调频连续波SAR距离_多普勒成像算法研究
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*
2. 1 去调频信号模型 发关系及差频信号如图 1 所示。 回波信号与发射信号混频后 , 得到去调频后的 差频信号: s IF ( t , ) = r ect t r ect t Tp Tp exp - j 2 1 f0 + t - 2
2
( 1)
收稿日期 : 2010 年 11 月 8 日 , 修回日期 : 2010 年 12 月 10 日 作者简介 : 黎国保 , 男 , 硕士 , 助理工程师 , 研究方向 : 航空发动机。
图3 距离 多普勒成像算法流程
+
1 f 0p re f
cR 0 4v 2 ( f 0 -
4
仿真结果
调频连续波 SAR 采用正侧视模式成像 , 具体
)
2 2f a+ f r T
对于距离 R 0 上的点目标, 其在方位多普勒域 中的频率偏移与方位向多普勒频率的关系为 : f= 1 f 0re f
仿真参数如表 1 所示。
2
基本原理
调频连续波 SAR 连续发射线性调频信号 , 收
法通过距离徙动校正把成像处理分解成两个一维 的处理。在距离向通过频率分析法进行距离脉冲 压缩; 由于距离压缩后的回波信号存在距离迁移现 象, 方位向与距离向发生二维耦合, 需要在进行方 位压缩之前对距离迁移进行校正, 然后进行方位向 匹配滤波 , 从而完成方位向处理。 文章阐明了调频连续波 SAR 的基本原理 , 重 点推导了改进的距离 多普勒算法的流程 , 通过忽 略斜置项和剩余视频相位项( RVP) 对成像的影响,
表1 RD 算法仿真参数设置 参数值 300M Hz 10G Hz 300m 50m/ s 300m 200m 0. 2m 275m 300m 315m 30m 0m - 30m 变量 扫频带宽 载频 飞行高度 载机速度
2 R0 cR 0 - f 0 f a+ 2 c 4v ( f 0 -
ref
)2
Research of Range Doppler Algorithm for FMCW SAR
L i G uobao 1) W ang X izi1) Sun Hanbing2) 100072) ( N aval A eronautical M ilitary Representative Off ice in Pingba A reas 1) , Ping ba 561102) ( D epar tment o f T echno log y Suppo rt Engineer ing , Academ y of A r mored Fo rce Eng ineering 2) , Beijing
2 ref [ 9]
场景中心距离 条带宽度 天线尺寸 目标距离维坐标 目标方位维坐标
图 4 为 3 点目标经过距离压缩后的平面图; 图 5 为经过 sin c 插值校正距离徙动后的平面图, 与图 4 对比明显看出校正效果良好。 ( 12)
+ fr T
p
方位向匹配滤波函数为: H ( f a ) = ex p j cR 0 f a 2v ( f 0 - ref )
1
引言
随着 SAR 技术的发展 , 逐渐出现一些不同的
从而简化了算法复杂度、 减小了运算量 , 并给出了 精确成像所需的方位向匹配滤波函数的改进方法 , 最后通过仿真验证了该算法的正确性和可行性。
成像算法 , 但最简单、 成熟、 计算效率高、 系统中最 常用的仍是距离 多普勒算法
[ 1~ 2]
。距离 多普勒算
:
ref p
s IF ( f r ,
0
)=
s IF ( t , )
0 0
ex p( - j 2 f rt ) dt
0
tT
0
= ( Tp )
ref
) ex p[ - j [ f 0 A - A
re f
ex p - j 2 + (t ref
f 0( ref
+ (
2
-
) + f r] ( Tp +
0
0
)]
图2 成像几何模型
sin c{ ( T p 0 re f
) [ f 0A - A
) + f r] }
式 ( 6) 中 , 第一个指数项是斜置项 ; 第二个指数项是 方位向多普勒信息 ; 第三个指数项是 RV P 项。在 调频连续波 SAR 成像过程中, 通常忽略 RVP 和斜 置的影响[ 3] , 可以将式( 6) 简化得 : s IF ( f r , 0 ) = ( T p 0
ref [ 8]
= B d sinc
2 R0 c
ref
+ f r T p sinc{ B d t m }
( 15 )
其中, B d 为方位向多 普勒带宽。该算法的具体流 程如图 3 所示。
, 对 sIF ( f r ,
2 a ref
0
) 作关于 tm 的
cR 0 f 2v ( f 0 2 ref
) 2 R0 - f0 fa c ( 9)
Abstract
