基于Matlab使用线性FM波形对带状合成孔径雷达系统建模（附源码）

目录

一、合成孔径雷达成像

 二、雷达配置

三、场景配置

 四、SAR 信号模拟

 五、总结

六、程序

---

此示例说明如何使用线性 FM （LFM） 波形对基于带状图的合成孔径雷达 （SAR） 系统进行建模。SAR是一种侧视机载雷达，与真实孔径雷达相比，可实现的跨距离分辨率要高得多。与使用依赖环境照明获得图像的无源传感器（相机）的传统成像系统相比，使用SAR生成的图像具有其自身的优势，主要与使用有源传感器（雷达）有关。由于使用了有源传感器，因此无论雪、雾或雨，该系统都能提供全天候性能。

此外，将系统配置为在不同频率（如 L、S 或 C 波段）下工作有助于根据不同的穿透深度分析地面上的不同层。由于SAR的分辨率取决于信号和天线配置，因此分辨率可能远高于基于视觉的成像系统。使用带状图模式，此示例执行距离迁移算法 和反向投影算法 的近似形式，以对静止目标进行成像。已选择反向投影算法的近似形式来降低计算复杂性。线性FM波形具有大时间带宽积的优势，发射功率相当低，适用于机载系统。

一、合成孔径雷达成像

SAR 生成二维 （2-D） 图像。飞行方向称为交叉范围或方位方向。天线视孔（宽侧）的方向与飞行路径正交，称为交叉轨道或范围方向。这两个方向为在数据收集窗口期间从天线波束宽度内的区域获得的图像生成所需的尺寸提供了基础。交叉轨道方向是脉冲传输的方向。这个方向为沿飞行路径的目标提供了倾斜范围。然后必须处理每个脉冲的目标反射后接收的能量（用于距离测量和分辨率）。交叉范围或方位方向是飞行路径的方向，处理整个飞行路径上接收到的脉冲的集合是有意义的，以实现所需的测量和分辨率。在两个方向上正确对焦意味着在范围和跨范围方向上成功生成图像。天线波束宽度要求足够宽，以便在平台沿其轨迹移动时，波束长时间照亮目标。这有助于提供更多相位信息。使用 SAR 时经常遇到的关键术语是：

1. 交叉范围（方位角）：此参数定义沿雷达平台飞行路径的范围。

2. 范围：此参数定义与雷达平台飞行路径正交的范围。

3. 快速时间：此参数定义每个脉冲操作的持续时间。

4. 慢时间：此参数定义跨量程时间信息。慢速时间通常定义脉冲沿飞行路径传输的时间实例。

 二、雷达配置

考虑在C波段工作的SAR雷达，载波频率为4 GHz，信号带宽为50 MHz。此带宽产生 3 米的距离分辨率。雷达系统收集与平台运动方向正交的数据，如图所示。接收到的信号是传输信号的延迟副本。延迟通常对应于目标和平台之间的倾斜范围。对于SAR系统，当平台穿过与天线波束方向正交的路径时，倾斜范围随时间变化。本节重点介绍如何定义传输波形的参数。LFM扫描带宽可以根据所需的距离分辨率决定。

设置光速的物理常数。设置 SAR 中心频率。将所需范围和交叉范围分辨率设置为 3 米。信号带宽是从所需距离分辨率得出的参数。在SAR系统中，PRF具有双重含义。PRF不仅确定最大明确范围，而且还用作跨范围方向的采样频率。如果PRF太低而无法达到更高的明确范围，则持续时间更长的脉冲会导致特定区域中的脉冲较少。同时，如果PRF过高，则可以实现跨范围采样，但代价是范围减小。因此，PRF应小于多普勒频率的两倍，并且还应满足最大明确范围的标准。

配置雷达的LFM信号。假设飞机的速度为 100 m/s，飞行时间为 4 秒。配置 SAR 发射器和接收器。天线在与飞行方向正交的宽边方向上看。配置传播通道。

三、场景配置

在此示例中，在下面指定的位置配置了三个静态点目标。所有目标的平均 RCS 值均为 1 平方米。

 四、SAR 信号模拟

以下部分介绍系统如何基于上述配置运行。具体而言，以下部分显示了如何为 SAR 平台执行数据收集。当平台在跨量程方向上移动时，脉冲在与飞行路径正交的方向上发送和接收。脉冲集合给出了平台移动时位于照明区域中的目标的相位历史。目标在照明区域中的位置越长，整个图像的跨范围分辨率就越好，因为范围和跨范围聚焦的过程是针对整个场景的。

可视化接收到的信号。接收到的信号现在可以可视化为在跨量程方向上传输的多个脉冲的集合。这些图显示了三个目标的信号实部。可以清楚地看到范围和跨范围啁啾。目标响应可以看作是重叠的，因为脉冲宽度保持更长以保持平均功率。

 执行范围压缩。接收信号的每一行，包含来自每个脉冲的所有信息，可以进行匹配滤波，以获得衰减或范围压缩的信号。

该图显示了对接收到的信号执行匹配滤波后的响应。三个目标的相程沿交叉范围方向清晰可见，并且已经实现了范围聚焦。

 执行方位角压缩。有多种技术可以处理跨距离数据，并在实现距离压缩后从SAR原始数据中获取最终图像。从本质上讲，距离压缩有助于实现快速时间或距离方向的分辨率，而跨距离方向的分辨率是通过方位角或跨范围压缩来实现的。两种这样的技术是距离迁移算法和反向投影算法，本例演示了这两种技术。

可视化最终的SAR图像。使用距离偏移算法和近似背投影算法绘制聚焦的SAR图像。仅显示通过距离迁移算法形成的图像的一部分，以准确指向目标的位置。

由于此处使用的反向投影是近似形式，因此在反向投影的情况下，方位方向的扩散很明显，而通过距离偏移算法处理的数据表明实现了理论分辨率。

 五、总结

此示例展示了如何在机载数据收集场景中利用 LFM 信号开发 SAR 处理。该示例还展示了如何通过距离偏移和背投算法的近似形式从接收信号生成图像。

六、程序

使用Matlab R2022b版本，点击打开。

 

打开下面的“SyntheticApertureRadarImageFormationExample.mlx”文件，点击运行，就可以看到上述效果。

 

关注下面公众号，后台回复关键词：带状合成孔径雷达系统建模，发送源码链接。