接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法和装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104035094 A (43)申请公布日 2014.09.10 C N 1 0 4 0 3 5 0 9 4 A (21)申请号 201410290995.X (22)申请日 2014.06.25 G01S 13/90(2006.01) G06F 19/00(2011.01) (71)申请人内蒙古工业大学 地址 010051 内蒙古自治区呼和浩特市新城 区爱民街49号 (72)发明人黄平平 徐伟 王艳荣 (74)专利代理机构北京金信立方知识产权代理 有限公司 11225 代理人黄威 喻嵘 (54) 发明名称 接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法 和装置 (57) 。

2、摘要 本发明提供一种接收距离向多孔径宽幅星载 SAR回波的方法和装置，该方法包括以下步骤：步 骤S1，调整由宽幅星载SAR的距离向子孔径所接 收的回波波束的波束指向；步骤S2，将已调整的 回波波束转化为低频数字型回波波束；步骤S3， 将低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波 束。本发明能够在不增加距离向接收子孔径数量 的基础上，通过模拟波束指向控制和数字波束合 成处理相结合使得星载SAR宽幅测绘模式系统在 接收回波时能够在兼顾灵敏度的情况下，利用灵 活的子孔径接收波束指向改善所接收的回波的距 离向模糊度。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书7页 附图4页 (19)中华人民共和国国家。

3、知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书7页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104035094 A CN 104035094 A 1/1页 2 1.一种接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤S1，调整由所述宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波束指向； 步骤S2，将已调整的所述回波波束转化为低频数字型回波波束； 步骤S3，将所述低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1进一步包括： 步骤S11，通过改变所述回波波束的相位来调整其波束指向。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征。

4、在于，步骤S11进一步包括： 步骤S111，根据预设的所述宽幅星载SAR的系统参数和预设的模糊度阈值要求改变所 述回波波束的相位，从而来调整其波束指向。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2进一步包括： 步骤S21，对已调整的所述回波波束进行下变频； 步骤S22，对经过下变频的回波波束进行数字离散采样，从而转化为所述低频数字型回 波波束。 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3进一步包括： 步骤S31，通过对所述低频数字型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤波从而将 其合成为高增益接收窄波束。 6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3之后，所述方法进一步。

5、包括： 步骤S4，将所述高增益接收窄波束的灵敏度与预设的灵敏度阈值要求进行比较； 步骤S5，在所述高增益接收窄波束的灵敏度低于所述灵敏度阈值要求的情况下，调整 发射波束指向、预设的所述宽幅星载SAR的距离向天线的尺寸和/或所述距离向子孔径的 数量。 7.一种基于如权利要求1所述的方法的接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的装置， 其特征在于，包括： 调整模块，其配置为调整由所述宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波 束指向； 转化模块，其配置为将已调整的所述回波波束转化为低频数字型回波波束； 合成模块，配置为将所述低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。 8.根据权利要求7所述的装置。

6、，其特征在于，所述调整模块为距离向各接收子孔径模 拟波控网络，其包括移相器，所述移相器配置为改变所述回波波束的相位来调整其波束指 向。 9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述转化模块包括混频器，所述混频器配 置为对已调整的所述回波波束进行下变频； 所述转化模块包括还包括A/D数字采集器，所述A/D数字采集器配置为对经过下变频 的回波波束进行数字离散采样，从而转化为所述低频数字型回波波束； 所述合成模块为数字波束赋形网络，其包括复乘器和时延滤波器，配置为对所述低频 数字型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤波从而将其合成为高增益接收窄波束。 权 利 要 求 书CN 104035094 。

7、A 1/7页 3 接收距离向多孔径宽幅星载 SAR 回波的方法和装置 技术领域 0001 本发明涉及星载合成孔径雷达信号处理领域，特别涉及一种接收距离向多孔径宽 幅星载SAR回波的方法和装置。 背景技术 0002 测绘带幅宽是星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)的一个极其重 要的性能指标参数。较大的测绘带幅宽(也可称为宽测绘带)能够在短时间内完成对全球 的监测或者对某个特定的区域进行重复监测，因而有利于星载SAR全球覆盖测绘，大幅度 降低重要区域的重访时间。目前，宽幅星载SAR成像模式已成为国内外星载SAR系统发展的 主要发展趋势之一。改善星载SAR系统。