FM CW SAR is a lig ht weight, co st effective, hig h resolut ion imag ing radar, which is being mor e and mo re
co ncer ned. T he de chir p sig nal is der ived, the geo met ry mo del is built and t he w ho le process of RDA is ex plained in details. Because of neglect ing the influence of the ter m o f ramp and RV P, the complex ity and the calculation can be simplified. I n ad dition, mo dif ication of f ilter functio n in azimuth is intr oduced. At the end, simulation v erif ies the analysis and validity of the pr oposed algo rithm. Key Words F M CW , SA R, modified RDA Class Number T N 957. 52
fa
2
( 10) 对应的距离迁移量为 : c R= 2a f ( 11)
回波信号在距离向和方位向上都是离散采样的, 迁移轨迹并不准确分布在采样点上。可以用插值的 方法来进行距离徙动校正 。校正后, 所有位置上的 目标的徙动轨迹都平行于多普勒频率轴, 此时有: cR 0 f 2 a S IF _1 ( f r , f a ) = ex p j 2 2v ( f 0 - ref ) sin c 2 R0 c
2
( 13)
然后进行方位压缩: S IF _2 ( f r , f a ) = S IF _1 ( f r , f a ) H ( f a ) = sinc 2 R0 c
ref
+ f
94
黎国保等 : 调频连续波 SA R 距离 多普勒成像算法研究
总第 202 期
其中,
0
=
2R 0 v 2 t 2 m 2v 2 t m + ,A= 。 c R0c R 0c
0
应注意到
A , 在下文推导过程中会用到该
条件从而简化信号形式。由于信号的幅度对成像 的影响很小 , 为方便起见, 将其均视为 1 。 将式( 4 ) 代入式( 2 ) 并简化得 : s IF ( t , )
其中 , t= tm + t , tm 表示方位慢时间, c 为光速。 对于正侧视调频连续波 SAR, 距离向 t 的高次 向引起的距离向附加相位最大也只有几度, 因此可 以忽略, 从而简化对回波的处理 。将 重写为: =
0 [ 6]
+ At
( 4)
2011 年第 4 期
舰船电子工程
95
迹在各个发射脉冲之间到目标的距离发生变化引 起距离弯曲。分析可知, 距离走动通常为一个或几 个距离单元 , 最大距离弯曲通常为几个或十几个距 离单元。因此, 在多普勒域插值进行频域距离走动 和距离弯曲较 正, 从而消 除距离向 和方位向 的耦 合, 把二维处理变成两个一维处理的级联。然后通 过方位向匹配滤波, 完成方位向脉冲压缩。 利用驻相位原理 傅立叶变换得: S IF ( f r , f a ) = ex p j sin c + 2 R0 c
)
sin c{ ( T p re f
0
) [ f 0A ) ] ( 7)
- A 0 + ( 0-
)+ f r ] }
ref
exp[ - j 2 0 ( 0 c Tp 2B ( T p r
) ( f 0-
ref
垂直距离。 2 ( v t) 2 R0 + c 2R0
通过式 ( 7) 可得距离向分辨率:
r
总第 202 期 2011 年第 4 期
舰船电子工程 Ship Electr onic Engineering
V o l. 31 No . 4 93
调频连续波 SAR 距离 多普勒成像算法研究
黎国保
( 海军驻平坝地区航空军事代表室 1) 摘 要 平坝
1)
*
王夕滋
1)
孙寒冰
2)
561102) ( 装甲兵工程学院技术保障工程系 2)
图1 调频连续波 SA R 收发关系 及用发射信号作参考函数的混频过程
ex p{ - j 2 [ f 0 A t - A + ( 0exp [ j
re f
0
t
)( 0 ref
ref
)] }
ref
exp [ - j 2 f 0 ( (
0
) ]
2
)] ( 5)
其中 , f 0 为载波频率 , 为调频信号的调制频率 , t 为快时间变量, T p 为脉冲重复周期 , 为回波延时。 由图 1 可知, 混频后回波信号分成两部分: 占回波 很小部分能量的高频信号 , 及占回波大部分能量的 低频信号。高频回波信号持续时间与整个扫频周 期相比非常短, 小 于 1%
ref
ref
