一種基于雙通道DPCA的SAR-GMTI雜波抑制方法

王肖洋 高 貴 周石琳 鄒煥新

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 長沙 410073)

一種基于雙通道DPCA的SAR-GMTI雜波抑制方法

王肖洋*高 貴 周石琳 鄒煥新

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 長沙 410073)

偏置相位中心天線技術(shù)(DPCA)作為空時(shí)自適應(yīng)信號處理(STAP)技術(shù)的特殊形式，在合成孔徑雷達(dá)地面動(dòng)目標(biāo)指示(SAR-GMTI)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。雜波抑制的能力直接決定了GMTI的性能，傳統(tǒng)的復(fù)圖像域DPCA技術(shù)對于地雜波抑制能力有限，特別是廣泛分布著強(qiáng)散射靜止地物的城市區(qū)域。該文利用干涉相位對DPCA幅度進(jìn)行非線性加權(quán)，提出了一種加權(quán)DPCA雜波抑制方法，該方法降低了通道間殘差相位對DPCA雜波抑制的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該文方法在雜波抑制能力上優(yōu)于傳統(tǒng)DPCA方法。

空時(shí)自適應(yīng)信號處理(STAP)；偏置相位中心天線(DPCA)；合成孔徑雷達(dá)(SAR)；地面動(dòng)目標(biāo)檢測(GMTI)；雜波抑制

1 引言

空時(shí)自適應(yīng)信號處理(Space Time Adaptive Processing,STAP)早期主要用于機(jī)載預(yù)警雷達(dá)中抑制強(qiáng)度大且分布廣的地雜波和海雜波。近年來隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，該方法的使用范圍進(jìn)一步拓展，已被引入到合成孔徑雷達(dá)地面動(dòng)目標(biāo)檢測(SAR-GMTI)領(lǐng)域中[1－3]。STAP已經(jīng)與偏置相位中心天線(Displaced Phase Center Antenna,DPCA)技術(shù)、沿跡干涉(Along Track Interfermetric,ATI)技術(shù)一起成為多通道SAR地面動(dòng)目標(biāo)指示的三大主流技術(shù)。然而，由于其設(shè)備復(fù)雜、計(jì)算量大、工程實(shí)現(xiàn)困難[4,5]等缺點(diǎn)，目前在SAR-GMTI領(lǐng)域僅取得了有限的應(yīng)用。取而代之的是，復(fù)圖像域DPCA技術(shù)作為空時(shí)自適應(yīng)信號處理的特殊形式，以其簡單易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)已成為多通道SAR動(dòng)目標(biāo)指示領(lǐng)域的一種流行方法，并在實(shí)際SAR地面監(jiān)視系統(tǒng)中得到驗(yàn)證，如加拿大防務(wù)中心在RADARSAT-2地面動(dòng)目標(biāo)指示試驗(yàn)中驗(yàn)證了雙通道DPCA技術(shù)的有效性[6,7]。

值得注意的是，DPCA 技術(shù)在實(shí)際SAR-GMTI系統(tǒng)中的表現(xiàn)并不理想。傳統(tǒng)復(fù)圖像域DPCA方法是對雙通道復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了作差取模處理(通常稱之為DPCA幅度)，在理想假設(shè)條件下，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的差值模(即DPCA幅度)不為零，而靜止地物的差值模為零，故而地雜波能被對消。事實(shí)上，DPCA幅度與兩通道數(shù)據(jù)的相位差密切相關(guān)，而相位差恰好反映了地物的動(dòng)靜信息，但平臺抖動(dòng)、通道失配、隨機(jī)噪聲等引起的通道去相關(guān)使得兩幅復(fù)圖像中對應(yīng)雜波像素之間存在殘差相位，當(dāng)雜波回波強(qiáng)度很強(qiáng)時(shí)，雜波的DPCA幅度可能達(dá)到一個(gè)顯著的水平，對于地面強(qiáng)散射靜止物體的抑制能力極為有限[8,9]。因此，如果能降低殘差相位對雜波DPCA 幅度的影響，則可能提高DPCA方法對雜波的抑制能力。

為此，本文嘗試對兩通道干涉相位進(jìn)行非線性變換，然后利用變換后的干涉相位對DPCA幅度進(jìn)行加權(quán)，來降低殘差相位對DPCA幅度的影響。理論分析和實(shí)際數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 DPCA基本原理

