专利名称：一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法
技术领域：
本发明涉及一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，属于信号处理技术领域。
背景技术：
合成孔径雷达(SAR)是一种利用微波雷达进行对地观测的设备，具有全天时、全天候观测能力的对地观测系统。当前，提升图像质量和提高SAR的对地观测能力是当前SAR 系统发展所追求的重要目标。然而传统体制的SAR系统存在以下两个方面的缺点。一方面，传统体制的SAR系统采用线性调频信号作为雷达发射信号，由于线性调频信号的固有特点，导致最终的图像会受到较强的旁瓣干扰，影响图像质量。实际成像中，经常采用频域加权法来抑制旁瓣，其缺点是降低了图像分辨率。另一方面，由于传统体制的SAR系统，特别是星载SAR系统，存在图像分辨率和观测带宽度的固有矛盾，在提高图像分辨率的同时， 观测带宽度将受到损失，导致对地观测能力受到严重制约。针对传统体制SAR系统的第一个方面的缺点，近年来，相继有人提出采用除线性调频信号以外其他形式的信号波形作为雷达发射信号，以降低距离向峰值旁瓣比，提高图像信噪比。对相位编码信号的研究是其中的研究热点之一。由于相位编码信号比较容易产生和处理，所以经常作为雷达的脉冲压缩信号。完全互补序列属于相位编码的范畴，由于其良好的相关函数在通信系统中获得了广泛的应用。对互补序列的研究始于20世纪60年代，Golay等研究了一些二进制互补序列对，这些互补对的自相关函数值在所有的偶数移位时都为零。Peter等人将一维互补码扩展到二维二相、四相正交完全互补码，对每一维信号的相关特性进行理论性的推导。关于互补码作为雷达信号，也有相关文献进行了分析:A. K. Ojha对互补码在噪声和目标波动情况下的性能进行了研究，将互补序列的性能与伪随机序列的性能进行了比较，并对正交采样的互补码的稳健性进行分析，得出分辨率与序列个数以及码元长度的关系。Z. Peter等利用普罗米修斯正交集技术构造了一类互补序列，对其模糊特性进行了分析。Suehiix)将互补码的概念进行了推广，提出了自相关函数值在非零移位都为零，而互相关函数值也都为零的完全互补序列。因此，可以将完全互补序列作为雷达发射信号，以获得距离向超低旁瓣。针对传统体制SAR系统的第二个方面的缺点，国际上一般提出多通道体制(单发多收体制)来予以解决。根据耐奎斯特采样定理，提高分辨率的同时要求方位向信号采样率也相应提高，在传统体制SAR中，脉冲重复频率就是方位向信号采样率。而脉冲重复频率的提高意味着观测带宽度的降低，所以在传统体制SAR中，高分辨率和宽观测带是一对固有的矛盾。通过将雷达天线划分为多个接收子天线，利用多个子天线同时接收雷达回波信号，利用时空等效原理来提高方位向信号等效采样率，进而在不降低观测带宽度的前提下， 提高方位分辨率。另有文献针对多通道回波信号存在方位向非均匀采样的特点，提出方位频谱重构的方法，消除方位向非均匀采样，将多通道信号等效为传统条带信号，然后用常规的成像处理算法进行处理。
目前关于完全互补序列在合成孔径雷达中的应用，特别是将完全互补序列和多通道雷达结合的应用还鲜有文献介绍。由于完全互补序列由两个互补相位信号序列构成，需要首先对这两个互补相位信号序列的雷达回波信号分别进行距离向匹配滤波，再对它们进行求和以完成距离向脉冲压缩。而两个序列必须在相邻的脉冲重复周期由雷达交替发射， 导致各自的方位向相位不同，破坏了完全互补序列匹配滤波之和无旁瓣的特性。因此，必须先对方位向相位进行补偿。然而，由于采用多通道体制，各通道接收的信号在方位频域是混叠的，无法直接补偿方位向相位，进而无法完成成像过程中的距离压缩。这些缺点都限制了完全互补序列在多通道合成孔径雷达中的应用。

发明内容
本发明的目的是为了解决完全互补序列在多通道合成孔径雷达成像系统应用中的瓶颈技术问题，提出一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，利用方位频谱重构技术，结合完全互补序列的发射规律，解决了基于完全互补序列的合成孔径雷达回波信号的距离压缩难题；再结合多通道技术可以实现宽观测带的优点，进一步实现合成孔径雷达高分辨率宽观测带、距离向超低旁瓣成像新体制。该方法能够提高合成孔径雷达的图像质量，并能同时提高图像分辨率和观测带宽度，获得高分辨率、宽观测带、超低距离旁瓣干扰图像。