（信号与信息处理专业论文）基于fpga的机载sar回波信号模拟研究.pdf

第一章绪论 第一章绪论 1 1合成子l 径雷达模拟技术及其意义 雷达是集中了现代电子科学技术各种成就的高科技系统。雷达系统模拟是根 据建立的雷达系统模型，复现雷达系统的动态工作过程。具体的说，模拟的对象 是雷达系统，包括雷达本身( 硬件及软件) 、雷达目标及目标环境；模拟的方式是 复现蕴含雷达目标及目标环境信息的雷达回波信号，这里所说的“复现”就是重 现雷达回波信号的产生、传递、处理等动态过程。从时间关系上看，就是重现一 个随机的时间序列。 在目前的雷达系统中，合成孔径雷达( s y n t h c t i ca p e n u r er a d a r ) 已经成为了 不容忽视的一个重要类别。合成孔径雷达系统是利用目标与雷达的相对运动通过 单一阵元来完成空间采样的，以单阵元在不同相对空间位置上所接收的回波时间 采样序列去取代由阵列天线所获取的波前空间采样集合。利用目标与雷达相对运 动形成的轨迹来构成一个合成孔径以取代庞大的阵列实孔径，而能保持优异的角 分辨力，且从潜在意义上说，其方位分辨力与波长和斜距无关，是雷达成像技术 的一个飞跃，因而具有巨大的吸引力，特别是对于军事应用来说。因此，合成孔 径雷达( s a r ) 一直是雷达成像技术的主流方向。合成孔径雷达的理论模型如图1 1 所示： 】二维脉冲压缩l f 竺! f 图卜1 合成孔径雷达的理论模型 回顾s a r 的发展历程，聚焦式合成孔径雷达诞生于二十世纪五十年代。19 51 年6 月，美国g o o d y e a r 宇航公司的c a r l 、j i e y 通过对雷达回波信号的多普勒频率 的分析，首次提出通过合成孔径可以得到比较高的雷达方位向分辨率。1 9 5 3 年， 美国i l l i n o i s 大学的c s h e n i n 等人用机载x 波段相干脉冲雷达对地面和海面的反 射信号进行了研究，给出了实验性的非聚焦合成孔径雷达的条带图像，标志着第 一个合成孔径雷达的演示试验系统的诞生。1 9 5 7 年8 月，m i c h i g a n 大学的w i l l o w 电子科技大学硕士学位论文 r u n 实验室研制成功了x 波段雷达和光学处理器，经飞行试验得到了世界上第一 幅完全聚焦的条带式正侧视s a r 图像，第一台合成孔径雷达诞生了。从此合成孔 径雷达原理和技术逐渐被人们认识，合成孔径模拟技术也随之蓬勃发展起来。 由于合成孔径雷达在遥感方面的独特优势，使得它得到了广泛的应用。但由 于s a r 成像过多的依赖s a r 传感器和地物的反射特性，因此所成图像也仅限于某 一时刻、波长、极化、特定地点等。并且从发射微波信号到图像生成这一系列过 程中，有大量工作是要在空中完成，由于仪器设备和处理技术的限制，在每一个 环节上都可能会产生难以预料的系统误差和随机误差。鉴于此，大量结合计算机 模拟技术、地物散射特性、s a r 成像机理，提出并建立计算机3 d 模拟s a r 系统 的集成框架，利用集成系统能够在不同入射方式、波长、极化方式，以及植被生 长、地物变化的不同阶段进行动态、实时的生成s a r 模拟图像的方法就孕育而生 了。从而在一定程度上可以取代外业实验工作，节省获取雷达图像的时间和开销， 避免由于错误决策和操作所带来的风险。 s a r 的模拟包括两个方面：图像模拟和系统模拟。图像模拟关心的是目标模 型和后向散射模型，用来提供地面目标的典型s a r 图像。采用的方法有：利用现 有的机载s a r 数据、采用分布式目标、采用简单的几何体。系统模拟关心的是雷 达系统以及相应的处理算法和模块，是设计和开发s a r 的工具，用来确定系统的 关键参数和预测系统的性能。 合成孔径雷达系统模拟技术的优点是显而易见的， 全面：系统级模拟，可检验整个系统的运行状况及性能； 灵活：系统参数可任意改变； 经济：在实验室就可以进行，无需实测飞行，节约成本； 1 2 合成子l 径雷达模拟的国内外现状 在合成孔径雷达发展早期，由于计算机技术的限制，无法对合成孔径雷达进 行系统的模拟，人们靠零散的、局部的分析方法来分析、研制合成孔径雷达。这 种方法不仅效率低、费用高，而且无法将整个雷达当作一个完整的系统来分析。 八十年代以来，随着微电子技术、计算机技术的高速发展，计算机速度的提高和 存储空间的扩展，使得计算机模拟技术迅速发展起来。 在合成孔径雷达发展的最初阶段，研究项目主要受美国国防部的资助，研究 第一章绪论 领域主要是军事领域。二十世纪七十年代初，美国宇航局( n a s a ) 主持了一些合 成孔径雷达系统的研制，主要研究单位有密执安环境研究所( e r i m ) 和喷气推进 实验室( j p l ) 等。从此合成孔径雷达也被应用于许多民用领域。与此同时，其他 一些国家和国际组织，如前苏联、欧盟、日本、加拿大、中国等都着手发展各自 的合成孔径雷达计划。为了提高系统可靠性，降低系统开发成本，合成孔径雷达 每一次重大革新都推动了模拟技术的进一步发展。 1 9 7 8 年6 月2 7 日美国成功发射了一颗载有l 波段合成孔径雷达的卫星 s e a s a t a ，标志着星载合成孔径雷达对地球进行微波成像观测的开始。