(12)发明专利申请
(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 104181529 A(43)申请公布日 2014.12.03
(21)申请号 201410348075.9(22)申请日 2014.07.21
(71)申请人中国科学院电子学研究所
地址100190 北京市海淀区北四环西路19
号(72)发明人王辉 刘尧 邓云凯 赵凤军
王宇(74)专利代理机构北京派特恩知识产权代理有
限公司 11270
代理人张振伟 王黎延(51)Int.Cl.
G01S 13/90(2006.01)G01S 7/41(2006.01)
权利要求书3页 说明书10页 附图2页权利要求书3页 说明书10页 附图2页
(54)发明名称
一种Ka波段合成孔径雷达SAR信号处理方法和设备(57)摘要
本发明实施例公开了一种Ka波段SAR信号处理方法和设备，能够提高接收波束指向的准确性，从而减少接收信号的增益损失，该方法可以包括：俯仰向多路接收天线分别接收回波信号，并生成各接收天线的原始回波数据；将所述各接收天线的原始回波数据通过下变频及距离向压缩处理之后，得到各接收天线的第一等效回波数据；将各接收天线的第一等效数据在目标的压缩峰值搬移到同一距离门内，得到各接收天线的第二等效回波数据；根据各接收天线的第二等效回波数据获取俯仰向的导向矢量，并根据俯仰向的导向矢量通过预设的DOA估计算法对目标的波达方向进行估计；根据目标的波达方向对回波接收方向进行修正。
CN 104181529 A CN 104181529 A
权 利 要 求 书
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1.一种Ka波段SAR信号处理方法，其特征在于，所述方法包括：
俯仰向多路接收天线分别接收回波信号，并生成各接收天线的原始回波数据；将所述各接收天线的原始回波数据通过下变频及距离向压缩处理之后，得到各接收天线的第一等效回波数据；
将所述各接收天线的第一等效数据在目标的压缩峰值搬移到同一距离门内，得到各接收天线的第二等效回波数据；
根据所述各接收天线的第二等效回波数据获取俯仰向的导向矢量，并根据所述俯仰向的导向矢量通过预设的波达方向DOA估计算法对所述目标的波达方向进行估计；
根据所述目标的波达方向对回波接收方向进行修正，使得所述各接收天线的回波接收方向指向所述目标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各接收天线接收回波信号，并生成各接收天线的原始回波数据如下式表示：
其中，i表示第i个接收天线，而且i＝1，2，...，N；rect[]表示矩形脉冲信号；c为光速；R1表示发射天线距目标的距离；Ri表示第i个接收天线距目标的距离；T表示为脉宽；j为虚数单位；Kr为调频率；fc为信号的载频；e表示高斯白噪声。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一等效回波数据如下式表示：s′i(τ)＝γ·sinc(KrT(τ-(τ0+Δτi)))·exp(-j2πfc·Δτi)+e其中，γ为下变频及距离向压缩处理后的常数部分，τ0＝2R1/c，Δτi＝(i-1)d·sin(θ-βt)/c，其中，d为相邻的接收天线之间的距离，θ为发射信号的方向与接收天线在地面的投影方向之间的夹角，βt为由目标返回的回波信号的方向与接收天线在地面的投影方向之间的夹角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二等效回波数据如下式所示：s″i(τ)＝γ·sinc((τ-τ0)/T)·exp(-j2πfc·Δτi)+e。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述各接收天线的第二等效回波数据获取俯仰向的导向矢量，包括：
将计算s″i(τ)设置为τ＝τ0，得到所述目标对应的所述各接收天线的俯仰向信号，所述各接收天线的俯仰向信号如下式表示：
s″i(τ0)＝λ·exp(-j2πfc·Δτi)+e其中，λ表示俯仰向信号中的常数部分；
将所有接收天线的俯仰向信号组成矢量模型的形式，所述俯仰向信号的矢量模型如下式表示：
其中，T表示矢量的转置符号；
表示所
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权 利 要 求 书
