忽略调频连续波圆周SAR脉内平台运动的判决方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910523301.5 (22)申请日 2019.06.17 (71)申请人 中国人民解放军国防科技大学 地址 410073 湖南省长沙市开福区德雅路 109号 (72)发明人 付耀文张健丰张文鹏杨威 (74)专利代理机构 国防科技大学专利服务中心 43202 代理人 王文惠 (51)Int.Cl. G01S 13/90(2006.01) (54)发明名称 一种忽略调频连续波圆周SAR脉内平台运动 的判决方法 (57)摘要 本发明属于雷达技术领域， 公开了一种忽略 调频连续。

2、波圆周SAR脉内平台运动的判决方法， 本发明通过： (1)调频连续波圆周SAR回波建模； (2)获取调频连续波圆周SAR剩余视频相位去除 后的时域回波信号； (3)获取调频连续波圆周SAR 波数域回波信号； (4)获取调频连续波圆周SAR的 二维波数谱； (5)分析脉内平台运动在二维波数 域引入的相位误差； (6)得到调频连续波圆周SAR 频域方法成像过程中忽略脉内平台运动的判决 方法。 该判决方法仅利用调频连续波圆周SAR成 像系统参数即可快速高效的判断该系统在采用 频域方法成像过程中是否可以忽略脉内平台， 并 指导技术人员选取合适的成像方法， 能为简化调 频连续波圆周SAR频域方法成像过程。

3、提供理论支 撑。 权利要求书4页 说明书9页 附图1页 CN 110221294 A 2019.09.10 CN 110221294 A 1.一种忽略调频连续波圆周SAR脉内平台运动的判决方法， 其特征在于， 该方法包括下 列步骤： 步骤1调频连续波圆周SAR回波建模， 包括计算调频连续波圆周SAR的瞬时斜距以及确 定调频连续波圆周SAR的回波信号， 基于以下步骤： (1.1)计算调频连续波圆周SAR的瞬时斜距： 雷达平台在高度为H的平面内以角速度 做圆周运动， 其圆形运动轨迹半径为R， 雷达位置为(Rcos ,Rsin ,H)， 其中 为全时间t时刻 的方位观测角， 且 t，其中tm和 分别。

4、表示慢时间和快时间； 地平面场景中的 目标位置为其中r为目标的径向半径， 为目标的方位角； 雷达与目标之 间的瞬时斜距Rr为： 进一步， 将Rr进行一阶泰勒近似为： 其中， Rcen是脉冲体制圆周SAR停-走-停近似下的瞬时斜距，是调频连续波圆周SAR脉内平 台运动引入的额外的距离徙动误差； (1.2)确定调频连续波圆周SAR的回波信号： 雷达发射的线性调频信号表示为： 其中，Tp为脉冲宽度， fc为中心频率， Kr为调频率； 雷达接收到的场景中目标的回波信号为发射信号的时延信号， 即为： 其中， c为光速； 步骤2获取调频连续波圆周SAR剩余视频相位去除后的时域回波信号， 包括去调频处理 以。

5、及剩余视频相位去除后时域回波信号的获取， 基于以下步骤： (2.1)去调频处理： 将场景中心与雷达之间的距离Rref作为参考距离， 参考信号 表示为： 权利要求书 1/4 页 2 CN 110221294 A 2 其中， Tref为参考信号的脉冲持续宽度， 略大于Tp； 与相乘即可实现去调频处理， 其中，表示参考信号 的共轭， 得到中频信号为： 其中， RRr-Rref，为剩余视频相位项； (2.2)剩余视频相位去除后时域回波信号的获取： 剩余视频相位消除并获取所需的时 域回波信号的过程表示为： 其中，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换， fi-2KrR/c为中频频率， fc/c为载波波长， 。