exp [ - j 2 0 ( ) exp [ j + ( (
0
ref
ref
) ( f 00
wk.baidu.com
)]
)( -
1 )( 2
0
) ] ( 6)
2
( 2) 2. 2 成像几何模型 调频连续波 SAR 成像几何模 型如图 2 所示。雷达工作模式 是条带式, h 是载机高 度, v 是载机速度, 是 天线方位向波束角 , R0 是载机平台到目标的
由图可知 = 2 c R 0 + ( vt )
2 2
=
0
)
c cT r 2 B cT r - 2R 0
( 8)
( 3)
可以看出
与斜距 R 0 有关, 斜距越大分辨率
[ 7]
越差, 因此调频连续波 SAR 更适合近距离成像, 如 海洋内波成像、 地下隐藏物探测 3. 2 方位压缩 调频连续波 SAR 中 , 回波信号的距离迁移分 成两部分, 一部分是由于传感器在扫频周期内连续 运动引起的距离走动, 另一部分是由于传感器沿航 等。
T
p
, 通常认为它对 距离分
辨率的影响可以忽略。因此仅用低频信号部分获 得距离信息 , 高频部分可以通过雷达接收机的低通 滤波器消除 。 为改善距离向分辨率 , 降低距离维采样率 , 以
ref [ 4]
时间的回波信号作为去调频参考函数 , 与回波
[ 5]
信号混频 , 形成新的中频信号 sI F ( t , ) = rect tTp rect
北 京 100072)
调频连续波合成孔径雷达 ( F M CW SA R) 因具有体积小、 重量轻、 成本低、 分辨率 高的优点 而受到 越来越 广泛
的关注。介绍了调频连续波 SA R 的去调频信号模型和成像几 何模型 , 重点推导 了改进 的距离 多 普勒算 法的流程 , 通 过忽 略斜置项和剩余视频相位项 ( R VP ) 对成像的影响 , 从而简化了算法复杂度 , 并给出了 精确成像 所需的方位 向匹配滤波 函数 的改进方法 , 最后通过仿真验证了该算法的正 确性和可行性。 关键词 调频连续波 ; 合成孔径雷达 ; 改进的距离 多普勒算法 T N 957. 52 中图分类号
[ 3]
-
3
改进的距离 多普勒成像算法
观察回波信号模型式 ( 5 ) , 第一个指数项是距
3. 1 距离压缩 离维压缩所需要的相位项; 第二个指数项是方位向 多普勒信息 , 这是正常方位压缩所需要的相位项 ; 第三个指数项是残留视频相位项 , 它会使方位多普 勒有少许改变。 对式( 5) 作关于 t 的傅立叶变换 , 得到回波信 号在距离维频域的表达式:
2. 1 去调频信号模型 发关系及差频信号如图 1 所示。 回波信号与发射信号混频后 , 得到去调频后的 差频信号: s IF ( t , ) = r ect t r ect t Tp Tp exp - j 2 1 f0 + t - 2
2
( 1)
收稿日期 : 2010 年 11 月 8 日 , 修回日期 : 2010 年 12 月 10 日 作者简介 : 黎国保 , 男 , 硕士 , 助理工程师 , 研究方向 : 航空发动机。
图3 距离 多普勒成像算法流程
+
1 f 0p re f
cR 0 4v 2 ( f 0 -
4
仿真结果
调频连续波 SAR 采用正侧视模式成像 , 具体
)
2 2f a+ f r T
对于距离 R 0 上的点目标, 其在方位多普勒域 中的频率偏移与方位向多普勒频率的关系为 : f= 1 f 0re f
仿真参数如表 1 所示。
2
基本原理
调频连续波 SAR 连续发射线性调频信号 , 收
法通过距离徙动校正把成像处理分解成两个一维 的处理。在距离向通过频率分析法进行距离脉冲 压缩; 由于距离压缩后的回波信号存在距离迁移现 象, 方位向与距离向发生二维耦合, 需要在进行方 位压缩之前对距离迁移进行校正, 然后进行方位向 匹配滤波 , 从而完成方位向处理。 文章阐明了调频连续波 SAR 的基本原理 , 重 点推导了改进的距离 多普勒算法的流程 , 通过忽 略斜置项和剩余视频相位项( RVP) 对成像的影响,
表1 RD 算法仿真参数设置 参数值 300M Hz 10G Hz 300m 50m/ s 300m 200m 0. 2m 275m 300m 315m 30m 0m - 30m 变量 扫频带宽 载频 飞行高度 载机速度
2 R0 cR 0 - f 0 f a+ 2 c 4v ( f 0 -
ref
)2
Research of Range Doppler Algorithm for FMCW SAR
L i G uobao 1) W ang X izi1) Sun Hanbing2) 100072) ( N aval A eronautical M ilitary Representative Off ice in Pingba A reas 1) , Ping ba 561102) ( D epar tment o f T echno log y Suppo rt Engineer ing , Academ y of A r mored Fo rce Eng ineering 2) , Beijing
