雙通道SAR地面振動(dòng)目標(biāo)特征提取方法

梁 穎,張 群,楊 秋,顧福飛

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,陜西西安 710077;2.信息感知技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西西安710077;3.中國(guó)人民解放軍95980部隊(duì),湖北襄陽(yáng) 441100)

雙通道SAR地面振動(dòng)目標(biāo)特征提取方法

梁 穎1,3,張 群1,2,楊 秋1,顧福飛1

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,陜西西安 710077;2.信息感知技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西西安710077;3.中國(guó)人民解放軍95980部隊(duì),湖北襄陽(yáng) 441100)

合成孔徑雷達(dá)在對(duì)地面振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取時(shí),回波信號(hào)中不可避免地存在大量的雜波,給地面振動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與特征提取帶來(lái)困難.為有效抑制地雜波,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地面振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取,筆者采用相位中心偏置天線技術(shù)進(jìn)行雜波抑制.分析表明,經(jīng)相位中心偏置天線對(duì)消后振動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)中存在一個(gè)隨慢時(shí)間變化的包絡(luò)項(xiàng),稱為慢時(shí)間包絡(luò),該項(xiàng)將影響振動(dòng)目標(biāo)微多普勒時(shí)頻曲線的能量分布,導(dǎo)致無(wú)法獲取完整的振動(dòng)目標(biāo)微多普勒時(shí)頻曲線;進(jìn)一步地,根據(jù)慢時(shí)間包絡(luò)特征實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)目標(biāo)的特征提取.最后,仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析結(jié)果及振動(dòng)目標(biāo)特征提取方法的有效性.

振動(dòng)目標(biāo);雜波抑制;相位中心偏置天線;慢時(shí)間包絡(luò)

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示(Ground Moving TargetIndication,GMTI)技術(shù)可完成對(duì)地面勻速和勻加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的有效檢測(cè)[1-2].然而該技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)地面微動(dòng)目標(biāo)(如旋轉(zhuǎn)的雷達(dá)天線、振動(dòng)的車輛引擎、懸停直升機(jī)的旋翼等)的有效檢測(cè).目標(biāo)微動(dòng)特征是目標(biāo)本身特有的屬性,蘊(yùn)含著反映目標(biāo)身份標(biāo)識(shí)的精細(xì)特征[3],通過(guò)對(duì)目標(biāo)微動(dòng)特征的分析與提取,可以有效地分辨不同的地海面目標(biāo).2009年,國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的鄧彬等人首次提出了SAR微動(dòng)目標(biāo)指示(Micro-Motion Target Indication,MMTI)技術(shù)的概念[4],將對(duì)地海面微動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)與成像技術(shù)或?qū)崿F(xiàn)該技術(shù)的SAR被統(tǒng)稱為SAR MMTI技術(shù),并對(duì)SAR MMTI技術(shù)展開(kāi)了一系列的研究工作[5-7].

作為SAR GMTI技術(shù)的推廣,SAR MMTI技術(shù)一直受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注.在振動(dòng)目標(biāo)特征分析及提取技術(shù)研究方面,文獻(xiàn)[8]根據(jù)APY-6雷達(dá)采集的兩個(gè)振動(dòng)角散射器的回波數(shù)據(jù),采用時(shí)頻分析的方法提取了振動(dòng)目標(biāo)的振動(dòng)頻率及振幅,但振幅的估計(jì)誤差較大;文獻(xiàn)[9]采用毫米波段SAR系統(tǒng),對(duì)旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)目標(biāo)的微多普勒特征進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[10-11]采用時(shí)頻分析的方法分別對(duì)雙基SAR和多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)SAR系統(tǒng)中振動(dòng)目標(biāo)特征進(jìn)行了分析.以上研究工作均未考慮強(qiáng)地雜波對(duì)振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取的影響,然而受強(qiáng)地雜波的影響,微弱的振動(dòng)目標(biāo)通常會(huì)被淹沒(méi)在強(qiáng)地雜波背景中,難以被檢測(cè).文獻(xiàn)[12]將相位中心偏置天線(Displaced Phase Center Antenna,DPCA)技術(shù)應(yīng)用于地面振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取,有效地抑制了地雜波,通過(guò)時(shí)頻分析方法獲取振動(dòng)目標(biāo)特征信息,但其忽略了對(duì)消后回波信號(hào)慢時(shí)間包絡(luò)(Slow Time Envelope,STE)項(xiàng)對(duì)振動(dòng)目標(biāo)回波能量的影響.

為有效抑制地雜波,實(shí)現(xiàn)地面振動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與特征提取,筆者采用DPCA技術(shù)在數(shù)據(jù)域完成雜波對(duì)消處理.通過(guò)分析對(duì)消后回波信號(hào)的特點(diǎn),指出STE會(huì)對(duì)振動(dòng)目標(biāo)微多普勒(micro-Doppler,m-D)時(shí)頻曲線的能量分布產(chǎn)生影響,無(wú)法獲取完整的m-D時(shí)頻曲線.所以,提出了一種基于STE的振動(dòng)特征提取方法,仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析與特征提取方法的有效性.

1　振動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)分析

圖1給出了機(jī)載雙通道SAR/DPCA微動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)幾何模型.在沿航線方向放置兩個(gè)收發(fā)通道A1和A2,兩通道交替的發(fā)射和接收信號(hào),每個(gè)通道的脈沖重復(fù)周期為2Tr,整個(gè)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)周期為Tr.兩通道天線間距為d,且滿足d=MTrv,(M=1,3,5,…).可見(jiàn),天線A2在t時(shí)刻接收到的回波信號(hào)與天線A1在t+τd,(τd=MTr)時(shí)刻接收到的回波信號(hào)相位中心恰好重合.這樣,兩個(gè)接收通道接收的靜止地面目標(biāo)的回波信號(hào)能夠完成對(duì)消,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信息得以保留.受載機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差等的影響,采用DPCA技術(shù)很難完全抑制雜波,對(duì)此可采用相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法得以實(shí)現(xiàn)[13].假設(shè)場(chǎng)景方位向中心處存在一振動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)P,振幅為Av,振動(dòng)頻率為fv(角頻率ωv=2πfv),初始相位為θ0,振動(dòng)中心與雷達(dá)平臺(tái)之間的距離為R0.目標(biāo)振動(dòng)方向與x Oy平面的夾角為α,振動(dòng)方向在x Oy平面的投影與y軸夾角為β.點(diǎn)P與天線A1,A2之間的瞬時(shí)斜距可分別表示為

圖1　機(jī)載雙通道SAR/DPCA幾何模型

其中,tm為慢時(shí)間,Ar=Avcosαcosβ,表示振動(dòng)點(diǎn)距離向振幅,Aa=Avcosαsinβ,表示方位向振幅.

雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào),兩通道接收的回波信號(hào)經(jīng)距離壓縮后分別為

其中,σP為常數(shù),λ為信號(hào)波長(zhǎng).對(duì)兩路回波信號(hào)采用DPCA方法處理,在原始數(shù)據(jù)域完成對(duì)消,得[12]

其中,θ′0=ωvτd2+θ0.由式(5)可知,兩通道回波信號(hào)經(jīng)DPCA處理后,包含一個(gè)與慢時(shí)間tm有關(guān)的包絡(luò)項(xiàng)P(tm),即STE項(xiàng),該項(xiàng)將影響雜波對(duì)消后回波信號(hào)的能量分布.式(5)經(jīng)補(bǔ)償載機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的線性調(diào)頻多普勒項(xiàng)后,其m-D頻率為

由式(6)和式(7)可知,地面振動(dòng)目標(biāo)引起的m-D頻率表現(xiàn)為隨慢時(shí)間變化的余弦(正弦)形式,通常采用時(shí)頻分析的方法獲取振動(dòng)特征.但是,與傳統(tǒng)的振動(dòng)點(diǎn)m-D時(shí)頻曲線不同,受隨慢時(shí)間變化的STE影響,回波信號(hào)能量也隨慢時(shí)間而變化,這也將影響振動(dòng)點(diǎn)m-D時(shí)頻曲線的能量分布.假設(shè)某一振動(dòng)點(diǎn)振動(dòng)參數(shù)為:Ar=3 mm,fv=10 Hz,R0=12 km,雷達(dá)載頻為35 GHz.如圖2所示,其中圖2(a)給出了STE曲線與m-D曲線之間的關(guān)系,STE曲線與m-D曲線變化趨勢(shì)類似,當(dāng)m-D頻率為0時(shí),STE也為0,且在零頻附近STE的值很小,這將影響振動(dòng)目標(biāo)m-D曲線的獲取,特別是當(dāng)m-D頻率較小時(shí),將很難獲取完整的m-D曲線,影響后續(xù)的振動(dòng)特征的提取;圖2(b)給出了不包含STE時(shí)振動(dòng)目標(biāo)的m-D時(shí)頻曲線;圖2(c)給出了含STE時(shí)振動(dòng)目標(biāo)的m-D時(shí)頻曲線,受STE的影響,振動(dòng)目標(biāo)m-D時(shí)頻曲線僅在最大m-D頻偏附近能量聚焦良好,表現(xiàn)為“殘缺”的正弦曲線.因此,在采用時(shí)頻分析方法對(duì)振動(dòng)目標(biāo)特征進(jìn)行提取時(shí),STE對(duì)時(shí)頻分布的影響不能忽略.

圖2　STE對(duì)時(shí)頻分布影響分析

2　振動(dòng)目標(biāo)特征提取

考慮到時(shí)頻分析方法無(wú)法獲取理想的振動(dòng)目標(biāo)m-D時(shí)頻曲線,影響后續(xù)的振動(dòng)目標(biāo)特征提取.這里根據(jù)對(duì)消后回波信號(hào)的特點(diǎn),提出一種基于STE的振動(dòng)特征提取方法.由上一節(jié)的分析可知,回波差頻信號(hào)經(jīng)DPCA處理后,慢時(shí)間包絡(luò)同樣包含振動(dòng)目標(biāo)的特征信息,對(duì)式(5)取模,得

其中,an和bn為傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù);ω為式(8)的一次諧波角頻率,且ω=2ωv.因此,振動(dòng)點(diǎn)振動(dòng)頻率可通過(guò)對(duì)取模后的STE進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT),提取一次諧波頻率即為振動(dòng)點(diǎn)頻率的2倍.式(8)的離散形式可表示為

其中,m為整數(shù),Δt為慢時(shí)間采樣間隔.由式(10)可知,STE模值為正弦函數(shù)與余弦函數(shù)組成的復(fù)合函數(shù),受余弦函數(shù)的調(diào)制,正弦函數(shù)內(nèi)的值在[-ArC,ArC]之間變化,因此STE曲線形式與ArC的取值有關(guān),下面分兩種情況討論振動(dòng)點(diǎn)振幅的提取方法:

最大值點(diǎn)位置ml滿足cos(ωvmlΔt+θ′0)=±1,l=1,2,….且在一個(gè)周期內(nèi)僅包含一個(gè)最大值點(diǎn),即(ml-ml-1)Δt=T.

提取STE另一位置點(diǎn)ma的值

其中,φ=ωvΔt(ma-ml).取φ=π/3,則ma=[ml+π(3ωvΔt)],[·]表示近似取整運(yùn)算.定義ma的位置為STE的中值點(diǎn).式(11)與式(12)的比值為

根據(jù)式(13),振動(dòng)點(diǎn)距離向振幅可通過(guò)下式進(jìn)行估計(jì):

其中,mk滿足ArC cos(ωvmkΔt+θ′0)=±(2k-1)π2,k=1,2,…,且有

在一個(gè)周期內(nèi),除最大值點(diǎn)外,STE曲線中還包含一個(gè)極小值點(diǎn)(或極大值點(diǎn)),假設(shè)該點(diǎn)的位置為m0,則滿足cos(ωvm0Δt+θ′0)=±1.m0與mk之間的關(guān)系如圖3所示.

圖3　m0與mk關(guān)系示意圖

根據(jù)以上分析有如下關(guān)系式:

其中,mΔ=mk-m0.距離向振幅可通過(guò)下式進(jìn)行估計(jì):

對(duì)于以上兩種情況的判定,可通過(guò)對(duì)提取的STE曲線最大值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔進(jìn)行判斷.當(dāng)相鄰兩個(gè)最大值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔與STE的周期相等時(shí),判定為情況1;如果小于STE的周期,則判定為情況2.

3　仿真驗(yàn)證與分析

雷達(dá)參數(shù)設(shè)置:載頻為35 GHz,脈沖重復(fù)時(shí)間為0.1 ms,帶寬為150 MHz,采樣頻率為0.4 MHz,兩天線間距d為0.51 m.平臺(tái)速度為30 m/s,合成孔徑時(shí)間為0.8s.場(chǎng)景中包括3個(gè)振動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)和7個(gè)隨機(jī)分布的靜止點(diǎn)目標(biāo),振動(dòng)點(diǎn)參數(shù)如表1所示.仿真中加入了信噪比為-3 dB的高斯白噪聲.