6、RmRcen-Rref； 步 骤 3 获 取 调 频 连 续 波 圆 周 S A R 波 数 域 回 波 信 号 ， 定 义 距 离 向 波 数 将其带入时域回波信号中， 得到调频连续波圆周SAR波数域 回波信号为： 其中， B为雷达发射信号带宽， 快时间 可以用KR表示， 即Sr(KR,tm)仅是距离向波数KR和 慢时间tm的函数； 步骤4获取调频连续波圆周SAR的二维波数谱， 包括确定二维波数的谱理论表达式， 计 算驻定相位点以及确定二维波数谱的近似表达式， 基于以下步骤： (4.1)确定二维波数谱的理论表达式： 将波数域回波信号Sr(KR,tm)沿方位观测角 m做傅 里叶变换， 其中 m。

7、tm为tm时刻对应的方位观测角， 并忽略矩形窗函数和常数相位项exp (jKRRref)， 得到调频连续波圆周SAR二维波数谱的理论表达式为： 其中， 为方位角度维波数； 权利要求书 2/4 页 3 CN 110221294 A 3 (4.2)计算驻定相位点： 对上式采用驻定相位原理计算出二维波数谱的近似表达式， 在 驻定相位点的计算过程中， 由于忽略指数项对驻定相位点的影响， 因此， 求解驻定相位点的方程变为： 其中， a2R2+r2+H2， bRr； 求解上式得到两个驻定相位点和且具有如下关系： (4.3)确定二维波数谱的近似表达式： 将和分别带入二维波数 谱的理论表达式得到两个子频谱SI。

8、(KR, )和SII(KR, )， 则调频连续波圆周SAR的二维波数谱 由这两个子频谱叠加组成， 其近似表达式为： S(KR, )SI(KR, )+SII(KR, ) 其中， 其中， VR为雷达运动速度， |表示取绝对值； 步骤5分析脉内平台运动在二维波数域引入的相位误差， 调频连续波圆周SAR两个子频 谱中的最后一个指数项即是脉内平台运动引入的， 在脉冲圆周SAR中， 由于采 用了停-走-停近似， 该指数项被忽略， 而在调频连续波圆周SAR中， 该指数项包含了脉内平 台运动的信息， 将其转换为脉内平台运动在二维波数域引入的相位误差为： 计算上式的最大值， 得到调频连续波圆周SAR脉内平台运动。

9、对场景中某一目标在二维 波数域引起的最大相位误差为： 权利要求书 3/4 页 4 CN 110221294 A 4 上式中令rRa， 其中Ra为圆形观测场景的半径， 得到调频连续波圆周SAR脉内平台运动 在整个观测场景内引起的最大相位误差为： 步骤6得到调频连续波圆周SAR频域方法成像过程中忽略脉内平台运动的判决方法， 令 PPemax_w/( /4)， 则P表示为： 将调频连续波圆周SAR成像系统参数带入P的表达式中并计算P的值， 当调频连续 波圆周SAR脉内平台运动引起的最大相位误差小于 /4， 即P1时， 采用调频连续波圆周 SAR频域方法成像过程中脉内平台运动引起相位误差可以忽略不计，。

10、 此时可以忽略脉内平 台运动； 反之， 当调频连续波圆周SAR脉内平台运动引起的最大相位误差大于或等于 /4， 即 P1时， 采用调频连续波圆周SAR频域方法成像过程中不能忽略脉内平台运动， 此时需要 对脉内平台运动引入的相位误差进行额外的补偿。 权利要求书 4/4 页 5 CN 110221294 A 5 一种忽略调频连续波圆周SAR脉内平台运动的判决方法 技术领域 0001 本发明属于雷达技术领域， 涉及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR) 成像技术中频域成像方法中的一种忽略调频连续波圆周SAR脉内平台运动的判决方法。 背景技术 0002 红外、 光电侦。

11、察设备不能在恶劣气候条件下工作， 应用受到天气和环境条件的限 制。 SAR是一种高分辨率成像雷达， 可在能见度极低和环境极其恶劣复杂的条件下对感兴趣 的目标区域实行全天候、 全天时的侦察监视， 并得到类似光学照相的高分辨率图像。 但传统 条带SAR由于其成像方位积累角受到限制， 难以获得丰富的目标散射特性， 限制了方位分辨 率的提高， 其在高分辨成像领域面临诸多难题， 而且其系统比较复杂， 成本高， 体积和重量 也较大， 难以满足小型化、 低成本的应用需求。 调频连续波圆周SAR作为一种新的工作模式， 其平台的运动轨迹为圆形， 发射波形为调频连续波， 在运动过程中始终照射同一个圆形场 景， 具。