它在运行 期间获得的数据和系统参数经常被人们用于系统的开发和图像模拟中，特别是推 动了人们对海洋的模拟和研究。其后，美国通过航天飞机分别于1 9 8 1 年、1 9 8 4 年 将s i r a 、s i r - b 送入太空；1 9 9 4 年s i r c ) ( s a r 进行了两次飞行试验，为多频 多极化的研究提供了大量的数据，同时也促进了极化模拟技术和相关极化算法的 发展。 随着模拟技术的不断成熟和模拟手段的不断提高，在e r s 1 ，e r s 一2 ，j e r s 一1 和r a d ”s a t 一1 发射之前，人们利用s i r - c ，s e a s e ta 和a i r s a r 飞行图像数据， 对这些雷达系统参数、成像算法以及未来的应用场景和领域进行了详细的模拟研 究，比较和预测结果促进了这些卫星研制的进程。1 9 9 1 年至1 9 9 4 年，欧洲空间局 ( e s a ) 发射了地球资源卫星e r s 1 和e r s 2 。日本的国家宇宙开发事业团 ( n a s d a ) 于1 9 9 2 年2 月发射了日本地球资源卫星j e r s 1 。加拿大空间局于1 9 9 5 年1 1 月发射了合成孔径雷达卫星r a d a r s a t 1 ，该星载雷达具有多种工作模式，同 时首次实现了星载的扫描模式( s c a ns a r ) 。同时这些卫星的发射也促进了系统模 拟技术研究的发展。它们产生的图像数据包含了丰富的场景( 森林，草地，田野， 山脉，村庄) 后向散射信息，可以用它们作为经验数据分析别的经模拟产生的雷 达图像数据；这些系统优化了的系统参数可用于其它系统精密的几何模拟中，有 利于雷达成像处理器的研制开发和己有的处理器算法的改进。此后，表面粗糙度 对后向散射系数的影响，表面冰层、常年冰层、浮冰以及厚度不同的冰层的后向 散射系数的大小，森林的土壤含水量和森林的不同植被随季节变化对森林后向散 射系数的影响，以及相关的后向散射系数的问题逐渐被人们通过模拟的方法得到 了解决，相关的结论可以用到雷达图像的判读中。 随着s a r 技术的日趋成熟，s a r 模拟技术也逐步完善。模拟器研究内容包括 目标特性、平台航迹和姿态特性及多种s a r 应用的模拟研究，而其领域已经不再 电子科技大学硕士学位论文 局限于对雷达系统和图像的模拟，开始扩展到诸如雷达高度计、干涉s a r 和s a r 三维立体成像等方面的模拟上。同时，在深刻认识和理解s a r 模拟基本理论和过 程的基础上，原始回波信号模拟已经成为s a r 模拟的一个极为重要的方面。这其 中以意大利人f m n c e s c h 砸的研究成果最为突出，他提出了一种较为完善的信号模 拟模型，开发出了s a r a s 模拟器。这是一种三维分布目标s a r 模拟器，包括分 布目标反射特性模拟和回波信号计算两个部分。它可以模拟纹斑噪声、距离徙动、 聚焦深度等现象，通过适当地输入数据不仅可以得到三维模拟目标的s a r 图像， 还可以得到原始回波信号，能够满足检验成像算法的应用需要，是迄今为止发展 得较为成熟得s a r 模拟器。 许多国家，如美国、德国、加拿大等，都开发了自己的s a r 计算机模拟系统。 这些模拟系统都是完全建立在计算机模拟的基础上，是纯理论的模拟，而用于测 试、维护成品雷达系统的雷达信号模拟技术由于是工程技术问题，一般文献报道 都很少，我们无法得知国外发展的具体的情况，这就督促我们开发自己的s a r 信 号模拟系统。我国的s a r 模拟工作开始于二十世纪九十年代。北京航天航空大学、 西安电子科技大学、电子科技大学、中科院电子所等许多大学及研究机构完成了 s a r 的图像模拟系统，北京航天航空大学和中科院电子所还于1 9 9 7 年完成了s a r 的系统模拟软件。目前，机载合成孔径雷达的模拟技术不如星载合成孔径雷达发 展得完善，还没有系统级的机载合成孔径雷达回波模拟源产品。但是到目前为止， 国内还没有一个完整的较为成熟的s a r 原始回波模拟系统，对这方面的研究还有 待于进一步的发展和完善。本项目就是针对这一现状展开工作，希望能够在硬件 上实现机载s a r 的回波信号模拟系统。 1 3 合成子l 径雷达回波信号模拟的关键 合成孔径雷达目标回波信号是二维信号，方位向为发射信号的波形，距离向 是线性调频信号的采样。如果距离向信号有模拟器件产生，则建立回波模型也就 是产生方位向回波波形数据。合成孔径雷达方位向分辨率的提高是依靠频率分析 的方法得到的。因此，回波信 x 第一颦绪论 l ，4 项目背景、研究内容及总体方案 l + 4 。l 疆目譬景致嵇究内容 合成孔径雷选作为微波的空地监视和遥感技术时获取地面信息的重癸手 段，在军事和民用领域获得了越来越多的重视和应用。它不仅能得到高分辨率图 像，而且能全天候工作。然而，s a r 成像原理复杂，数据淡取及成像设备庞大、 昂贵，成像和误麓校芷处理有缀大盼难淡和复杂度。因_ 龟，猩s a r 系统方寨设计、 或像处理募法毒殍究豁场合，嘉要簿合褥跫条斧下兹s a r 溅始强渡数据。