哈工大微波成像技术

HarbinInstituteofTechnology微波成像技术实验报告课程名称： 微波成像技术院 系： 电子与信息工程学院姓 名：学 号：授课教师：哈尔滨工业大学年月日实验一 多散射点一维距离像产生实验要求：根据ISAR转台成像原理，选取四至五个（或更多）散射点产生不同时刻的一维距离像，使用X波段的FLM脉冲信号，信号波长取 3cm，带宽为 100MHz实验内容：1> 分析距离像随姿态角的变化2> 取出1点描述成像系统性能实验原理：假设雷达发射信号为：s(t?,tm)rectt?ej2(fct21t?2)，Tp1u1mT为快时间，m为2，fc为中心频率，Tp为脉宽，为调频率，t?=t其中rect(u)u102整数，T脉冲重复周期，tmmT为慢时间。假设某点目标到雷达的距离为R，则该点目标接收到的雷达信号为：)Arectt?j22Rs(t?,t2RcfctmecrTp

?2R2tc设参考距离为 Rref，则参考信号为：t?2Rc2Rref1sref(t?,tm)rectj2fctc2refeTref

22Rtc令R R Rref，则解线频调的差频输出为：sif(t?,tm) sr(t?,tm)t?Arect

* ?sref(t,tm)2RceTp

j42Rref44R2(t?)RjfcRjccecec2对快时间作傅里叶变换便可得到点目标的一维距离像：Sif(fi,tm)ATpsincTp(fij4fcRj42R22R)ececc实验过程及结果：1> 离像随姿态角的变化仿真目标由 7个点目标构成，如左下方图所示：

