CN104008270A - 一种周期非均匀采样sar信号的多通道重建方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种周期非均匀采样合成孔径雷达(SAR)信号的多通道重建方法，该方法包括：周期的改变雷达发射机的脉冲重复频率，获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号，根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组，获得多通道重建后的信号功率，再联合所述欠定线性方程组和所述信号功率的最小化条件，获得最优的重建滤波器，利用所述最优的重建滤波器完成多通道重建。

Description

一种周期非均匀采样SAR信号的多通道重建方法和装置

技术领域

本发明涉及周期非均匀合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)信号的恢复问题，尤其涉及一种周期非均匀采样SAR信号的多通道重建方法和装置。

背景技术

随着新体制新概念SAR的发展，方位向SAR信号的周期非均匀采样问题成为许多新体制SAR的一个主要问题，普遍存在于分离相位中心多波束SAR、多平台多基SAR和捷变脉冲重复频率SAR中。为了恢复出均匀采样信号，一种有效的方法是采用多通道重建算法。

然而，由于系统噪声和天线旁瓣的影响，多通道重建会放大噪声功率和方位模糊信号功率。并且，非均匀采样越严重，噪声功率和方位模糊功率就被放大的越多，对雷达系统的性能和雷达图像的影响就会越大。

发明内容

为解决现有存在的问题，本发明主要提供一种周期非均匀采样SAR信号的多通道重建方法和装置，使得在恢复天线主瓣内信号的同时，最小化干扰信号，提高雷达系统的性能和雷达图像的质量。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种周期非均匀采样SAR信号的多通道重建方法，该方法包括：

周期的改变雷达发射机的脉冲重复频率，获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号；

根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组；

获得多通道重建后的信号功率；

联合所述欠定线性方程组和所述信号功率的最小化条件，获得最优的重建滤波器，利用所述最优的重建滤波器完成多通道重建。

上述方案中，所述获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号为：由于周期的改变了雷达发射机脉冲重复频率，得到的回波信号在方位向为周期非均匀采样的SAR回波信号，并将一个周期内的多个非均匀采样点看作来自不同的通道，脉冲重复频率的变化特征决定各个通道的多通道特征。

上述方案中，所述根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组为：根据周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征确定预滤波器矩阵，再根据所述预滤波器矩阵构建约束重建滤波器的欠定线性方程组。

上述方案中，所述预滤波器矩阵H_M×N为：

其中，CRF表示周期重复频率；N表示一个周期内的N个非均匀采样点，非均匀采样信号来源于N个通道；M表示处理的频带个数；H_i(f)表示N个通道中第i个通道的特征滤波器，为：

H_i(f)＝exp{-j2πf·t_i}

其中，t_i表示第i个通道相对于参考通道的延时；j表示虚数单位；f表示方位频率，且f∈I₁，I_j表示第j个频带的频率范围，为：

$I_j=(-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+(j-1)\mathrm{CRF},-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+j\·\mathrm{CRF}),j=1,\·\·\·,M.$

上述方案中，所述欠定线性方程组为：

H_M×N·P_j＝A，j＝1，2，…，M

其中，P_j表示第j个处理频带对应的重建滤波器向量；A＝[a₁，...，a_j，...，a_M]^T，其中，a_j＝1表示保留第j个处理频带对应的频谱，a_k＝0(k＝1,2，...，M,k≠j)表示抑制其它M-1个处理频带对应的频谱。

上述方案中，所述获得多通道重建后的信号功率为：确定通道的协方差矩阵，根据所述协方差矩阵得到多通道重建后的信号功率。

上述方案中，所述通道的协方差矩阵为：

R_S＝E{S^H(f)S(f)}

其中，E{·}表示求期望；·^H表示求向量或矩阵的共轭转置；向量S表示由各个通道的信号构成的向量，所述向量S为：

S＝[S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)]

