SAR的点目标仿真.docx

1、SAR的点目标仿真合成孔径雷达（SAR）的点目标仿真1.SAR原理简介合成孔径雷达（Synthetic Aperzture Radar ,简称SAR）是一种高分辨率成像雷达技术。它利用脉冲压缩技术 获得高的距离向分辨率， 利用合成孔径原理 获得高的方位向分辨率， 从而获得大面积高分辨率雷达图像。SAR回波信号经距离向脉冲压缩后，雷达的距离分辨率由雷达发射信号带宽决定：C:匚= ，式中： 表示雷达的距离分辨率， Br表示雷达发射信号带宽， C表示光速。同2 Br 样，SAR回波信号经方位向合成孔径后，雷达的方位分辨率由雷达方位向的多谱勒带宽决定：向SAR平台速度。2.SAR的成像模式和空间几何关

2、系根据SAR波束照射的方式，SAR的典型成像模式有 Stripmap（条带式），Spotlight（聚束 式）和Scan（扫描模式），如图2.1。条带式成像是最早研究的成像模式，也是低分辨率成像 最简单最有效的方式；聚束式成像是在一次飞行中，通过不同的视角对同一区域成像， 因而能获得较高的分辨率；扫描模式成像较少使用，它的信号处理最复杂。图2.1 : SAR典型的成像模式这里分析SAR点目标回波时，只讨论 正侧式Stripmap SAR，正侧式表示 SAR波束中心 和SAR平台运动方向垂直，如图 2.2，选取直角坐标系 XYZ为参考坐标系，XOY平面为地平面；SAR平台距地平面高 h，沿X轴正

3、向以速度 V匀速飞行；P点为SAR平台的位置矢量， 设其坐标为（x,y,z） ； T点为目标的位置矢量， 设其坐标为（xT,yT，ZT）；由几何关系，目标 与SAR平台的斜距为：PT ff(x -Xt)2 (y -yj2 * (z -召)2 (2.1)由图可知：y=0, z=h,zT =0 ;令x=vs，,其中v为平台速度，s为慢时间变量（slow time ）, 假设xT =vs，其中s表示SAR平台的x坐标为xT的时刻；再令r =H 2 y, r表示目标与SAR的垂直斜距，重写 2.1式为：PT 二 R(s ;r) r2 v2 (s s。)2R(s;r)就表示任意时刻s时，目标与雷达的斜距

4、。一般情况下，(2.2)v s s。 r，于是 2.2式可近似写为：可见，斜距是s和r的函数，不同的目标，r也不一样，但当目标距 SAR较远时，在观测带 内，可近似认为r不变，即r = RO。图2.2 :空间几何关系(a)正视图(b)侧视图图2.2(a)中，Lsar表示合成孔径长度，它和合成孔径时间 Tsar的关系是Lsar = vTsar。(b)中，为雷达天线半功率点波 束角，二为波束轴线与Z轴的夹角，即波束视角，R min 为近距点距离，R max为远距点距离， W为测绘带宽度，它们的关系为：R min = H tg (v -込)R max = H tg(J 乜) (2.4)W = R m

5、ax R min3.SAR的回波信号模型SAR在运动过程中，以一定的 PRT（Pulse Repitition Time, 脉冲重复周期）发射和接收脉冲，天线波束照射到地面上近似为一矩形区域，如图 2.2（a），区域内各散射元（点）对入射波后向散射，这样，发射脉冲经目标和天线方向图的调制，携带目标和环境信息形成 SAR回波。从时域来看，发射和接收的信号都是一时间序列。Tr为chirp信号持续时间，下图3.1表示SAR发射和接收信号的时域序列。发射序列中,标r表示距离向（Range） ； PRT为脉冲重复周期；接收序列中， -n =只s，）表示发射第iC个脉冲时，目标回波相对于发射序列的延时；

6、阴影部分表示雷达接收机采样波门， 采样波门的宽度要保证能罩住测绘带内所有目标的回波。雷达发射序列的数学表达式为：oOs(t)八 p(t - n PRT )(3.1)n -.：:t 2I j :】Krt j2fctp(t)二 rect ()e eTr式中，rect （）表示矩形信号，K r为距离向chirp信号的调频斜率，fc为载频。雷达回波信号由发射信号波形，天线方向图，斜距，目标 RCS环境等因素共同决定，若不考虑环境因素，则 单点目标雷达回波信号 可写成：sr(t)= 二 w p(t - n PRT - n) (3.2)n -.：:式中，匚为点目标的雷达散射截面，w表示点目标天线方向图双向

7、幅度加权， n表示载机发2 r（s ； r）射第n个脉冲时，电磁波在雷达与目标之间传播的双程时间， n ，代入3.2式Ct n PRT -2R(s; r) / Csr (t) w rect ( )-n = ： ： Tr2expj 二Kr(t n PRT 2R(s;r)/C) (3.3)4兀exp -j R( s; r) exp j2 二 fc(t - nPRT -)3.3式就是单点目标回波信号模型。其中，exp j二（t- n PRT - 2 R（s; r） / C ）2 为chirp分量，它决定距离向分辨率， exp _j卫Lr( s; r)为doppler分量，它决定方位向分辨率。距离向变

8、量s远大于方位向变量t(典型相差105量级)，于是一般可以 假设SAR满足“停 走停”模式，即SAR在发射和接收一个脉冲信号中间 ，载机未发生运动。为了理论分析方便，称s为慢时间变量(slow time)，称t为快时间变量(fast time)于是，一维回波信号 可以写成二维形式，正交解调去除载波后， 单点目标的回波 可写成：t 一2 R (s; r) / C 2sr (s,t ; r) - ；rect ( ) exp j 二 K r(t - 2R(s; r) / C )-Tr (3.3)s 4nrect ( ) exp -j R(s; r)Tsar图3.2 :单点目标回波二维分布示意图在方位

