专利名称：多模式合成孔径雷达仿真成像评估方法
技术领域：
本发明属于雷达技术领域，涉及成像仿真，具体地说是一种基于VC6.0平台的雷 达数据仿真与成像处理方法。
背景技术：
合成孔径雷达SAR是一种利用雷达回波信号对目标进行成像的技术。在距离向， 利用大的信号带宽得到高的分辨率，在方位向，利用虚拟的合成孔径得到高的分辨率。经过 几十年的发展，SAR成像技术逐步得到完善，并已经广泛地应用到实际的系统之中。SAR的载体通常有卫星、飞机和导弹等形式。对于SAR系统的开发而言，针对任何 一种载体的实验都是一项耗资高昂，操作复杂的大型工程，尤其对于某些载体如导弹和卫 星来说，其使用是一次性的，费用非常昂贵，难以进行反复多次的实物实验，因此必须在系 统设计阶段进行大量严格的地面仿真实验以保证系统功能的有效性。SAR地面仿真实验包括计算机仿真实验和半实物仿真实验两种形式。计算机仿真 实验利用计算机软件对SAR系统进行仿真，主要完成对系统参数、工作模式以及成像算法 的有效性验证。半实物仿真实验利用计算机和部分真实雷达进行混合实验，使用计算机软 件仿真雷达回波信号，再通过电缆或在微波暗室中采用真实发射机将该回波信号回放给雷 达接收端，接收端将信号采样后传递给信号处理机，对数据进行成像处理。在两种地面仿真实验中，半实物仿真实验比较接近真实雷达工作方式，是实物实 验前的必要步骤，而计算机仿真实验是半实物仿真实验的基础，是验证系统设计的重要一步ο在传统的计算机仿真实验中，首先由操作人员在编程过程中根据SAR工作模式进 行系统参数、载体运动轨迹和仿真场景的设置以及雷达与目标空间几何关系的建模，然后 根据以上设置对雷达回波信号进行仿真，接着根据SAR工作模式制定相适应的成像算法对 雷达回波信号进行成像处理，并对成像结果进行质量评价，达到验证系统参数的目的。传统 计算机仿真实验的优点是仿真方式较为灵活，可以由操作人员根据需要随时对程序进行 修改；缺点是程序针对性较强，不具有对不同SAR工作模式的普遍适用性，程序修改后的 调试过程较为繁琐，需要投入大量时间和人力，而且对操作人员的专业性要求较高，需要操 作人员对SAR系统及所用仿真程序十分熟悉。
发明内容
本发明的目的在于克服上述计算机仿真实验的不足，提出了一种多模式合成孔径 雷达仿真成像评估方法，以提高计算机仿真实验对不同SAR工作模式的适用性，简化实验 过程，节省实验时间，降低操作难度。为实现以上目的，本发明包括以下步骤(1)选择工作模式，输入雷达参数与载体运动参数，加载仿真场景、设置仿真场景 坐标；
(2)根据雷达工作模式确定每个周期雷达波束照射到的仿真场景范围，将该范围 内的点目标按其与雷达的斜距划分为同心圆，将各个同心圆内的点目标的后向反射系数相 加，构造出所有距离单元的信号 其中η为距离单元序号，N为距离单元个数，i为点目标序号，P为点目标个数，ο 为点目标的后向反射系数，λ为发射信号波长，R表示点目标的斜距，tm为慢时间，将该信 号与发射信号卷积，就可得到雷达回波信号 其中f表示快时间，c表示光速，ar是距离窗函数，aa是方位窗函数，Y是发射信号 的调频率；(3)将雷达回波信号^,U先变换到距离频域补偿线性距离走动，再变回到二 维时域补偿空变的多普勒中心，接着变换到二维频域，补偿三次相位因子、二次距离脉压 因子和距离弯曲因子，最后变回到二维时域，在方位向进行Dechirp处理，得到斜距图像
其中氏为发射信号带宽，fa为信号多普勒频率，R。为点目标 与雷达孔径中心的斜距，sine为最终的信号包络；(4)通过Λ = ^进行坐标变换，将斜距图像％，Λ;)表示为S(R，fa)的形式，并对S(R，
fa)使用三维几何校正方法进行几何校正，得到地距图像G(x，y)，其中χ为图像在X轴的坐 标，y为图像在Y轴的坐标；(5)将地距图像坐标与仿真场景坐标进行比较，作出对地距图像G(x，y)的质量评 价，如果地距图像坐标与仿真场景坐标的误差的绝对值超过一个分辨单元，则质量评价不 合格，需要对系统参数进行反馈修正，并再次进行仿真实验，直至误差小于一个分辨单元为 止；反之执行步骤(6)；(6)将质量评价合格的系统参数应用到下一阶段的半实物仿真实验中。本发明与现有技术相比具有以下优点本发明由于具有对三种不同工作模式的雷达回波信号进行仿真、成像和三维几何 校正的功能，避免了计算机仿真实验中针对不同工作模式的修改和调试，达到了简化实验 过程、降低操作难度、节省实验时间的目的，同时由于可以对地距图像进行质量评价，根据 质量评价结果对系统参数进行反馈修正，为下一步半实物仿真实验提供了可行性依据。