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述俯仰向信号的导向矢量；为高斯白噪声的噪声矢量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述俯仰向的导向矢量通过预设的DOA估计算法对目标进行波达方向估计，包括：
根据所述俯仰向的导向矢量通过Capon算法对所述目标进行波达方向的DOA估计；具体地，根据所述俯仰向的导向矢量通过Capon算法对目标进行波达方向的DOA估计包括：
根据第一计算式
获取俯仰向信号的矢量模型的协方差矩阵Rs；其
中，E表示期望运算符；H表示共轭转置；
根据所述俯仰向的导向矢量和所述协方差矩阵Rs获取所述俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数，其中，所述俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数如下式所示：
其中，β表示接收信号的波达方向，Pout(β)表示接收信号对各波达方向的输出功率；
搜索所述空间谱函数中所有的波达方向β，并将使得Pout(β)最大的波达方向βt作为目标的波达方向。
7.一种Ka波段SAR信号处理设备，其特征在于，所述设备包括：俯仰向多路接收单元，多路信号处理单元，波达方向估计单元和修正单元，其中，
所述俯仰向多路接收单元，包括多路接收天线，用于所述多路接收天线分别接收回波信号，并生成各接收天线的原始回波数据；
多路信号处理单元，用于将所述俯仰向多路接收单元的各接收天线的原始回波数据通过下变频及距离向压缩处理之后，得到所述各接收天线的第一等效回波数据；
以及将所述各接收天线的第一等效数据在目标的压缩峰值搬移到同一距离门内，得到各接收天线的第二等效回波数据；
波达方向估计单元，用于根据所述各接收天线的第二等效回波数据获取俯仰向的导向矢量；
以及将俯仰向的导向矢量通过预设的波达方向DOA估计算法对所述目标进行波达方向估计；
修正单元，用于根据所述波达方向估计单元估计得到的所述目标的波达方向对所述俯仰向多路接收单元的各接收天线的回波接收方向进行修正，使得所述俯仰向多路接收单元的各接收天线的回波接收方向指向所述目标。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述多路信号处理单元包括与所述各接收天线分别对应的处理支路，每个处理支路根据信号的处理顺序依次为低噪声放大器LNA、下变频器、模数变换器ADC、距离压缩单元、峰值搬移单元，其中，
所述LNA与所述俯仰向多路接收单元的各接收天线相连接，所述峰值搬移单元与所述波达方向估计单元相连接。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述各接收天线的原始回波数据如下式表示：
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其中，i表示第i个接收天线，而且i＝1，2，...，N；rect[]表示矩形脉冲信号；c为光速；R1表示发射天线距目标的距离；Ri表示第i个接收天线距目标的距离；T表示为脉宽；j为虚数单位；Kr为调频率；fc为信号的载频；e表示高斯白噪声。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述第一等效回波数据如下式表示：s′i(τ)＝γ·sinc(KrT(τ-(τ0+Δτi)))·exp(-j2πfc·Δτi)+e其中，γ为下变频及距离向压缩处理后的常数部分，τ0＝2R1/c，Δτi＝(i-1)d·sin(θ-βt)/c，其中，d为相邻的接收天线之间的距离，θ为发射信号的方向与接收天线在地面的投影方向之间的夹角，βt为由目标返回的回波信号的方向与接收天线在地面的投影方向之间的夹角；
所述第二等效回波数据如下式所示：
s″i(τ)＝γ·sinc((τ-τ0)/T)·exp(-j2πfc·Δτi)+e。11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述波达方向估计单元具体用于：将计算s″i(τ)设置为τ＝τ0，得到目标所对应的各接收天线的俯仰向信号，所述各接收天线的俯仰向信号如下式表示；
s″i(τ0)＝λ·exp(-j2πfc·Δτi)+e其中，λ表示俯仰向信号中的常数部分；以及，将所有接收天线的俯仰向信号组成矢量模型的形式，所述俯仰向信号的矢量模型如下式表示：
其中，T表示矢量的转置符号；
表示所