12、有亚波长分辨率、 体积小、 重量轻、 成本低等优势， 在微小型无人机载对地观测应用领 域具有广阔的应用前景， 能为资源勘探、 地形测绘、 灾情普查、 城市规划以及军事侦察等应 用提供高分辨率图像。 0003 调频连续波圆周SAR由于运动轨迹的特殊性， 传统的条带SAR成像方法已不再适 用， 而且由于雷达平台连续运动会引入额外的相位误差， 脉冲体制的圆周SAR成像方法也不 再有效。 时域后向投影(Back Projection,BP)方法由于适用于任意运动轨迹的SAR成像、 且 精度高、 过程简单， 非常适合圆周SAR成像， 但传统的时域BP方法基于脉冲体制， 即采用了 停-走-停近似， 不适用。

13、于脉冲持续时间更长的连续波体制。 虽然可以通过改进时域BP方法 使其适用于调频连续波圆周SAR成像， 但始终存在时域方法成像效率低的问题。 针对此问 题， 有必要研究成像效率更高的调频连续波圆周SAR频域成像方法， 目前几乎还没有文献报 道实际的调频连续波圆周SAR频域成像方法， 而且对于一个实际的调频连续波圆周SAR成像 系统， 在采用频域方法成像过程中是否可以忽略脉内平台运动对成像结果的影响而采用 停-走-停近似下的圆周SAR频域方法来成像没有快速有效的判决方法， 使得调频连续波圆 周SAR频域方法成像过程较复杂。 发明内容 0004 本发明的目的是， 针对调频连续波圆周SAR频域方法成像。

14、过程中是否可以忽略脉 内平台运动对成像结果的影响而采用停-走-停近似下的脉冲体制圆周SAR频域方法来成像 的问题， 提供一种仅和调频连续波圆周SAR成像系统参数有关的判决方法， 该判决方法可用 于快速有效的判断调频连续波圆周SAR在频域方法成像过程中是否可以忽略脉内平台运动 并指导技术人员选取合适的成像方法， 能为调频连续波圆周SAR频域成像方法的研究提供 理论支撑。 0005 为达到上述目的， 本发明是通过以下技术方案实现的： 0006 一种忽略调频连续波圆周SAR脉内平台运动的判决方法， 具体包括下列步骤： 说明书 1/9 页 6 CN 110221294 A 6 0007 步骤1调频连续。

15、波圆周SAR回波建模， 包括计算调频连续波圆周SAR的瞬时斜距以 及确定调频连续波圆周SAR的回波信号， 基于以下步骤： 0008 (1.1)计算调频连续波圆周SAR的瞬时斜距： 雷达平台在高度为H的平面内以角速 度做圆周运动， 其圆形运动轨迹半径为R， 雷达位置为(Rcos ,Rsin ,H)， 其中 为全时间t 时刻的方位观测角， 且 t，其中tm和 分别表示慢时间和快时间； 地平面场景 中的目标位置为其中r为目标的径向半径， 为目标的方位角； 雷达与目 标之间的瞬时斜距Rr为： 0009 0010 进一步， 将Rr进行一阶泰勒近似为： 0011 0012 其中， 0013 0014 00。

16、15Rcen是脉冲体制圆周SAR停-走-停近似下的瞬时斜距，是调频连续波圆周SAR脉 内平台运动引入的额外的距离徙动误差； 0016 (1.2)确定调频连续波圆周SAR的回波信号： 雷达发射的线性调频信号表示为： 0017 0018其中，Tp为脉冲宽度， fc为中心频率， Kr为调频率； 0019 雷达接收到的场景中目标的回波信号为发射信号的时延信号， 即为： 0020 0021 其中， c为光速； 0022 步骤2获取调频连续波圆周SAR剩余视频相位去除后的时域回波信号， 包括去调频 处理以及剩余视频相位去除后时域回波信号的获取， 基于以下步骤： 0023 (2.1)去调频处理： 将场景中心。

