步進頻SAR的波數域成像算法研究

李俊慧，王　洪，汪學剛，燕　陽

(電子科技大學 電子工程學院,　成都 611731)

?

·信號處理·

步進頻SAR的波數域成像算法研究

李俊慧，王洪，汪學剛，燕陽

(電子科技大學 電子工程學院,成都 611731)

步進頻合成孔徑雷達(SAR)可以在不要求系統瞬時大帶寬的情況下獲得距離向高分辨率，在一些領域已得到了成功的應用，但其成像過程中由于雷達與目標之間存在相對運動使得脈沖間對應的瞬時斜距有不可忽略的差值，基于差值導致的距離像偏移、分辨率下降和信噪比損失，提出了在二維頻域中補償的方法。波數域成像算法主要操作是在二維頻域，成像精度較高，計算量適中，文中將該算法應用到步進頻SAR中，從雷達的幾何關系和信號回波模型出發，推導了補償斜距差的公式，以及實現殘余壓縮的Stolt插值過程，給出了目標精確聚焦的完整步驟，并分析了Stolt插值頻率改變的過程和參數設計的影響，最后對多個點目標進行了成像仿真。

合成孔徑雷達; 步進頻信號; 波數域算法; Stolt插值

0　引　言

步進頻合成孔徑雷達(SAR)是目前國內外高分辨率技術中的研究熱點，具有測距精度高、抗雜波能力強、可以識別真假目標和反隱身等優點[1]，在軍用和民用等領域有著廣闊的應用前景。步進頻SAR通過合成子脈沖得到的大帶寬信號來實現距離向高分辨率[2]，通過雷達載機平臺的運動，形成長線性陣列來實現方位向高分辨率。平臺相對地面靜止目標之間的運動分為三種：發射脈沖期間的運動、接收脈沖期間的運動以及相鄰發射脈沖之間的運動。步進頻SAR的脈沖間運動引起的斜距變化會導致目標距離像的偏移和質量的退化(包括分辨率降低和信噪比損失)，必須要補償這個斜距變化值。

針對補償方法的研究，文獻[3]分析了徑向速度對步進頻SAR一維距離像的影響 , 也建立步進頻SAR的回波模型，但是沒有提出具體的補償方法。文獻[4]也研究了雷達與目標之間相對運動對步進頻一維成像的影響， 提出一種改變脈沖重復間隔的方法來消除多普勒二次相位，合成距離成像的結果只體現為距離像的平移，而且這一平移量與方位向的脈沖串序號無關，即消除了距離向和方位向的多普勒耦合，避免了距離向分辨率的惡化和信噪比的損失。但這種補償方法是基于一維成像而言的，對于二維成像不一定適用。由于步進頻SAR回波信號的方位向為線性調頻信號，可以用駐定相位原理方位向進行快速傅里葉變換(FFT)后變為二維頻域信號，其相位中有一項是由脈沖間斜距差引入的，提出了在二維頻域中補償方法。

對于步進頻SAR的成像算法的研究，大部分是時域算法。距離多普勒(RD)算法是一種使用廣泛的時域成像算法，能同時兼顧成熟、簡單、高效和精確等因素。但是該算法存在兩點不足：(1)當使用較長的核函數來提高距離徒動校正的精度時，運算量較大；(2)二次壓縮對方位頻率的依賴性問題較難解決，從而限制了其對某些大斜視角和長孔徑步進頻SAR的處理精度[5]。后向投影算法(BP)算法也是典型的時域成像算法。文獻[6]討論了使用BP算法對步進頻SAR成像，但這種算法的計算量也相對較大。而文獻[7]使用步進頻脈內調頻的信號的SAR的成像方法，與合成寬帶方法相似。但是，這種方法對單載頻脈沖不適用。

由于本文提出的補償方法是在二維頻域中進行的，所以，后續的成像處理過程是采用頻域成像算法。而波數域成像算法的主要聚焦操作是在二維頻域上實現的，另外，只要滿足速度恒定，就能夠在大孔徑范圍內校正沿距離向的距離徒動變化。同時，步進頻SAR一般應用在高分辨率情形下， 波數域算法精度較高，計算量相對適中[8-9]，所以本文的步進頻成像處理采用波數域算法。