2.1 DPCA雜波抑制原理

在機(jī)載(星載)雷達(dá)中，DPCA方法通過在運(yùn)動(dòng)平臺上沿航跡搭載兩幅天線，天線的相位中心之間偏置一定距離，兩幅天線的相位中心聯(lián)合使用，使天線相位中心在相繼的發(fā)射脈沖時(shí)間里相對于地面靜止不動(dòng)，這樣采用兩脈沖相消就可以抑制地面雜波[10,11]。其基本原理示意圖如圖1所示。

天線中心間距為d，雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率為PRF，平臺速度為Va，箭頭所指為平臺飛行方向，通道1發(fā)射信號，通道1和通道2同時(shí)接收信號，接收第1個(gè)回波信號時(shí)，通道1的接收相位中心在O1點(diǎn)，通道2的接收相位中心在O點(diǎn)，如果滿足條件：

2.2 復(fù)圖像域DPCA雜波抑制原理

圖1 DPCA原理示意圖Fig. 1 DPCA schematic diagram

采用距離多普勒域DPCA方法進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測，必須滿足式(1)，但在實(shí)際飛行過程中，平臺會出現(xiàn)上下顛簸偏航現(xiàn)象，天線間距、平臺速度和脈沖重復(fù)頻率之間不再滿足式(1)的關(guān)系，這就使得DPCA的雜波抑制效果很差。由于成像過程會對回波信號做平臺運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，并且信號經(jīng)過聚焦處理后，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信噪比較信號域有所提高，因此在復(fù)圖像域進(jìn)行DPCA檢測將有可能使雜波抑制效果得到改善，復(fù)圖像域DPCA雜波抑制原理圖如圖2所示。理想情況下，對于同一距離向分辨單元不同方位位置的地物，兩通道接收的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過距離方位2維壓縮成像后得到兩幅1維復(fù)圖像I1(t )和I2(t)，雜波對消特性如式(2)所示[11]：

其中λ是波長，k是和目標(biāo)后向散射系數(shù)有關(guān)的常數(shù)，vr為目標(biāo)相對于平臺的徑向速度，T02與目標(biāo)方位向坐標(biāo)和平臺飛行速度有關(guān)，Ts是合成孔徑時(shí)間。當(dāng)目標(biāo)靜止即vr=0時(shí)，I(t)=0，即靜止雜波被消除。

2.3 復(fù)圖像域DPCA雜波分布特性

由于通道失配、平臺偏航、配準(zhǔn)校準(zhǔn)誤差等多種因素的存在，將兩通道復(fù)數(shù)據(jù)經(jīng)過DPCA方法處理后，地雜波DPCA幅度并沒有被絕對抑制為0，對于復(fù)雜的非均勻地物場景，假設(shè)目標(biāo)缺失的前提下，地雜波分布近似服從自由度為(2n,2v)的尺度F分布，多視DPCA概率密度函數(shù)呈現(xiàn)為以下特性[7]：

其中Γ(?)是伽馬函數(shù)，n為視數(shù)，v為紋理參數(shù)，T為多視DPCA檢測量，從圖2可以看出雜波分布并沒有集中在0附近，存在展寬拖尾現(xiàn)象，因此在保證較高檢測概率的情況下，基于DPCA幅度的恒虛警檢測常常有顯著的虛警率。尤其是對于弱散射慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，傳統(tǒng)的DPCA檢測方法很難將其與雜波分離開。

3 加權(quán)DPCA雜波抑制方法

圖中黑色實(shí)線表示像素x1的矢量圖，藍(lán)色實(shí)線表示像素x2的矢量圖，綠色弧線代表兩像素間的殘差相位，紅線代表DPCA幅度。圖4(a)表示無系統(tǒng)噪聲干擾，只存在通道不平衡；圖4(b)和圖4(c)表示通道增益相等，只存在系統(tǒng)噪聲引起的去相關(guān)，圖4(b)和圖4(c)的區(qū)別在于像素(信號)幅度不同；圖4(d)表示系統(tǒng)噪聲和通道不平衡同時(shí)存在。

由圖4(a)和圖4(d)可以看出，通道不平衡時(shí)，即使是微小的殘差相位也使雜波殘留十分顯著；由圖4(b)和圖4(c)可以看出當(dāng)通道平衡時(shí)，殘差相位的存在引起了雜波殘留，且隨著信號幅度的增強(qiáng)，殘留雜波也近似同比例增強(qiáng)，換句話說幅度越強(qiáng)對殘差相位越敏感，因此類似城市的具有強(qiáng)散射靜止地物的區(qū)域雜波殘留將很嚴(yán)重。顯然如果能降低殘差相位的影響，將會有助于抑制強(qiáng)雜波。