其中，S_i(f)，i＝1,2，…，N表示N个通道中第i个通道的信号。

上述方案中，所述多通道重建后的信号功率为：E(|SP_j|²)＝{P_j ^HR_SP_j}。

上述方案中，所述联合所述欠定方程组和信号功率最小化条件，获得最优的重建滤波器为：联合所述欠定方程组和信号功率最小化条件得到一个线性约束最小化功率(LCMP)，为：

$\left\{\begin{array}{c}\min \mathrm{imizeE}\left({\left|{\mathrm{SP}}_j\right|}^2\right)=\min \left\{{P_j}^H{R}_S{P}_j\right\}\\ \mathrm{subjectto}{H}_{M\×N}\·P_j=A,j=\mathrm{1,2},\·\·\·,M\end{array}\right.$

利用拉格朗日乘子法求解所述LCMP，获得最优的重建滤波器为：P_j＝(R_S ^-1)H^H(HR_S ^-1H^H)^-1A。

上述方案中，所述利用最优的重建滤波器完成多通道重建为：将各个通道的信号组成的行向量S乘以所述最优的重建滤波器列向量P_j得到第j个处理频带的频谱，将M个处理频带的频谱连接起来，获得重建后的均匀采样信号。

本发明还提供一种周期非均匀采样合成孔径雷达SAR信号的多通道重建装置，该多通道重建装置包括：信号获取模块、方程构建模块、信号功率确定模块和重建模块；其中，

信号获取模块，用于周期的改变雷达发射机的脉冲重复频率，获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号；

方程构建模块，用于根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组；

信号功率确定模块，用于获得重建后的信号功率；

重建模块，用于联合所述欠定线性方程组和所述信号功率的最小化条件，获得最优的重建滤波器，利用所述重建滤波器完成多通道重建。

上述方案中，所述方程构建模块，具体用于根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征确定预滤波器矩阵H_M×N，再根据所述预滤波器矩阵H_M×N构建约束重建滤波器的欠定线性方程组。

上述方案中，所述预滤波器矩阵H_M×N为：

其中，CRF表示周期重复频率；H_i(f)表示N个通道中第i个通道的特征滤波器，为：

H_i(f)＝exp{-j2πf·t_i}

其中，t_i表示第i个通道相对于参考通道的延时；j表示虚数单位；f表示方位频率，且f∈I₁，I_j表示第j个频带的频率范围，为：

$I_j=(-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+(j-1)\mathrm{CRF},-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+j\·\mathrm{CRF}),j=1,\·\·\·,M.$

上述方案中，所述欠定线性方程组为：

H_M×N·P_j＝A，j＝1，2，…，M

其中，P_j表示第j个处理频带对应的重建滤波器向量；A＝[a₁，...，a_j，...，a_M]^T，其中，a_j＝1表示保留第j个处理频带对应的频谱，a_k＝0(k＝1,2，...，M,k≠j)表示抑制其它M-1个处理频带对应的频谱；N表示一个周期内的N个非均匀采样点，非均匀采样信号来源于N个通道；M表示处理的频带个数。

上述方案中，所述信号功率确定模块，具体用于确定通道的协方差矩阵，再根据所述协方差矩阵得到重建后的信号功率。

上述方案中，所述通道的协方差矩阵为：

R_S＝E{S^H(f)S(f)}

其中，E{·}表示求期望；·^H表示求向量或矩阵的共轭转置；向量S表示由各个通道的信号构成的向量，所述向量S为：

S＝[S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)]

其中，S_i(f)，i＝1,2，...，N表示N个通道中第i个通道的信号。

上述方案中，所述确定的重建后的信号功率为：E(|SP_j|²)＝{P_j ^HR_SP_j}。

上述方案中，所述重建模块，具体用于联合所述欠定方程组和信号功率最小化条件得到一个线性约束最小化功率(LCMP)：

$\left\{\begin{array}{c}\min \mathrm{imizeE}\left({\left|{\mathrm{SP}}_j\right|}^2\right)=\min \left\{{P_j}^H{R}_S{P}_j\right\}\\ \mathrm{subjectto}{H}_{M\×N}\·P_j=A,j=\mathrm{1,2},\·\·\·,M\end{array}\right.$