2 ref [ 9]
场景中心距离 条带宽度 天线尺寸 目标距离维坐标 目标方位维坐标
图 4 为 3 点目标经过距离压缩后的平面图; 图 5 为经过 sin c 插值校正距离徙动后的平面图, 与图 4 对比明显看出校正效果良好。 ( 12)
+ fr T
p
方位向匹配滤波函数为: H ( f a ) = ex p j cR 0 f a 2v ( f 0 - ref )
1
引言
随着 SAR 技术的发展 , 逐渐出现一些不同的
从而简化了算法复杂度、 减小了运算量 , 并给出了 精确成像所需的方位向匹配滤波函数的改进方法 , 最后通过仿真验证了该算法的正确性和可行性。
成像算法 , 但最简单、 成熟、 计算效率高、 系统中最 常用的仍是距离 多普勒算法
[ 1~ 2]
。距离 多普勒算
:
ref p
s IF ( f r ,
0
)=
s IF ( t , )
0 0
ex p( - j 2 f rt ) dt
0
tT
0
= ( Tp )
ref
) ex p[ - j [ f 0 A - A
re f
ex p - j 2 + (t ref
f 0( ref
+ (
2
-
) + f r] ( Tp +
0
0
)]
图2 成像几何模型
sin c{ ( T p 0 re f
) [ f 0A - A
) + f r] }
式 ( 6) 中 , 第一个指数项是斜置项 ; 第二个指数项是 方位向多普勒信息 ; 第三个指数项是 RV P 项。在 调频连续波 SAR 成像过程中, 通常忽略 RVP 和斜 置的影响[ 3] , 可以将式( 6) 简化得 : s IF ( f r , 0 ) = ( T p 0
ref [ 8]
= B d sinc
2 R0 c
ref
+ f r T p sinc{ B d t m }
( 15 )
其中, B d 为方位向多 普勒带宽。该算法的具体流 程如图 3 所示。
, 对 sIF ( f r ,
2 a ref
0
) 作关于 tm 的
cR 0 f 2v ( f 0 2 ref
) 2 R0 - f0 fa c ( 9)
Abstract
FM CW SAR is a lig ht weight, co st effective, hig h resolut ion imag ing radar, which is being mor e and mo re
co ncer ned. T he de chir p sig nal is der ived, the geo met ry mo del is built and t he w ho le process of RDA is ex plained in details. Because of neglect ing the influence of the ter m o f ramp and RV P, the complex ity and the calculation can be simplified. I n ad dition, mo dif ication of f ilter functio n in azimuth is intr oduced. At the end, simulation v erif ies the analysis and validity of the pr oposed algo rithm. Key Words F M CW , SA R, modified RDA Class Number T N 957. 52
fa
2
( 10) 对应的距离迁移量为 : c R= 2a f ( 11)
回波信号在距离向和方位向上都是离散采样的, 迁移轨迹并不准确分布在采样点上。可以用插值的 方法来进行距离徙动校正 。校正后, 所有位置上的 目标的徙动轨迹都平行于多普勒频率轴, 此时有: cR 0 f 2 a S IF _1 ( f r , f a ) = ex p j 2 2v ( f 0 - ref ) sin c 2 R0 c
2
( 13)
然后进行方位压缩: S IF _2 ( f r , f a ) = S IF _1 ( f r , f a ) H ( f a ) = sinc 2 R0 c
ref
+ f
94
黎国保等 : 调频连续波 SA R 距离 多普勒成像算法研究
总第 202 期
其中,
0
=
2R 0 v 2 t 2 m 2v 2 t m + ,A= 。 c R0c R 0c
0
应注意到
A , 在下文推导过程中会用到该
条件从而简化信号形式。由于信号的幅度对成像 的影响很小 , 为方便起见, 将其均视为 1 。 将式( 4 ) 代入式( 2 ) 并简化得 : s IF ( t , )