8、宽幅模式的系统灵敏度(Noise-Equivalent Sigma Zero，NESZ)和距离向模糊度(Range Ambiguity to Signal Ratio，RASR)是宽幅模式主要需 要解决的两大问题，其中，距离向模糊是由于一些区域的回波时延(超前或滞后于测绘带 内的回波时延)与测绘带内的回波时延相差脉冲重复周期(Tp1/fp)的整数倍，使所要 观测的回波与它的前后脉冲回波同时到达星载SAR天线，产生时域的信号重叠现象，这种 距离向模糊现象是星载SAR中无法避免的。距离向模糊度是成像测绘带内模糊信号强度与 有用信号强度之比，是对距离模糊强度的度量。距离向多孔径接收技术能够大幅度改善。

9、星 载SAR宽幅模式系统(即该系统具有宽测绘带)灵敏度和距离向模糊度。 0003 然而，现有传统的距离向多孔径接收技术只能将多孔径天线接收到的回波信号相 干合成，但合成的接收天线方向图中的波束栅瓣有时反而导致系统距离向模糊度的恶化。 基于零陷指向(在固定干扰方向形成一定深度的零点)的数字波束合成技术可以通过零陷 指向控制来大幅度改善系统的距离模糊，但该方法需要距离向划分更多的接收孔径个数和 相对准确的地形起伏先验信息，因而现有技术中在星载SAR宽幅测绘模式系统下所接收的 回波的灵敏度和距离向模糊度较差。 发明内容 0004 本发明所要解决的问题是传统星载SAR宽幅测绘模式系统灵敏度和距离向模糊。

10、 度较差，提供一种方法，其在不增加距离向接收子孔径数量的基础上，通过模拟波束指向控 制和数字波束合成处理相结合使得星载SAR宽幅测绘模式系统在接收回波时能够在兼顾 灵敏度的情况下，改善所接收的回波的距离向模糊度。 0005 为了解决上述问题，本发明提供一种接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方 法，该方法包括以下步骤： 0006 步骤S1，调整由宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波束指向； 0007 步骤S2，将已调整的回波波束转化为低频数字型回波波束； 0008 步骤S3，将低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。 0009 作为优选，步骤S1进一步包括： 0010 步骤S11。

11、，通过改变回波波束的相位来调整其波束指向。 说 明 书CN 104035094 A 2/7页 4 0011 作为优选，步骤S11进一步包括： 0012 步骤S111，根据预设的宽幅星载SAR的系统参数和预设的模糊度阈值要求改变回 波波束的相位，从而来调整其波束指向。 0013 作为优选，步骤S2进一步包括： 0014 步骤S21，对已调整的回波波束进行下变频； 0015 步骤S22，对经过下变频的回波波束进行数字离散采样，从而转化为低频数字型回 波波束。 0016 作为优选，步骤S3进一步包括： 0017 步骤S31，通过对低频数字型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤波从而将 其合成为高增。

12、益接收窄波束。 0018 作为优选，在步骤S3之后，方法进一步包括： 0019 步骤S4，将高增益接收窄波束的灵敏度与预设的灵敏度阈值要求进行比较； 0020 步骤S5，在高增益接收窄波束的灵敏度低于灵敏度阈值要求的情况下，调整发射 波束指向、预设的宽幅星载SAR的距离向天线的尺寸和/或距离向子孔径的数量。 0021 本发明还提供一种基于如前述方法的接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的装 置，包括： 0022 调整模块，其配置为调整由宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波 束指向； 0023 转化模块，其配置为将已调整的回波波束转化为低频数字型回波波束； 0024 合成模块，配置为将。

13、低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。 0025 作为优选，调整模块为距离向各接收子孔径模拟波控网络，其包括移相器，移相器 配置为改变回波波束的相位来调整其波束指向。 0026 作为优选，转化模块包括混频器，混频器配置为对已调整的回波波束进行下变 频； 0027 转化模块包括还包括A/D数字采集器，A/D数字采集器配置为对经过下变频的回 波波束进行数字离散采样，从而转化为低频数字型回波波束； 0028 合成模块为数字波束赋形网络，其包括复乘器和时延滤波器，配置为对低频数字 型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤波从而将其合成为高增益接收窄波束。 0029 本发明相对于现有技术的有益效果在。