并利用拉格朗日乘子法求解所述LCMP，获得最优的重建滤波器为：P_j＝(R_S ^-1)H^H(HR_S ^-1H^H)^-1A。

上述方案中，所述重建模块，具体还用于将各个通道的信号组成的行向量S乘以所述最优的重建滤波器列向量P_j得到第j个处理频带的频谱，将M个处理频带的频谱连接起来，获得重建后的均匀采样信号。

本发明所述提供的一种周期非均匀采样SAR信号的多通道重建方法和装置，周期的改变雷达发射机的脉冲重复频率，获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号，根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组，确定各通道的协方差矩阵，获取重建后的信号功率，并联合所述欠定线性方程组和信号最小化条件，获得最优的重建滤波器，利用所述最优的重建滤波器完成多通道重建；如此，不仅可以恢复出天线主瓣内信号，重建出天线波束3dB范围内的有用信号，又可以将方位模糊信号和噪声信号的功率最小化，提高方位模糊和等效后向散射系数，从而提高雷达系统的性能和雷达图像质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的周期非均匀采样SAR信号的多通道重建方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的周期非均匀采样信号的分布示意图；

图3为本发明实施例提供的重建后的均匀采样信号分布示意图；

图4为本发明实施例提供的周期非均匀采样SAR信号的多通道重建装置结构示意图；

图5为本发明实施例提供的时间连续信号、采样后单通道信号和多通道重建信号的空频关系图；

图6为本发明实施例提供的周期非均匀采样信号的具体示例图；

图7为本发明实施例提供的理想均匀采样情况下的成像结果图；

图8为本发明实施例提供的传统多通道重建(M＝8)后的成像结果图；

图9为本发明实施例提供的改进的多通道重建(M＝7)后的成像结果图；

图10为本发明实施例提供的M＝7和M＝8时的重建滤波器向量的范数比较图。

具体实施方式

本发明实施例中，周期的改变雷达发射机的脉冲重复频率，获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号，根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组，获得重建后的信号功率，并联合所述欠定线性方程组和信号功率的最小化条件，获得最优的重建滤波器，利用所述重建滤波器完成多通道重建。

下面通过附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明实施例提供的周期非均匀采样SAR信号的多通道重建方法的流程示意图如图1所示，该多通道重建方法主要包括以下步骤：

步骤101：周期的改变雷达发射机的脉冲重复频率，获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号；

具体的，由于周期的改变了雷达发射机的脉冲重复频率，使获得的方位向回波信号为周期非均匀采样的SAR回波信号；并将一个周期内的多个非均匀采样点看作来自不同的通道，所述脉冲重复频率的变化特征决定了各个通道的多通道特征；

雷达发射信号不是持续发射的，而是发射具有时间间隔的脉冲信号，雷达接收机接收到的回波信号是二维信号，分为方位向和距离向，接收到的方位向信号为离散信号，其两个采样点之间的间隔为1/脉冲重复频率，因此，在实际应用中，脉冲重复频率的周期性变化，就会造成方位向信号的非均匀采样，获得的方位向SAR回波信号是周期非均匀的信号。

步骤102：根据周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组；

具体的，根据周期非均匀采样SAR回波信号的多通道特征确定预滤波器矩阵，再根据所述预滤波器矩阵构建约束重建滤波器的欠定线性方程组；

周期非均匀采样信号的分布如图2所示，其中，t_a表示方位时间；T表示一个周期；图中一个周期T内有N个非均匀采样点，整个非均匀采样信号可看成来源于N个通道，假设以通道1为参考，第i个通道相对于参考通道的延时为t_i，N个通道中第i个通道特征滤波器为：