餐交予飞 行成本太高，这些数据通过雷达载体飞行获得往往不太现懿，所以，通过模拟荣 获得所需的回波数据是一个重要的解决平段。s a r 回波数精的模拟，在国外已肖 研究。如基于实际地面目标散射特性的原始数据模拟方法，这种方法虽然能够取 得较好的仿真效暴，但是测试准备工作爨较大、计算量较大、处理复杂。本项鼹 瓣簪 变器懿是利麓嚣稼场景教鬟数撼( s a r 霾缘) ，壤舞秃久稳载s a r 瓣系统设 计参数和无入枫静避动特点，设计耱实瑷无人帆载s a r 阐波信号模拟源，产生桶 干视频s a r 回波储母。在本项目中，我们采用的s a r 回波数据模拟方法为距离频 域脉冲相干法，根据需要设计各种人造日标进行模拟仿真。 l ，4 。2 总体方案 本顼嚣接对穗建立豹图豫通过一定鹣冀法筵理，模熬褥到覆始魏雷达回波德 号。由于实时性鼷求较高，数据量偏大，需要用多芯片进行并行处理，所以我们 采用了4 片a d i 公司的t 碴e rs h a r c 2 0 3 系列的d s p 芯片进行前期运算，主要是计 算在己建立好的图像上，各点每个时刻的后向散射系数，并在里面加入了距离债 惑和据位信息。在努外一块电路板上采瘸了2 片 瓣蔷；骰 螽瓣夔卷覆运算，在这垂，我蠡是将诗箨藏褥筑焉淀毅冀枣系数与系统穗应嚣魏做 卷积。最后，输出的数字信号通过d a c ( 数模转换) 稠低通滤波，输出残们所需要的模拟回波信母。15 本文结构安排第一幸：绪论。简要介绍了合残张径雷达静模按技术的发震帮意义，并介绥 了 第二章s a r 回波信号模拟相关理论 ( b ) 图2 1 合成孔径雷达空间几何关系( a ) 正视图( b ) 侧视图 图2 一l 中，雷达以速度v 平行于地面运动，发射信号的脉冲重复频率为p 盯，发 射信号的空间位置间距缸= = 兰，形成合成孔径长度 p 骨f 小筹 6 ) ( a ) 中，三册r 表示合成孔径长度，它和合成孔径时间乃口的关系是厶= v 始邪。 ( b ) 中，口为雷达天线半功率点波束角，目为波束轴线与z 轴的夹角，即波束 视角，尺m i n 为近距点距离，r m a x 为远距点距离，w 为测绘带宽度，它们的关系 为： r m i n ：日留( 臼一掣) r m “：辔( 臼+ 掣) ( 2 7 ) 矿= 尺m a x r m i n 合成孔径长度的最大值决定于天线运动过程中所能接收到的来自同一个目标 的回波信号的最大作用范围，它等于真实天线波束所能覆盖的方位向最大范围。 对应合成孔径长度的合成孔径时间 7 0 = ( 2 8 ) 对应合成孔径时间的发射脉冲调频信号的个数 电子科技大学硕士学位论文 虬= z 0 瑚f ( 2 9 ) 根据合成孔径的形成原理d = 二。，考虑合成孔径雷达的天线收发共用在天线 和目标间双程传输，引起方位向信号的双程相移，进一步锐化了波束。将式( 2 6 ) 带 入式( 2 2 ) ，同时为便于书写把系数0 8 8 取为1 ( 误差不会太大) ，合成孔径雷达方位 向的空间分辨率为： 见。扣2 文引肚罢 2 1 2 合成子l 径雷达成像的原理 x 图2 2 合成孔径雷达成像几何关系 图2 2 为正侧视s a r 的成像几何关系。雷达随平台一起作匀速直线运动，将平台 飞行方向定义为方位向，与之垂直的方向为距离向。w 表示测绘带宽，即雷达波 束覆盖的距离向范围；在方位向，雷达波束覆盖的长度称为合成孔径长度，用工。， 表示；平台飞过合成孔径长度所用的时间称为合成孔径时间，用z 。表示。在飞行 过程中，雷达沿垂直于飞行航迹的方向不断向地面发射宽带线性调频信号，由于 雷达与目标间存在相对运动，雷达接收的回波中会包含多普勒信息，并且对于与 雷达相同距离向不同方位向的点目标，由于它们与雷达的几何关系不同，它们的 回波信号中包含的多普勒信息也不同，雷达接收回波后经相干处理可以获得地面 目标区域的图像。 雷达发射信号为脉冲线性调频信号，雷达接收信号为两维的线性调频信号。 距离向信号的处理可以通过距离向的脉冲压缩来实现。方位向利用合成孔径的原 一一 翌三至! 垒墨望鎏堕兰堡型塑差堡丝 理来获得高的分辨率。 雷达发射的脉冲线性调频信号为： 巾) 删哮) e x 刚2 吮协驴) ( 2 - 1 1 ) 0 为发射脉冲宽度；z 为发射信号频率；i 表示距离向调频斜率。雷达接收 到的二维回波信号为： 叩，咖材c 扣二二孚，协脚 “p 鼢工( f 一2 r ) + 万砟( f 2 r ) 2 其中，f 表示雷达所在位置的时间，r ( r ) 为此时雷达与目标之间的距离 即) = 而* r + 嘉，x = 心，一誓n s 等c z 砌， r = r ( f ) 一r( 2 1 4 ) 对于机载情况，距离向和方位向的耦合比较小，满足二维独立可分离条件， 在处理时可以忽略。式( 2 1 2 ) 去掉载频后的形式为 印力毕嘲卅z r ( 咖 占o ，f ) = ，它c f ( _ ；i ) e x p 万i o z 代【形) 2 ) 1 ， ( 2 一1 5 ) w z ( 善) 唧( 一j 兰警) 上式第一项和第二项表示距离向的回波信号，可以通过脉冲压缩得到距离向 的图像分辨能力。第三项为方位向的加权函数，第四项包含了方位向的多普勒信 息。f 时刻的多普勒相位表示为： 。