一种编码阵列同时实现聚束与条带SAR成像的方法及系统

一种编码阵列同时实现聚束与条带sar成像的方法及系统
技术领域
1.本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种编码阵列同时实现聚束与条带sar成像的方法及系统。


背景技术：

2.合成孔径雷达(sar)能够实现对目标的高分辨率成像，合成孔径雷达利用脉冲压缩提高距离分辨率，通过合成孔径提高方位分辨率。
3.合成孔径雷达有不同的成像模式，包括条带成像、聚束成像等，如图1所示。
4.在现有技术中，条带sar成像是最早也是目前应用最为广泛的sra成像模式，条带sar成像的成像区域是与载机(或卫星等运载平台)运动方向平行的长条形区域，通常雷达波束垂直于飞行轨迹，即正侧视，也可工作在斜视模式，单在成像过程中，理想状态下，雷达波束雨飞行航迹之间的夹角不变。条带sar成像模式的方位向分辨率受雷达天线尺寸的限制，即不能优于方位向天线长度的一半，在实际系统设计时，不可能无限制降低方位天线尺寸限制，因此，提高sar的方位分辨率受到了限制。
5.在现有技术中，聚束sar成像模式提供了一种提高方位分辨率的方法，在成像过程中，通过控制雷达波束固定指向同一区域，可以在更大视角范围内对目标进行观测，增加了小区域的合成孔径的积累时间。进而提高了方位向的分辨率，使得提高sar成像的方位分辨率不再受天线方位向尺寸的限制。
6.然而，聚束sar成像只能对小区域进行方位向的高分辨率成像，无法像条带sar成像方式那样对飞行航迹一侧的地面连续条带进行成像，降低了成像效率。
7.因此，本领域存在一种对于能够克服传统条带sar成像提高方位分辨率限制和聚束sar成像不能连续成像高效率观测的不足，能够同时实现两种成像模式的合成孔径雷达工作方法和体制的需要。


技术实现要素：

8.鉴于上述的分析，本发明旨在公开了一种编码阵列实现同时成像与探测的方法和系统，克服传统成像雷达和运动目标检测雷达的不足，满足对提高雷达成像与探测同时实现的系统性能的要求。
9.本发明公开了一种编码阵列实现同时实现聚束与条带sar成像的方法，包括以下步骤：
10.雷达阵列沿sar成像的方位向排列，对雷达阵列每个的辐射阵元赋予单独的编码脉冲信号；所述单独的编码脉冲信号使目标反射所产生的回波信号在时间、空间或频率上可分离；或对所述回波信号通过解码处理后可分离；
11.雷达工作时，雷达阵列的每个辐射阵元发射各自的编码脉冲信号，每个辐射阵元接收自身和其他辐射阵元发射的编码脉冲信号的回波信号；
12.采集每个辐射阵元接收的所述回波信号，进行解码处理；根据解码后的回波信号，
同时进行聚束与条带sar成像处理，同时得到聚束与条带sar成像结果。
13.进一步地，所述聚束sar成像处理，利用每个阵元的不同时编码脉冲信号的目标回波信号形成虚拟聚束成像扫描波束，得到虚拟聚束扫描雷达数据；再用所述数据进行聚束sar成像处理，得到聚束sar图像。
14.进一步地，所述条带sar成像处理，利用每个阵元的不同时编码脉冲信号的目标回波信号形成虚拟条带成像波束，得到虚拟条带成像雷达数据，再用所述数据进行条带sar成像处理，得到条带sar图像。
15.进一步地，单独的编码脉冲信号为分频编码脉冲信号、时间-相位组合编码脉冲信号或时间-相位-频率组合编码脉冲信号；
16.所述单独的编码脉冲信号为分频编码脉冲信号；在发射时，每个阵元采用不同频率发射，通过频率隔离发射通道；在接收时，每个阵元接收回波信号后，通过频域滤波分离出不同阵元的发射信号所对应的回波信号；
17.所述单独的编码脉冲信号为时间-相位组合编码脉冲信号，编码的基本约束是各编码通道彼此正交；在发射时，每个阵元采用不同编码发射；在接收时，每个阵元接收回波信号后，通过解码处理分离出不同阵元的发射信号所对应的回波信号；
18.所述单独的编码脉冲信号为时间-相位-频率组合编码脉冲信号，编码的基本约束是各编码通道彼此正交；在发射时，每个阵元采用不同编码发射；在接收时，每个阵元接收回波信号后，通过解码处理分离出不同阵元的发射信号所对应的回波信号。
19.进一步地，所述采集每个辐射阵元接收的所述回波信号，进行解码处理包括：