17、与雷达之间的距离Rref作为参考距离， 参考信号 表示为： 0024 0025 其中， Tref为参考信号的脉冲持续宽度， 略大于Tp； 说明书 2/9 页 7 CN 110221294 A 7 0026与相乘即可实现去调频处理， 其中，表示参考信号 的共轭， 得到中频信号为： 0027 0028其中， RRr-Rref，为剩余视频相位项； 0029 (2.2)剩余视频相位去除后时域回波信号的获取： 剩余视频相位消除并获取所需 的时域回波信号的过程表示为： 0030 0031其中，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换， fi-2KrR/c为中频 频率， fc/c为载波波长， RmRcen-Rre。

18、f； 0032 步 骤 3 获 取 调 频 连 续 波 圆 周 S A R 波 数 域 回 波 信 号 ， 定 义 距 离 向 波 数 将其带入时域回波信号中， 得到调频连续波圆周SAR波数域 回波信号为： 0033 0034其中， B为雷达发射信号带宽， 快时间 可以用KR表示， 即Sr(KR,tm)仅是距离向波数 KR和慢时间tm的函数； 0035 步骤4获取调频连续波圆周SAR的二维波数谱， 包括确定二维波数的谱理论表达 式， 计算驻定相位点以及确定二维波数谱的近似表达式， 基于以下步骤： 0036 (4.1)确定二维波数谱的理论表达式： 将波数域回波信号Sr(KR,tm)沿方位观测角 。

19、m做傅里叶变换， 其中 mtm为tm时刻对应的方位观测角， 并忽略矩形窗函数和常数相位 项exp(jKRRref)， 得到调频连续波圆周SAR二维波数谱的理论表达式为： 0037 0038 其中， 为方位角度维波数； 0039 (4.2)计算驻定相位点： 对上式采用驻定相位原理计算出二维波数谱的近似表达 式， 在驻定相位点的计算过程中， 由于忽略指数项对驻定相位点的 影响， 因此， 求解驻定相位点的方程变为： 说明书 3/9 页 8 CN 110221294 A 8 0040 0041 其中， a2R2+r2+H2， bRr； 0042求解上式得到两个驻定相位点和且具有如下关系： 0043 0。

20、044 0045(4.3)确定二维波数谱的近似表达式： 将和分别带入二维 波数谱的理论表达式得到两个子频谱SI(KR, )和SII(KR, )， 则调频连续波圆周SAR的二维波 数谱由这两个子频谱叠加组成， 其近似表达式为： 0046 S(KR, )SI(KR, )+SII(KR, ) 0047 其中， 0048 0049 0050 其中， VR为雷达运动速度， |表示取绝对值； 0051 步骤5分析脉内平台运动在二维波数域引入的相位误差， 调频连续波圆周SAR两个 子频谱中的最后一个指数项即是脉内平台运动引入的， 在脉冲圆周SAR中， 由 于采用了停-走-停近似， 该指数项被忽略， 而在调频。

21、连续波圆周SAR中， 该指数项包含了脉 内平台运动的信息， 将其转换为脉内平台运动在二维波数域引入的相位误差为： 0052 0053 计算上式的最大值， 得到调频连续波圆周SAR脉内平台运动对场景中某一目标在 二维波数域引起的最大相位误差为： 0054 0055 上式中令rRa， 其中Ra为圆形观测场景的半径， 得到调频连续波圆周SAR脉内平台 说明书 4/9 页 9 CN 110221294 A 9 运动在整个观测场景内引起的最大相位误差为： 0056 0057 步骤6得到调频连续波圆周SAR频域方法成像过程中忽略脉内平台运动的判决方 法， 令PPemax_w/( /4)， 则P表示为： 0。

