星載多通道高分辨率寬測繪帶SAR系統(tǒng)運動目標(biāo)檢測方法

吳明宇 楊桃麗 吳順君 李真芳

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星載多通道高分辨率寬測繪帶SAR系統(tǒng)運動目標(biāo)檢測方法

吳明宇*楊桃麗 吳順君 李真芳

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號重點實驗室 西安 710071)

該文針對星載多通道高分辨率寬測繪帶合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，提出一種新的運動目標(biāo)檢測方法。該方法首先利用波束形成方法進(jìn)行雜波抑制，然后對運動目標(biāo)的斜距歷程進(jìn)行擬合得到運動目標(biāo)的運動方向。接著對雜波抑制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦處理，得到模糊的運動目標(biāo)圖像，并利用恒虛警檢測技術(shù)檢測得到所有的模糊運動目標(biāo)。最后根據(jù)模糊圖像的空間關(guān)系和估計出的運動方向檢測出真實目標(biāo)。星載仿真數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性。

合成孔徑雷達(dá)；運動目標(biāo)檢測(GMTI)；高分辨率寬測繪帶(HRWS)；多普勒模糊

1 引言

2 回波特征

其中表示多普勒頻譜偏移。當(dāng)不存在多普勒模糊時，多普勒值與錐角的正弦值在空時平面上表現(xiàn)為一條直線，如圖1(a)所示，由于運動目標(biāo)附加的多普勒分量使其與固定雜波的空時2維譜相分離，圖中粗斜直線為固定雜波的回波譜，細(xì)斜直線為運動目標(biāo)的回波譜。由于運動目標(biāo)沿航向速度與衛(wèi)星速度相比小得多，其空時2維譜在圖1中表現(xiàn)為粗、細(xì)直線的斜率相同[11]。在高分辨率寬測繪帶SAR系統(tǒng)中，通常發(fā)射低脈沖重復(fù)頻率的信號保證距離不模糊，由此每一個通道接收的回波都發(fā)生了多普勒模糊，如圖1(b)所示。

3 運動目標(biāo)檢測

3.1 成像特征

在方位多普勒頻域構(gòu)造方位匹配函數(shù)為[12,13]

當(dāng)回波信號的多普勒頻譜發(fā)生模糊時，成像后的方位位置為

圖2 運動目標(biāo)的成像位置示意圖

3.2 目標(biāo)檢測

在進(jìn)行運動目標(biāo)檢測前首先應(yīng)進(jìn)行雜波抑制。采用文獻(xiàn)[11]所述的波束形成方法，在理想情況下，陣列主波束指向運動目標(biāo)譜分量，而在所有雜波譜分量方向形成波束零點。需要說明的是，由于陣列自由度的限制，沒有必要也不可能保證取出的運動目標(biāo)譜也是非模糊的。假設(shè)多普勒模糊次數(shù)為3，運動目標(biāo)個數(shù)為2，若要保證取出的運動目標(biāo)譜是無模糊的，則一共需要約束9個方向，而在實際場景中運動目標(biāo)的個數(shù)常常不止2個，而且也無法事先知道運動目標(biāo)的速度，也就無法準(zhǔn)確地對運動目標(biāo)譜進(jìn)行約束。實際上，只須保證固定雜波譜分量被抑制即可。為避免運動目標(biāo)的譜分量落入波束模式的凹口中，可通過陣列搜索來約束運動目標(biāo)的導(dǎo)向矢量，然而這樣會大大地增加運算量。在實際操作中，可以任意假設(shè)運動目標(biāo)的導(dǎo)向矢量，然后再進(jìn)行雜波抑制，實驗證明，對于大多數(shù)目標(biāo)來說，這樣操作只會造成一定的能量損失，但并不影響后續(xù)的目標(biāo)檢測。當(dāng)然，如果選取的導(dǎo)向矢量使得運動目標(biāo)的能量受到較大損失，則后續(xù)操作將受到較大影響。

運動目標(biāo)的瞬時斜距為

3.3處理步驟

下面給出利用本文方法進(jìn)行運動目標(biāo)檢測的具體處理步驟，如圖3所示。

(1)結(jié)合各通道回波進(jìn)行雜波抑制；

(2)對雜波抑制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行距離壓縮；

(4)根據(jù)式(8)對目標(biāo)斜距進(jìn)行擬合，估計得到其一次項系數(shù)，從而得到運動目標(biāo)的運動方向；

(5)利用式(3)所示的方位匹配函數(shù)，對距離壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行方位壓縮，得到模糊的SAR圖像；