20001500m/v 100050000 500 1000 1500u/m雷达与目标的位置关系如右上方图所示，雷达位于原点，目标几何中心相对雷达的坐标为（1200,1600），单位米，可知目标距雷达初始距离为 2km。假设RVP项可以忽略或已经被补偿掉，在特定tm解线频调的差频输出可表示为：Nt?2Ric4(t?2RrefR,ij)+fc?Airecteccsf(t;tm)Tpi1根据上式设计目标回波矩阵，再对快时间进行傅里叶变换便可得到目标的一维距离像如下图：度0.6度0.6幅幅化0.4化0.4一一归0.2归0.2002040002040-40-20-40-20距离单元(转角为0deg)距离单元(转角为0.01deg)度0.6度0.6幅幅化0.4化0.4一一归0.2归0.2002040002040-40-20-40-20距离单元(转角为0.05deg)距离单元(转角为0.1deg)度0.6度0.6幅幅化0.4化0.4一一归0.2归0.2002040002040-40-20-40-20距离单元(转角为1deg)距离单元(转角为3deg)由不同转角下多散射点目标的以为距离像可以看出，转角在0.01rad内多散射点目标的距离像包络基本没有变化，相关性极强。转角在0.01之后相关性逐渐减弱，一维距离像包络幅度存明显变化， 但散射点的位置基本不变， 没有发生越距离单元走动。 可以利用平均距离像避免多散射点一维距离像幅度变化对后续成像的影响。多散射点目标最大横向距离差为 20m，由 知最大相关积累角应约小于 0.01度，8L这与实验结果是一致的。2> 单个散射点描述成像系统性能将多点目标改为单点目标，单点目标相对雷达的坐标为（ 1209,1612）。点目标距雷达的初始距离为 2015m，相对参考点距离 15m，其余参数不变。下列图为不同信噪比情况下点目标的一维距离像加窗和不加窗时的对比， 图中实线为加矩形窗的距离像，虚线为加汉明窗时的距离像。在没有噪声的情况加，加汉明窗成功地将第一旁瓣降低到 -45dB左右，与此同时主瓣展宽约1.3倍。当SNR较大为20dB时汉明窗依然能够将旁瓣抑制到 -40dB左右，然而随着 SNR减小汉明窗的旁瓣随之升高， SNR为3时汉明窗的旁瓣高度约为 -25dB。在SNR信噪比逐渐减小的过程中加窗后的主瓣略有展宽但变化不大。实验二 多散射点二维 SAR条带式成像实验要求：使用RD方法进行机载 SAR多散射点二维条带式成像，可以不考虑距离徒动，天线方位向尺寸为 D=2m，仰角尺寸为 W=3m，载机速度 V=150m/s。场景中心距离雷达 6km，斜视角自定。实验内容：1> 用RD方法仿真多点目标二维 SAR图像2> 取出1点描述成像系统性能实验原理：对雷达接收的任意一点目标Q，设此点目标到飞行航线的垂直距离(或称最近距离)为RB，到雷达相位中心的瞬时斜距为R(tm;RB)，则雷达接收的基频信号在距离快时间-方位慢时间域(t?tm域)可写为：??2R(tm;RB)?24π2R(tm;RB)s(t,tm;RB)artaa(tm,Q)expjπtcexpjR(tm;RB)c式中ar()和aa()分别为雷达线性调频(LFM)信号的窗函数和方位窗函数，前者在未加权时为矩形窗，后者除滤波加权外，还与天线波束形状有关，是发射的LFM信号的调频率，c为光速。对距离作匹配滤波压缩的参考函数为： srefr(t?) ar(t?)exp( jπt?2)快时间域的匹配滤波可在频率域采用 FFT进行：??*?s(t,tm;RB)IFFT{FFT[s(t,tm;RB)]FFT[srefr(t,tm;RB)]}若距离向为矩形窗，则的接收信号通过上述处理后得：??2R(tm;RB)4π;RB)s(t,tm;RB)Asincrtaa()expjR(tmcA为距离压缩后Q点的信号幅度，若线性调频信号的频带为B，有sincr(t?)sinc(Bt?)。距离压缩完成后，下一步要进行方位处理，首先要检验距离徙动的影响，如为正侧视工作，只要检验距离弯曲。在合成孔径期间，rq2RBr（其中M通常取4或8）时距离弯曲可忽略。32a2M假设上述条件满足，对最近距离为RB的点目标Q，在tm时刻的斜距为：R(tm;RB)RB2(Vtm)2RB(vtm)22RB式中V为载机速度。距离快时间-方位慢时间域信号可写成：s(t?,tm;RB)Csincrt?2RB(Vtm)24π(Vtm)2caa()expjRBRBc2RB方位匹配滤波的参考函数为：srefa(tm;RB) ar(tm)exp(jπkatm2)其中调频率为2V2ka，方位脉压在频率域进行比较方便，脉压后的输出为：RBs(t?,tm;RB) IFFT{FFT[s(t?,tm;RB)]FFT[srefa*(tm;RB)]}若方位窗函数也是矩形，则上式可写成：s(t?,tm;RB)CsincBt?2RBsincBdtmc对距离徙动不考虑的情况，通过对接收的二维信号，通过简单的在距离和方位分别进行线性调频信号的匹配滤波，就可实现对场景的二维成像。实验过程及结果：1>

用RD方法仿真多点目标二维

SAR图像假设侧视角

为30°，地面目标由

7个点目标构成，如左下方图所示：雷达与目标的位置关系如右上方图所示，图示坐标单位为米。雷达至场景中心线距离 6km，雷达侧视角为 30°确定雷达脉冲重复频率：为了不发生方位模糊，最低脉冲重复频率为fRL 2V/D 150Hz ， 为了不 发生距离模 糊，最高 脉冲重 复频率 为fRHWctan(90)2R0=4.33MHz。选取PRF为600Hz。成像结果如下图所示：回波数据支撑区50100150向200位方250300350400450200 400 600 800 1000 1200 1400 1600距离向距离压缩后的回波数据50100150200向位方 250300350400450200 400 600 800 1000 1200距离向多散射点二维SAR条带式成像结果-60-40-20m/位0方20406051005200530054005500560057005800590060005000距离/m3> 单个散射点描述成像系统性能将多点目标改为单点目标，其余参数不变。距离向与方位向均不加窗的结果为：距离向与方位向均加汉明窗成像结果如图所示：距离向加汉明窗方位向不加窗：距离向不加窗方位向加汉明窗：由实验结果可以看出，方位向加汉明窗后单散射点的二维像在方位向上旁瓣抵制