述俯仰向信号的导向矢量；为高斯白噪声的噪声矢量。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述波达方向估计单元具体用于：根据第二计算式
获取俯仰向信号的矢量模型的协方差矩阵Rs；其
中，E表示期望运算符；H表示共轭转置；以及，根据俯仰向的导向矢量和所述协方差矩阵Rs获取俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数，其中，所述俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数下式所示：
其中，β表示接收信号的波达方向，Pout(β)表示接收信号对各波达方向的输出功率；
以及，搜索所述空间谱函数中所有的波达方向β，并将使得Pout(β)最大的波达方向βt作为目标的波达方向。
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说 明 书
一种Ka波段合成孔径雷达SAR信号处理方法和设备
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技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术，尤其涉及一种Ka波段合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)信号处理方法和设备。
[0001]
背景技术
在雷达发射信号的可用波段中，Ka波段具有短波长的特点，这一特点使得Ka波段
的SAR天线拥有体积小、重量轻等诸多优点；另外，由于Ka波段的短波长、频率高特点，使雷达信号能够具有很高的绝对带宽，这就使得Ka波段的SAR能够达到很高的距离向分辨率。[0003] 但是，由于Ka波段信号的短波长特点，使其在下雨环境下，衰减比较严重，从而造成了Ka波段接收增益降低，这就不可避免的决定了Ka波段需要通过DBF技术来提高接收增益。
[0004] 目前，在雷达的距离方向上，通常利用多通道扫描接收(SCORE，Scan-On-Receive)的方式，形成一个由雷达近端扫向远端，并实时追踪脉冲的高增益笔形波束，以此来弥补增益的损耗。
[0005] 但是，利用SCORE的方式进行雷达信号处理，是以地球为一个理想的光滑球体为假设前提的。然而，在实际情况中，地球是一个具有平原、山地、丘陵以及盆地的椭球体，而且在地表处有很多起伏较大的山地区域。若此时仍以理想的球体模型来计算波束形成加权矢量，则会造成波束指向的严重偏差，导致接收信号的增益损失。[0006] 如图1所示，其示出了本发明实施例提供的一种Ka波段利用SCORE的方式进行SAR信号的处理场景，在图1中，真实目标1在距离地表3的高度为h的山坡4上，真实目标1与阵列天线5的距离为R，阵列天线5距离地表的距离如虚线箭头所述，阵列天线5中的孔径排列顺序如点划线箭头所示，而在山坡4的山脚下同样有非真实目标2，非真实目标2与阵列天线5之间的距离和真实目标1与阵列天线5之间的距离相同，也是R，所以，如果通过SCORE方式，将地球看成是理想的球体模型，而并不考虑地表的高度起伏来进行信号处理，那么，当阵列天线5接收到真实目标1的回波信号时，会使得阵列天线5根据回波信号的所形成的波束指向为非真实目标2；从而使得真实目标1对波束的回波增益大大减弱。
[0002]
发明内容
[0007] 为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种Ka波段SAR信号处理方法和设备，能够提高接收波束指向的准确性，从而减少接收信号的增益损失。[0008] 本发明的技术方案是这样实现的：[0009] 第一方面，本发明实施例提供了一种Ka波段SAR信号处理方法，该方法可以包括：
[0010] 俯仰向多路接收天线分别接收回波信号，并生成各接收天线的原始回波数据；[0011] 将所述各接收天线的原始回波数据通过下变频及距离向压缩处理之后，得到各接收天线的第一等效回波数据；
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说 明 书
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将所述各接收天线的第一等效数据在目标的压缩峰值搬移到同一距离门内，得到各接收天线的第二等效回波数据；