H_i(f)＝exp{-j2πf·t_i}       (1)

其中，j表示虚数单位；f表示方位频率；

图3所示为重建后的均匀采样信号分布图，其中，M表示处理频带的个数，其中T_e表示等效的均匀采样间隔；本发明提供的改进的多通道重建方法中，M小于等于N；

根据上述通道特征滤波器可得预滤波器矩阵H_M×N为：

其中，CRF表示周期重复频率；且方位频率f∈I₁，I_j表示第j个频带的频率范围，为： $I_j=(-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+(j-1)\mathrm{CRF},-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+j\·\mathrm{CRF}),j=1,\·\·\·,M;---\left(3\right)$

根据上述预滤波器矩阵所构建的欠定线性方程组为：

H_M×N·P_j＝A，j＝1，2，…，M            (4)

其中，P_j表示第j个处理频带对应的重建滤波器向量；A＝[a₁，...，a_j，...，a_M]^T，其中，a_j＝1表示保留第j个处理频带对应的频谱，a_k＝0(k＝1,2，...，M,k≠j)表示抑制其它M-1个处理频带对应的频谱。

步骤103：获得重建后的信号功率；

具体的，确定通道的协方差矩阵，再根据所述协方差矩阵得到重建后的信号功率；

确定协方差矩阵需要首先确定由各个通道的信号构成的向量S，所述向量S为：

S＝[S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)]              (5)

其中，S_i(f)，i＝1,2，...，N表示N个通道中第i个通道的信号；所以，由向量S构成的协方差矩阵为：

R_S＝E{S^H(f)S(f)}       (6)

其中，E{·}表示求期望；·^H表示求向量或矩阵的共轭转置；

多通道重建后的信号功率由将向量S与重建滤波器向量P_j相乘获得，为：

E(|SP_j|²)＝{P_j ^HR_SP_j}        (7)

所述多通道重建后的信号功率中包括：主瓣内信号功率、旁瓣内信号功率和噪声功率；当所述重建滤波器满足(4)式的欠定线性方程组时，信号功率中的主瓣内信号功率保持不变。

步骤104：联合所述欠定线性方程组和所述信号功率最小条件，获得最优的重建滤波器，利用所述最优的重建滤波器完成多通道重建；

具体的，所述信号功率最小化条件为步骤102中所获得的多通道重建后的信号功率最小时所需满足的条件，该最小化条件用下式表示：

minimize E(|SP_j|²)＝min{P_j ^HR_SP_j}      (8)

将所述欠定线性方程组(4)和上述信号功率最小化条件(8)联合起来得到的方程组为线性约束最小化功率(LCMP，Linear Constraint Minimize Power)：

$\left\{\begin{array}{c}\min \mathrm{imizeE}\left({\left|{\mathrm{SP}}_j\right|}^2\right)=\min \left\{{P_j}^H{R}_S{P}_j\right\}\\ \mathrm{subjectto}{H}_{M\×N}\·P_j=A,j=\mathrm{1,2},\·\·\·,M\end{array}\right.---\left(9\right)$

利用拉格朗日乘子法求解上述LCMP方程组，获得最优的重建滤波器为：

P_j＝(R_S ^-1)H^H(HR_S ^-1H^H)^-1A       (10)

当M＝N时，所述,P_j＝H^-1A与常规重建滤波器相同；

根据所述最优的重建滤波器完成多通道重建，具体的，将各个通道的信号组成的行向量S乘以最优的重建滤波器列向量P_j得到第j个处理频带的频谱，将M个处理频带的频谱连接起来，得到重建后的均匀采样信号。

本发明实施例还提供一种周期非均匀采样SAR信号的多通道重建装置，该多通道重建装置的结构如图4所示，包括：信号获取模块40、方程构建模块41、信号功率确定模块42和重建模块43；其中，