圖2 DPCA處理后雜波概率密度分布Fig. 2 DPCA clutter probability density distribution

雜波殘差相位(在ATI-SAR中稱為雜波干涉相位)分布的中心偏離Y軸一個(gè)角度θ，且大部分殘差相位集中于θ附近，角度θ的存在很顯然會使DPCA處理后的雜波殘留更加嚴(yán)重，角度θ可近似由通道復(fù)相關(guān)系數(shù)的相位角給出，如式(4)所示[12]。

很容易想到將干涉相位Δ?減去偏角θ，即對干涉相位進(jìn)行校正，將干涉相位分布的中心搬移到Y(jié)軸，然后用校正后的干涉相位對DPCA幅度進(jìn)行非線性加權(quán)，將有可能使雜波抑制效果得到改善，并盡可能保留動(dòng)目標(biāo)信息。

圖3 雜波殘差相位分布圖Fig. 3 Residual phase difference histogram

圖4 干擾因素對DPCA的影響Fig. 4 Interference for DPCA

在借鑒以上方法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上本文提出改進(jìn)的DPCA方法(稱之為加權(quán)DPCA)，用校正后的干涉相位對DPCA幅度進(jìn)行正弦調(diào)制，

DPCA幅度經(jīng)過非線性變換后，目標(biāo)和雜波的DPCA幅度都得到衰減，衰減系數(shù)為：

為了從理論上分析干涉相位校正后加權(quán)DPCA對比DPCA的優(yōu)勢，我們假設(shè)兩通道已平衡，即則式(6)可寫成以下形式[16]：

圖5 DPCA與加權(quán)DPCA理論對比Fig. 5 Theoretical comparison of DPCA and weighted DPCA

如圖5(a)和圖5(b)所示，假設(shè)取θ=-0.2，即雜波干涉相位大部分分布于-0.2附近，隨著干涉相位絕對值的不斷增大，衰減系數(shù)逐漸變小，對比圖3和圖5(b)可知，加權(quán)DPCA對雜波集中區(qū)域的衰減程度明顯高于雜波非集中區(qū)域，換句話說，目標(biāo)的衰減程度要遠(yuǎn)小于雜波的衰減程度，圖5(a)中綠色雙箭頭所指長度即為傳統(tǒng)DPCA的殘留雜波，經(jīng)過加權(quán)DPCA方法處理后可明顯看出殘留雜波主分布區(qū)域被很好地抑制。當(dāng)然對殘留雜波抑制的同時(shí)，干涉相位很小的可能的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)也會被作為雜波抑制掉，不過，這些運(yùn)動(dòng)速度極慢的微動(dòng)目標(biāo)往往并不是軍事監(jiān)視關(guān)心的重點(diǎn)且數(shù)量有限，雖然犧牲了微動(dòng)目標(biāo)的檢測能力卻可以使虛警率顯著降低。圖6給出了加權(quán)DPCA的流程圖。

圖6 加權(quán)DPCA雜波抑制流程圖Fig. 6 Framework of clutter rejection with weighted DPCA

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)采用美國航空太空總署(NASA)的AirSAR C波段復(fù)圖像數(shù)據(jù)(已完成通道均衡校正以及配準(zhǔn))，平臺及雷達(dá)相關(guān)參數(shù)如表1所示。圖7(a)和圖7(b)是從同一幅單通道數(shù)據(jù)中提取的兩幅子圖像，圖7(a)指示城市區(qū)域(非均勻地物區(qū)域)，圖7(b)指示包含公路的郊區(qū)(均勻地物區(qū)域)，為了方便展示，兩幅示意圖均對原始幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行了20倍的對數(shù)拉伸，圖7(c)和圖7(d)分別是城市區(qū)域和郊區(qū)的干涉相位統(tǒng)計(jì)分布。由于缺乏地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)真實(shí)集，尤其無法完全確認(rèn)城市區(qū)域中哪些像素是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，通過幅度、干涉相位，以及SAR圖像判讀等知識，我們認(rèn)為圖7中所有的綠色框所示區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

4.2 雜波抑制效果對比

圖8(a)～圖8(d)為對應(yīng)圖7(a)的傳統(tǒng)DPCA法與加權(quán)DPCA法的雜波抑制效果對比，圖9(a)～圖9(d)為對應(yīng)圖7(b)的傳統(tǒng)DPCA法與加權(quán)DPCA法的雜波抑制效果結(jié)果對比。