图1是本发明的总流程图；图2是本发明系统环境设置时的子流程图；图3是本发明仿真雷达回波信号时的子流程图；图4是本发明在仿真雷达回波信号时的点目标划分同心圆示意图；图5是本发明对雷达回波信号成像处理的子流程图；图6是本发明对斜距图像S (R，fa)进行三维几何校正时的几何关系示意图； 图7是本发明对斜距图像S (R，fa)进行三维几何校正时的坐标旋转示意图；图8是仿真1中正侧视模式下仿真场景示意图；图9是仿真1中正侧视模式下仿真产生的地距图像；图10是仿真2中斜视模式下仿真场景示意图；图11是仿真2中斜视模式下仿真产生的地距图像；图12是仿真3中扫描模式下仿真场景示意图；图13是仿真3中扫描模式下仿真产生的地距图像。
具体实施例方式参照图1，本发明的实现步骤如下步骤1 系统环境设置。参照图2，本步骤的具体实现如下(Ia)在正侧视模式、斜视模式和扫描模式三种作模式中，根据系统设计需求任选 其一作为工作模式；(Ib)输入雷达参数，该参数包括脉冲宽度Tp、波长λ、发射信号带宽B、采样频率 Fs、脉冲重复周期PRF、斜视角θ、波束方位角θ a、波束俯仰角θ ρ扫描起始角^和扫描结 束角β2、成像时间t ；(Ic)输入载体运动参数，它包括载体起始位置坐标和沿X、Y、Z三轴的速度、加速 度；(Id)加载仿真场景；(Ie)设置仿真场景坐标；步骤2 仿真雷达回波信号。参照图3，本步骤的具体实现如下(2a)从第一个脉冲周期开始，首先确定该周期雷达波束在仿真场景中的照射范 围；(2b)计算照射范围内所有点目标与雷达的斜距R(tm)，如下式所示 其中，tm为慢时间，vx0、vy0> Vztl分别为载体位于成像时间中点时沿X、Y、Z三轴 的速度，αχ、ay、α z分别为载体沿X、Y、Z三轴的加速度，H为载体位于成像时间中点时的 高度，Xp与yp为点目标对应的X轴坐标与Y轴坐标；(2c)计算斜距R(tm)对应的距离采样单元序号《=，，其中，…为距离采样
单元长度，c为光速；(2d)把点目标根据其斜距对应的距离采样单元序号η按同心圆进行划分，如图4 所示；(2e)将各个同心圆内的点目标的后向反射系数相加，构造出所有距离单元的信 号 其中，N为距离单元个数，i为点目标序号，P为点目标个数，σ为点目标的后向反 射系数，λ为发射信号波长；(2f)将该信号与发射信号卷积，得到雷达回波信号 其中f表示快时间，c表示光速，ar是距离窗函数，aa是方位窗函数，Y是发射信号 的调频率；(2g)将式3)所述的雷达回波信号保存，并重复步骤(2a) (2f)，直到所有脉冲 周期的信号都仿真完毕。步骤3 读取雷达回波信号，^，对其进行成像处理。参照图5，本步骤的具体实现如下(3a)对冲)J做距离向傅里叶变换，得到傅里叶变换后的信号 其中fr为距离频率；(3b)用以下相位因子与式4)所示信号相乘，完成线性走动校正和距离向脉压， 其中As为场景中心的线性走动率，
Rs为载体位于成像时间中点时与场景中心的斜距，
为载体平均速度V在γ
轴方向的分量，VxS载体平均速度ν在X轴方向的分量；得到相乘后的信号 (3c)对式6)所示信号做距离向傅里叶逆变换，得到傅里叶逆变换后的信号 将上式中的斜距R (tm)改写为精度相同的表达式及
，其中 于是，式7)中的
，其中(A_AS) tm 远小于距离采样单元长度δ r,，可以认为其对信号包络没有影响，于是，则式7)可以 写为 (3d)将式10)所示信号乘以以下函数 以补偿空变的多普勒中心，得到补偿后的信号表达式如下 (3e)对式12)所示的信号做二维傅里叶变换，得到变换后的信号 其中fa为方位频率，将式13)中的相位项展开，得到展开后的信号 其中 (3f)对式14)依次乘以式16)所示的三次相位因子、式17)所示的二次距离脉压 因子和式18)所示的距离弯曲因子 H5(ImIR0) = Cxp得到相乘后的信号
S2 (fr, fa) =ar (fr) aa (fa) exp [ j Φ 0 (fa ；R0) ] ； 19)
(3g)对式19)的信号做二维傅里叶逆变换，得到二维傅里叶逆变换后的信号
(3h)对式20)的信号乘以下式所示的方位Dechirp因子
