基于雙通道DPCA技術(shù)的前視SAR微動目標(biāo)檢測

陳磊，陳殿仁

（長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

基于雙通道DPCA技術(shù)的前視SAR微動目標(biāo)檢測

陳磊，陳殿仁

（長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

針對將DPCA技術(shù)應(yīng)用于前視SAR微動目標(biāo)檢測領(lǐng)域，首先分析了傳統(tǒng)雙通道SAR的DPCA對消原理，然后根據(jù)前視SAR的特性，提出基于天線收發(fā)同置的前視SAR雙通道DPCA模式，研究前視微動目標(biāo)回波經(jīng)過DPCA對消后的信號幅相特性，確定微動目標(biāo)所在的距離域，最后在MATLAB中對檢測方法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，當(dāng)回波信噪比大于-5dB時(shí)，微動目標(biāo)檢測概率達(dá)到95%。

前視；DPCA；微動目標(biāo)；目標(biāo)檢測；雙通道

由于能夠?qū)︼w行路線正前方場景成像，前視SAR除了輔助飛機(jī)起飛降落等民用用途之外，還能夠使雷達(dá)載機(jī)對正前方視場中目標(biāo)進(jìn)行高分辨率偵查、識別，起到對戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈等進(jìn)行導(dǎo)引的作用，實(shí)現(xiàn)對地正前方高分辨成像，有助于構(gòu)建“察打一體”武器系統(tǒng)［1］。

SAR成像算法均針對靜止目標(biāo)設(shè)計(jì)，而實(shí)際場景中存在大量的運(yùn)動目標(biāo)，如運(yùn)動的戰(zhàn)車、滑行的飛機(jī)。相對靜止目標(biāo)而言，此類目標(biāo)更具有成像價(jià)值和威脅性，因此，SAR目標(biāo)指示（GMTI）得到廣泛的研究。但是，除了上述具有簡單運(yùn)動特征的目標(biāo)外，雷達(dá)場景中還存在很多微動目標(biāo)［2］，如旋轉(zhuǎn)的雷達(dá)天線、懸停的直升機(jī)旋翼、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉扇等。此類目標(biāo)的回波具有微多普勒特性，使得前視成像結(jié)果中目標(biāo)位置發(fā)生偏移和擴(kuò)展。因此，對此類目標(biāo)成像特性的研究是進(jìn)行此類目標(biāo)檢測的基礎(chǔ)，可以填補(bǔ)GMTI在地面微動目標(biāo)檢測和識別方面存在的漏洞。本文以前視SAR和前視SAR微動目標(biāo)檢測為研究內(nèi)容，從系統(tǒng)建模、特性分析、數(shù)學(xué)仿真等多個(gè)方面對前視SAR成像算法、微動目標(biāo)建模、微多普勒分析和提取、微動參數(shù)估計(jì)算法等內(nèi)容進(jìn)行了分析研究。

1 前視SAR雙通道DPCA

1.1 SAR雙通道DPCA原理

DPCA雜波對消由于原理簡單被廣泛應(yīng)用于SAR動目標(biāo)檢測系統(tǒng)中，由于不同子孔徑靜止目標(biāo)的回波相位一致，而運(yùn)動目標(biāo)的子孔徑的雷達(dá)回波相位不一致，進(jìn)行雜波對消后靜止目標(biāo)被消除，動目標(biāo)的相位信息被保留下來，DPCA對消公式可以表示為：

其中，s1(t),s2(t)為兩個(gè)通道的雷達(dá)回波。

在普通的側(cè)視SAR DPCA系統(tǒng)中，要求有多個(gè)子天線組成不同的子孔徑，通常情況下子孔徑數(shù)等于天線個(gè)數(shù)。傳統(tǒng)的DPCA平臺的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了保證子孔徑的相位中心一致，要求載機(jī)飛行速度等于子孔徑天線的間距除以雷達(dá)發(fā)射脈沖的周期。