20.对于分频编码脉冲信号，采用频域滤波的方式进行解码处理；
21.对于时间-相位组合编码脉冲信号，通过编码矩阵获取解码矩阵，然后利用解码矩阵对回波信号进行解码处理；所述解码矩阵与编码矩阵相对应，包括与所有阵元的脉冲编码方式对应的脉冲解码方式；
22.对于时间-相位-频率组合编码脉冲信号，通过编码矩阵获取解码矩阵，然后利用解码矩阵处理回波信号；再结合频率滤波的方式对回波信号进行解码处理；所述解码矩阵与编码矩阵相对应，包括与所有阵元的脉冲编码方式对应的脉冲解码方式。
23.进一步地，在聚束sar成像处理中，
24.对于解码后的包括n2个独立通道信号的目标回波数据，根据成像分辨率，选择对应的通道数据进行后续处理，n为阵元数；包括：
25.1)频率处理：
26.对于分频编码，在接收数据进行滤波处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
27.对于时间-相位组合编码，在接收数据进行滤波处理和解码处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
28.对于时间-相位-频率组合编码，在接收数据进行滤波处理和解码处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
29.2)波束合成处理：
30.根据成像远距和成像范围，确定合成波束宽度θ；根据所述合成波束宽度θ，确定参与成像处理的阵元数量；根据聚束成像的方位分辨率ρa的要求，确定聚束成像角度θs；
31.根据成像中心位置、雷达与成像中心距离、聚束成像角度计算出聚束起始和聚束结束的位置，从聚束起始位置开始，到聚束结束位置，在雷达飞行过程中的每个采样位置计算出聚束瞬时指向角度；
32.对于每个采样位置，利用该位置的聚束瞬时指向角度确定每个参与波束合成处理阵元的移相相位，对每个阵元在该位置获得的数据进行相位修正，再将不同阵元对应相同时刻的数据进行累加，完成波束合成，通过合成得到雷达在该位置的虚拟聚束扫描雷达数据。
33.进一步地所述合成波束宽度l为雷达波束辐照在成像远距处的地面印记沿垂直于波传播方向的长度；r
max
为成像最远距离；
34.所述波束合成的阵元数量根据由所述阵元数量所确定的天线长度对应的天线波束宽度不低于合成波束宽度θ进行确定；
35.所述聚束成像角度其中λ为发射信号中心频率波长。
36.进一步地，在条带sar成像处理中，
37.对于解码后的包括n2个独立通道信号的目标回波数据，根据成像分辨率，选择对应的通道数据进行后续处理，n为阵元数；包括：
38.1)频率处理：
39.对于分频编码，在接收数据进行滤波处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
40.对于时间-相位组合编码，在接收数据进行滤波处理和解码处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
41.对于时间-相位-频率组合编码，在接收数据进行滤波处理和解码处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
42.2)波束合成处理：
43.根据条带sar成像方位向分辨率ρa的要求，确定参与成像处理的阵元数量；用于波束合成的阵元数量由所述阵元数量确定的天线长度不大于方位分辨率的一半进行确定；
44.对于每个采样位置，利用所述位置的波束瞬时指向角度，确定每个参与波束合成处理阵元的移相相位，对每个阵元在该位置获得的数据进行相位修正，再将不同阵元对应相同时刻的数据进行累加，完成波束合成，通过合成得到雷达在该位置的虚拟条带成像雷达数据；
45.3)成像处理：
46.利用通过合成得到的虚拟条带成像雷达数据进行sar条带成像处理，得到条带sar图像。
47.本发明还公开了一种基于如上所述的编码阵列实现同时实现聚束与条带sar成像方法的系统，包括：
48.阵列编码信号产生单元，用于产生每个辐射阵元发射的单独脉冲编码信号；所述单独的编码脉冲信号使目标反射所产生的回波信号在时间、空间或频率上可分离；或对所述回波信号通过解码处理后可分离；