表1 平臺及雷達(dá)主要參數(shù)Tab. 1 Parameters of platform and radar

從圖8(a)和圖8(b)的對比可以看出，經(jīng)過加權(quán)DPCA處理后，背景更加純凈，殘留雜波被明顯抑制。圖8(c)和圖8(d)分別為對應(yīng)圖8(a)和圖8(b)的雜波抑制結(jié)果量化值，從中也可看出兩個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)幅度只被輕微抑制，而大部分雜波都得到了較大程度的抑制。需要說明的是由于城市中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)真實(shí)情況無法實(shí)地調(diào)查，我們并不能十分確切地判斷那些疑似運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的真實(shí)屬性，但這并不妨礙實(shí)驗(yàn)對該方法雜波抑制能力的證明，為了便于觀察，本文只展示了3維視圖的方位向視圖。

圖7 SAR示意圖及干涉相位統(tǒng)計(jì)分布Fig. 7 SAR schematic image and Interferometric phase histogram

圖9(a)～圖9(d)中展示了非均勻區(qū)域的雜波抑制效果對比，為了充分證明該方法對非均勻地物場景和均勻地物場景均有效，我們選取了城市附近的郊區(qū)場景進(jìn)行雜波抑制對比試驗(yàn)。圖7(b)和圖9(a)，圖9(c)中黃色框標(biāo)定的區(qū)域?yàn)槁愤吪R時(shí)停車場，亮點(diǎn)為靜止車輛或油罐(強(qiáng)雜波)，從圖9(a)和圖9(c)中看出經(jīng)過傳統(tǒng)DPCA方法處理后，該靜止目標(biāo)沒有被抑制。從圖9(c)和圖9(d)的對比中可以看出，經(jīng)過加權(quán)DPCA處理后靜止強(qiáng)雜波被成功抑制(圖 9(c)中黃色框標(biāo)定區(qū)域被成功抑制)，而且大部分平坦區(qū)域的雜波幅度被抑制到更低水平。

進(jìn)一步對比圖9(a)和圖9(b)發(fā)現(xiàn)，有部分樹叢區(qū)域的像素點(diǎn)經(jīng)過加權(quán)DPCA處理后相比周圍環(huán)境比較凸現(xiàn)，被抑制程度較輕(圖9(d)中紅色圈所標(biāo))，這是因?yàn)榻紖^(qū)的樹叢由于受風(fēng)的影響而擺動(dòng)，相比周圍草地必然會產(chǎn)生更加顯著的相位差，根據(jù)前文理論分析可知這些像素點(diǎn)的衰減程度不如草地等靜止地物。

圖8 非均勻區(qū)域雜波抑制效果對比Fig. 8 Comparison of clutter rejection results in heterogenous terrain

圖9均勻區(qū)域雜波抑制效果對比Fig. 9 Comparison of clutter rejection results in homogenous terrain

5 結(jié)束語

本文結(jié)合雙通道DPCA復(fù)圖像數(shù)據(jù)的干涉相位提出了一種SAR-GMTI雜波抑制新方法，該方法不改變雙通道DPCA的物理結(jié)構(gòu)，利用校正后的雙通道干涉相位對DPCA幅度進(jìn)行非線性加權(quán)，降低了殘差相位對DPCA雜波抑制的影響，均勻區(qū)域和非均勻區(qū)域的實(shí)測數(shù)據(jù)均證明了本文方法比傳統(tǒng)DPCA方法具有更優(yōu)的雜波抑制能力，有望被用來解決SAR-GMTI的雜波抑制問題。

[1]王永良. 空時(shí)自適應(yīng)信號處理[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2000: 1-20. Wang Yong-liang. Space-Time Adaptive Signal Processing[M]. Beijing: Tsinghua University Press,2000: 1-20.

[2]Ender J H G. Space-time processing for multichannel synthetic aperture radar[J]. Electronics & Communication Engineering Journal,1999,11(1): 29-38.

[3]Klemm R. Applications of Space-Time Adaptive Processing[M]. London: The Institution of Electrical Engineers,2004: 177-206.

[4]王永良,陳建文,吳志文. 現(xiàn)代DPCA技術(shù)研究[J]. 電子學(xué)報(bào),2000,28(6): 118-122.Wang Yong-liang,Chen Jian-wen,and Wu Zhi-wen. Research on modern DPCA techniques[J]. Acta Electronica Sinica,2000,28(6): 118-122.

[5]孟祥東. 空時(shí)二維自適應(yīng)信號處理與動(dòng)目標(biāo)檢測[D]. [博士論文],西安電子科技大學(xué),2009.Meng Xiang-dong. Space-time adaptive processing and moving target indication[D]. [Ph.D. dissertation],Xidian University,2009.