一种基于完全互补序列的合成孔径雷达高分辨率、超低距离向旁瓣成像方法，包括以下几个步骤步骤一将基于完全互补序列的各通道回波数据分成单独以两个互补序列作为雷达发射信号得到的回波数据；第i个通道的回波数据C(i)经分离后分别为二维复数组Cf)和C )，大小为 (X/2)XY；步骤二 对分离后的回波数据进行距离向傅里叶变换；得到距离向频域数据分别为和if ；步骤三方位向频谱重构；方位向频谱重构指对各接收通道回波数据的方位频谱进行延时、补偿、叠加，得到等效的单接收通道回波数据；方位向频谱重构的对象为各接收通道回波数据Aw、其中，i = 1,2,…，Na，方位向频谱重构后的数据分别为EJP E2，即以进行重构得到E1，以 #)进行重构得到E2 和E2的维数为(Na · X/2) XY ；步骤四距离压缩；对步骤四得到的方位向频谱重构后的数据EJPE2进行距离向匹配滤波，即用参考信号对E1和E2的每一行进行匹配滤波，得到距离向匹配滤波后的数据F1和F2,并对F1和F2 进行叠加，得到距离压缩后的数据F ；步骤五距离徙动校正；对于步骤四得到的距离压缩后的数据F，利用sine插值法精确校正距离徙动，得到进行距离徙动校正后的数据G ；步骤六方位向压缩，得到最终图像。
对步骤五中得到的距离徙动校正后的数据G进行方位向压缩，得到最终图像H。本发明具有的优点在于(I)本发明提出一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，具有雷达信号波形容易产生的特点。由于采用属于相位编码信号的完全互补序列，相对于传统体制SAR所使用的线性调频信号，更易用数字器件产生。(2)本发明提出一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，具有脉冲压缩处理容易实现的特点。由于采用属于相位编码信号的完全互补序列，相对于传统体制雷达所使用的线性调频信号，更易用数字器件完成脉冲压缩处理。(3)本发明提出一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，具有距离向超低旁瓣的特点。由于采用完全互补序列，通过脉冲压缩处理，无须加权，即可以使最终的雷达图像在距离向实现超低旁瓣。(4)本发明提出一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，具有距离向分辨率高的特点。由于距离向无须进行加权，使得距离向分辨率不会因加权而变差，最终的雷达图像在距离向实现高分辨率。(5)本发明提出一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，具有图像质量高的特点。由于采用完全互补序列后，雷达图像距离向旁瓣很低，旁瓣干扰很小，因此，图像质量较高，更易判读。(6)本发明提出一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，同时具有方位分辨率高、观测带宽的特点。由于采用多通道体制，在脉冲重复频率较低的前提下， 利用空时等效特性提高了方位向信号的采样率，既保证了观测带宽度，又在一定程度上提高了方位向分辨率。


图I是本发明提出的一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法的方法流程图2是本发明涉及的多接收通道SAR的空间几何模型示意图。
图3是本发明实施例中的单点目标成像结果；
图4是基于线性调频信号的传统体制SAR单点目标成像结果；
图5是本发明实施例中的单点目标成像距离向剖面图6是基于线性调频信号的传统体制SAR单点目标成像距离向剖面图7是本发明实施例中的单点目标成像方位向剖面图8是基于线性调频信号的传统体制SAR单点目标成像方位向剖面图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，处理的对象
是以完全互补序列信号波形作为雷达发射信号的多通道合成孔径雷达回波数据，得到的结果是一幅高分辨率、超低距离向旁瓣图像，并可以有效降低雷达脉冲重复频率。 完全互补序列由一对互补序列构成。定义长度为L的完全互补序列对{A，B}为
权利要求
1.一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，其特征在于，包括以下几个步骤步骤一将基于完全互补序列的第i个通道的回波数据c(i)分成单独以序列A和序列 B作为雷达发射信号得到的回波数据Cf)和Ci)，i = 1，2，-,Na；Cf)和C )为二维复数组，大小为(X/2) XY ；步骤二 对回波数据Cf和C )进行距离向傅里叶变换；得到距离向频域数据分别为!^和政0 ；步骤三方位向频谱重构；方位向频谱重构指对各接收通道回波数据的方位频谱进行延时、补偿、叠加，得到等效的单接收通道回波数据；方位向频谱重构的对象为各接收通道回波数据其中，i =1,2,…成，方位向频谱重构后的数据分别为E1和E2,即以A(0进行重构得到E1,以if进行重构得到E2 和E2的维数为(Na · X/2) XY ；步骤四距离压缩；对步骤四得到的方位向频谱重构后的数据EJP E2进行距离向匹配滤波，即用参考信号对E1和E2的每一行进行匹配滤波，得到距离向匹配滤波后的数据F1和F2,并对F1和F2进行叠加，得到距离压缩后的数据F ；步骤五距离徙动校正；对于步骤四得到的距离压缩后的数据F，利用sine插值法精确校正距离徙动，得到进行距离徙动校正后的数据G ;步骤六方位向压缩，得到最终图像；对步骤五中得到的距离徙动校正后的数据G进行方位向压缩，得到最终图像H。