49.雷达阵列，包括n个阵元，每个阵元发射脉冲编码信号，并接收所有阵元发射脉冲编码信号的目标回波信号；
50.数据采集单元，用于采集每个辐射阵元接收的目标回波信号，形成目标回波数据；
51.阵列信号解码处理单元，用于对采集的目标回波数据进行解码处理，分离出不同辐射阵元形成的收发通道组合所对应的n2个独立通道信号的目标回波数据；
52.虚拟波束形成单元，用于对不同收发通道组合所对应的目标回波数据计算产生虚拟聚束成像扫描波束和虚拟条带成像波束，处理得到虚拟聚束扫描雷达数据和虚拟条带成像雷达数据；
53.聚束sar成像处理机，用于根据虚拟聚束扫描雷达数据进行成像处理，得到聚束sar图像；
54.条带sar图像处理机，用于根据虚拟条带成像雷达数据进行成像处理，得到条带sar图像。
55.进一步地，还包括，综合显示单元，用于对聚束sar图像和条带sar图像进行可视化处理，形成包含聚束sar图像和条带sar图像及其信息的视频流；
56.控制单元，用于控制编码阵列实现同时成像系统的信号产生、收发、采集、处理和显示数据产生。
57.本发明至少可实现以下有益效果之一：
58.(1)本发明可以同时获取可用于条带sar成像和聚束sar成像的雷达数据，提高了成像的效率。
59.(2)本发明可以同时获取连续观测区域的条带sar图像和聚束sar图像。
60.(3)本发明同时获取的聚束sar图像的方位分辨率不受阵列天线整体物理尺寸的限制。
附图说明
61.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
62.图1为是根据现有技术的条带与聚束sar成像的工作方式示意图；
63.图2为本发明实施例中的同时实现聚束与条带sar成像方法的示意图；
64.图3为本发明实施例中的同时实现聚束波束合成的示意图；
65.图4为本发明实施例中的同时实现聚束与条带sar成像雷达系统的示意图。
具体实施方式
66.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
67.本发明的一个实施例公开了一种编码阵列实现同时实现聚束与条带sar成像的方法，图2所示，包括以下步骤：
68.步骤s1、雷达阵列沿sar成像的方位向排列，对雷达阵列每个的辐射阵元赋予单独的编码脉冲信号；
69.所述单独的编码脉冲信号使目标反射所产生的回波信号在时间或空间或频率上
可分离；或对所述回波信号通过解码处理后是可分离的。
70.优选的，所述单独的编码脉冲信号为分频编码脉冲信号。在发射时，每个阵元采用不同频率发射，通过频率隔离发射通道，在接收时，每个阵元接收回波信号后，通过频域滤波分离出不同阵元的发射信号所对应的回波信号；
71.优选的，所述单独的编码脉冲信号为时间-相位组合编码脉冲信号，编码的基本约束是各编码通道彼此正交。在发射时，每个阵元采用不同编码发射，在接收时，每个阵元接收回波信号后，通过解码处理分离出不同阵元的发射信号所对应的回波信号；
72.优选的，所述单独的编码脉冲信号为时间-相位-频率组合编码脉冲信号，编码的基本约束是各编码通道彼此正交，每个阵元采用不同编码发射。在接收时，每个阵元接收回波信号后，通过解码处理分离出不同阵元的发射信号所对应的回波信号；
73.步骤s2、雷达工作时，雷达阵列的每个辐射阵元发射各自的编码脉冲信号；
74.具体的，根据对雷达阵列每个的辐射阵元赋予单独的编码脉冲信号，雷达阵列的每个辐射阵元发射各自的编码脉冲信号。
75.步骤s3、雷达阵列接收编码脉冲的回波信号；
76.每个辐射阵元接收自身发射编码脉冲信号的回波信号和其他辐射阵元发射编码脉冲信号的回波信号；并通过频率隔离或编解码隔离，解决通道之间发射信号干扰的问题。
77.步骤s4、采集每个辐射阵元接收的回波信号，对回波信号进行解码处理；
78.对于分频编码脉冲信号，采用频域滤波的方式进行解码处理；
79.对于时间-相位组合编码脉冲信号，通过编码矩阵获取解码矩阵，然后利用解码矩阵处理回波信号，完成解码处理；
80.对于时间-相位-频率组合编码脉冲信号，通过编码矩阵获取解码矩阵，然后利用解码矩阵处理回波信号，并结合频率滤波的方式，完成解码处理。