[0013] 根据所述各接收天线的第二等效回波数据获取俯仰向的导向矢量，并根据所述俯仰向的导向矢量通过预设的波达方向DOA估计算法对所述目标的波达方向进行估计；[0014] 根据所述目标的波达方向对回波接收方向进行修正，使得所述各接收天线的回波接收方向指向所述目标。
[0015] 根据第一种可能的实现方式，结合第一方面，所述各接收天线接收回波信号，并生成各接收天线的原始回波数据如下式表示：
[0016]
其中，i表示第i个接收天线，而且i＝1，2，...，N；rect[]表示矩形脉冲信号；c
为光速；R1表示发射天线距目标的距离；Ri表示第i个接收天线距目标的距离；T表示为脉宽；j为虚数单位；Kr为调频率；fc为信号的载频；e表示高斯白噪声。[0018] 根据第二种可能的实现方式，结合第一种可能的实现方式，所述第一等效回波数据如下式表示：
[0019] s′i(τ)＝γ·sinc(KrT(τ-(τ0+Δτi)))·exp(-j2πfc·Δτi)+e[0020] 其中，γ为下变频及距离向压缩处理后的常数部分，τ0＝2R1/c，Δτi＝(i-1)d·sin(θ-βt)/c，其中，d为相邻的接收天线之间的距离，θ为发射信号的方向与接收天线在地面的投影方向之间的夹角，βt为由目标返回的回波信号的方向与接收天线在地面的投影方向之间的夹角。
[0021] 根据第三种可能的实现方式，结合第二种可能的实现方式，所述第二等效回波数据如下式所示：
[0022] s″i(τ)＝γ·sinc((τ-τ0)/T)·exp(-j2πfc·Δτi)+e。[0023] 根据第四种可能的实现方式，结合第三种可能的实现方式，根据所述各接收天线的第二等效回波数据获取俯仰向的导向矢量，包括：[0024] 将计算s″i(τ)设置为τ＝τ0，得到所述目标对应的所述各接收天线的俯仰向信号，所述各接收天线的俯仰向信号如下式表示：[0025] s″i(τ0)＝λ·exp(-j2πfc·Δτi)+e[0026] 其中，λ表示俯仰向信号中的常数部分；
[0027] 将所有接收天线的俯仰向信号组成矢量模型的形式，所述俯仰向信号的矢量模型如下式表示：
[0017] [0028] [0029]
其中，T表示矢量的转置符号；
表示所
述俯仰向信号的导向矢量；为高斯白噪声的噪声矢量。
根据第五种可能的实现方式，结合第四种可能的实现方式，根据所述俯仰向的导
向矢量通过预设的DOA估计算法对目标进行波达方向估计，包括：
[0030]
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根据所述俯仰向的导向矢量通过Capon算法对所述目标进行波达方向的DOA估
计；
[0032]
具体地，根据所述俯仰向的导向矢量通过Capon算法对目标进行波达方向的DOA估计包括：
根据第一计算式
获取俯仰向信号的矢量模型的协方差矩阵
[0033]
Rs；其中，E表示期望运算符；H表示共轭转置；
[0034] 根据所述俯仰向的导向矢量和所述协方差矩阵Rs获取所述俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数，其中，所述俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数如下式所示：
[0035] [0036]
其中，β表示接收信号的波达方向，Pout(β)表示接收信号对各波达方向的输出功
率；
搜索所述空间谱函数中所有的波达方向β，并将使得Pout(β)最大的波达方向βt作为目标的波达方向。[0038] 第二方面，本发明实施例提供了一种Ka波段SAR信号处理设备，其特征在于，所述设备包括：俯仰向多路接收单元，多路信号处理单元，波达方向估计单元和修正单元，其中，[0039] 所述俯仰向多路接收单元，包括多路接收天线，用于所述多路接收天线分别接收回波信号，并生成各接收天线的原始回波数据；[0040] 多路信号处理单元，用于将所述俯仰向多路接收单元的各接收天线的原始回波数据通过下变频及距离向压缩处理之后，可以得到所述各接收天线的第一等效回波数据；[0041] 以及将所述各接收天线的第一等效数据在目标的压缩峰值搬移到同一距离门内，可以得到各接收天线的第二等效回波数据；[0042] 波达方向估计单元，用于根据所述各接收天线的第二等效回波数据获取俯仰向的导向矢量；
[0043] 以及将俯仰向的导向矢量通过预设的波达方向DOA估计算法对所述目标进行波达方向估计；