2.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤一中回波数据Cf)和Cf为C1^ [m,n) = C^w = 1，2，.··,X/2; μ = 1,2,...,7(4){πι,η) = {2m,η), m = 1,2,···,X/2; = 1,2,···,7(5)其中，i表示接收天线的序号，i = 1，2，…，Na表示二维数组Cf)的第m行的第η个元素，Cf 表示二维数组Cf )的第m行的第η个元素，C(i) (2m_l，η)表示二维数组 C(i)的第2m-l行的第η个元素，C(i) (2m, η)表示二维数组C(i)的第2m行的第η个元素；根据式⑷和(5)，得到回波数据Cf)和。
3.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤二具体为对步骤一分离出的回波数据Cf)和Cf沿距离向做快速傅里叶变换，即对Cf)和C )的每行分别做一维傅里叶变换，傅里叶变换点数为Y ;根据式(6)和(7)，得到距离向频域数据分别为踔)和；
4.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤三具体包括(I)获取各接收天线等效延迟；设平台飞行速度为V，各接收天线等效延迟为
5.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤四具体包括(1)分别以完全互补序列的两个互补码序列的基带信号Sa⑴和SB(t)作为参考信号； 对参考信号Sa⑴和sB(t)进行采样，采样点数均为IV n0 = tp . fs，n0小于回波距离向采样点数Y ;采样后的离散时间信号分别为Sa (Tl)和Sb (η), η = 1,2, *··,η0 ;在离散的参考信号8>)和8>)后面补零，补零数目为Y-rv使得参考信号sA (n) sB (η)的采样点数也均为Y ;将补零后的参考信号做快速傅里叶变换，傅里叶变换点数为Y，将其变换到频域，得到参考信号频谱sA_FFT和sB_FFT ;sA_FFT和sB_FFT长度均为Y ；(2)将E1的每一行与sA_FFT的共轭进行矢量点乘，将E2的每一行与sB_FFT的共轭进行矢量点乘，并将得到的结果按行进行快速傅里叶逆变换，分别得到距离向匹配滤波后的数据 F1和F2 ;获取过程如下
6.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤五具体为(1)获取距离压缩后的数据F的每行对应的方位频率；设雷达的脉冲重复频率为fp，距离压缩后的数据F的第m行对应的方位频率为
7.根据权利要求I所述的一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的步骤六具体为(1)获取距离徙动校正后的数据G的每行对应的方位频率；设雷达的脉冲重复频率为fp，数据G的第m行对应的方位频率为/Jm)，则
8.根据权利要求1-7任意一个权利要求所述的一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述的成像方法中完全互补序列由一对互补序列构成，长度为L的完全互补序列对{Α，B}为
全文摘要
本发明公开了一种基于完全互补序列的多通道合成孔径雷达成像方法，包括以下几个步骤步骤一将基于完全互补序列的各通道回波数据分成单独以两个互补序列作为雷达发射信号得到的回波数据；步骤二对分离后的回波数据进行距离向傅里叶变换；步骤三方位向频谱重构；步骤四距离压缩；步骤五距离徙动校正；步骤六方位向压缩，得到最终图像。本发明具有雷达信号波形容易产生、脉冲压缩处理容易实现、距离向超低旁瓣、距离向分辨率高、图像质量高、方位分辨率高、观测带宽的特点。
文档编号G01S13/90GK102608603SQ20121006587
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者朱燕青, 李卓, 李春升, 杨威, 王鹏波, 陈杰 申请人:北京航空航天大学