信号获取模块40，用于周期的改变雷达发射机的脉冲重复频率，获得方位向周期非均匀的SAR回波信号；

由于周期的改变了雷达发射机的脉冲重复频率，所以，获得的方位向回波信号为周期非均匀采样的SAR回波信号；将一个周期内的多个非均匀采样点看作来自不同的通道，所述脉冲重复频率的变化特征决定了各个通道的多通道特征；

方程构建模块41，用于根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组；

信号功率确定模块42，用于获得重建后的信号功率；

重建模块43，用于联合所示欠定线性方程组和所示信号功率的最小条件，获得最优的重建滤波器，利用所述重建滤波器完成多通道重建；

所述方程构建模块41，具体用于根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征确定预滤波器矩阵H_M×N，再根据所述预滤波器矩阵H_M×N构建约束重建滤波器的欠定线性方程组；

如图2所示的周期非均匀采样信号分布中，一个周期T内有N个非均匀采样点，将整个非均匀采样信号看成来源于N个通道，假设以通道1为参考，第i个通道相对于参考通道的延时即为t_i，N个通道中第i通道特征滤波器为：

H_i(f)＝exp{-j2πf·t_i}         (1)

其中，j表示虚数单位；f表示方位频率；

如图3所示的重建后均匀信号分布图，其中，一个周期T内有M个处理频带；

根据所示通道特征滤波器可得预滤波器矩阵H_M×N为：

其中，CRF表示周期重复频率；且方位频率f∈I₁，其中，I_j表示第j个频带的频率范围，为： $I_j=(-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+(j-1)\mathrm{CRF},-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+j\·\mathrm{CRF}),j=1,\·\·\·,M;---\left(3\right)$

根据上述预滤波器矩阵H_M×N所构建的欠定线性方程组为：

H_M×N·P_j＝A，j＝1，2，…，M            (4)

其中，P_j表示第j个处理频带对应的重建滤波器向量；A＝[a₁，...，a_j，...，a_M]^T，其中，a_j＝1表示保留第j个处理频带对应的频谱，a_k＝0(k＝1,2，...，M,k≠j)表示抑制其它M-1个处理频带对应的频谱；

信号功率确定模块42，具体用于确定通道的协方差矩阵，再根据所述协方差矩阵得到重建后的信号功率；

通道的协方差矩阵由通道的信号构成的向量S确定，向量S为：

S＝[S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)]        (5)

其中，S_i(f)，i＝1,2，...，N表示N个通道中第i个通道的信号；

根据向量S确定的通道的协方差矩阵为：

R_S＝E{S^H(f)S(f)}            (6)

根据所述协方差矩阵所得的重建后的信号功率为：

E(|SP_j|²)＝{P_j ^HR_SP_j}       (7)

所述重建模块43，具体用于联合所述欠定线性方程组(4)和信号功率最小化条件，得到一个线性约束最小化功率问题；

所述信号功率最小化条件即为(7)最小时的条件，可表示为下式：

minimize E(|SP_j|²)＝min{P_j ^HR_SP_j}        (8)

将所述欠定线性方程组(4)和信号功率最小化条件(8)联合起来，得到线性约束最小化功率：

$\left\{\begin{array}{c}\min \mathrm{imizeE}\left({\left|{\mathrm{SP}}_j\right|}^2\right)=\min \left\{{P_j}^H{R}_S{P}_j\right\}\\ \mathrm{subjectto}{H}_{M\×N}\·P_j=A,j=\mathrm{1,2},\·\·\·,M\end{array}\right.---\left(9\right)$

利用拉格朗日乘子法求解上述方程组(9)，得到最优的重建滤波器为：

P_j＝(R_S ^-1)H^H(HR_S ^-1H^H)^-1A      (10)

所述重建模块43，还用于将各个通道的信号组成的行向量S乘以所述最优的重建滤波器列向量P_j得到第j个处理频带的频谱，将M个处理频带的频谱连接起来，就可以得到重建后的均匀采样信号；