[0044] 修正单元，用于根据所述波达方向估计单元估计得到的所述目标的波达方向对所述俯仰向多路接收单元的各接收天线的回波接收方向进行修正，使得所述俯仰向多路接收单元的各接收天线的回波接收方向指向所述目标。[0045] 根据第一种可能的实现方式，结合第二方面，所述多路信号处理单元包括与所述各接收天线分别对应的处理支路，每个处理支路根据信号的处理顺序依次为低噪声放大器LNA、下变频器、模数变换器ADC、距离压缩单元、峰值搬移单元，其中，[0046] 所述LNA与所述俯仰向多路接收单元的各接收天线相连接，所述峰值搬移单元与所述波达方向估计单元相连接。
[0047] 根据第二种可能的实现方式，结合第二方面或第一种可能的实现方式，所述各接收天线的原始回波数据如下式表示：
[0037]
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[0048]
其中，i表示第i个接收天线，而且i＝1，2，...，N；rect[]表示矩形脉冲信号；c为光速；R1表示发射天线距目标的距离；Ri表示第i个接收天线距目标的距离；T表示为脉宽；j为虚数单位；Kr为调频率；fc为信号的载频；e表示高斯白噪声。[0050] 根据第三种可能的实现方式，结合第二种可能的实现方式，所述第一等效回波数据如下式表示：
[0051] s′i(τ)＝γ·sinc(KrT(τ-(τ0+Δτi)))·exp(-j2πfc·Δτi)+e[0052] 其中，γ为下变频及距离向压缩处理后的常数部分，τ0＝2R1/c，Δτi＝(i-1)d·sin(θ-βt)/c，其中，d为相邻的接收天线之间的距离，θ为发射信号的方向与接收天线在地面的投影方向之间的夹角，βt为由目标返回的回波信号的方向与接收天线在地面的投影方向之间的夹角；
[0053] 所述第二等效回波数据如下式所示：
[0054] s″i(τ)＝γ·sinc((τ-τ0)/T)·exp(-j2πfc·Δτi)+e。
[0049]
根据第四种可能的实现方式，结合第三种可能的实现方式，所述波达方向估计单
元具体用于：
[0056] 将计算s″i(τ)设置为τ＝τ0，得到目标所对应的各接收天线的俯仰向信号，所述各接收天线的俯仰向信号如下式表示；
[0057] s″i(τ0)＝λ·exp(-j2πfc·Δτi)+e[0058] 其中，λ表示俯仰向信号中的常数部分；[0059] 以及，将所有接收天线的俯仰向信号组成矢量模型的形式，所述俯仰向信号的矢量模型如下式表示：
[0055] [0060] [0061]
其中，T表示矢量的转置符号；
表示所
述俯仰向信号的导向矢量；为高斯白噪声的噪声矢量。
根据第五种可能的实现方式，结合第四种可能的实现方式，所述波达方向估计单
元具体用于：
[0062] [0063]
根据第二计算式获取俯仰向信号的矢量模型的协方差矩阵
Rs；其中，E表示期望运算符；H表示共轭转置；[0064] 以及，根据俯仰向的导向矢量和所述协方差矩阵Rs获取俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数，其中，所述俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数下式所示：
[0065] [0066]
其中，β表示接收信号的波达方向，Pout(β)表示接收信号对各波达方向的输出功
8
率；
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以及，搜索所述空间谱函数中所有的波达方向β，并将使得Pout(β)最大的波达方向βt作为目标的波达方向。
[0068] 本发明实施例提供了一种Ka波段SAR信号处理方法和设备，对回波信号中的目标波达方向进行估计，并根据目标的波达方向进行接收波束指向，能够提高接收波束指向的准确性，从而减少接收信号的增益损失。附图说明
[0069] 图1为本发明实施例提供的一种Ka波段利用SCORE方式进行SAR信号的处理场景示意图；
[0070] 图2为本发明实施例提供的一种Ka波段SAR信号处理方法的流程示意图；[0071] 图3为本发明实施例提供的一种Ka波段SAR的多路接收天线排列结构示意图；[0072] 图4为本发明实施例提供的一种Ka波段SAR信号处理设备的结构示意图；[0073] 图5为本发明实施例提供的一种多路信号处理单元的结构示意图。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。
[0075] 参见图2，其示出了本发明实施例提供的一种Ka波段SAR信号处理方法的流程，该方法可以包括：[0076] S201：俯仰向多路接收天线分别接收回波信号，并生成各接收天线的原始回波数据；
