基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法及系统

技术领域

本发明涉及遥感成像技术领域，特别是涉及一种基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法及系统。

背景技术

SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)作为一种主动微波探测传感器，能够实现全天时全天候观测。超大幅宽SAR的高分宽幅对于提升地形测量、海洋监视等应用领域的观测效率具有重要作用。然而，根据最小天线面积限制，SAR系统中距离向宽覆盖和方位向高分辨是难以同时实现的。具体而言，传统SAR系统如ScanSAR或TOPSAR获得大幅宽的同时付出了牺牲分辨率的代价。超大幅宽SAR需要在保持方位分辨率的情况下，克服超大幅宽和方位分辨率之间的矛盾，实现无模糊连续幅宽覆盖的SAR成像系统。

在超大幅宽SAR系统的设计中，脉冲重复间隔(Pulse Repetition Interval，PRI)的选择起着重要作用。受特定范围内所选PRI的约束，观测条带的回波持续时间超过一个PRI，使得当前近距离散射的原始数据与观测条带中前一个远距离散射的数据相互干扰。此外，应考虑解决由于发射和接收之间的遮挡而导致的盲区。其中，近距端和远距端数据相互干扰问题，目前可由俯仰向数字波束形成(Digital Beamforming，DBF)技术解决，该技术发射宽波束覆盖整个幅宽范围，接收时实时高增益窄波束指向回波到达方向。随着系统复杂度的增加，基于DBF技术的SAR系统具有良好的系统灵敏度和可接受的模糊性能，但是基于DBF技术的俯仰多孔径增加了数据量和硬件复杂度。对于盲区问题，可由变重频技术解决。目前变重频采样方式主要采用线性变化采样方式，但由于其较高旁瓣，在成像时会有虚假目标产生，影响成像质量。

发明内容

针对上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法及系统，能够在解决远近距端之间干扰问题和盲区问题的同时降低计算复杂度，提高成像质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一方面，本发明提供一种基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法，包括：