上述采样模块40可以由硬件采样电路实现，具体可以使用模数转换A/D芯片来完成；

上述方程构建模块41、信号功率确定模块42和重建模块43都可以在计算机的CPU上实现，也可以由其它信号处理设备中的信号处理芯片实现，如DSP、ARM、FPGA等。

时间连续信号、采样后的单通道信号和多通道重建信号的空频关系如图5所示，其中θ为瞬时斜视角，P_ij为向量P_j的第i个元素，B_d为3dB多普勒带宽；

图5中，横轴f表示信号频率，纵轴为θ的正弦值，连续信号经过采样后得到单通道采样信号，采样后离散信号的频带有限，采样后信号在周期重复频率CRF之间；对采样后的单通道信号经过本发明上述实施例所提供的多通道重建方法进行重建，得到多通道重建信号，B_d所示为3dB的多普勒带宽，在此范围内，图中深色阴影部分表示有用信号，浅色阴影部分表示干扰信号，本发明提出的多通道重建方法和装置的目的在于使图中的干扰信号达到最小。

图6所示为本发明实施例提供周期非均匀采样信号的一个具体示例；周期非均匀信号分布如图6所示，一个周期T等分成8段，可以看出周期T内的8个采样点是非均匀分布的。

对于不同的重建频带个数，利用(10)求出的重建滤波器进行多通道重建后成像的图像也不同；

例如，系统的各项参数如表1所示：

在表1所示的系统参数下，理想均匀采样情况下的成像结果如图7所示；

图右侧的灰度级别表示信号能量，左侧图中的背景颜色越深表示信号能量越小；左侧图像中方向位0处的图像A表示有用信号，上下两侧的A表示干扰信号，干扰信号的能量为所有干扰信号能量的加权，由图中可以看出，理想均匀采样情况下，背景颜色非常深，大概在灰度级别的-58左右，说明干扰信号的能量很小；

周期非均匀采样，传统多通道重建(处理频带的个数M＝8)后，成像结果如图8所示；

该情况下，由背景颜色的灰度级别可以看出信号能量大概在-35左右，所以干扰信号的能量显然比理想情况(图7)要大的多；

周期非均匀采样，本发明提供的改进的多通道重建(处理频带的个数M＝7)后，成像结果如图9所示；

该情况下，由背景颜色的灰度级别可以看出信号能量大约在-50左右，干扰信号的能量较小；

对比图8与图9，可以看出：减小处理频带的个数，并利用本发明提供多通道重建方法，以最优的重建滤波器进行多通道重建得到的方位模糊和信噪比比常规多通道重建方法(图8所示，M＝8)得到的要好；因为，M＝7时，各个频点的重建滤波器向量范数(干扰信号放大倍数)比M＝8时小的多，图10所示为M＝8和M＝7时的范数值，图中，||·||₂表示求2-范数，虚线表示M＝8时的重建滤波器向量范数，实线表示M＝7时的重建滤波器向量范数。

本申请是根据实施例提供的方法、装置或计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本发明实施例周期的改变雷达发射机的脉冲重复频率，获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号，根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组，获得多通道重建后的信号功率，再联合所述欠定线性方程组和所述信号功率的最小化条件，获得最优的重建滤波器，利用所述最优的重建滤波器完成多通道重建，不仅可以重建出天线波束3dB范围内的有用信号，而且能最小化由方位模糊和噪声组成的干扰信号功率，提高方位模糊和等效后向散射系统。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种周期非均匀采样合成孔径雷达SAR信号的多通道重建方法，其特征在于，所述多通道重建方法包括：