14、于：在不增加距离向接收子孔径数量的基础 上，通过模拟波束指向控制和数字波束合成处理相结合使得星载SAR宽幅测绘模式系统在 接收回波时能够在兼顾灵敏度的情况下，利用灵活的子孔径接收波束指向改善所接收的回 波的距离向模糊度。 附图说明 0030 图1为根据本发明实施例的接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法的流程 图； 0031 图2为根据本发明的一个实施例接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的装置的结 构示意图； 0032 图3为根据本发明的一个实施例对系统参数进行仿真迭代计算的流程图； 说 明 书CN 104035094 A 3/7页 5 0033 图4为根据本发明的一个实施例在100km宽幅。

15、模式系统的波位设计结果的示意 图； 0034 图5a为采用传统DBF的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距 离向灵敏度NESZ的仿真结果； 0035 图5b为采用传统DBF的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距 离向模糊度RASR的仿真结果； 0036 图6a为采用根据本发明的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的 距离向灵敏度NESZ的仿真结果； 0037 图6b为采用根据本发明的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的 距离向模糊度RASR的仿真结果。 具体实施方式 0038 以下结合附图对本发明的进行详细描述。 0039 根据本发明的实施例，。

16、提供了一种接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的方法， 如图1所示，该方法可以包括以下步骤： 0040 步骤S1，调整由宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波束指向， 优选地，可以对所接收的回波波束进行放大，尤其可以通过低噪音放大器(Low Noise Amplier，LNA)来进行放大，有利地，步骤S1可以包括步骤S11，通过改变回波波束的相位 来调整其波束指向，进一步地，步骤S11可以包括步骤S111，根据预设的宽幅星载SAR的系 统参数和预设的模糊度阈值要求改变回波波束的相位，从而来调整其波束指向； 0041 步骤S2，将已调整的回波波束转化为低频数字型回波波束，优选地，步骤S2。

17、可以 分为：步骤S21，对已调整的回波波束进行下变频；以及步骤S22，对经过下变频的回波波束 进行数字离散采样，从而转化为低频数字型回波波束； 0042 步骤S3，将低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束，优选地，该步骤S3可 以进一步包括步骤S31，即，通过对低频数字型回波波束进行导向矢量复乘，并进行时延滤 波从而将其合成为高增益接收窄波束。 0043 此外，根据本发明的实施例的方法在步骤S3之后，可以进一步包括：步骤S4，将 高增益接收窄波束的灵敏度与预设的灵敏度阈值要求进行比较；以及步骤S5，在高增益接 收窄波束的灵敏度低于灵敏度阈值要求的情况下，调整发射波束指向、预设的宽幅星载SAR。

18、 的距离向天线的尺寸和/或距离向子孔径的数量。 0044 本领域技术人员通晓的，下变频是一种对信号频率处理的过程，所得到的信号的 频率低于处理前的信号的频率。因此，本发明的低频是指经过下变频后的回波波束频率低 于之前回波波束频率，而不是仅仅表征低频的概念。 0045 根据本发明的实施例的方法在不增加距离向接收子孔径数量的基础上，通过模拟 波束指向控制和数字波束合成处理相结合使得星载SAR宽幅测绘模式系统在接收回波时 能够在兼顾灵敏度的情况下，利用灵活的子孔径接收波束指向改善所接收的回波的距离向 模糊度。 0046 根据本发明的实施例，提供了一种基于如上述实施例的方法的接收距离向多孔径 宽幅星载。

19、SAR回波的装置，该装置可以包括： 说 明 书CN 104035094 A 4/7页 6 0047 调整模块，其配置为调整由宽幅星载SAR的距离向子孔径所接收的回波波束的波 束指向； 0048 转化模块，其配置为将已调整的回波波束转化为低频数字型回波波束； 0049 合成模块，配置为将低频数字型回波波束合成为高增益接收窄波束。 0050 具体地，调整模块可以为距离向各接收子孔径模拟波控ABF(Adaptive Beam Forming，ABF，也可称为自适应天线波束赋形)网络，其可以包括移相器，该移相器配置为 改变回波波束的相位来调整其波束指向；转化模块可以包括混频器，该混频器配置为对已 调整。