圖1 雙通道DPCA對消原理

1.2 前視SAR DPCA

由于前視SAR方位向具有多個(gè)收發(fā)天線陣列，所以將DPCA技術(shù)應(yīng)用到前視SRA中時(shí)，不需要對雷達(dá)前端硬件進(jìn)行修改，只需要對回波數(shù)據(jù)按照天線陣列進(jìn)行分組即可得到兩個(gè)子孔徑的回波數(shù)據(jù)。但同時(shí)，還需要考慮的是這種簡單的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)分組是否可以滿足DPCA對相位中心一致的要求，如果不滿足則需要進(jìn)行補(bǔ)償。如果采用如圖2所示的收發(fā)順序即可滿足雙通道子孔徑的相位一致。

如圖2所示，收發(fā)同置前視SAR DPCA模式天線陣列分組為：（天線1、天線4）、（天線2、天線3）、（天線2、天線5）、（天線3、天線4）…。t=T0時(shí)刻，天線1發(fā)射，天線4接收，形成子孔徑1；t=T1時(shí)刻，天線2發(fā)射，天線3接收，形成子孔徑2；當(dāng)t=T2時(shí)刻，天線2發(fā)射，天線5接收，形成子孔徑1，以此類推。從圖2中可見子孔徑1、2的相位中心一致。

圖2 收發(fā)同置前視SAR DPCA模式

2 前視SAR雙通道微動目標(biāo)回波模型

如圖2所示，天線模塊之間的距離可別表示為：

天線的等效相位中心為物理間距的一半，則可以認(rèn)為相距為d的兩個(gè)天線單獨(dú)發(fā)射接收信號［3］。

在任意時(shí)刻t，可以將雷達(dá)前視目標(biāo)到雷達(dá)的距離歷程表示為：

則在任意時(shí)刻t，等效孔徑與雷達(dá)前視目標(biāo)的斜距可以表示為：

對式（4）進(jìn)行配準(zhǔn)，可以得到：

根據(jù)上文對雷達(dá)參數(shù)的假設(shè)，雷達(dá)回波可以表示為：

則可以得到方位向回波表達(dá)式：

3 雙通道DPCA對消后信號特性

DPCA的思想是：對每個(gè)子孔徑的回波進(jìn)行對消，消除靜止目標(biāo)和背景的影響，從而達(dá)到動目標(biāo)檢測的目的［4］。令：

則R1(t)和R2reg(t)可以表示為：

由DPCA原理可知：

將式（12）、（13）代入式（14）可得：

將式（3）、（5）、（6）代入到式（15）之后并取?？梢缘玫剑?/p>

對式（16）進(jìn)行泰勒級數(shù)展開可得：

由于前視SAR一次成像過程很短，則t的取值很小，而且由于目標(biāo)屬于微動范疇，所以ωt的取值非常小，則可以假設(shè)sinθ≈θ.同時(shí)假設(shè)

則式（20）成立的條件為：

其中，γmω為目標(biāo)微動角速度所引起的瞬時(shí)線速度，對于式（19），本文所研究的微動目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)均可以滿足，由式（17）可知，微動目標(biāo)前視SAR回波信號經(jīng)過DPCA雜波對消后的回波的幅度變換可表示為(|Asin(ωt+φ)|)的正弦函數(shù)形式，其中，A的取值受目標(biāo)微動幅度和微動頻率的影響。

根據(jù)式（16）還可以得到經(jīng)過DPCA對消后的信號的相位特性：

由式（20）可知，DPCA對消后的相位特性也具有正弦調(diào)制特性，通過上述分析可知，前視SAR回波經(jīng)過DPCA對消之后，信號的幅度和相位均具有正弦調(diào)制特性。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

假設(shè)成像場景中存在一個(gè)微動目標(biāo)和一個(gè)靜止目標(biāo)，為了便于分析，下面對于雙通道DPCA的仿真只取兩個(gè)通道的結(jié)果，因?yàn)榈谌齻€(gè)通道的結(jié)果同理可得。雷達(dá)參數(shù)見表1；目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)如表2所示：

表1 雷達(dá)參數(shù)

表2 目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)