9、向(慢时间域)是离散的，s = n PRT xo /V，其中V是SAR的速度，X。是0时 刻目标在参考坐标系中的 坐标。为了作数字信号处理， 在距离向(快时间域)也要采样，假 设采样周期为Tr,则t =m，如图3.2，方位向发射 N个脉冲，距离向采样得到 M个样值 点，贝U SAR回波为一 N M矩阵，K个理想点目标的回波经采样后的表达式为 ：KSr(n,m) - ；exp j二t(m)k =1(3.4)2R( n;k)0 vt(m)-vTr ;| R(n;k) x(k) TsarCn =1,2,3 N ; m =1,2,3 M4.SAR的信号系统模型从信号与系统的角度看，SAR回波可看作目标

10、的散射特性通过一个二维线性系统的输 出。点目标的信号与系统模型如图 4.1 :图4.1 :点目标信号与系统模型s(s,t;r)=仃 *6(s)酋(t)s,t h(s,t;r)式中，二(s)j.(t)表示点目标的散射特性，h(s,t; r)表示等效系统，设p(t)为发射的chirp 信号，则：2R(s,t; r) 2jr2 +v2 s2h(s,t;r)=p(t ) = P(t ) (4.2)C C4.2式表明h(s,t;r)只在(s,t)维是线性时不变(LTI)的，在r维是时变的，相同的(s,t),不同的r，响应h(s,t; r)不一样。但通常情况下可近似认为 r不变，即r = R0，这时，系统

11、等效为一个二维LTI系统。五.点目标SAR的成像处理算法仿真SAR的回波数据不具有直观性，不经处理人无法理解它，如图 5.1 o从原理上讲，SAR成像处理的过程是从回波数据中提取目标区域散射系数的二维分布， 本质上是一个二维相关处理过程，因此最直接的处理方法是对回波进行二维匹配滤波， 但其运算量很大，再加上SAR的数据率本来就高，这使得实时处难于实现。通常，可以把二维过程分解成距离向和方位向两个一维过程，Ran ge-Dopper Algorithm(简称RD算法)就是采用这种思想的典型算法，这里也只讨论RD算法。图5.1 : SAR回波数据(a)未经处理(b)处理后RD算法通过距离迁移(Ra

12、 nge Migratio n)矫正，消除距离和方位之间的耦合。在满足聚 焦深度的前提下，将成像处理分解成两个一维的 LTI系统进行相关处理，并采用频域快速相关算法提高了速度。RD算法已非常成熟，并成为衡量其它算法优劣的标准。 RD算法典型的数字处理流程如图 5.2。图 5.2: Range-Dopper 算法流程预处理这是对SAR回波处理的第一步， 一般在SAR平台(卫星，飞机)上实时处理，包括解调和数字 化。雷达信号的载频较高(GHz)，不宜直接采样数字化处理，常常通过正交解调方式解调 出基带信号，再对基带信号(MHz)采样数字化，然后存储或传到地面做进一步处理。 采样后的数据常采用矩阵形

13、式存储，假设方位向发射 (采样)N个脉冲，距离向采样得到 M每个采样值(图3.2)，则待处理数据是一个 N M的矩阵，如图5.3。实际处理时，要在方位向上 加窗截断，因此，在方位向上的开始和结束的一段数据 (图中影阴区所示)是不充分的，对应的长度均为Lsar /2 , Lsar表示SAR的合成孔径长度。仿真时，这个数据阵是程序根据 3.4 式产生的。距离向图5.3 :待处理数据距离压缩距离向信号是典型的 Chirp信号，相关算法是在频域利用 FFT进行的。Matlab语句为：Refr=exp(j*pi*Kr*tr.A2).*(0tr&trTr);Sr=ifty(fty(Srnm).*(o ne

14、s(N,1)*conj(fty(Refr);K r和T r分别是Chirp信号的调频斜率和脉冲持续时间， Refr表示参考信号，fty,ifty是对矩阵的行(对应距离向)进行FFT和IFFT运算的子程序。例如，fty的代码为：%FFT in row of matrixfunction fs=fty(s);fs=fftshift(fft(fftshift(s.).;距离迁移矫正距离迁移是SAR信号处理中必然出现的现象， 它的大小随系统参数不同而变化， 并不总需要补偿。点目标仿真时，可以先不考虑。方位压缩方位向的处理是 SAR成像处理算法最核心的部分。正侧式点目标 （图22）情况下，回波经距 离压

15、缩后在方位向也是一 Chirp信号，因此其压缩处理同距离压缩处理类似， 只是压缩因子不同。仿真中，调频斜率 Ka已知，因此不需要进行Doppler参数估计。 SAR参数SAR平 台：水平速度V=100m/s高度 H=5000m天线等效孔径D=4mSAR平台与测绘带的垂直斜距 R0=11180m（计算结果）发射信号：载波频率fc=1GHzChirp 信号持续时间T r =5usChirp信号调频带宽 B r =30MHzChirp 信号调频斜率Kr =6 10 12 （计算结果）脉冲重复频率PRF=57.6Hz（计算结果）Doppler调频带宽Ba =50Hz（计算结果）Doppler调频斜率 Ka= 5.96（计算结果）分辨率：距离向分辨率 DY=5m方位向分辨率DX=2m目标位置：距离向 Y=Yc-Y0,Yc+Y0=9500,105