-40dB左右同时主瓣有所展宽，距离向加汉明窗后单散射点的二维像在距离向上旁瓣抵制

-40dB左右同时主瓣有所展宽，两个维度上的旁瓣存在交叉影响， 但单个散射点时交叉影响程度不大。实验程序实验一：clearall;closeall散射点模型posxy=[-10-5000510;00-50500]'*2;posxy=[912];scatter(posxy(:,1),posxy(:,2),'.')axisequalgridon参数设定u0=1200; %%%%初始位置v0=1600; %%%%初始位置figure,scatter([posxy(:,1)+u0;0],[posxy(:,2)+v0;0])xlabel('u/m'),ylabel('v/m')R0=sqrt(u0.^2+v0.^2);%%%%目标初始位置至雷达距离lamda=0.03; %%%%X波段gama=B/Tp; %%%%调频斜率fs=M/Tp; %%%%距离向采样率t_fast=(0:1/fs:(Tp-1/fs))-Tp/2; %%%%快时间t_slow=(0:1/PRF:(N-1)/PRF); %%%%慢时间mtheta=0.512/180*pi;s=zeros(N,M);thetai=(0:N-1)*mtheta/N;fori=1:N创建回波矩阵st=zeros(1,M);posxyi=[posxy(:,1)*cos(thetai(i))+posxy(:,2)*sin(thetai(i))...-posxy(:,1)*sin(thetai(i))+posxy(:,2)*cos(thetai(i))];posxyi(:,1)=posxyi(:,1)+u0;posxyi(:,2)=posxyi(:,2)+v0;Rri=sqrt(posxyi(:,1).^2+posxyi(:,2).^2);forii=1:Dst=st+exp(-sqrt(-1)*4*pi/C*(Fc+gama*(t_fast-R0/C))*(Rri(ii)-R0));ends(i,:)=st;s(i,:)=awgn(s(i,:),-10);end%%rangeprofiledecho1_ham=s*diag(hamming(M));echo1_ham=s.*hamming(M)';echo1_rec=s;M2=16*M;echo2_ham=abs(fftshift(ifft(echo1_ham,M2,2),2));echo2_rec=abs(fftshift(ifft(echo1_rec,M2,2),2));%%加窗不加窗成像系统性能比较ff=((0:M2-1)-M2/2)/M2*fs/2/gama*C;figure,holdonplot(ff,20*log10(echo2_ham(1,:)/max(echo2_ham(1,:))),'--');plot(ff,20*log10(echo2_rec(1,:)/max(echo2_rec(1,:))));gridon;holdoff;axis([822-511])xlabel('距离/m(SNR=-10)');ylabel('幅度/dB')一维距离像随角度的变化figure,subplot(321)plot(echo2(2,200:280));xlabel('距离单元(转角为0rad)'),ylabel('归一化幅度'),axis([-infinf00.75])subplot(322)plot(echo2(12,200:280));xlabel('距离单元(转角为0.01rad)'),ylabel('归一化幅度'),axis([-infinf00.75])subplot(323)plot(echo2(103,200:280));xlabel('距离单元(转角为0.1rad)'),ylabel('归一化幅度'),axis([-infinf00.75])subplot(324)plot(echo2(203,200:280));xlabel('距离单元(转角为0.2rad)'),ylabel('归一化幅度'),axis([-infinf00.75])subplot(325)plot(echo2(303,200:280));xlabel('距离单元(转角为0.3rad)'),ylabel('归一化幅度'),axis([-infinf00.75])subplot(326)plot(echo2(403,200:280));xlabel('距离单元(转角为0.4rad)'),ylabel('归一化幅度'),axis([-infinf00.75])实验二：%%雷达参数clearall;closeall;c=3e8;lamda=0.03;%%%%X 