其中 , t= tm + t , tm 表示方位慢时间, c 为光速。 对于正侧视调频连续波 SAR, 距离向 t 的高次 向引起的距离向附加相位最大也只有几度, 因此可 以忽略, 从而简化对回波的处理 。将 重写为: =
0 [ 6]
+ At
( 4)
2011 年第 4 期
舰船电子工程
95
迹在各个发射脉冲之间到目标的距离发生变化引 起距离弯曲。分析可知, 距离走动通常为一个或几 个距离单元 , 最大距离弯曲通常为几个或十几个距 离单元。因此, 在多普勒域插值进行频域距离走动 和距离弯曲较 正, 从而消 除距离向 和方位向 的耦 合, 把二维处理变成两个一维处理的级联。然后通 过方位向匹配滤波, 完成方位向脉冲压缩。 利用驻相位原理 傅立叶变换得: S IF ( f r , f a ) = ex p j sin c + 2 R0 c
)
sin c{ ( T p re f
0
) [ f 0A ) ] ( 7)
- A 0 + ( 0-
)+ f r ] }
ref
exp[ - j 2 0 ( 0 c Tp 2B ( T p r
) ( f 0-
ref
垂直距离。 2 ( v t) 2 R0 + c 2R0
通过式 ( 7) 可得距离向分辨率:
r
总第 202 期 2011 年第 4 期
舰船电子工程 Ship Electr onic Engineering
V o l. 31 No . 4 93
调频连续波 SAR 距离 多普勒成像算法研究
黎国保
( 海军驻平坝地区航空军事代表室 1) 摘 要 平坝
1)
*
王夕滋
1)
孙寒冰
2)
561102) ( 装甲兵工程学院技术保障工程系 2)
图1 调频连续波 SA R 收发关系 及用发射信号作参考函数的混频过程
ex p{ - j 2 [ f 0 A t - A + ( 0exp [ j
re f
0
t
)( 0 ref
ref
)] }
ref
exp [ - j 2 f 0 ( (
0
) ]
2
)] ( 5)
其中 , f 0 为载波频率 , 为调频信号的调制频率 , t 为快时间变量, T p 为脉冲重复周期 , 为回波延时。 由图 1 可知, 混频后回波信号分成两部分: 占回波 很小部分能量的高频信号 , 及占回波大部分能量的 低频信号。高频回波信号持续时间与整个扫频周 期相比非常短, 小 于 1%
ref
ref
exp [ - j 2 0 ( ) exp [ j + ( (
0
ref
ref
) ( f 00
wk.baidu.com
)]
)( -
1 )( 2
0
) ] ( 6)
2
( 2) 2. 2 成像几何模型 调频连续波 SAR 成像几何模 型如图 2 所示。雷达工作模式 是条带式, h 是载机高 度, v 是载机速度, 是 天线方位向波束角 , R0 是载机平台到目标的
由图可知 = 2 c R 0 + ( vt )
2 2
=
0
)
c cT r 2 B cT r - 2R 0
( 8)
( 3)
可以看出
与斜距 R 0 有关, 斜距越大分辨率
[ 7]
越差, 因此调频连续波 SAR 更适合近距离成像, 如 海洋内波成像、 地下隐藏物探测 3. 2 方位压缩 调频连续波 SAR 中 , 回波信号的距离迁移分 成两部分, 一部分是由于传感器在扫频周期内连续 运动引起的距离走动, 另一部分是由于传感器沿航 等。
T
p
, 通常认为它对 距离分
辨率的影响可以忽略。因此仅用低频信号部分获 得距离信息 , 高频部分可以通过雷达接收机的低通 滤波器消除 。 为改善距离向分辨率 , 降低距离维采样率 , 以
ref [ 4]
时间的回波信号作为去调频参考函数 , 与回波
[ 5]
信号混频 , 形成新的中频信号 sI F ( t , ) = rect tTp rect
北 京 100072)
调频连续波合成孔径雷达 ( F M CW SA R) 因具有体积小、 重量轻、 成本低、 分辨率 高的优点 而受到 越来越 广泛
的关注。介绍了调频连续波 SA R 的去调频信号模型和成像几 何模型 , 重点推导 了改进 的距离 多 普勒算 法的流程 , 通 过忽 略斜置项和剩余视频相位项 ( R VP ) 对成像的影响 , 从而简化了算法复杂度 , 并给出了 精确成像 所需的方位 向匹配滤波 函数 的改进方法 , 最后通过仿真验证了该算法的正 确性和可行性。 关键词 调频连续波 ; 合成孔径雷达 ; 改进的距离 多普勒算法 T N 957. 52 中图分类号
[ 3]
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3
改进的距离 多普勒成像算法
观察回波信号模型式 ( 5 ) , 第一个指数项是距
3. 1 距离压缩 离维压缩所需要的相位项; 第二个指数项是方位向 多普勒信息 , 这是正常方位压缩所需要的相位项 ; 第三个指数项是残留视频相位项 , 它会使方位多普 勒有少许改变。 对式( 5) 作关于 t 的傅立叶变换 , 得到回波信 号在距离维频域的表达式: