的sar回波信號(hào)推算的雷達(dá)天線方位向方向圖。圖5a～圖5f和圖6a～圖6f分別展示了所得tops模式和滑動(dòng)聚束模式的sar回波信號(hào)經(jīng)過(guò)雷達(dá)成像處理后的雷達(dá)二維圖像和一維像剖面圖。三個(gè)方位向位置不同的散射中心均能夠良好聚焦，再次體現(xiàn)了本發(fā)明方法的有效性。最后，我們利用文獻(xiàn)“yongcailiu(劉永才),weiwang(王偉),xiaoyipan(潘小義),qixiangfu(傅其祥),guoyuwang(王國(guó)玉).inverseomega-kalgorithmfortheelectromagneticdeceptionofsyntheticapertureradar(對(duì)合成孔徑雷達(dá)電磁欺騙的逆距離徙動(dòng)算法),ieeejournalofselectedtopicsonappliedearthobservationandremotesensing(地球觀測(cè)與遙感專題期刊),2016年,9卷(7)期:3037-3049頁(yè)”中公開的技術(shù)仿真一個(gè)擴(kuò)展場(chǎng)景的條帶模式sar回波信號(hào)，再利用本發(fā)明方法仿真tops模式sar回波信號(hào)，經(jīng)雷達(dá)成像處理所得的圖像結(jié)果如圖7所示。