波段fc=c/lamda;%%%% 载频D=2;%%%%雷达天线横向孔径L=3;%%%%雷达天线纵向孔径Rb=6e3;%%%%场景中心距phi=30/180*pi;%%%% 斜视角V=150;%%%%载机飞行速度theta=lamda/L;%%%% 波束宽度beta=30/180*pi;%%%% 侧视角H=Rb*cos(beta);%%%% 载机高度Ls=theta*Rb;%%%% 合成孔径长度%%距离向rhor=1;%%%%方位向分辨率Tp=2.5e-6;%%%% 脉冲宽度B=c/2/rhor;%%%% 带宽Kr=B/Tp;%%%%调频斜率Fr=1.2*B;%%%% 距离向采样频率Ymin=H*tan(beta-theta/2);Ymax=H*tan(beta+theta/2);gate=c/Fr/2;%%%% 距离分辨单元长度Rmin=floor(sqrt(Ymin^2+H^2))*gate;%%%% 最近距离Rmax=sqrt(Ymax^2+H^2);Nwg=ceil((Rmax-Rmin)/gate);%%%% 条带场景所需距离单元个数Np=floor(Tp*Fr);N_fast=Np+Nwg;N_fft=2^nextpow2(N_fast);t_fast=(-Np/2+1:Np/2+Nwg)/Fr;%%%% 快时间%%方位向rhoa=D/2;% 方位向分辨率Ka=2*V^2/lamda/Rb;% 多普勒调频率S=Ls/V;% 有效观测标称时间Bd=abs(Ka)*S;% 多普勒频宽PRF=600;%方位向采样频率Tr=1/PRF;% 脉冲重复间隔N_slow=ceil((2*Ls)/Tr/V);% 方位向采样点数t_slow=(-N_slow/2:N_slow/2-1)*(1/PRF);% 方位向时间域%%回波数据仿真P=[100;00;-100;0-10;010;0-20;020];P=[00];Ntarget=size(P,1);figure,scatter(P(:,1),P(:,2),'ok');axisequal;axistight;gridonpos=[00H;Rb*sin(beta)+P(:,1)P(:,2)zeros(Ntarget,1)];figure,scatter3(pos(:,1),pos(:,2),pos(:,3),'ok');sr1=zeros(N_slow,N_fast);sr=zeros(N_slow,N_fast);R=zeros(1,N_slow);forn=1:Ntargetfork=1:N_slowR(1,k)=sqrt((Rb+P(n,2))^2+(t_slow(1,k)*V-P(n,1))^2);temp_win=find(abs(t_fast-2*(R(1,k)-Rmin)/c)<Tp/2);win_r1=zeros(size(t_fast));win_r1(temp_win)=hamming(length(temp_win))';%%%% 对回波数据加窗win_r1(temp_win)=ones(size(temp_win));sr(k,:)=sr(k,:)+exp(-j*4*pi*R(1,k)/lamda+j*pi*Kr*(t_fast-2*(R(1,k)-Rb)/c).^2).*...win_r1.*(abs(t_slow(1,k)*V-P(n,1))<(Ls/2));endendfigure,imagesc(real(sr));title('回波数据支撑区')%xlabel(' 距离向');ylabel(' 方位向');t=(-Np/2:Np/2-1)*(1/Fr);win_r2=hamming(length(t))';%win_r2=ones(size(t));h=win_r2.*exp(j*pi*Kr*t.^2).*(abs(t)<Tp/2);%%%%hf=fft(h,N_fft);fork=1:N_slowsrf(k,:)=fft(sr(k,:),N_fft);sof(k,:)=srf(k,:).*conj(hf);so(k,:)=ifft(sof(k,:));%%%% 距离向压缩后输出endfigure;plot(db(so(160,:)/max(so(200,:))));%imagesc(abs(so(:,1:Nwg)));%xlabel(' 距离向');ylabel(' 方位向');%title(' 距离压缩后的回波数据 ');

距离向参考函数figure;SSo=20*log10(abs(so)/max(max(