( f ) ：一兰警( 2 _ 1 6 ) 此时的多普勒频率为： 五( r ) = 去去 _ 景瑚一篇r ( z 哪) 相距缸的两个目标之间的瞬时多普勒频率差为： 蛎= 等 ( 2 _ 1 8 ) 为了分辨这两个点目标，可将他们的回波信号与具有相同斜率的调频信号相 电子科技大学硕士学位论文 乘，输出两个具有不同频率调制的单频脉冲信号，脉冲宽度为艺，也就是它们对 应的合成孔径时间。根据调制频率的不同，可利用带通滤波器将它们分开。方位 向带通滤波器的频谱宽度为，当两个点目标之间的多普勒频率之差小于该值 一3 0 f 时，目标将无法分辨。 2 _ 2 目标模型 目标及其背景环境模型可以分为两类：随机目标和非随机目标。随机目标是指 表面粗糙度与波长可比拟的物体。粗糙度用表面高度起伏( 随机量) 的均方根与波长 的比值来表示。这代表了地表环境上一些典型的自然反射体( 如树木、田地等) 。非 随机目标是，物体尺寸相比电磁波波长为表面光滑的物体，其反射波由有限的几 个方向的反射波组成( 如一些人造几何体) 。对于人造物体，要求其尺寸比波长大很 多。 在实际的模拟中，我们通常关心的目标模型包括：孤立点目标、多点目标、 面目标、分布目标和真实场景。 2 2 1 孤立点目标 孤立点目标通常称为点目标，是在零或弱小背景下的强散射体。它的尺寸一 般远小于分辨单元的尺寸，但点目标的回波在图像上一般会有超过一个像元大小 的扰动范围。点目标模型通常用来评估s a r 系统的空间分辨率，峰值旁瓣比和积 分旁瓣比等系统指标。 2 - 2 2 多点目标 如果在弱背景下存在几个强散射体，而各点之间的距离又大于一个分辨单元， 每个散射体的线度小于一个分辨单元，这样的目标可称为多点目标。这些目标之 间的距离大于分辨单元，使得它们同样可以用于衡量系统i r f 的空间分辨率和旁 瓣特性。考虑它们分布的覆盖性，它们可以用来衡量系统的相对定位精度和绝对 定位精度。 2 2 - 3 面目标 在实际模拟中，目标本身的线度小于一个分辨单元，目标之间的距离等于一 第二章s a r 回波信号模拟相关理论 个分辨单元。许多个点目标构成了具有一定规则的面目标。对于一个面目标内的 所有点目标，这些点目标只是空间分布不同，可用实后向散射系数与不同的加权 值相乘后的结果表示。每个面目标的实后向散射系数m 为： 儿= c ( 1 ) 凡，f = 1 ，2 ，m ( 2 1 9 ) 其中，f 表示面目标内点目标的序列号：为实后向散射系数；c ( 0 为f 处点目标 的加权函数。它主要用于衡量系统的成像能力和成像算法的优劣。 2 2 4 分布目标 分布目标是由许多后向散射特性大体相同的散射体组成的目标区域。这些散 射体均匀分布在各处，其中并没有突出的强散射体，主要由漫散射体组成。该区 域的雷达回波的幅度为瑞利分布，相位为均匀分布：图像像元的强度遵守z 2 分布。 实际的分布目标表面粗糙不平，且紧密分布着大量散射点。如果任一散射点足够 小以至于没有明显的相位变化，但入射信号在大量散射点之间发生相长或相消干 涉，用一个包含相位和幅度的电压形式的复后向散射函数y ? ( r ) 来表示每个散射 点，表达式表示如下式所示： 疗( ，) = 4e x p ( ，q ) j ( r 1 ) ( 2 2 0 ) 其中，r 表示散射点空间矢量位移；点是第f 个散射点的后向散射截面积；由于反 射和斜距延迟而引起的散射点的总相位偏移；占( r ) 是冲击响应函数。s a r 分辨单 元内大量复散射点矢量叠加的结果得到的等效复散射函数为： 一( r ) = 一( ，) = 皖( r ) e x p ( ，矿( r ) ) ( 2 2 1 ) f 式中，一o ) 为目标等效后向散射截面积，也就是s a r 图像所要反映的灰度值。 分布目标可以评估的图像指标包括：像元的平均雷达截面积，独立视数，辐 射分辨率，动态范围和模糊比。除了上述系统指标的评估，分布目标还可用于成 像算法的验证。同时在分布目标的模拟中，可以建立三维的目标模型。模拟过程 中，选择合适的目标模型可以观测到s a r 引起的雷达图像的透视收缩，叠掩和阴 影等现象。 2 2 5 真实场景 真实场景为某已知雷达的回波图像，图像反映了实际的地貌回波特性。真实 场景的数据代表的是场景本身的后向散射系数。这些后向散射系数有多种因素来 决定，包括场景表面的介电常数、粗糙度、天线的极化特性以及电磁波的入射角 电子科技大学硕士学位论文 度，这些因素共同影响后向散射系数的大小。 前面对分布目标的讨论中，分布目标模型是对实际目标区域的一个非常好的 近似，它仅能够代表不规则表面或已知的有限分布的表面模型，它并不能对应自 然界所存在的表面。同时，分布目标在计算后向散射系数时采用了小平面模型。 根据k i r c h h o l f 理论计算分布目标的后向散射系数，必需已知地物的特点，特别是 地面的高层特性，这些数据的精度必需远远小于雷达本身的分辩能量，这样模拟 达到的数据才能真实的反映实际的情况。实际中很难得到满足条件的巨大的数据 量。为了解决这一问题，在模拟中利用了真实场景数据，选用实际的回波图像数 据来代替计算得到的后向散射系数。 