22、058 0059 将调频连续波圆周SAR成像系统参数带入P的表达式中并计算P的值， 当调频 连续波圆周SAR脉内平台运动引起的最大相位误差小于 /4， 即P1时， 采用调频连续波 圆周SAR频域方法成像过程中脉内平台运动引起相位误差可以忽略不计， 此时可以忽略脉 内平台运动； 反之， 当调频连续波圆周SAR脉内平台运动引起的最大相位误差大于或等于 / 4， 即P1时， 采用调频连续波圆周SAR频域方法成像过程中不能忽略脉内平台运动， 此时 需要对脉内平台运动引入的相位误差进行额外的补偿。 0060 本发明一种忽略调频连续波圆周SAR脉内平台运动的判决方法， 其有益效果是： 0061 通过建立调。

23、频连续波圆周SAR波数域信号模型及二维频谱， 得出了调频连续波圆 周SAR脉内平台运动在二维波数域会引入额外的相位误差， 分析该相位误差得到了调频连 续波圆周SAR频域方法成像过程中忽略脉内平台运动的判决方法， 该判决方法仅利用调频 连续波圆周SAR成像系统参数即可快速高效的判断一个实际的调频连续波圆周SAR成像系 统在采用调频连续波圆周SAR频域方法成像过程中是否可以忽略脉内平台运动， 进而指导 选取合适的频域成像方法， 能为调频连续波圆周SAR频域成像方法的研究提供理论支撑。 附图说明 0062 图1为本发明忽略调频连续波圆周SAR脉内平台运动判决方法的总体框图。 具体实施方式 0063 。

24、为了更好地说明本发明的技术方案， 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步 地描述。 0064 图1为本发明的忽略调频连续波圆周SAR脉内平台运动判决方法的总体框图， 具体 包括下列步骤： 0065 步骤1调频连续波圆周SAR回波建模， 包括计算调频连续波圆周SAR的瞬时斜距以 及确定调频连续波圆周SAR的回波信号， 基于以下步骤： 0066 (1.1)计算调频连续波圆周SAR的瞬时斜距： 雷达平台在高度为H的平面内以角速 度做圆周运动， 其圆形运动轨迹半径为R， 雷达位置为(Rcos ,Rsin ,H)， 其中 为全时间t 时刻的方位观测角， 且 t，其中tm和 分别表示慢时间和快时间； 地平。

25、面场景 中的目标位置为其中r为目标的径向半径， 为目标的方位角； 雷达与目 说明书 5/9 页 10 CN 110221294 A 10 标之间的瞬时斜距Rr为： 0067 0068 进一步， 将Rr进行一阶泰勒近似为： 0069 0070 其中， 0071 0072 0073Rcen是脉冲体制圆周SAR停-走-停近似下的瞬时斜距，是调频连续波圆周SAR脉 内平台运动引入的额外的距离徙动误差； 0074 (1.2)确定调频连续波圆周SAR的回波信号： 雷达发射的线性调频信号表示为： 0075 0076其中，Tp为脉冲宽度， fc为中心频率， Kr为调频率； 0077 雷达接收到的场景中目标的回。

26、波信号为发射信号的时延信号， 即为： 0078 0079 其中， c为光速； 0080 步骤2获取调频连续波圆周SAR剩余视频相位去除后的时域回波信号， 包括去调频 处理以及剩余视频相位去除后时域回波信号的获取， 基于以下步骤： 0081 (2.1)去调频处理： 将场景中心与雷达之间的距离Rref作为参考距离， 参考信号 表示为： 0082 0083 其中， Tref为参考信号的脉冲持续宽度， 略大于Tp； 0084与相乘即可实现去调频处理， 其中，表示参考信号 的共轭， 得到中频信号为： 0085 0086其中， RRr-Rref，为剩余视频相位项； 说明书 6/9 页 11 CN 1102。