1　步進頻SAR成像模型

1.1步進頻SAR的發射信號

步進頻SAR通過發射多個子脈沖來合成寬帶信號，每個子脈沖的頻率是不同的，設發射N個子脈沖，n=0,1,…,N-1，第n+1個子脈沖信號可以表示為

st(t,n)=ωn(t)exp(j2πfcnt)

(1)

式中：ωn(t)=rect(t/Tpn)表示矩形窗函數，Tpn表示第n+1個子脈沖寬度；fcn表示第n+1個子脈沖的中心頻率。本文設脈沖間步進頻間隔Δf是相等的，步進頻信號的起始頻率為fc，則fcn=fc+nΔf。雷達發射的N個子脈沖的步進頻信號波形和頻率，如圖1所示。

圖1　步進頻SAR發射信號波形和頻率

對于與雷達距離為R的目標，回波時延τ=2R/c，忽略回波信號的幅度，回波信號為

sr(t,n)=ωn(t-τ)exp[j2πfcn(t-τ)]

(2)

對回波信號進行解調，解調后信號為

ωn(t-τ)exp[j2πfcn(t-τ)]·exp(-j2πfcnt)=

ωn(t-τ)exp(-j2πfcnτ)

(3)

將τ=2R/c和fcn=fc+nΔf代入式(3)，為

(4)

1.2成像幾何關系

為了得到步進頻SAR的二維成像[9]，需要雷達在方位向上運動來合成孔徑。由于雷達的運動，雷達與目標之間的距離R是隨著時間變化的，用R(t)表示瞬時距離。設點目標在距離向、方位向二維空間的位置為(0,r0)，雷達在方位向運動的速度v，如圖2所示，則雷達與目標之間的瞬時斜距R(t)表示為

(5)

圖2　雷達幾何關系圖

設雷達以重復周期Tr發射子脈沖，在一個合成孔徑時間內發射M組步進頻脈沖串，每個脈沖串含N個子脈沖。如圖3所示，m表示脈沖串序號，n表示子脈沖序號。

圖3　步進頻SAR發射多組步進頻脈沖串信號

為使得解調后信號可表示為二維矩陣形式， 使得雷達運動時間分成兩部分表示，即t=ta+tr，ta為方位慢時間，tr為距離快時間。

步進頻信號的脈寬一般比傳統的線性調頻信號的脈寬小的多，在一個脈沖時間Tr內，雷達與目標之間的距離是近似不變的，即“停-走-?！蹦Ｊ竭m用。因此，tr=nTr，ta=mNTr。式(5)可以寫為

(6)

1.3脈沖間斜距差分析

根據圖4所示，對第m+1組脈沖串而言，發射第1個脈沖時，雷達與目標之間的距離為Rm0；發射第n+1個子脈沖時，雷達與目標之間的距離為Rmn。二者之間的關系[10]為

(7)

圖4　脈沖之間斜距差

一般Rm0?nvTr，nvTrcosφm/(Rm0-nvTrsinφm)?1，式(7)近似為

Rmn≈Rm0-nvTrsinφm

(8)

對第m+1組、第n+1個子脈沖的解調后的回波信號采樣，提取的一個采樣點值為

(9)

第m+1組的N個離散值作IDFT處理，為

(10)

在二維成像處理中，一維距離像的平移、發散和展寬會造成目標回波的非相干疊加，使得最后得到目標成像結果的位置發生偏移和散焦，以及信噪比損失，不利于對目標的檢測，必須進行補償[11-12]。

解調后的回波信號表示為二維形式，為

(11)

將式(6)和fcn=fc+nΔf代入式(11)，同時，在ta處，對第n+1個子脈沖回波進行采樣得

(12)

2　步進頻SAR成像處理過程

本文采用波數域算法對步進頻SAR進行成像處理。

令fρn=2fcn/c=2(fc+nΔf)/c=fρc+fρ，x=vta，y0=vTr，R0=r0，式(12)為

(13)