一般来说真实场景的数据来自己知的s a r 系统，在某种极化和某个入射角度 下得到区域的图像数据，代表了该区域当时的后向散射特性。实际模拟中，真实 场景数据主要用于验证另一个s a r 系统的参数，这样该场景的后向散射系数在所 要模拟s a r 系统中就变得不可信。在真实场景的模拟中，为解决这个问题，假定 这些数据是所要模拟s a r 在某种地域的后向散射系数，这种假设偏离了实际情况， 但后向散射系数也代表了所要模拟s a r 波束覆盖范围内某片场景的真实的后向散 射系数。用己知s a r 的真实场景来模拟产生未知s a r 系统的真实场景原始数据， 还是有很大的利用价值。 2 3 点目标回波模型 2 3 1 雷达方程 雷达系统、雷达目标、接收信号三者之间的基本关系由雷达方程来描述。合 成孔径雷达的雷达作用距离方程为： ( 舢) 。：善垡墨冬 ( 2 _ 2 2 )( 舢) d2 赢簏蛊茇嚣 屯2 ) 式中，r 为雷达作用距离；o 为雷达发射平均功率；g 为天线增益；a 式发射载 波波长；，耳是常数；见是s a r 方位向理论分辨率；v 是平台的飞行速度；f 是 接收机噪声系数；世是玻尔兹曼常数( k = 1 3 8 1 0 - 2 3 j 广c ) ；r 为接收机温度；上 是系统损耗系数；盯是目标等效散射面积，单位是聊2 。 我们不难从雷达方程中分离出决定雷达接收到的目标能量的四个基本因素： 1 雷达向目标所在方向辐射的电磁波的平均功率； 电子科技大学硕士学位论文 一。孙) 茄h z ， 啪) ：杰协吲l 黑象卜i 2 7 ) 。：生l ll ”j “一j l 上式中，口是一个合成孔径时间内雷达发射的脉冲个数；0 、q 、b 、n 这 些量都是随时间变化的量。于是，根据式( 2 2 7 ) 给出的点目标回波的电压模型，只 要给出了、q 、r 、以的适当表达式，就可以对回波进行模拟，至少这在理论 上式可行的。 2 3 3 点目标回波的电压模型的简化 如果我们直接按照式( 2 - 2 7 ) 给出的点目标回波的电压模型来产生模拟回波信 号，从理论上说，更接近真实情况，但是在工程上是无法达到要求的，因为我们 设计不出跟踪、g 、咒、以变化的定时电路和加权电路。所以我们必须简化模 型，以便得到工程上能够实现的模型。 虽然o 、q 、r 、n 都是随时间变化的函数，但是考虑到它们都是慢变化的 时间函数，在一次波束的照射时间内，完全可以将它们视为常数。而且对于理想 点目标而言，可以令目标的复发射系数只为l 来简化模型。那么，回波信号是将 发射信号延迟、衰减、并产生一个多普勒相位，即： ( f ) = 一o f ) e ( 2 2 8 ) 其中，m 。为多普勒相位 西，f _ 一兰苎竺 ( 2 2 9 ) 其中，口为合成孔径时间内发射脉冲的个数；一孚s f 每；多普勒相位 m 。= 一生笋，r 以目标位于波束中心时的斜距为基准；4 是幅度加权项。因 此，理想点目标回波信号只需l 、4 、中。三个参数就可以完全描述了。l 、m 。 是雷达到目标瞬时斜距的函数，4 和瞬时斜距及天线特性均有关。 2 3 4 天线方向图 o0q 一 p0 一r m4 孚普 = ： 有 达 雷径 孔成& 口于对 电子科技大学硕士学位论文 对圆形天线，方向图为贝塞尔函数，( 口) = 型铲： 其中曰表示空间一点与天线法线的夹角，岛，表示半功率点波束宽度， 线方向图，七是一常数，决定了，( 曰) 的形状。因为有下式成立： 鹏，2 ) = 压 用迭代法可求出： ，( 口) 表示天 ( 2 3 6 ) 蚧2 7 8 朋印= 鬻； 孙3 _ 2 4 州垆鬻； 上述两种情况，如果目很小，方向图可近似为高斯函数，( 曰) = e - 1 ”( 。7 r 。 这样得到的天线方向性图的旁瓣很高，为降低旁瓣，实际应用中，经常作幅度加 权处理，常用的加权函数有余弦窗、汉宁窗、海明窗等等。 2 4s a r 回波理论模型 从信号与系统的角度看，s a r 回波可看作目标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2 3 所示： 咂乎 图2 3 点目标信号与系统模型 模型的数学表达式为： ( 占，f ；r ) = 【盯- 占( s ) j o ) 0 ，f ；，) ( 2 3 7 ) 式中，仃占( j ) 占( f ) 表示点目标的散射特性， ( j ，f ；，) 表示等效系统，设p ( f ) 为发射 的线性调频信号，则： o ，r ；，) ：p p 一! ! ! ! ! ；巫) ：p o 一兰! 芝；芝蔓) ( 2 3 8 ) ll 式( 2 3 8 ) 表明1 z ( s ，f ；，) 只在( s ，f ) 维是线性时不变的，在，维是时变的，相同的 ( s ，f ) ，不同的，响应 ( j ，f ；r ) 不一样。但通常情况下可近似认为，不变，即r = 兄， 这时，系统等效为一个二维线性时不变系统。 第二章s a r 回波信号模拟相关理论 s a r 在运动过程中，以一定的p r t ( p u l s e 鼢p e t i t i o nt i m e ，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 1 ( 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s a r 回波。从时域来看，发射和接收的信号都是一时间 序列。 图2 4s a i c 发射和接收信号 图2 4 表示s a r 发射和接收信号的时域序列。发射序列中，t 为线性调频信号持 续时间，下标，表示距离向( r a n g e ) ；p r t 为脉冲重复周期；接收序列中， 。：羔! ! ! ! 盟表示发射第f 个脉冲时，目标回波相对于发射序列的延时；阴影部分 l 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： s ( f ) = p o 一”尸r 丁) ”一( 2 3 9 ) p ( f ) = 比c ( 刍p 瞒”8 胁口 r 式中，”c f ( ) 表示矩形信号，耳为距离向线性调频信号的调频斜率，z 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r c s 和环境等因素 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： ( f ) = 盯w - p o 一”p r t l ) ( 2 4 0 ) 式中，矿为点目标的雷达散射截面，w 表示点目标天线方向图双向幅度加权，t 表 示载机发射第n 个脉冲时，电磁波在雷达与目标之间传播的双程时间， 。= 掣，代入式( 2 4 0 ) ，可以得： 第二章s a r 阐波信号模拟相关理论 距离彝采薛褥到溅个榉僵点，剐s a r 翻波为一掰矩阵，嚣个理想患髫标的潮 波经采襻嚣静裘这式建； 曲( m ) 。囊矿c x p 加【f ( 卅) 一等攀】) e x p 一，竿r ( 蛳) 】 o m ) 塑粤盟】 什； ( 2 4 3 ) | 露( 群；毒) 一算( 秘| z 蝌，样= l ，2 ，3 ：掰= l ，2 ，3 a z 2 5回波信号横拟源物理模型 在雷达测绘带内的每个点目标都棚当予一个信号源，璁想点目标的冲击响臌 作耀于回波信号模拟源，得到模拟的网波信号。回波信号怒目标回波信号和环境 襟声豹叠翔，霆波傣号摸掇添静甥理骥黧痘包摇基标隧渡臻号模壅窝环境噪声挨 整，如蚕2 6 掰示 ) z 】要舞喜誊 r( 2 4 2 ) 冀 一r ( 赤) e x p 【一等婚) 】c d 。” 图2 5 单点目标回波分布示意图 在方位鎏i篙漆僻絮：掣引弩赫；m，馨剐。mi?罐薹籍￥蠢墓囊鼢戳：雾m 女世掣妻非藜坚零累代替露鐾差茹醐；f；i耋嚯囊堪毖燃峨溅?肿酮秭；鼬0冀援i x 电子科技大学硕士学位论文 第三章机载s a r 回波信号模拟 3 1 原始数据模拟的基本步骤 无论机载还是星载原始数据获取都要付出昂贵的代价，在馨个系统设计中有 必要对系统相关参数和系统的应用环境进行模拟仿真。模拟的目的是得到s a r 系 统相关参数的验证和系统成像算法的验证。 原始数据模拟的基本思路是：己知目标的后向散射系数和系统的脉冲响应函 数，得到雷达回波数据，通过成像处理验证所关心的问题。假设目标后向放射系 数为y ( x ，) ，系统脉冲响应函数为5 ( z ，r ；五，) ，则回波数据或原始数据( z ，r ) 如 下： 目( x ，r ) = ，( x ，r ) s ( z 一，一，；x ，r ) ( 3 1 ) j ， 其巾，x 为目标在方位向相对场景中心的位置；x 为雷达所在的位置；，为目标在 距离向相对于场景中心的位置；r 。表示天线接收到目标( 五，) 处回波信号相应的距 离向位置。s a r 系统原始回波数据模拟步骤如图3 1 所示： 图3 1 原始数据模拟流程 图3 1 原始数据模拟流程 电子科技大学硕士学位论文 不过，由于距离多普勒反演算法的并不能真实的反应回波的生成过程，所得 到的回波数据并不是真实有效的，不能用来验证成像算法的有效性和雷达系统的 性能，所以，我们在实际生成回波的时候，很少采用这种算法，而较多的采用的 是后面介绍的两种算法一距离时域脉冲相干法和距离频域脉冲相干法。 3 2 2 距离时域脉冲相干法 距离时域脉冲相干法( r a n g et i m ed o r i l a i np u l s ec o h e r e n c e ) 是一种传统的回 波信号生成方法，v h k a u p p 和t k p i k e 分别采用这种方法产生了s a r 相干视频 信号。这种方法的基本原理是在发射连续脉冲的基础上，随着雷达平台的运动， 在距离时域中按照脉冲顺序，生成每个脉冲的回波信号。s a r 回波信号生成中， 有两点非常重要，一是方位回波信号要保持一定的相位关系，产生多普勒相位函 数；二是由于距离徙动的存在，方位向回波信号沿距离向出现偏移。经典的距离 时域脉冲相干法通过在雷达运动的每个位置上，计算波束照射范围内目标散射单 元的距离延迟函数，来确定他们由于距离徙动造成的方位回波信号偏移。在时域 中将所有对距离门回波有贡献的散射单元按空间几何关系叠加起来，就相当于得 到了某个距离门的方位回波。 距离时域脉冲相干法的基本步骤是首先产生一个脉冲的回波信号，要求计算 每个分辨单元的局部入射角和局部斜距，用来估计从散射单元返回到雷达的信号 幅度、距离相位和多普勒相位。