得到Dechirp处理后的信号 (3i)对幼Vj做方位向傅里叶变换，得到斜距图像
步骤4 将斜距图像/J中的每一点校正到正确的坐标。
由于斜距图像对，/J与仿真场景相比具有几何形变，因此需要通过三维几何校正
将斜距图像风中的每一点校正到正确的坐标，本步骤的具体实现如下 (4a)通过及=P进行坐标变换，将斜距图像⑽“)表示为S(R，fa)的形式；(4b)参照图6，对斜距图像S(R，fa)，将其坐标(R，fa)通过以下公式得到相应的地 距旋转坐标(χ'，y') 其中，ν为成像处理时间内载体运动的平均速度，《=
平面内的分量，〃2为ν在Z轴方向的分量； (4c)参照图7，通过下式将地距旋转坐标(χ'，y')转换为地距坐标(x，y) 其中， (4d)根据系统设计需求的分辨单元建立一个地距坐标平面，将斜距图像S(R，fa) 中的每一点按照其相应的地距坐标(X，y)填入地距坐标平面上的对应位置，就得到到了地 距图像G(x，y)。步骤5 对地距图像G(x，y)的进行质量评价，如果地距图像坐标与仿真场景坐标 误差的绝对值超过一个分辨单元，则质量评价不合格，需要对系统参数进行反馈修正，并再 次进行仿真实验，直至误差小于一个分辨单元为止；反之执行步骤6。步骤6 将质量评价合格的系统参数应用到下一阶段的半实物仿真实验中。
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明仿真1 选择正侧视模式进行仿真。输入雷达参数脉冲宽度Tp = 2μ S、波长λ = 0.0175m、发射信号带宽Bs = 80MHz、采样频率Fs = 100MHz、脉冲重复周期PRF = 1000Hz、斜视角θ = 0、波束方位角0a =3°、波束俯仰角θ r = 3°、扫描起始角β i = 30°和扫描结束角β2 = 30°、成像时间 t = 1. 024s。输入载体运动参数载体起始位置坐标为(0，0，8000)，沿X、Y、Z三轴的速度分别 为 120m/s、5m/s、3m/s，加速度分别为 2m/s2、0. 5n/s2、lm/s2。加载仿真场景。仿真场景为由九个点目标组成的方阵，如图8所示。点目标与点 目标的间距为50m，仿真场景坐标如表一所示。图9为仿真产生的地距图像，其分辨单元大小为5m。计算图9所示的地距图像坐标与图8所示的仿真场景坐标的误差并取绝对值，得 到如表一所示的质量评价结果。从表一中可以看出，所有点目标的误差绝对值均未超过一 个分辨单元，质量评价合格。因此，证明本仿真所用的系统参数具有可行性，可以应用到下 一阶段的半实物仿真实验中。同时，在仿真过程中，由于本发明具有对正侧视模式的适应性，操作人员只需要进 行选择工作模式、输入各项参数和加载仿真场景的操作，不需要对程序进行修改，因此达到 了简化实验过程、降低操作难度、节省实验时间的目的。表一仿真1质量评价结果(单位m) 仿真2 选择斜视模式进行仿真。输入雷达参数脉冲宽度Tp = 5μ S、波长λ = 0.0175m、发射信号带宽Bs = 100MHz、采样频率& = 150MHz、脉冲重复周期PRF = 1000Hz、斜视角θ = 10°、波束方位 角Θ a = 5°、波束俯仰角θ ^ = 5°、扫描起始角β i = 35°和扫描结束角β 2 = 35°、成 像时间t = 1. 024s。输入载体运动参数载体起始位置坐标为(0，0，9000)，沿X、Y、Z三轴的速度分别 为 110m/s、10m/s、lm/s，加速度分别为 0. 5m/s2、lm/s2、0. 5m/s2。加载仿真场景。仿真场景为由九个点目标组成的方阵，如图10所示。点目标与点 目标的间距为50m，仿真场景坐标如表二所示。
图11为仿真产生的地距图像，其分辨单元大小为5m。计算图11所示的地距图像坐标与图10所示的仿真场景坐标的误差并取绝对值， 得到如表一所示的质量评价结果。从表二中可以看出，所有点目标的误差绝对值均未超过 一个分辨单元，质量评价合格。因此，证明本仿真所用的系统参数具有可行性，可以应用到 下一阶段的半实物仿真实验中。同时，在仿真过程中，由于本发明具有对斜视模式的适应性，操作人员只需要进行 选择工作模式、输入各项参数和加载仿真场景的操作，不需要对程序进行修改，因此达到了 简化实验过程、降低操作难度、节省实验时间的目的。表二仿真2质量评价结果(单位m) 仿真3 选择扫描视模式进行仿真。