以满足超大幅宽SAR的工作分辨率为目标，基于高斯随机采样方法生成多个方位向随机采样时刻；

在每个方位向随机采样时刻，生成并发射混沌调频信号；

根据在所有方位向随机采样时刻采集的超大幅宽SAR的原始回波信号构建回波矩阵；

基于回波矩阵和超大幅宽SAR的工作参数进行成像，得到观测场景的成像结果。

可选地，所述基于高斯随机采样方法生成多个方位向随机采样时刻，具体包括：

基于高斯随机采样方法生成多个方位向随机采样时刻，以构成方位向随机采样时刻序列ta＝[η

可选地，所述在每个方位向随机采样时刻，生成并发射混沌调频信号，具体包括：

在每个方位向随机采样时刻，生成不同的混沌序列矩阵；

基于混沌序列矩阵进行积分调频，生成混沌调频信号；

基于每个方位向随机采样时刻对应生成的混沌调频信号构建SAR发射信号矩阵并进行发射。

可选地，所述基于回波矩阵和超大幅宽SAR的工作参数进行成像，得到观测场景的成像结果，具体包括：

对回波矩阵中的原始回波信号进行时域徙动校正，得到时域徙动校正后的回波信号；

根据时域徙动校正后的回波信号和超大幅宽SAR的工作参数，利用稀疏贝叶斯学习算法进行相位补偿和相干积累，获得观测场景的成像结果。

另一方面，本发明还提供一种基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像系统，包括：

随机采样时刻生成模块，用于以满足超大幅宽SAR的工作分辨率为目标，基于高斯随机采样方法生成多个方位向随机采样时刻；

混沌调频信号生成模块，用于在每个方位向随机采样时刻，生成并发射混沌调频信号；

回波矩阵构建模块，用于根据在所有方位向随机采样时刻采集的超大幅宽SAR的原始回波信号构建回波矩阵；

成像模块，用于基于回波矩阵和超大幅宽SAR的工作参数进行成像，得到观测场景的成像结果。

可选地，所述随机采样时刻生成模块具体包括：

随机采样时刻生成单元，用于基于高斯随机采样方法生成多个方位向随机采样时刻，以构成方位向随机采样时刻序列ta＝[η

可选地，所述混沌调频信号生成模块具体包括：

混沌序列生成单元，用于在每个方位向随机采样时刻，生成不同的混沌序列矩阵；

混沌调频信号生成单元，用于基于混沌序列矩阵进行积分调频，生成混沌调频信号；

混沌调频信号发射单元，用于基于每个方位向随机采样时刻对应生成的混沌调频信号构建SAR发射信号矩阵并进行发射。

可选地，所述成像模块具体包括：

时域徙动校正单元，用于对回波矩阵中的原始回波信号进行时域徙动校正，得到时域徙动校正后的回波信号；

成像单元，用于根据时域徙动校正后的回波信号和超大幅宽SAR的工作参数，利用稀疏贝叶斯学习算法进行相位补偿和相干积累，获得观测场景的成像结果。

再一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法。

可选地，所述存储器为非暂态计算机可读存储介质。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法及系统，针对超大幅宽SAR的回波接收窗超出限定PRT(Pulse Repetition Time，脉冲重复周期)约束而导致的近距端和远距端之间的干扰问题，通过发射混沌调频信号，使得远距回波信号的调频率和混叠的近距端回波信号调频率存在显著差异，从而避免脉冲压缩后的互相干扰；针对重频引起的发射脉冲遮挡盲区问题，采用随机变重频的方位向采样方式，将盲区分散在整个幅宽范围内，从而避免特定区域始终无法接收到回波的情况，降低了系统复杂度，挖掘了非均匀采样的潜力，提高了地球重访周期和捕获目标的效率，实现了高分辨率高分宽幅成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的超大幅宽SAR成像系统中存在的问题示意图；

图3为本发明实施例提供的SAR系统发生远近端回波混叠的成像流程示意图；

图4为本发明实施例提供的以点目标为目标的成像结果示意图，其中图4(a)为发射线性调频信号时近距端基于距离多普勒算法的传统固定重频合成孔径雷达成像结果示意图，图4(b)为发射线性调频信号时混叠远距端回波入近距端的随机变重频合成孔径雷达成像结果示意图，图4(c)为发射混沌调频信号时混叠远距端回波入近距端近距端基于本发明方法的随机变重频合成孔径雷达成像结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

超大幅宽SAR系统在保持方位分辨率的情况下，可以实现无模糊连续幅宽覆盖，有效地提高了地球重访周期和捕获目标的效率，为此本发明研究超大幅宽SAR成像系统。为降低系统复杂度和进一步挖掘非均匀采样的潜力，本发明提出一种可以克服超大幅宽观测和分辨率之间矛盾的基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法及系统，能够在解决远近距端之间干扰问题和盲区问题的同时进一步挖掘非均匀采样的潜力，降低计算复杂度，提高重访周期和成像质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一种基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法的流程图。参见图1，本发明一种基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法，包括：

步骤1：以满足超大幅宽SAR的工作分辨率为目标，基于高斯随机采样方法生成多个方位向随机采样时刻。

参见图2，目前超大幅宽SAR系统工作过程中，普遍存在远近距端之间的回波干扰问题和由于发射和接收之间的遮挡而导致的盲区问题。为避免重频引起的发射脉冲遮挡问题，本发明采用随机变重频的方位向采样方式，将盲区分散在整个幅宽范围内，从而避免特定区域始终无法接收到回波的问题。

随机采样的方法有很多种，为将盲区更均匀地分布在整个观测幅宽上，本发明实施例对此作具体的设定，仅以高斯分布进行随机采样时刻的分布。具体地，本发明根据高斯随机采样方法生成多个方位向随机采样时刻η

另外，为了保证孔径时间以确保分辨率，生成的随机采样时刻需满足η

步骤2：在每个方位向随机采样时刻，生成并发射混沌调频信号。

为避免图3所示超大幅宽中远近距端之间的回波干扰问题，本发明首先由混沌电路生成多个混沌序列，然后基于混沌序列进行调频，生成混沌调频信号并发射。

所述步骤2具体包括：

步骤2.1：在每个方位向随机采样时刻，生成不同的混沌序列矩阵。

在每个方位向随机采样时刻η

其中对于由Bernoulli分布生成的混沌序列，即

对于由Tent分布生成的混沌序列，即

混沌序列由混沌映射关系决定，在Bernoulli分布和Tent分布，任选其一。在不同的方位向随机采样时刻，不同的初值c

其中，c

步骤2.2：基于混沌序列矩阵进行积分调频，生成混沌调频信号。

基于上述生成的混沌序列矩阵C

其中，

以上公式中，t是距离向时间，

步骤2.3：基于每个方位向随机采样时刻对应生成的混沌调频信号构建SAR发射信号矩阵并进行发射。

依据上述映射关系构建SAR发射信号矩阵，表示为：

其中，

可以理解的是，本发明实施例对方位向随机采样点数不作具体的设定，本领域技术人员可以根据实际情况进行合适的调整。

步骤3：根据在所有方位向随机采样时刻采集的超大幅宽SAR的原始回波信号构建回波矩阵。

基于混沌调频信号的超大幅宽SAR的原始回波信号像素点是二维矩阵，则接收到的回波矩阵可以表示为：

其中，S

步骤4：基于回波矩阵和超大幅宽SAR的工作参数进行成像，得到观测场景的成像结果。

确定超大幅宽SAR的观测场景，并对回波矩阵中的原始回波信号进行时域徙动校正，根据时域徙动校正后的回波信号和超大幅宽SAR的工作参数，利用稀疏贝叶斯学习算法进行相位补偿和相干积累，从而获得观测场景的成像结果。