[0077] 为了清楚地说明本发明实施例的技术方案，参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种Ka波段SAR的多路接收天线排列结构，可以理解地，除了图3所示的多路接收天线的排列结构之外，其他Ka波段SAR的多路接收天线的排列结构也可以应用本发明实施例的技术方案，本发明实施例对此不作具体限定。[0078] 在图3中，Ka波段SAR的俯仰向多路接收天线是均匀排列的N个接收天线，相邻的接收天线之间的距离为d，发射天线可以放置于任意一个接收天线处，并将该处的接收天线作为参考接收天线，在本实施例中，以第一个接收天线作为参考接收天线，那么发射天线与第一个接收天线放置于同一个位置，Horbit表示接收天线在地面的投影方向，发射信号的方向如图3中的Rv，Rv与接收天线的排列方向垂直，并且Rv与Horbit之间的夹角为θ；R1到RN分别表示第一个接收天线至第N个接收天线接收由目标返回的回波信号的方向，由于目标到各接收天线的距离远远大于接收天线之间的距离，因此，目标可以为远场目标，根据远场效应，R1到RN之间互相平行，并且R1到RN与Horbit之间的夹角均为βt；[0079] 所以，由图3可知，各接收天线接收回波信号，并生成各接收天线的原始回波数据可以如式(1)表示：
[0074] [0080]
[0081] 其中，i表示第i个接收天线，而且i＝1，2，...，N；rect[]表示矩形脉冲信号；
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c为光速；R1表示发射天线距目标的距离，由于发射天线与第一个接收天线放置于同一个位置，因此，R1也可以表示第一个接收天线距目标的距离；Ri表示第i个接收天线距目标的距离；T表示为脉宽；j为虚数单位；Kr为调频率；fc为信号的载频；e表示噪声，在本实施例中，优选为高斯白噪声。[0082] S202：将各接收天线的原始回波数据通过下变频及距离向压缩处理之后，可以得到各接收天线的第一等效回波数据；[0083] 需要说明的是，由于远场效应，Ri可以如式(2)表示：[0084] Ri＝R1+(i-1)d·sin(θ-βt) (2)[0085] 将式(1)中的Ri用式(2)代替，并进行下变频及距离向压缩处理之后，各接收天线的第一等效回波数据可以如式(3)表示：[0086] s′i(τ)＝γ·sinc(KrT(τ-(τ0+Δτi)))·exp(-j2πfc·Δτi)+e (3)[0087] 其中，γ为下变频及距离向压缩处理后的常数部分，τ0＝2R1/c，Δτi＝(i-1)d·sin(θ-βt)/c。[0088] S203：将各接收天线的第一等效数据在目标的压缩峰值搬移到同一距离门内，可以得到各接收天线的第二等效回波数据；[0089] 需要说明的是，将s′i(τ)在目标的压缩峰值搬移到同一距离门内，得到的第二等效回波数据可以如式(4)所示：
[0090] s″i(τ)＝γ·sinc((τ-τ0)/T)·exp(-j2πfc·Δτi)+e (4)[0091] S204：根据各接收天线的第二等效回波数据获取俯仰向的导向矢量，并根据所述俯仰向的导向矢量通过预设的波达方向(DOA，Direction OfArrival)估计算法对目标进行波达方向估计。
[0092] 示例性的，根据各接收天线的第二等效回波数据获取俯仰向的导向矢量具体可以包括：
[0093] 首先，将计算s″i(τ)设置为τ＝τ0，可以得到目标所对应的各接收天线的俯仰向信号，可以如式(5)表示：
[0094] s″i(τ0)＝λ·exp(-j2πfc·Δτi)+e (5)[0095] 其中，λ表示俯仰向信号中的常数部分；[0096] 然后，将所有接收天线的俯仰向信号组成矢量模型的形式，所述俯仰向信号的矢量模型可以如式(6)表示：
[0097] [0098]
其中，T表示矢量的转置符号；
可以表示为
俯仰向信号的导向矢量；为高斯白噪声的噪声矢量。
[0099]
进一步地，从式(6)中可以看出，俯仰向信号的矢量模型中，导向矢量中包
括了目标的方向信息βt，因此，可以通过DOA估计算法来对中的βt进行估计，可以
根据式(6)所示的俯仰向信号的矢量模型，通过卡彭Capon算法、多重信号分类(MUSIC，
Multiple Signal Classification)算法、借助旋转不变技术估计信号参数(ESPRIT，