(6)利用恒虛警檢測(CFAR)技術(shù)[14]檢測得到所有目標(biāo)，包括模糊目標(biāo)和真實目標(biāo)，然后根據(jù)各目標(biāo)間的相對位置關(guān)系，得到屬于同一目標(biāo)的所有模糊目標(biāo)，最后結(jié)合第(5)步中得到的運動目標(biāo)運動方向，檢測出真實目標(biāo)。

圖3 運動目標(biāo)檢測流程圖

4 實驗驗證

下面通過星載仿真數(shù)據(jù)來驗證本文方法。仿真參數(shù)如表1所示，天線沿方位向均勻劃分為6個獨立接收通道，即每個接收通道的方位向尺寸為2 m，回波信號發(fā)生3次多普勒模糊。場景中包含3個運動目標(biāo)，沿視線方向速度分別為12.8 m/s, 9.6 m/s和-12.8 m/s，信雜噪比為0 dB。以場景中心為坐標(biāo)原點，雷達(dá)運動方向為軸，軸垂直地面向上，與軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，運動目標(biāo)的坐標(biāo)位置分別為(1478,0,0) m, (0,0,0) m, (-1478,108,0) m，其中，目標(biāo)1和目標(biāo)2位于同一距離單元。

表1仿真參數(shù)

軌道高度下視角波長天線尺寸通道數(shù)衛(wèi)星速度PRF雜噪比 500 km40°0.03 m12 m×1 m67616.4 m/s2539 Hz30 dB

5 結(jié)論

未來合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)要求同時獲取高分辨率寬測繪帶SAR圖像并進(jìn)行運動目標(biāo)檢測，在此條件下，若要保證距離無模糊則各個通道的回波均存在多普勒模糊。然而現(xiàn)有的大多數(shù)文獻(xiàn)均在假設(shè)單個通道系統(tǒng)滿足最小天線面積的前提下進(jìn)行運動目標(biāo)檢測，未考慮回波信號的多普勒模糊。本文針對以上情況，利用星載多通道高分辨率寬測繪帶SAR系統(tǒng)，在存在多普勒模糊的前提下，提出一種運動目標(biāo)檢測方法。該方法首先利用波束形成進(jìn)行雜波抑制，再對目標(biāo)的斜距歷程進(jìn)行擬合得到運動目標(biāo)的運動方向。然后進(jìn)行聚焦處理，提高運動目標(biāo)的相干積累時間，得到模糊的SAR圖像。最后根據(jù)多普勒模糊關(guān)系和運動方向從模糊的運動目標(biāo)中判斷出真實目標(biāo)。星載仿真實驗證明了該方法的有效性。

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吳明宇： 男，1976年生，博士生，研究方向為陣列信號處理、SAR成像及地面動目標(biāo)檢測.

楊桃麗： 女，1987年生，博士生，研究方向為干涉合成孔徑雷達(dá)成像.

吳順君： 男，1942年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為自適應(yīng)信號處理、高速數(shù)字信號處理、電子系統(tǒng)建模與仿真.

李真芳： 男，1977年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為干涉合成孔徑雷達(dá)成像及地面動目標(biāo)檢測.

Ground Moving Target Indication for Spaceborne Multi-channelHigh Resolution Wide Swath SAR System

Wu Ming-yu Yang Tao-li Wu Shun-jun Li Zhen-fang

(,,710071,)

A method of Ground Moving Target Indication (GMTI) for spaceborne multi-channel High Resolution Wide Swath (HRWS) Synthetic Aperture Radar (SAR) system is presented. Firstly, the method utilizes beamforming for clutter suppression, then estimates moving target direction by fitting for the slant range of the moving target. Secondly, focusing for the clutter suppressed data is performed to obtain ambiguous images of the moving target, then all ambiguous moving targets are obtained by Constant False Alarm Rate (CFAR) detection technology. Finally, this method detects real targets according to the spatial relationships of fuzzy images and motion direction estimated. The spaceborne HRWS simulation data verifies the validity of the proposed method.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Ground Moving Target Indication (GMTI); High Resolution Wide Swath (HRWS); Doppler ambiguity

TN957.72

A

1009-5896(2014)02-0441-04

10.3724/SP.J.1146.2013.00465

吳明宇 inhurry@163.com

2013-04-08收到，2013-11-15改回

國家自然科學(xué)基金(41001282, 40871205)資助課題