20、的回波波束进行下变频；转化模块可以包括还包括A/D数字采集器，该A/D数字采集器 配置为对经过下变频的回波波束进行数字离散采样，从而转化为低频数字型回波波束；合 成模块为数字波束赋形DBF(Digital Beam Forming，DBF，也可称为数字波束形成或数字波 束合成)网络，其包括复乘器和时延滤波器，配置为对低频数字型回波波束进行导向矢量 复乘，并进行时延滤波从而将其合成为高增益接收窄波束。 0051 图2为根据本发明的一个实施例接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的装置的结 构示意图。如图2所示，该装置主要包括距离向各接收子孔径模拟波控ABF网络、混频器 (图中以f c 表示)、A/D。

21、数字采集器和DBF网络，其中，ABF网络包括低噪音放大器LNA和移 相器组，DBF网络主要包括导向矢量设备(图中以W 1 W k 表示)和时延滤波器组D 1 D k 。利 用图2所示装置接收回波的过程主要包括： 0052 步骤a1，利用距离向各接收子孔径模拟波控网络调整各个子孔径接收波束指向， 具体地，通过距离向各接收子孔径接收回波波束，然后通过LNA对接收的回波波束进行放 大，然后通过改变各个移相器的相位对距离向子孔径的接收波束指向进行调整，其调整角 度可示为 r ，其中，移相器是一种能够对波束的相位进行调整的装置，在本实施例中，一 个子孔径对应一组移相器组，移相器组内的移相器的数量可根据需。

22、求而自行设置，而LNA 的数量与移相器的数量对应； 0053 其中，距离向每个子孔径对应的移相器组的相位为可以表示为 0054 0055 式中，M表示每个子孔径中阵元天线个数，d e 表示阵元天线长度，表示雷达波长， L,n 和 H,n 分别表示第n个测绘带的起始视角和终止视角， mid 表示阵面天线的法向视 角指向， r 为距离向子孔径的接收波束的调整角度。其中，阵元又叫阵子，用来产生带方 向的无线电磁波，智能天线包含有不同方向的阵元，能产生多波束的电磁波；阵面天线 mid 也可称为智能天线阵列，由多根阵元天线所组成，通过调节各阵元的加权幅度和相伴能改 变阵面天线的方向图，从而抵制干扰、提高。

23、信干比。 0056 步骤a2，距离向各子孔径接收到回波信号(即回波波束)，此时，该回波信号为高 频模拟信号，当该回波信号经下变频(在超外差式接收机中，如果经过混频后得到的中频 信号比原始信号低，那么此种混频方式叫做下变频，经过下变频处理能够降低信号的载波 说 明 书CN 104035094 A 5/7页 7 频率)之后，变为模拟低频信号(或者称模拟低频高频信号)，该低频信号经由A/D数字采 集后变为数字低频信号，然后，利用距离向数字波束赋形网络将该数字信号合成为高增益 接收窄波束，其中，DBF网络由距离向多通道信号与导向矢量w()复乘(乘积因子为复 数)、时延滤波器组D()和多通道信号合成三部。

24、分组成。 0057 其中，该导向矢量w()可以表示为 0058 0059 式中，表示距离向快时间(距离向的时间称为快时间)，d表示距离向相邻子孔 径之间的间隔，()表示随快时间变化波束指向角度，j为复数的表达。根据星载SAR成 像几何关系，()的表达式可以写成 0060 0061 式中，c表示光速，R e 表示地球半径，H表示卫星高度。 0062 作为优选，在步骤S102中，所述的距离向时延滤波器组D()可以表示为 0063 D()D 1 (),D 2 (),.,D K () (4) 0064 其中 0065 0066 0067 式中，D k ()为第K个距离向时延滤波器，K r 表示发射信号。

25、调频率， 0 表示目标 实际对应的视角， c 表示测绘带中心对应的快时间，f o 为空间变量。 0068 步骤a3，在采用这种距离向多孔径宽幅星载SAR回波高性能接收方法时，星载SAR 系统可以同时调整发射波束指向来改善系统的灵敏度，其中，距离向发射波束指向的调整 角度可以示为 t ，该操作可以进一步获取较高的系统灵敏度。 0069 其中，距离向接收波束调整角度 r 和发射波束调整角度 t 的选择过程主要 是通过系统参数的反复迭代从而优化而获得。 0070 根据本发明的一个实施例，对接收距离向多孔径宽幅星载SAR回波的过程进行仿 真，在实际应用中可以采用有效的仿真结果参数对雷进行设置从而获得想。

26、要的结果。图 3所示为根据本发明的一个实施例对系统参数进行仿真迭代计算的流程图，其中 r 和 t 的迭代初值设为0，表1为星载SAR的系统参数的列表。 0071 表1 0072 系统参数值 卫星高度700km 雷达中心频率9.65GHz 说 明 书CN 104035094 A 6/7页 8 天线尺寸(方位距离) 15m0.72m 子孔径数(方位距离) 104 阵元天线数(方位距 离) 8036 发射脉冲宽度80s 发射脉冲带宽500/350/240MHz 发射机峰值功率64kw 视角范围1850 测绘带宽度100km 测绘带之间的重叠度5 0073 0074 如图3所示，该仿真迭代计算具体步骤。

27、包括： 0075 步骤S31，输入星载SAR系统参数、模糊度阈值要求和灵敏度阀值要求，星载SAR系 统参数主要包括表1中示出的各个参数； 0076 步骤S32，设计距离向天线尺寸(主要为天线长度)与通道数，其中，通道数与子孔 径数相对应； 0077 步骤S33，计算信号与模糊的几何关系，即，可以理解为计算有用回波信号与无用 回波信号之间的角度关系； 0078 步骤S34，利用ABF调整接收子阵天线指向，距离向接收波束的调整角度为 r ； 0079 步骤S35，利用DBF调整发射波束指向，且发射波束的调整角度为 t ，从而调整 善NESZ，即，调平NESZ曲线； 0080 步骤S36，判断RAS。

28、R是否满足预定的模糊度阈值要求，如果不满足要求，返回步骤 S34重新计算，如果满足要求，则进行步骤S37； 0081 步骤S37，判断NESZ是否满足预定的灵敏度阈值要求，如果不满足要求，返回步骤 S32进行天线尺寸的调整和/或通道数的调整，如果满足要求，则进行步骤S38。此外在实 际应用中，如果NESZ偏离灵敏度阈值要求较低(可以预设一个值，以低于此值的情况为较 低的标准)，则本步骤37不满足度较低的情况下返回步骤S35调整发射波束指向，图3中未 示出； 0082 步骤S38，得到距离向系统参数设计结果，包括天线尺寸、通道数、 r 和 t 。 0083 图4示出根据本发明的一个实施例在100。

29、km宽幅模式系统(即该系统的测绘带宽 度为100km)的波位设计结果，其中，横轴为PRF(Pulse RecurrenceFrequency，脉冲重复频 率)，纵轴为视角，从图4中可以看出共有8个波位，分布在900Hz至1100Hz之间，除代表 波位的线条之外，其余的粗线条分别代表星下点和发射时间点等不能接收波束的位置和时 说 明 书CN 104035094 A 7/7页 9 间。图5a所示为采用传统DBF的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距 离向灵敏度NESZ的仿真结果；图5b所示为采用传统DBF的接收方法在雷达下视角的星载 SAR系统所接收波束的距离向模糊度RASR的仿真结。

30、果；图6a所示为采用根据本发明的接 收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距离向灵敏度NESZ的仿真结果；图6b 所示为采用根据本发明的接收方法在雷达下视角的星载SAR系统所接收波束的距离向模 糊度RASR的仿真结果。 0084 从图5b中可以看出，部分波位的RASR大于-25dB无法满足未来星载SAR的应用 需求。从图6b与图5b的对比可知，部分系统波位的RASR得到了明显改善。对比图5a和 图6a的两种回波接收方法的系统NESZ可以发现，两种方法的系统NESZ基本相当。因此， 相比于传统距离向DBF接收方法，本发明的距离向多孔径宽幅星载SAR回波高性能接收方 法在能保持较好系统NE。

31、SZ的同时还能够较好地抑制星载SAR系统的RASR。 0085 以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围 由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各 种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。 说 明 书CN 104035094 A 1/4页 10 图1 说 明 书 附 图CN 104035094 A 10 2/4页 11 图2 说 明 书 附 图CN 104035094 A 11 3/4页 12 图3 说 明 书 附 图CN 104035094 A 12 4/4页 13 图4 图5a 图5b图6a 图6b 说 明 书 附 图CN 104035094 A 13 。