81.步骤s5、根据解码后的回波信号，同时进行聚束与条带sar成像处理，同时得到聚束与条带sar成像结果；
82.具体的，聚束sar成像方法包括：
83.可以利用每个阵元的不同时编码脉冲的目标回波信号形成虚拟聚束成像扫描波束，得到虚拟聚束扫描雷达数据，再用该数据进行聚束sar成像处理，得到聚束sar图像。具体处理包括：
84.对于解码后的回波数据，包括n2个独立通道的信号的数据(n为阵元数)，根据成像分辨率，选择确定数量的通道的数据进行后续处理：
85.1)频率处理：
86.对于分频编码，在接收数据进行滤波处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
87.对于时间-相位组合编码，在接收数据进行滤波处理和解码处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
88.对于时间-相位-频率组合编码，在接收数据进行滤波处理和解码处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
89.2)波束合成处理：
90.图3为本发明实施例中的同时实现聚束波束合成的示意图；
91.根据成像远距和成像范围要求，确定合成波束宽度θ，雷达波束辐照在成像远距处的地面印记沿垂直于波传播方向的长度l由合成波束宽度θ和成像最远距离r
max
所确定，该长度l不应小于成像范围内的任意两点连线，即
92.根据上述合成波束宽度θ的要求，确定参与成像处理的阵元数量，用于波束合成的阵元数量所确定的天线长度所对应的天线波束宽度要不低于合成波束宽度θ的要求，由此确定用于波束合成的阵元数量。
93.根据聚束成像的方位分辨率ρa的要求，确定聚束成像角度θs，其中λ为发射信号中心频率波长。
94.根据成像中心位置、雷达与成像中心距离、聚束成像角度计算出聚束起始和聚束结束的位置，从聚束起始位置开始，到聚束结束位置，在雷达飞行过程中的每个采样位置计算出聚束瞬时指向角度。
95.对于每个采样位置，利用该位置的聚束瞬时指向角度确定每个参与波束合成处理阵元的移相相位，对每个阵元在该位置获得的数据进行相位修正，再将不同阵元对应相同时刻的数据进行累加，完成波束合成，通过合成得到雷达在该位置的虚拟聚束扫描雷达数据。
96.3)成像处理：
97.利用通过合成得到的从聚束起始位置开始到聚束结束位置的不同位置的虚拟聚束扫描雷达数据，进行聚束sar成像处理，得到聚束sar图像。
98.具体的，条带sar成像方法包括：
99.可以利用每个阵元的不同时编码脉冲的目标回波信号形成虚拟条带成像波束，得到虚拟条带成像雷达数据，再用该数据进行条带sar成像处理，得到条带sar图像。具体处理包括：
100.对于解码后的回波数据，包括n2个独立通道的信号的数据(n为阵元数)，根据成像分辨率，选择确定数量的通道的数据进行后续处理：
101.1)频率处理：
102.对于分频编码，在接收数据进行滤波处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
103.对于时间-相位组合编码，在接收数据进行滤波处理和解码处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
104.对于时间-相位-频率组合编码，在接收数据进行滤波处理和解码处理后，再进行频率合成，合成后频率带宽不低于成像分辨率要求所对应的频率带宽；
105.2)波束合成处理：
106.根据条带sar成像方位向分辨率ρa的要求，确定参与成像处理的阵元数量，用于波束合成的阵元数量所确定的天线长度不大于方位分辨率的一半，由此确定用于波束合成的阵元数量。
107.对于每个采样位置，利用该位置的波束瞬时指向角度(正侧视成像为90
°
),确定每个参与波束合成处理阵元的移相相位，对每个阵元在该位置获得的数据进行相位修正，再将不同阵元对应相同时刻的数据进行累加，完成波束合成，通过合成得到雷达在该位置的虚拟条带成像雷达数据。
108.3)成像处理：
109.利用通过合成得到的虚拟条带成像雷达数据进行sar条带成像处理，得到条带sar图像。
110.步骤s6、将雷达图像和目标探测结果进行综合显示处理；