周期的改变雷达发射机的脉冲重复频率，获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号；

根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组；

获得多通道重建后的信号功率；

联合所述欠定线性方程组和所述信号功率的最小化条件，获得最优的重建滤波器，利用所述最优的重建滤波器完成多通道重建。

2.根据权利要求1所述的多通道重建方法，其特征在于，所述获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号为：由于周期的改变了雷达发射机脉冲重复频率，得到的回波信号在方位向为周期非均匀采样的SAR回波信号，并将一个周期内的多个非均匀采样点看作来自不同的通道，脉冲重复频率的变化特征决定各个通道的多通道特征。

3.根据权利要求1所述的多通道重建方法，其特征在于，所述根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组为：根据周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征确定预滤波器矩阵，再根据所述预滤波器矩阵构建约束重建滤波器的欠定线性方程组。

4.根据权利要求3所述的多通道重建方法，其特征在于，所述预滤波器矩阵H_M×N为：

其中，CRF表示周期重复频率；N表示一个周期内的N个非均匀采样点，非均匀采样信号来源于N个通道；M表示处理的频带个数；H_i(f)表示N个通道中第i个通道的特征滤波器，为：

H_i(f)＝exp{-j2πf·t_i}

其中，t_i表示第i个通道相对于参考通道的延时；j表示虚数单位；f表示方位频率，且f∈I₁，I_j表示第j个频带的频率范围，为：

$I_j=(-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+(j-1)\mathrm{CRF},-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+j\·\mathrm{CRF}),j=1,\·\·\·,M.$

5.根据权利要求4所述的多通道重建方法，其特征在于，所述欠定线性方程组为：

H_M×N·P_j＝A，j＝1，2，…，M

其中，P_j表示第j个处理频带对应的重建滤波器向量；A＝[a₁，...，a_j，...，a_M]^T，其中，a_j＝1表示保留第j个处理频带对应的频谱，a_k＝0(k＝1,2，...，M,k≠j)表示抑制其它M-1个处理频带对应的频谱。

6.根据权利要求1所述的多通道重建方法，其特征在于，所述获得多通道重建后的信号功率为：确定通道的协方差矩阵，根据所述协方差矩阵得到多通道重建后的信号功率。

7.根据权利要求6所述的多通道重建方法，其特征在于，其中，所述通道的协方差矩阵为：

R_S＝E{S^H(f)S(f)}

其中，E{·}表示求期望；·^H表示求向量或矩阵的共轭转置；向量S表示由各个通道的信号构成的向量，所述向量S为：

S＝[S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)]

其中，S_i(f)，i＝1,2，…，N表示N个通道中第i个通道的信号。

8.根据权利要求7所述的多通道重建方法，其特征在于，所述多通道重建后的信号功率为：E(|SP_j|²)＝{P_j ^HR_SP_j}。

9.根据权利要求1至8任一项所述的多通道重建方法，其特征在于，所述联合所述欠定方程组和信号功率最小化条件，获得最优的重建滤波器为：联合所述欠定方程组和信号功率最小化条件得到一个线性约束最小化功率(LCMP)，为：

$\left\{\begin{array}{c}\min \mathrm{imizeE}\left({\left|{\mathrm{SP}}_j\right|}^2\right)=\min \left\{{P_j}^H{R}_S{P}_j\right\}\\ \mathrm{subjectto}{H}_{M\×N}\·P_j=A,j=\mathrm{1,2},\·\·\·,M\end{array}\right.$

利用拉格朗日乘子法求解所述LCMP，获得最优的重建滤波器为：P_j＝(R_S ^-1)H^H(HR_S ^-1H^H)^-1A。

10.根据权利要求9所述的多通道重建方法，其特征在于，所述利用最优的重建滤波器完成多通道重建为：将各个通道的信号组成的行向量S乘以所述最优的重建滤波器列向量P_j得到第j个处理频带的频谱，将M个处理频带的频谱连接起来，获得重建后的均匀采样信号。

11.一种周期非均匀采样合成孔径雷达SAR信号的多通道重建装置，其特征在于，所述多通道重建装置包括：信号获取模块、方程构建模块、信号功率确定模块和重建模块；其中，