仿真結(jié)果如圖3所示，子孔徑1和子孔徑2的原始數(shù)據(jù)如圖3（a）（b）所示，子孔徑1的成像結(jié)果如圖3（c）所示，子孔徑2的成像結(jié)果如圖3（d）所示，由圖可知，在原始信號中，無法判別場景中是否存在微動目標(biāo)。

圖3 子孔徑原始數(shù)據(jù)和成像結(jié)果

由圖4可知，通過DPCA對消后，微動分量被保存下來，圖中出現(xiàn)兩個(gè)拋物線是由于在兩次子孔徑成像中，雷達(dá)載機(jī)一直在運(yùn)動，所以導(dǎo)致兩次成像的拋物線開口不一致，選用對雷達(dá)載機(jī)速度進(jìn)行補(bǔ)償，就可以解決此問題。

圖4 DPCA對消后的結(jié)果

圖5（a）為DPCA對消后沿方位向積累的結(jié)果，可以清楚的看出圖像中峰值出現(xiàn)在微動目標(biāo)所在的距離位置處。為了達(dá)到自動檢測的效果，可設(shè)置一門限，門限取值為局部數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的k倍，k的取值決定了檢測的虛警概率，為了驗(yàn)證檢測效果，采用各種SNR下的目標(biāo)檢測概率進(jìn)行多次Monte-Carlo運(yùn)算，得到的仿真結(jié)果如圖5（b）所示。

由圖5（b）可知，當(dāng)回波信噪比大于-5dB時(shí)，微動目標(biāo)檢測概率達(dá)到95%。

圖5 沿距離向積累結(jié)果

5 結(jié)論

本文將DPCA技術(shù)應(yīng)用于前視SAR微動目標(biāo)檢測領(lǐng)域。首先分析了傳統(tǒng)雙通道SAR的DPCA對消原理，然后根據(jù)前視SAR的特性，提出了基于天線收發(fā)同置的前視SAR雙通道DPCA模式，研究了前視微動目標(biāo)回波經(jīng)過DPCA對消后的信號幅相特性，確定微動目標(biāo)所在的距離域，通過對對消后的數(shù)據(jù)在方位向上的積累對微動目標(biāo)進(jìn)行檢測，通過仿真表面，當(dāng)雷達(dá)回波信噪比大于-5dB時(shí)，微動目標(biāo)檢測概率達(dá)到95%

［1］Wu J，Huang Y，Yang J，et al.First result of bistatic forward-looking SAR with stationary transmitter［J］. IGARSS，Vancouver，2011：1223-1226.

［2］鄧彬，吳稱光，秦玉亮.合成孔徑雷達(dá)微動目標(biāo)指示（SAR/ MMTI）研究進(jìn)展［J］.電子學(xué)報(bào)，2013，12（41）：2436-2441.

［3］羅運(yùn)華，宋紅軍，王宇，等.基于精確二維頻譜的調(diào)頻連續(xù)波SAR動目標(biāo)特性分析［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2013，8（35）：1834-1840.

［4］Cerutti-Maori D，Sikaneta I.A Generalization of DPCAProcessingforMultichannelSAR/GMTI Radars［J］.IEEETransactionsonGeoscienceand Remote Sensing，2013，51（1）：560-572.

［5］Wacks S，Yazici B.Bistatic Doppler-SAR DPCA imaging of ground moving targets［J］.Radar Conference，IEEE 2014：1071-1074.

The Forward Looking Sar Micro-motion Targets Detection Methodbased on Dual-channel DPCA

CHEN Lei，CHEN Dianren
（School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

It is aimed at the problem of forward-looking SAR micro-motion target detection in this paper.The traditional dual-channel SAR DPCA cancellation principle is analyzed and a dual-channel DPCA model of forward-looking SAR is proposed，the amplitude and phase characters of the signal after DPCA cancellation is studied，the distance domain of the micro-motion target is determined，then the micro-motion target detection is probability under different echo SNR with Monte-Carlo Operation，when the echo SNR is bigger than-5dB，and the target detection probability is greater than 90%.

forward-looking；DPCA；micro-motion；target detection；dual-channel

TN957

A

1672-9870（2016）06-0040-04

2016-08-16

陳磊（1985-），男，博士，講師，E-mail：chenlei511@126.com