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Estimating Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)算法等DOA算法来实现，在本实施例中，优选的，根据所述俯仰向的导向矢量通过Capon算法对目标进行波达方向的DOA估计，使得达到的目的是使其他干扰方向的回波输出功率达到最小，而在波达方向的输出功率达到最大，所以，具体过程可以为：[0100] 首先，根据式(7)获取俯仰向信号的矢量模型的协方差矩阵：
[0101]
其中，E表示期望运算符；H表示共轭转置；[0103] 然后，根据俯仰向的导向矢量和式(7)获取俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数，其中，所述俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数如式(8)所示：
[0102] [0104] [0105]
其中，β表示接收信号的波达方向，Pout(β)表示接收信号对各波达方向的输出功最后，搜索所述空间谱函数中所有的波达方向β，并将使得Pout(β)最大的波达
率；
[0106] [0107]
方向βt作为目标的波达方向。
S205：根据所述目标的波达方向对回波接收方向进行修正，从而使得各接收天线的回波接收方向指向所述目标。[0108] 示例性的，在本实施例中，在获取到βt之后，各接收天线可以将回波接收方向由θ修正为βt，从而可以将各接收天线的回波接收方向指向所述目标。[0109] 可以理解的，在获取到βt之后，Ka波段SAR可以根据θ与βt之间的相差关系在对所述目标的成像过程中进行修正，可以避免出现SCORE方式中所造成的波束指向偏差，从而可以提高接收波束指向的准确性，并减少接收信号的增益损失。[0110] 本发明实施例提供的Ka波段SAR信号处理方法，对回波信号中的目标波达方向进行估计，并根据目标的波达方向进行接收波束指向，能够提高接收波束指向的准确性，从而减少接收信号的增益损失。
[0111] 基于上述实施例相同的技术构思，参见图4，其示出了本发明实施例提供的一种Ka波段SAR信号处理设备40的结构，该设备40可以包括：俯仰向多路接收单元401，多路信号处理单元402，波达方向估计单元403和修正单元404，其中，[0112] 俯仰向多路接收单元401，包括多路接收天线，用于多路接收天线分别接收回波信号，并生成各接收天线的原始回波数据；[0113] 多路信号处理单元402，用于将俯仰向多路接收单元401的各接收天线的原始回波数据通过下变频及距离向压缩处理之后，可以得到各接收天线的第一等效回波数据；[0114] 以及将各接收天线的第一等效数据在目标的压缩峰值搬移到同一距离门内，可以得到各接收天线的第二等效回波数据；[0115] 波达方向估计单元403，用于根据各接收天线的第二等效回波数据获取俯仰向的导向矢量；
[0116]
以及将俯仰向的导向矢量通过预设的波达方向(DOA，Direction OfArrival)估计
算法对目标进行波达方向估计；
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修正单元404，用于根据波达方向估计单元403估计得到的所述目标的波达方向对俯仰向多路接收单元401的各接收天线的回波接收方向进行修正，从而使得俯仰向多路接收单元401的各接收天线的回波接收方向指向所述目标。[0118] 示例性的，俯仰向多路接收单元401的各接收天线可以如图3所示的方式进行排列，各接收天线的原始回波数据可以如式(9)表示：
[0119]
其中，i表示第i个接收天线，而且i＝1，2，...，N；rect[]表示矩形脉冲信号；c为光速；R1表示发射天线距目标的距离，由于发射天线与第一个接收天线放置于同一个位置，因此，R1也可以表示第一个接收天线距目标的距离；Ri表示第i个接收天线距目标的距离；T表示为脉宽；j为虚数单位；Kr为调频率；fc为信号的载频；e表示噪声，在本实施例中，优选为高斯白噪声。[0121] 需要说明的是，由于远场效应，Ri可以如式(10)表示：[0122] Ri＝R1+(i-1)d·sin(θ-βt) (10)[0123] 示例性地，多路信号处理单元402可以对各接收天线的原始回波数据分别进行处理，具体结构如图5所示，[0124] 首先，多路信号处理单元402包括与各接收天线分别对应的处理支路，每个处理支路根据信号的处理顺序依次为低噪声放大器(LNA，Low Noise Amplifier)、下变频器、模数变换器(ADC，Analog-to-Digital Converter)、距离压缩单元、峰值搬移单元，[0125] 低噪声放大器与俯仰向多路接收单元401的各接收天线相连接，峰值搬移单元与波达方向估计单元403相连接，根据图5所示的多路信号处理单元402的结构，可以得知，当各接收天线的原始回波数据依次经过LNA、下变频器、ADC和距离压缩单元的处理之后，各接收天线的第一等效回波数据可以如式(11)表示；[0126] s′i(τ)＝γ·sinc(KrT(τ-(τ0+Δτi)))·exp(-j2πfc·Δτi)+e (11)[0127] 其中，γ为下变频及距离向压缩处理后的常数部分，τ0＝2R1/c，Δτi＝(i-1)d·sin(θ-βt)/c。