[6]Morena L C,James K V,and Beck J. An introduction to the RADARSAT-2 mission[J]. Canadian Journal of Remote Sensing,2004,30(3): 221-234.

[7]Gierull C H and Sikaneta I. Two-step detector for RADARSAT-2’s experimental GMTI mode[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2013,51(1): 436-454.

[8]Coe D J and White R G. Moving target detection in SAR imagery: experimental results[C]. IEEE International Radar Conference,British,1995: 644-649.

[9]Shen Chiu and Livingstone C. A comparison of displaced phase centre antenna and along-track interferometry techniques for RADARSAT-2 ground moving target indication[J]. Canadian Journal of Remote Sensing,2005,31(1): 37-51.

[10]保錚. 雷達(dá)成像技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2005: 318-319.Bao Zheng. Radar Imaging Technology[M]. Beijing: Electronic Industry Press,2005: 318-319.

[11]鄭明潔. 合成孔徑雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)檢測和成像研究[D]. [博士論文],中國科學(xué)院電子學(xué)研究所,2003: 79-89.Zheng Ming-jie. Study on detection and imaging of moving target with synthetic aperture radar[D]. [Ph.D. dissertation],Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,2003: 79-89.

[12]Lee J S,et al.. Intensity and phase statistics of multi-look polarimetric and interferometric SAR imagery[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1994,32(5): 1017-1028.

[13]趙寧,李景文. 機(jī)載SAR加權(quán)ATI地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測方法[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2007,5(3): 189-193.Zhao Ning and Li Jing-wen. A weighting ATI ground slow velocity moving target detection method for airborne SAR[J]. Radar Science and Technology,2007,5(3): 189-193.

[14]時(shí)公濤. 基于干涉圖的多通道SAR地面慢動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測技術(shù)研究[D]. [博士論文],國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009: 30-51.Shi Gong-tao. Study on automatic detection of moving slowly target based on multi-channel SAR interferogram[D]. [Ph.D. dissertation],National University of Defense Technology,2009: 30-51.

[15]Gao Gui and Shi Gong-tao. The CFAR detection of ground moving target based on a joint metric of SAR interferogram’s magnitude and phase[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2012,50(9): 3618-3624.

[16]Livingstone C E,Sikaneta I,and Gierull C H. An airborne synthetic aperture radar (SAR)experiment to support RADARSAT-2 ground moving target indication (GMTI)[J]. Canadian Journal of Remote Sensing,2002,28(6): 794-813.

A Clutter Suppression Approach for SAR-GMTI Based on Dual-channel DPCA

Wang Xiao-yang Gao Gui Zhou Shi-lin Zou Huan-xin
(College of Electronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

The Displaced Phase Center Antenna (DPCA)technology,a particular form of Space Time Adaptive Processing (STAP),has been widely used in Synthetic Aperture Radar Ground Moving Target Indication (SAR-GMTI). The GMTI performance depends on the capability of clutter rejection but the traditional DPCA technology operated in the complex image domain does not have the appropriate clutter rejection capability for urban areas with strong scattering stationary objects. Hence,interferometry phase is used to weight the DPCA magnitude nonlinearly,and a weighted DPCA clutter rejection approach is proposed,which reduces the interference from residual phase difference. The experimental results suggest that the new approach can improve the clutter rejection compared with the conventional DPCA.

Space Time Adaptive Processing (STAP); Displaced Phase Center Antenna (DPCA); Synthetic Aperture Radar (SAR); Ground Moving Target Indication (GMTI); Clutter rejection

TN958

A

2095-283X(2014)02-0241-08

10.3724/SP.J.1300.2014.13121

2013-12-09收到，2014-02-24改回；2014-03-07網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版國家自然科學(xué)基金(41171316)資助課題

*通信作者： 王肖洋 henanwangxiaoyang@163.com

王肖洋(1989-)，男，籍貫：河南，國防科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?、合成孔徑雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)檢測。E-mail: henanwangxiaoyang@163.com

高 貴(1981-)，男，籍貫：內(nèi)蒙古，國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副教授，研究領(lǐng)域包括合成孔徑雷達(dá)自動(dòng)目標(biāo)識別、SAR圖像建模、SAR-GMTI。

周石琳(1965-)，男，籍貫：湖南，國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域包括計(jì)算機(jī)視覺及智能信息處理、圖像圖形處理以及數(shù)字?jǐn)z影測量與遙感等。鄒煥新(1973-)，男，籍貫：廣東，國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)閳D形圖像處理及數(shù)字?jǐn)z影測量與遙感。