表示为慢变空间变量的距离延迟函数二阶泰勒级 数展开式为： r ( x ) = r 一! 掣一学 ( 3 2 ) 其中x ，是目标横过波束中心是的方位空间位置；足是相应的斜距。多普勒相位 历程函数为： 矿( z ) ：e x p l 一，4 ，r 竺掣 x 电子科技大学硕士学位论文 3 2 3 距离频域脉冲相干法 由于经典的距离时域脉冲相干法生成回波信号的运算量较大，在本项目中， 我们采用了一种改进的方法来进行回波生成，就是距离频域脉冲相干法。它通过 距离频域的相干叠加生成回波信号，由频域的相位偏移生成时域的回波延迟。同 时，根据平台与目标的空间几何关系在三维散射平面上计算每个目标散射单元的 距离延迟函数。 g ( x ，r ) = “，一丑( z ) 】= 口【，一r ( x ) 】c x p 一妒p r ( x ) 】 ( 3 8 ) 式( 3 8 1 为目标回波信号中与距离向回波有关系的成分，根据傅立叶变换的理 论，距离向目标回波信号的距离频谱为： g ( z ，亭) = s ，f ) e x p l 一2 石r ( x ) f l ( 3 9 ) 式中，孝是距离频率，s ( ) 是发射的线性调频信号的距离频谱。由于雷达平台的运 动，在不同目标回波脉冲的距离延迟之间存在着差异。这种差异所造成的距离徙 动已经转化成为距离频域上的相位因子相乘。 频域模拟的基本步骤如下： 1 目标后向散射系数通过f f t 运算变换到频域。 2 系统响应函数也通过f f t 运算变换到频域。 3 步骤l 和2 得到的数据在频域完成点乘。 4 通过i f f t ，得到时域雷达回波数据。 通过比较时域脉冲相干法和频域脉冲相干法，我们可以看出，时域模拟方法 基于s a r 回波模型，模拟结果比较精确，但它的运算量太大，运算速度太慢，限 制了模拟目标的尺寸。频域模拟方法简化了回波模型，它的结果没有时域模拟方 法精确。但是，频域模拟的运算速度比时域模拟要快得多，频域模拟可以实现、 大范围目标的模拟。在本项目中，我们采用的是频域脉冲相干法，即通过计算得 到地面目标的后向散射系数矩阵，然后通过与系统响应函数的卷积来得到我们所 需要的模拟回波信号。 第三章机载s a r 回波信号模拟 3 _ 3 理想回波产生步骤 为减少仿真计算量、突出合成孔径雷达回波生成的基本原理，作如下假设： 1 载机沿平行于地面的直线匀速飞行，雷达波束方向不变。 2 在一个脉冲周期内，不考虑雷达与目标相对位置的变化。 3 不考虑天线的方向性，认为在波束范围内幅度均匀，在波束范围外幅度为0 。 4 成像时暂不加入窗函数。 也就是在最理想的情况下作回波仿真。实现步骤是： 1 读取参数和地图数据； 2 确定雷达的位置，波束照射范围、回波的时间范围； 3 在某一采样时刻，累加所有被照射点在该时刻的采样，保存累加结果； 4 ，下一采样时刻，重复3 ，一直到该雷达位置回波采样结束； 5 载机飞到下一位置，重复2 ，3 ，4 ，直到结束。 理想回波产生的流程图如下： 冈 读取参数 难菩 当前点目标是否_ ；= ! e 照射范围内 是 否 计算当前点目标在当前时刻的脉冲厦累加 削 图3 3 理想回波产生的流程 2 7 电子科技大学硕士学位论文 在载机运动的t 时刻，设天线俯仰向的波束宽度为口，最近目标点为只，其斜 距为“最远目标点为置，其斜距为。昂为墨和是的中心点，雷达到只的 连线为瞄准线。u 为瞄准线上的单位矢量，v a 为雷达的瞬时速度。v 1 为v 沿u 矢 量的分量，v a 为v i 沿x 轴的分量，v k 为v _ 沿v v l 方向的分量，地面测绘带宽 为，斜距测绘带宽为形，雷达飞行高度为日。设的速度误差为v a ，加速度 为a 。；v 。的速度误差为v l ，加速度为a 。；v k 对方位信号无影响。设雷达波束 照射区域中有一点目标s ，发射信号为脉冲线性调频信号，则s 点目标的回波信号 可以表示为： s o ) = o r 睨o ) 彬o ) ，口c f ( p ( f ) 一) c ) e x p _ ，l2 玎工o ( f ) 一) c + 石球“r ( f ) 一) c ) 2 + 4 万( ( ，( f ) 一) ，五) ) 、。1 。7 上式中f = f n 缉，+ p 以碾刁，为距离向采样频率，州咿为脉冲重复频率，m 为距 离上采样点数，”为方位上采样点数，睨( f ) 、眵( f ) 分别为方位向、距离向的天线 方向性函数，五为雷达的工作波长，盯为点目标的散射系数，c 为光速。 设雷达到地面目标的斜距矢量为五( f ) ，因此目标的多普勒相位为： 伊( f ) ：孥五( f ) ( 3 1 3 ) 在o 到t 的短时间范围内，飞机运动的加速度接近于常数，因此，雷达与目标 之间的相互运动可以近似为： 五o ) ：五十磊+ 三j r z 其中，旷和j 分别是飞机运动的速度和加速度矢量。如果t 足够小 进行泰勒级数展开，如式( 3 1 5 ) 所示： 妒( f ) “伊( o ) 一2 万( ，矗f + 昙，k r ：) 其中： 9 ( o ) ：挈r “ = - z 丢五 厶卅警 这里，没有一标识的变量都是对应矢量的幅度值，其中厶。