111.步骤s7、将综合显示处理的雷达图像和运动目标信息显示在显示设备上。
112.本发明的另一个实施例公开了一种编码阵列实现同时聚束与条带sar成像系统，如图4所示，包括：
113.阵列编码信号产生单元，被配置用于产生每个辐射阵元发射的单独脉冲编码信号；
114.单独的编码信号为编码信号在目标所产生的回波信号在时间或空间或频率上、或通过解码处理是可分离的。
115.雷达阵列，包括n个阵元，列沿sar成像的方位向排列；每个阵元发射脉冲编码信号，并接收所有阵元发射脉冲编码信号的目标回波信号；与每个阵元对应的还包括发射机、接收机和环形器，所述环形器与发射机、接收机以及阵元分别连接，用于将发射机输出的辐射信号传输到阵元进行辐射，或将阵元接收的目标回波信号输出到接收机中进行接收处理。并且所述环形器实现了雷达的收发隔离。
116.对于雷达阵列的每个阵元，在发射时，应具有发射独立编码信号的能力，在接收时，应具有独立接收回波信号的能力。
117.与每个阵元的发射机连接的是阵列编码信号产生单元产生的与阵元对应的单独脉冲编码信号；
118.与每个阵元的接收机输出连接的是数据采集单元；
119.数据采集单元，被配置用于采集每个辐射阵元接收的目标回波信号，形成目标回波数据；
120.数据采集单元可以是对每个阵元的回波信号进行单独采集，或是将n个阵元的回波信号混合在一起(n》1)，再对混合后的信号进行采集。
121.阵列信号解码处理单元，被配置用于对采集的目标回波数据进行解码处理，分离出不同辐射阵元形成的收发通道组合所对应的目标回波数据；
122.对于分频编码，每个阵元接收的回波信号所对应采集的回波数据，经过与阵元数量对应的滤波器组，分别进行频域滤波处理，每个滤波器输出与发射阵元频率对应的回波信号；
123.对于时间-相位组合编码，每个阵元接收的回波信号所对应采集的回波数据，与解码矩阵进行运算，得到与阵元数量相对应的输出解码信号。
124.对于时间-相位-频率组合编码，每个阵元接收的回波信号所对应采集的回波数据，与解码矩阵进行运算，并分别进行频域滤波处理，得到与阵元数量相对应的输出解码信号。
125.虚拟波束形成单元，被配置用于对不同收发通道组合所对应的目标回波数据计算产生虚拟聚束成像扫描波束和虚拟条带成像波束，处理得到虚拟聚束扫描雷达数据和虚拟条带成像雷达数据；
126.成像处理机，被配置用于对不同收发通道组合所对应的目标回波数据进行成像处理，得到聚束sar图像和条带sar图像；
127.因需要同时进行聚束sar成像处理和条带sar成像处理，这两种处理的数据源不同，所以，在成像处理机种包括两个独立的信号处理机，即聚束sar成像处理机和条带sar图像处理机。
128.根据具体应用环境和处理实时性的不同要求，虚拟波束形成单元和成像处理机可以采用通用商业计算机、工控计算机，也可以采用多个dsp、fpga等组成的信号处理板所构成的专用信号处理平台。
129.综合显示单元，被配置用于对聚束sar图像和条带sar图像进行可视化处理，形成包含聚束sar图像和条带sar图像及其信息的视频流；
130.控制单元，被配置用于控制编码阵列实现同时聚束和条带sar成像系统的信号产生、收发、采集、处理和显示数据产生。
131.控制单元产生系统工作同步信号，包括信号产生同步信号、信号采集同步信号，以及收发保护同步信号，每个阵元具有独立的信号产生同步信号、信号采集同步信号和收发保护同步信号，各阵元所对应的信号产生同步信号和信号采集同步信号之间要保持严格的同步关系，同步要求不低于sar成像的时间同步要求。
132.应当注意，为了使本发明的实施方式更容易理解，上面的描述省略了对于本领域的技术人员来说是公知的、并且对于本发明的实施方式的实现可能是必需的更具体的一些技术细节。例如，上面的描述省略了对现有的雷达或者雷达系统的一般性描述。应该理解，根据本发明的实施例的连续脉冲雷达除了以上描述的发射机、接收机和信号恢复器之外，还可以具有现有的雷达或者雷达系统所具有的其他部件或者组件。上述说明仅仅是示意性的而不是限制性的。
133.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。