[0128] 各接收天线的第一等效回波数据通过峰值搬移单元将s′i(τ)在目标的压缩峰值搬移到同一距离门内之后，得到的第二等效回波数据可以如式(12)所示；
[0129] s″i(τ)＝γ·sinc((τ-τ0)/T)·exp(-j2πfc·Δτi)+e (12)[0130] 示例性地，波达方向估计单元403具体可以用于：[0131] 将计算s″i(τ)设置为τ＝τ0，可以得到目标所对应的各接收天线的俯仰向信号，可以如式(13)表示；
[0132] s″i(τ0)＝λ·exp(-j2πfc·Δτi)+e (13)[0133] 其中，λ表示俯仰向信号中的常数部分；
[0134] 将所有接收天线的俯仰向信号组成矢量模型的形式，所述俯仰向信号的矢量模型可以如式(14)表示。
[0120] [0135]
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其中，T表示矢量的转置符号；
可以表示为
俯仰向信号的导向矢量；为高斯白噪声的噪声矢量。
[0137] [0138] [0139]
进一步地，波达方向估计单元403具体可以用于：根据式(15)获取俯仰向信号的矢量模型的协方差矩阵：
其中，E表示期望运算符；H表示共轭转置；[0141] 以及，根据俯仰向的导向矢量和式(15)获取俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数，其中，所述俯仰向信号的矢量模型的空间谱函数如式(16)所示：
[0140] [0142] [0143]
其中，β表示接收信号的波达方向，Pout(β)表示接收信号对各波达方向的输出功
率；
以及，搜索所述空间谱函数中所有的波达方向β，并将使得Pout(β)最大的波达方向βt作为目标的波达方向。[0145] 示例性的，在本实施例中，波达方向估计单元403在获取到βt之后，修正单元404用于将各接收天线的回波接收方向由θ修正为βt，从而可以将各接收天线的回波接收方向指向所述目标。
[0146] 本发明实施例提供的Ka波段SAR信号处理设备40，对回波信号中的目标波达方向进行估计，并根据目标的波达方向进行接收波束指向，能够提高接收波束指向的准确性，从而减少接收信号的增益损失。
[0147] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。[0148] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和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。
[0149] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置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。
[0150] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计
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算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供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步骤。[0151] 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。
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图4
图3
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