信号获取模块，用于周期的改变雷达发射机的脉冲重复频率，获得方位向周期非均匀采样的SAR回波信号；

方程构建模块，用于根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征构建约束重建滤波器的欠定线性方程组；

信号功率确定模块，用于获得重建后的信号功率；

重建模块，用于联合所述欠定线性方程组和所述信号功率的最小化条件，获得最优的重建滤波器，利用所述重建滤波器完成多通道重建。

12.根据权利要求11所述的多通道重建装置，其特征在于，所述方程构建模块，具体用于根据所述周期非均匀采样的SAR回波信号的多通道特征确定预滤波器矩阵H_M×N，再根据所述预滤波器矩阵H_M×N构建约束重建滤波器的欠定线性方程组。

13.根据权利要求12所述的多通道重建装置，其特征在于，所述预滤波器矩阵H_M×N为：

其中，CRF表示周期重复频率；H_i(f)表示N个通道中第i个通道的特征滤波器，为：

H_i(f)＝exp{-j2πf·t_i}

其中，t_i表示第i个通道相对于参考通道的延时；j表示虚数单位；f表示方位频率，且f∈I₁，I_j表示第j个频带的频率范围，为：

$I_j=(-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+(j-1)\mathrm{CRF},-\frac{M\·\mathrm{CRF}}{2}+j\·\mathrm{CRF}),j=1,\·\·\·,M.$

14.根据权利要求12所述的多通道重建装置，其特征在于，所述欠定线性方程组为：

H_M×N·P_j＝A，j＝1，2，…，M

其中，P_j表示第j个处理频带对应的重建滤波器向量；A＝[a₁，...，a_j，...，a_M]^T，其中，a_j＝1表示保留第j个处理频带对应的频谱，a_k＝0(k＝1,2，...，M,k≠j)表示抑制其它M-1个处理频带对应的频谱；N表示一个周期内的N个非均匀采样点，非均匀采样信号来源于N个通道；M表示处理的频带个数。

15.根据权利要求11所述的多通道重建装置，其特征在于，所述信号功率确定模块，具体用于确定通道的协方差矩阵，再根据所述协方差矩阵得到重建后的信号功率。

16.根据权利要求15所述的多通道重建装置，其特征在于，所述通道的协方差矩阵为：

R_S＝E{S^H(f)S(f)}

其中，E{·}表示求期望；·^H表示求向量或矩阵的共轭转置；向量S表示由各个通道的信号构成的向量，所述向量S为：

S＝[S₁(f)，S₂(f)，...，S_N(f)]

其中，S_i(f)，i＝1,2，…，N表示N个通道中第i个通道的信号。

17.根据权利要求16所述的多通道重建装置，其特征在于，所述确定的重建后的信号功率为：E(|SP_j|²)＝{P_j ^HR_SP_j}。

18.根据权利要求11所述的多通道重建装置，其特征在于，所述重建模块，具体用于联合所述欠定方程组和信号功率最小化条件得到一个线性约束最小化功率(LCMP)：

$\left\{\begin{array}{c}\min \mathrm{imizeE}\left({\left|{\mathrm{SP}}_j\right|}^2\right)=\min \left\{{P_j}^H{R}_S{P}_j\right\}\\ \mathrm{subjectto}{H}_{M\×N}\·P_j=A,j=\mathrm{1,2},\·\·\·,M\end{array}\right.$

并利用拉格朗日乘子法求解所述LCMP，获得最优的重建滤波器为：P_j＝(R_S ^-1)H^H(HR_S ^-1H^H)^-1A。

19.根据权利要求18所述的多通道重建装置，其特征在于，所述重建模块，具体还用于将各个通道的信号组成的行向量S乘以所述最优的重建滤波器列向量P_j得到第j个处理频带的频谱，将M个处理频带的频谱连接起来，获得重建后的均匀采样信号。