针对超大幅宽SAR的回波接收窗超出限定PRT约束而导致的近距端和远距端之间的干扰问题，本发明通过发射混沌调频信号，使得远距回波信号的调频率和混叠的近距端回波信号调频率存在显著差异，从而避免脉冲压缩后的互相干扰。针对重频引起的发射脉冲遮挡问题，本发明采用随机变重频的方位向采样方式，将盲区分散在整个幅宽范围内，从而避免特定区域始终无法接收到回波。最后结合时域徙动校正和稀疏贝叶斯学习，场景的散射信息得以重建，从而实现超大幅宽成像和观测。

下面以点目标图像为例，采用仿真验证本发明方法的成像效果，仿真实施参数如表1所示。

表1仿真参数

图4示出了本发明实施例提供的以点目标为目标的成像结果，其中图4(a)为发射线性调频信号时近距端基于距离多普勒算法的传统固定重频合成孔径雷达成像结果示意图，图4(b)为发射线性调频信号时混叠远距端回波入近距端的随机变重频合成孔径雷达成像结果示意图，图4(c)为发射混沌调频信号时混叠远距端回波入近距端近距端基于本发明方法的随机变重频合成孔径雷达成像结果示意图。直接对比图4所示重构结果可以发现，本发明提出的方法可以在保持分辨率的情况下实现超大幅宽的观测。

基于本发明提供的方法，本发明还提供一种基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像系统，包括：

随机采样时刻生成模块，用于以满足超大幅宽SAR的工作分辨率为目标，基于高斯随机采样方法生成多个方位向随机采样时刻；

混沌调频信号生成模块，用于在每个方位向随机采样时刻，生成并发射混沌调频信号；

回波矩阵构建模块，用于根据在所有方位向随机采样时刻采集的超大幅宽SAR的原始回波信号构建回波矩阵；

成像模块，用于基于回波矩阵和超大幅宽SAR的工作参数进行成像，得到观测场景的成像结果。

其中，所述随机采样时刻生成模块具体包括：

随机采样时刻生成单元，用于基于高斯随机采样方法生成多个方位向随机采样时刻，以构成方位向随机采样时刻序列ta＝[η

所述混沌调频信号生成模块具体包括：

混沌序列生成单元，用于在每个方位向随机采样时刻，生成不同的混沌序列矩阵；

混沌调频信号生成单元，用于基于混沌序列矩阵进行积分调频，生成混沌调频信号；

混沌调频信号发射单元，用于基于每个方位向随机采样时刻对应生成的混沌调频信号构建SAR发射信号矩阵并进行发射。

所述成像模块具体包括：

时域徙动校正单元，用于对回波矩阵中的原始回波信号进行时域徙动校正，得到时域徙动校正后的回波信号；

成像单元，用于根据时域徙动校正后的回波信号和超大幅宽SAR的工作参数，利用稀疏贝叶斯学习算法进行相位补偿和相干积累，获得观测场景的成像结果。

为解决超大幅宽回波接收窗超过限定的脉冲重复周期问题，本发明通过发射混沌调频信号，使得远距处的回波脉冲的调频率与混叠的近距处的回波脉冲存在显著差异，从而避免了脉冲压缩后相互干扰的问题；在此基础上，本发明将脉冲重复周期由固定改为随机，使得发射脉冲遮挡导致的盲距分布在整个幅宽内，从而避免了特定距离处始终无法收到回波的问题；最后，本发明结合时域徙动校正与稀疏贝叶斯学习，使得场景的散射信息得以重建，从而实现了高分宽幅成像。

进一步地，本发明还提供一种电子设备，该设备可以包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的计算机程序，以执行基于混沌调频信号的超大幅宽SAR成像方法。

此外，上述的存储器中的计算机程序通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个非暂态计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

针对现有超大幅宽SAR系统中回波接收窗超出限定PRT约束而导致的元近距端之间的干扰问题，本发明通过发射混沌调频信号，使得远近距端的调频率存在显著差异，避免二者之间的干扰。另外，针对固定重频时发射脉冲遮挡引起特定区域无法接收回波的问题，本发明采用随机变重频的方位向采样方式，将盲区分散在整个幅宽范围上，提出一种基于混沌调频信号的超大幅宽星载SAR成像方法、系统及设备。因此与现有技术相比，本发明至少具有以下优势：

(1)本发明通过发射混沌调频信号，具有较低的距离向旁瓣和较好的距离模糊性能，避免了远近距端之间的干扰；

(2)本发明方位向采用随机变重频的采样方式，挖掘了非均匀采样方法的优势，使得盲区更均匀地分布在整个场景上，进一步降低了过采样率，增加了成像处理过程中的稳定性；

(3)本发明结合时域徙动校正，基于稀疏贝叶斯学习算法的重建算法误差小，旁瓣低，重建性能好，能够获得高分辨率的成像结果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。