27、21294 A 11 0087 (2.2)剩余视频相位去除后时域回波信号的获取： 剩余视频相位消除并获取所需 的时域回波信号的过程表示为： 0088 0089其中，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换， fi-2KrR/c为中频 频率， fc/c为载波波长， RmRcen-Rref； 0090 步 骤 3 获 取 调 频 连 续 波 圆 周 S A R 波 数 域 回 波 信 号 ， 定 义 距 离 向 波 数 将其带入时域回波信号中， 得到调频连续波圆周SAR波数域 回波信号为： 0091 0092 其中， B为雷达发射信号带宽； 0093 步骤4获取调频连续波圆周SAR的二维波数谱， 包括确。

28、定二维波数谱的理论表达 式， 计算驻定相位点以及确定二维波数谱的近似表达式， 基于以下步骤： 0094 (4.1)确定二维波数谱的理论表达式： 将波数域回波信号Sr(KR,tm)沿方位观测角 m做傅里叶变换， 其中 mtm为tm时刻对应的方位观测角， 并忽略矩形窗函数和常数相位 项exp(jKRRref)， 得到调频连续波圆周SAR二维波数谱的理论表达式为： 0095 0096 其中， 为方位角度维波数； 0097 (4.2)计算驻定相位点： 对上式采用驻定相位原理计算出二维波数谱的近似表达 式， 在驻定相位点的计算过程中， 由于忽略指数项对驻定相位点的 影响， 因此， 求解驻定相位点的方程变。

29、为： 0098 0099 其中， a2R2+r2+H2， bRr； 0100求解上式得到两个驻定相位点和且具有如下关系： 0101 说明书 7/9 页 12 CN 110221294 A 12 0102 0103(4.3)确定二维波数谱的近似表达式： 将和分别带入二维 波数谱的理论表达式得到两个子频谱SI(KR, )和SII(KR, )， 则调频连续波圆周SAR的二维波 数谱由这两个子频谱叠加组成， 其近似表达式为： 0104 S(KR, )SI(KR, )+SII(KR, ) 0105 其中， 0106 0107 0108 其中， VR为雷达运动速度， |表示取绝对值； 0109 步骤5分析。

30、脉内平台运动在二维波数域引入的相位误差， 调频连续波圆周SAR两个 子频谱中的最后一个指数项即是脉内平台运动引入的， 在脉冲圆周SAR中， 由 于采用了停-走-停近似， 该指数项被忽略， 而在调频连续波圆周SAR中， 该指数项包含了脉 内平台运动的信息， 将其转换为脉内平台运动在二维波数域引入的相位误差为： 0110 0111 计算上式的最大值， 得到调频连续波圆周SAR脉内平台运动对场景中某一目标在 二维波数域引起的最大相位误差为： 0112 0113 上式中令rRa， 其中Ra为圆形观测场景的半径， 得到调频连续波圆周SAR脉内平台 运动在整个观测场景内引起的最大相位误差为： 0114 0。

31、115 步骤6得到调频连续波圆周SAR频域方法成像过程中忽略脉内平台运动的判决方 法， 令PPemax_w/( /4)， 则P表示为： 说明书 8/9 页 13 CN 110221294 A 13 0116 0117 将调频连续波圆周SAR成像系统参数带入P的表达式中并计算P的值， 当调频 连续波圆周SAR脉内平台运动引起的最大相位误差小于 /4， 即P1时， 采用调频连续波 圆周SAR频域方法成像过程中脉内平台运动引起相位误差可以忽略不计， 此时可以忽略脉 内平台运动； 反之， 当调频连续波圆周SAR脉内平台运动引起的最大相位误差大于或等于 / 4， 即P1时， 采用调频连续波圆周SAR频域方法成像过程中不能忽略脉内平台运动， 此时 需要对脉内平台运动引入的相位误差进行额外的补偿。 0118 以上所述仅是本发明的较佳实施例而已， 并非用于限定本发明的保护范围， 凡属 于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。 应当指出， 对于本技术领域的普通 技术人员来说， 在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰， 应当视为落入本发明的保 护范围。 说明书 9/9 页 14 CN 110221294 A 14 图1 说明书附图 1/1 页 15 CN 110221294 A 15 。