對于步進頻SAR，發射一組脈沖串就可以獲得距離向信息。根據前面分析，接收的信號經過解調后，每個子脈沖的時間窗函數內任意采樣一個點，進行IDFT就可以得到距離向信息，因而信號在距離維可以看作頻域。為了獲得二維頻域信號，只需要對信號在方位向進行傅里葉變換。根據駐定相位原理(POSP)

s(fx,n)=∫s(fx,n)exp(-j2πfxx)dx=

(14)

(15)

將式(15)代入g(x)

2πfx(-ny0)

(16)

因而，二維頻域信號為

j2πfxny0]

(17)

由于fx=-fρnsinφx，φx=φm，第二項中2πfxny0=-2πfρnnvTrsinφm表示脈沖間斜距誤差帶來的相位誤差，根據1.3節對脈沖間斜距差的分析,脈沖間斜距誤差會導致目標的最終成像位置偏移和散焦，需要補償。補償函數為

H(fx)=exp(-j2πfxny0)

(18)

補償后信號為

(19)

波數域算法第一個主要的聚焦步驟是在二維頻域實現參考函數相乘(RFM)，式(19)信號的相位為

(20)

由于要在二維頻域進行參考函數相乘，式(20)的大部分變量都定義在二維頻域中。在二維頻域中所能使用的最好的相位補償是將距離R0和雷達等效速度v設在測繪帶中心或參考處，此時RFM濾波器的相位為

(21)

該濾波器能夠補償參考距離處Rref的相位，在此處的數據能得到完全的聚焦，經過RFM濾波后，二維頻域的殘余相位為

(22)

參考函數相乘后，參考距離處的目標得到了良好的聚焦?，F需要對其他距離處的目標進行聚焦，可以通過Stolt插值來完成。Stolt插值表示的數值操作，Stolt映射暗示幾何變換，后文中交替使用。

Stolt映射改變了二維頻域中的數據相位。由于同時調整了距離相位和方位相位，這一插值就消除了式(22)二階以上的殘余相位調制，即Stolt插值完成了殘余RCMC和殘余方位壓縮。由于式(22)中的根式，相位是非線性相位，直接對信號進行距離向傅里葉逆變換，(R0-Rref)≠0非參考距離處目標將會散焦。通過變量代換把根式改成線性相位，即Stolt映射

(23)

(24)

Stolt插值后，再經過距離向和方位向傅里葉逆變換，目標會得到精確聚焦。

(25)

式中：fρc=2fc/c是初始載波頻率；fρ=2nΔf/c是距離步進頻率；fx是方位頻率,fx=-fρnsinφx=-(fρc+fρ)sinφx。

可以看出，不同的參數設計對Stolt映射的影響主要是在兩個方面，一是頻率fx和fρ的值；二是方位帶寬和起始載波頻率，下面具體分析。

fx=-(fρc+fρ)sinφmax

(26)

將式(26)代入式(25)，得到

(27)

(28)

可以看出，對于固定的最大視線角，fρ取最大值，插值偏移程度最大

(29)

(2)Stolt映射是一個頻率偏移的過程，Stolt插值偏移的比例

(30)

將式(29)代入式(30)，得到

(31)

可以看出，初始載頻與距離帶寬比K1=fρc/fρ,max、方位帶寬與距離帶寬比K2=fx,max/fρ,max對頻率偏移有影響，而不是方位帶寬和初始載頻。方位帶寬與距離帶寬比增加，初始載頻與距離帶寬比降低，頻率偏移變大，如圖5所示。