输入雷达参数脉冲宽度Tp = 3 μ s、波长λ = 0. 02m、发射信号带宽Bs = 80MHz、 采样频率Fs= 100MHz、脉冲重复周期PRF= 1000Hz、斜视角θ = 0、波束方位角9a = 3°、 波束俯仰角= 、扫描起始角= 20°和扫描结束角β2 = 40°、成像时间t = 1. 024s。输入载体运动参数载体起始位置坐标为(0，0，8500)，沿X、Y、Z三轴的速度分别 为 120m/s、5m/s、3m/s，加速度分别为 2m/s2、lm/s2、lm/s2。加载仿真场景。仿真场景为由十个点目标组成的矩形阵，如图12所示。点目标与 点目标的间距为100m，仿真场景如表三所示。图13为仿真产生的地距图像，其分辨单元大小为5m。计算图13所示的地距图像坐标与图12所示的仿真场景坐标的误差并取绝对值， 得到如表一所示的质量评价结果。从表三中可以看出，所有点目标的误差绝对值均未超过 一个分辨单元，质量评价合格。因此，证明本仿真所用的系统参数具有可行性，可以应用到 下一阶段的半实物仿真实验中。同时，在仿真过程中，由于本发明具有对扫描模式的适应性，操作人员只需要进行 选择工作模式、输入各项参数和加载仿真场景的操作，不需要对程序进行修改，因此达到了 简化实验过程、降低操作难度、节省实验时间的目的。表三仿真3质量评价结果(单位m)
权利要求
一种合成孔径雷达仿真成像评估方法，包括以下步骤(1)选择工作模式，输入雷达参数与载体运动参数，加载仿真场景、设置仿真场景坐标；(2)根据雷达工作模式确定每个周期雷达波束照射到的仿真场景范围，将该范围内的点目标按其与雷达的斜距划分为同心圆，将各个同心圆内的点目标的后向反射系数相加，构造出所有距离单元的信号 <mrow><msub> <mi>s</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>P</mi></munderover><msub> <mi>σ</mi> <mi>i</mi></msub><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mfrac><mrow> <mn>4</mn> <mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi> </mfrac> <mi>R</mi> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>t</mi> <mi>m</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中n为距离单元序号，N为距离单元个数，i为点目标序号，P为点目标个数，σ为点目标的后向反射系数，λ为发射信号波长，R表示点目标的斜距，tm为慢时间，将该信号与发射信号卷积，就可得到雷达回波信号 <mrow><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>t</mi><mo>^</mo> </mover> <mo>,</mo> <msub><mi>t</mi><mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>a</mi> <mi>r</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>t</mi><mo>^</mo> </mover> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>R</mi> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>t</mi> <mi>m</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow><mi>c</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>a</mi> <mi>a</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mo>[</mo><mi>jπγ</mi><msup> <mrow><mo>(</mo><mover> <mi>t</mi> <mo>^</mo></mover><mo>-</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>c</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>]</mo><mi>exp</mi><mo>[</mo><mo>-</mo><mi>j</mi><mfrac> <mrow><mn>4</mn><mi>π</mi> </mrow> <mi>λ</mi></mfrac><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow>其中表示快时间，c表示光速，ar是距离窗函数，aa是方位窗函数，γ是发射信号的调频率；(3)将雷达回波信号先变换到距离频域补偿线性距离走动，再变回到二维时域补偿空变的多普勒中心，接着变换到二维频域，补偿三次相位因子、二次距离脉压因子和距离弯曲因子，最后变回到二维时域，在方位向进行Dechirp处理，得到斜距图像其中Bs为发射信号带宽，fa为信号多普勒频率，R0为点目标与雷达孔径中心的斜距，sinc为最终的信号包络；(4)通过进行坐标变换，将斜距图像表示为S(R，fa)的形式，并对S(R，fa)使用三维几何校正方法进行几何校正，得到地距图像G(x，y)，其中x为图像在X轴的坐标，y为图像在Y轴的坐标；(5)将地距图像坐标与仿真场景坐标进行比较，作出对地距图像G(x，y)的质量评价，如果地距图像坐标与仿真场景坐标误差的绝对值超过一个分辨单元，则质量评价不合格，需要对系统参数进行反馈修正，并再次进行仿真实验，直至误差小于一个分辨单元为止；反之执行步骤(6)；(6)将质量评价合格的系统参数应用到下一阶段的半实物仿真实验中。FSA00000159042100013.tif,FSA00000159042100014.tif,FSA00000159042100015.tif,FSA00000159042100016.tif,FSA00000159042100017.tif
2.根据权利要求1所述的多模式合成孔径雷达仿真成像评估方法，其中于步骤(1)所 述的选择工作模式，是在正侧视模式、斜视模式和扫描模式三种工作模式中，根据系统设计 需求任选其一。
3.根据权利要求1所述的多模式合成孔径雷达仿真成像评估方法，其中步骤(4)所述 的对斜距图像S(R，fa)使用三维几何校正方法进行几何校正，按如下步骤进行(3a)对斜距图像S(R，fa)，将其坐标(R，fa)通过以下公式得到相应的地距旋转坐标 (x'，1')m\t-~exp -}—R(tJ V c J ^ A _ 其中，V为成像处理时间内载体运动的平均速度，c^fl-，)，Vxy为V在XOY平面内的分量，、为ν在Z轴方向的分量，H为载体在成像时间中点时的高度； (3b)通过下式将地距旋转坐标(χ' ,ι')转换为地距坐标(X，y) χ = pcos(e'为v在Y轴方向的分量，、为ν在X 轴方向的分量；(3c)根据系统设计需求的分辨单元建立一个地距坐标平面，将斜距图像S(R，fa)中的 每一点按照其相应的地距坐标(χ，y)填入地距坐标平面上的对应位置。
全文摘要
本发明公开了一种多模式SAR仿真成像评估方法。主要解决现有技术对不同工作模式适应性不强，实验过程繁琐，实验时间较长的问题。其实现步骤是首先，选择工作模式、输入雷达参数和载体运动参数、加载仿真场景并设置坐标；其次，根据系统环境设置仿真雷达回波信号；然后，对雷达回波信号进行成像处理，得到斜距图像；接着，利用三维几何校正方法对斜距图像进行几何校正，得到地距图像；最后，对地距图像进行质量评价并根据评价结果对系统参数进行反馈修正，为之后的半实物仿真实验提供了可行性依据。本发明适应正侧视、斜视和扫描模式共三种工作模式，操作中只需输入若干参数，能简化实验过程，节省实验时间，可用于SAR系统设计的地面仿真实验中。
文档编号G01S13/90GK101907704SQ20101019981
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者周鹏, 徐艺, 李亚超, 邢孟道 申请人:西安电子科技大学