为 ( 3 一1 4 ) 可以对式( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 一1 8 ) 第三章机载s a r 回波信号模拟 屈：一2 掣c 。s ( 旷，五) ：一2 掣c 。s s 一p ) ( 3 _ 1 9 ) 以z 考虑各种扰动对回波的影响，关键在于得到平台与目标之间的斜距关系式， 从而得到对方位多普勒参数的影响。 3 5 1 沿方位向的速度和加速度误差分析 载机在v a 向的运动速度误差为v ，加速度为a 。，则它的运动方程可表示为 x = v a h v a f + 去a a f 2 ，这样目标至载机的斜距为： 心：一一轰一坠等趔睁。 根据r ( r ) 的变化，可注入距离徙动对回波的影响，同时也加入了影响方位信号的二 图3 7 加入方位向速度加速度误差后的点目标回波 从图像上我们可以看出，跟理想点目标回波相比，加入方位向速度和加速度 误差后对回波的影响不是很大，这是因为本来在方位向上就有比较大的速度，误 差的影响不是非常的明显。这里我们选择的参数为：速度误差为2 m s ，加速度误 差为o 5m s 2 。成像结果如图3 8 所示： 堕量型煞盔堂堡主堂垡堡塞 銎3 8 加入方位彝误差之磊鲍回波或像 3 5 2 沿距离向的速度和加速度误差分析 设载视在距离向的运动速度误差为v l 。正侧视时，矗。m 0 ，引入距离向速 度误蒺之后，由于k 与r 鳓夹角为o ，青 肛屹署= 一掣c o s 0 9 一半 睁z - ， 所对应的次相位误差为：站( f ) = 冬u f ，它造成多普勒质心的偏移。如粜沿 距蔫舞豹趣遴度为理le 正铡褪无燕逮发霹，厶。：一篙，有鸯霸速度靖 磊一警一等一簧 。， 可得二次相能误差为：杰。 * 等吼f 。，它将造成多酱勒调频斜率的变化。逸一 相位误差将引起距离定位误麓和较，j 、的方位意向误差。 鞋襄埴掣琏 第三章机载s a r 回波信号模拟 图3 9 加入距离向速度加速度误差后的点目标回波 如图3 9 所示，加入距离向速度加速度误差对回波的影响较为明显，表现为 回波的散焦较为严重，这里我们选用的参数是：速度误差为o 1 m j ，加速度误差 为o 1 5 2 。比方位向的参数选择小的多的距离向参数误差都会引起更为严重的散 焦。成像结果如图3 - 1 0 所示，我们可以明显的看到，由于散焦过于严重，我们所 采用的成像算法已经不能成出清晰的点目标图像，所以，这就要求我们必须改进 成像算法，在估计厶。和- ，赢的时候加入距离向速度和加速度误差带来的影响。 罨- 斟 鲁 - 磕 剞 惶 l ! 。l _ li i 。 。l 1 i ! 薹 l | _ i i i ii i ： 3 5 3 指向误差分析 x 厦离向单惶：个 图3 1 0 加入距离向误差之后的回波成像 电子科技大学硕士学位论文 在运动坐标系下，飞机的姿态可以由三个量来刻画，即飞机绕z 轴的转动 偏航，绕x 轴的转动横滚，绕y 轴的转动俯仰。由于飞机姿态的变化造成 波束指向的改变，从而引起回波的多普勒频率的变化。横滚只改变波束的投射角， 不改变雷达的正侧视工作模式，从而不改变目标的多普勒质心；而俯仰、偏航均 会改变波束的侧视角，使正侧视变为斜侧视，从而引起多普勒质心的变化。当飞 机存在俯仰和偏航方向的姿态误差时，f ，可以表示为： 血：一2 掣 t g 。c + t 9 8 s 讯p 1 l + 辔2 目( 圭+ c o s 国2 + ( 辔倥+ 增目s i n 历2 vc o s 口 其中盘是俯仰角，口是偏航角。 ( 3 2 3 ) 图3 1 1 加入指向误差后的点目标回波 如图3 1 l 所示，指向误差带来的影响主要表现为点目标位置的变化，会使成 像后点目标的位置发生偏移。这里我们选择的误差参数为：航向偏角：2 。，俯仰 偏角：r 。成像结果如图3 - 1 2 所示，我们可以看出，与标准成像结果相比，点目 标位置发生了明显的偏移。 第三章机载s a r 回波信号模拟 皇 蕃 瞳 基 3 5 4 天线稳定性对回波信号的影响 由于载机的运动，载机不再是一个刚体，机载s a r 天线会存在微小的振动， 可以假设这种变化为正弦规律： 口o ) = 4 s i n ( 刃j r ) ( 3 2 4 ) 式中爿表示幅度，砜表示角频率。由于天线的振动，对回波信号的幅度产生调制， 影响成像结果，设天线是均匀加权，当天线指向存在扰动口( f ) 时，在天线的方向 图为： w ( f ) =咖2 学卜志咖c 刚 ) i r l矿s i n 口| | 学卜志咖c 删 2 对回波信号按照上式进行加权，即可将天线增益加入信号回波中。 3 5 5 正交双通道的幅相误差 ( 3 2 5 ) 合成孔径雷达接收的回波信号，必须经过相参处理器处理。相参处理器的框 图如下： 电子科技大学硕士学位论文 强3 一1 3 理想燕交双逶遴楚理嚣模壁 实际的相参处理器并不是理想的，经过去载频和a 仍变换尉，输出信号在i 、 q 两令运道上并不一定是歪交豹，霹鼗存在箍耀误差，鞠蕹庋不平衡溪差襄褪经 不平衡误差。许多合成孔径雷达的成像系统对此都作了相应的修正。以下讨论栩 参处攥器戆漩蓑