圖5　不同的K1和K2對應的頻率偏移

步進頻SAR成像流程如圖6所示，步驟總結：

(1)方位向傅里葉變換將步進頻信號變換到多普勒域；

(2)斜距差補償函數相乘，在二維頻域補償脈沖間的斜距差；

(3)參考函數相乘，是步進頻SAR關鍵的聚焦步驟，參考處目標得到完全聚焦，非參考處目標得到部分聚焦；

(4)Stolt插值，完成非參考處目標的補余聚焦；

(5)距離向逆傅里葉變換完成距離壓縮；

(6)方位向逆傅里葉完成方位壓縮，將信號變回到時域(即圖像域)。

圖6　步進頻SAR波數域成像算法流程圖

3　參數設計及仿真

3.1參數設計分析

步進頻SAR信號涉及多個參數，對雷達成像有著較大的影響。

步進頻率間隔Δf，決定距離壓縮后的最大不模糊距離

(32)

子脈沖寬度Tp，設計時避免混疊，遵循的原則是

(33)

信號帶寬B決定距離向分辨率

(34)

子脈沖個數N與步進頻率間隔Δf決定信號帶寬

B=NΔf

(35)

子脈沖重復時間Tr，成像的最大距離為

(36)

脈沖重復頻率PRF為

(37)

避免方位向混疊，則

(38)

式中：v為雷達平臺運動速度；θBW為3 dB波束寬度；λmin為雷達的最大波長。

從上述公式可知，為了避免方位向混疊，一方面可以提高PRF，需NTr的值減小。如果是N減小，在距離向分辨率固定時，即帶寬不變，Δf會增加，對應的Ru會減??；如果是Tr減小，對應的Rmax會較小。另一方面在θBW固定時，可以增大λmin，則需要雷達選擇低的工作頻率。因此，設計參數時需要綜合考慮。

3.2仿真及結果分析

為了驗證上面算法的可行性，進行仿真實驗。假設步進頻SAR工作在正側視條帶模式下，發射信號的帶寬B為500 MHz，頻率步進值Δf為1.25 MHz，子脈沖數N為400，脈沖寬度Tp為0.72 μs，脈沖重復間隔Tr為4 μs，場景中心距離Rref為540 m。

對點目標(0 m，545 m)進行仿真分析，圖7是補償了脈沖間斜距差的影響后進行距離壓縮成像，可以看出距離徒動是對稱的。圖8是經過脈沖間斜距補償、參考函數相乘、Stolt插值后距離壓縮成像，校正了距離徒動。為了說明本算法的聚焦能力，仿真了點目標的距離向剖面圖和方位向剖面圖，如圖9、圖10所示，圖9峰值對應的距離是-0.16 m，圖10的峰值對應的距離是545.1 m，3dB帶寬對應的距離分辨率為0.3m，方位分辨率為0.485 m，點目標的成像誤差沒有超過一個分辨單元，距離向和方位向的積分旁瓣比分別是-16.4546dB和-11.491 2 dB。

圖7　點目標補償斜距差后距離壓縮成像

圖8　點目標的Stolt插值后的距離壓縮成像

圖9　點目標的方位向剖面圖

圖10　點目標的距離向剖面圖

不失一般性，仿真了多個目標(-5 m，535 m)、(5 m，535 m)、(-5 m，545 m)和(5 m，545 m)，如圖11所示，三維圖如圖12所示。

圖11　多點目標成像圖

圖12　多點目標的三維圖

由上面分析可知，仿真的點目標精確聚焦，因而成像算法是有效的。

4　結束語

本文討論了步進頻SAR的成像過程存在的脈沖之間由于目標與雷達存在相對運動而導致的斜距差的問題，提出了在二維頻域中補償的方法。補償之后，應用了波數域成像算法對步進頻SAR進行成像，對算法的具體實現進行了仿真，仿真的結果驗證了算法的有效性。

[1]陸必應, 宋千, 王建,等. 步進頻率連續波前視探地雷達的研究[J]. 現代雷達, 2010, 32(11): 5-8.

LU Biying, SONG Qian, WANG Jian, et al. A study on a SFCW forward-looking ground penetrating radar[J]. Modern Radar, 2010, 32(11): 5-8.

[2]LEVANON N. Stepped-frequency pulse-train radar signal[J]. IEE Proceedings of Radar, Sonar and Navigation, 2002, 149(6): 297-309.

[3]李海英, 楊汝良. 頻率步進信號的合成孔徑雷達處理[J]. 電子學報, 2003, 31(3): 349-352.

LI Haiying, YANG Ruliang. Stepped-frequency synthetic aperture radar imaging[J]. Acta Electronica Sinica, 2003, 31(3): 349-352.

[4]安建平, 張潤寧, 白克壯. 應用于SAR的一種波形及多普勒效應補償技術[J]. 系統工程與電子技術, 2000, 22(1): 59-62.

AN Jianping, ZHANG Running, BAI Kezhuang. A novel waveform applied to SAR system and its Doppler phase compensation technique[J]. Systems Engineering and Electronics, 2000, 22(1): 59-62.

[5]張娟. 步進頻率雷達高分辨成像處理算法[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2011.

ZHANG Juan. High resolution imaging algorithm of a step frequency radar[D]. Xi′an: Xidian Universiity, 2011.

[6]CHEN J, LONG T, ZENG T. A novel high-resolution stepped-frequency SAR signal processing method[C]// International Radar Conference. [S.l.]: IET Press, 2009: 1-4.

[7]HAN B, DING B C, LIANG X D. A new method for stepped-frequency SAR imaging[C]// European Conference on Synthetic Aperture Radar. Germany: IEEE Press, 2006.

[8]保錚, 邢孟道, 王彤. 雷達成像技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2005.

BAO Zheng, XING Mengdao, WANG Tong. Radar imaging technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005.

[9]CUMMING L G，WONG F H. 合成孔徑雷達成像-算法與實現[M]. 北京：電子工業出版社, 2007.

CUMMING L G，WONG F H. Digital processing of synthetic aperture radar data : algorithms and implementation[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2007.

[10]王鵬宇. 機載步進頻率SAR成像方法研究[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2008.

WANG Pengyu. The imaging research of ultra wideband airborne SAR system using stepped frequency waveforms[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2008.

[11]LIU Y, MENG H, LI G, et al. Velocity estimation and range shift compensation for high range resolution profiling in stepped-frequency radar[J]. IEEE Geoscience & Remote Sensing Letters, 2010, 7(4): 791-795.

[12]LUMINATI J E, HALE T B, TEMPLE M A, et al. Doppler aliasing reduction in SAR imagery using stepped-frequency waveforms[J]. IEEE Transactions on Aerospace & Electronic Systems, 2007, 43(1): 163-175.

李俊慧女，1990年生，碩士研究生。研究方向為合成孔徑雷達成像處理。

王洪男，1974年生，副教授。研究方向為MIMO雷達、FOD雷達等。

汪學剛男，1962年生，博士生導師。研究方向為雷達信號處理、毫米波雷達系統等。

燕陽男，1990年生，碩士研究生。研究方向為射頻通信電路設計、微波器件等。

Stepped Frequency SAR Imaging Using Wavenumber Domain Algorithm

LI Junhui，WANG Hong，WANG Xuegang，YAN Yang

(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731, China)

Stepped frequency SAR can obtain the high resolution without the large instantaneous bandwidth, has been successfully used in several areas. Due to relative motion between radar and target there is no negligible instantaneous slant distance difference between pulses. The difference is analyzed in detail, which leads to the decrease of the range profile like offset, resolution and SNR loss. A method of compensation in two-dimensional frequency domain is proposed. The wavenumber domain imaging algorithm mainly operates in two dimensional frequency domain with the higher imaging accuracy and a moderate amount of calculation. So the algorithm is applied to stepped frequency SAR. Starting from the geometric relation and the echo signal model, the formula for compensating the slant distance difference and the Stolt interpolation method to implement residual compression are derived. The complete steps of target's precise focusing are given. The frequency change process of Stolt interpolation and the influence of parameter design of the process are analyzed. Finally, the imaging simulation of multiple point targets is carried out.

synthetic aperture radar; stepped frequency signal; wavenumber domain algorithm; Stolt interpolation

國家自然科學基金資助項目(61139003)

李俊慧Email：1043570861@qq.com

2016-03-16

2016-05-18

TN958.6

A

1004-7859(2016)07-0025-07

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.007