表1　振動(dòng)點(diǎn)參數(shù)

圖4(a)和圖4(b)給出了DPCA雜波抑制前后回波信號(hào)距離-慢時(shí)間譜圖對(duì)比.其中,圖4(a)為雜波抑制前通道A1距離-慢時(shí)間譜圖,不僅包括振動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)信息,還包括隨機(jī)靜止目標(biāo)點(diǎn)信息;圖4(b)為經(jīng)DPCA雜波抑制處理后回波差頻信號(hào)的距離-慢時(shí)間譜圖,經(jīng)DPCA處理后地雜波得以消除,僅保留了振動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)信息.且圖4(b)中僅能直觀地觀測(cè)到兩條直線,即振動(dòng)點(diǎn)P和振動(dòng)點(diǎn)Q的距離-慢時(shí)間譜圖,由于振動(dòng)點(diǎn)R為沿方位向振動(dòng)的目標(biāo)點(diǎn),其回波能量很弱,幾乎已淹沒(méi)在噪聲中.兩條直線表現(xiàn)為明暗相間的不連續(xù)直線,即受STE項(xiàng)的影響,譜圖中直線的幅度也是隨時(shí)間變化的.采用Hough變換對(duì)譜圖中的直線進(jìn)行檢測(cè),獲取振動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)所在距離單元位置,抽取振動(dòng)點(diǎn)P所在距離單元位置進(jìn)行時(shí)頻分析,振動(dòng)點(diǎn)P的m-D時(shí)頻曲線如圖4(c)所示,受STE的影響,只能獲得振動(dòng)點(diǎn)不連續(xù)的m-D時(shí)頻曲線.

對(duì)提取的振動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)STE模值進(jìn)行FFT計(jì)算振動(dòng)頻率,如圖5(a)和(b)所示.圖5(a)為振動(dòng)點(diǎn)P的回波STE頻譜,圖5(b)為振動(dòng)點(diǎn)Q的回波STE頻譜.頻譜中一次諧波對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)的1/2,即為兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的振動(dòng)頻率,分別為10 Hz和15 Hz,與理論值一致.兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的STE曲線分別如圖5(c)和(d)所示,為提高提取精度,對(duì)STE曲線進(jìn)行了2.5倍的插值處理.由于回波信號(hào)存在高斯白噪聲且無(wú)法通過(guò)雜波對(duì)消進(jìn)行抑制,STE的幅值受到一定的影響,但是整個(gè)STE曲線的變化趨勢(shì)并未受到太大影響,文中采用卷積平滑處理的方法,對(duì)STE曲線進(jìn)行平滑處理,以提取曲線的最大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)(或極大值點(diǎn))等信息.圖5(c)為P點(diǎn)的STE曲線,提取曲線的最大值點(diǎn),計(jì)算相鄰兩個(gè)最大值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0.025 s,小于STE模值的周期0.05 s,因此判定為情況2,進(jìn)一步提取曲線的極小值點(diǎn)位置,根據(jù)式(17)計(jì)算得P點(diǎn)振幅的均值為2.98 mm;圖5(d)為Q點(diǎn)的STE模值曲線,提取曲線最大值點(diǎn),計(jì)算相鄰兩個(gè)最大值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0.034 s,約等于STE模值周期0.033 s,因此判定為情況1,進(jìn)一步提取曲線中值點(diǎn)位置及幅值信息,根據(jù)式(14)計(jì)算Q點(diǎn)振幅均值為1.38 mm.計(jì)算獲得的兩個(gè)振動(dòng)點(diǎn)距離向振幅值均與理論值較為接近.

圖4　雜波抑制及振動(dòng)點(diǎn)檢測(cè)

圖5　振動(dòng)特征提取

下面對(duì)振幅估計(jì)誤差進(jìn)行分析,對(duì)振幅估計(jì)進(jìn)行200次Monte-Carlo仿真實(shí)驗(yàn),信噪比從-5 dB到5 dB變化.兩個(gè)振動(dòng)點(diǎn)振幅估計(jì)的歸一化偏差和歸一化均方誤差(Root Mean Square Error,RMSE)如圖6所示.兩個(gè)振動(dòng)點(diǎn)振幅估計(jì)的歸一化偏差和歸一化RMSE均非常小,表明文中所提振動(dòng)點(diǎn)振幅提取方法的有效性.

同時(shí)可以看出振動(dòng)點(diǎn)P的振幅估計(jì)值比振動(dòng)點(diǎn)Q的振幅估計(jì)值精度更高,這是由于在計(jì)算P點(diǎn)振幅時(shí)只需提取最大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)的位置信息,而計(jì)算Q點(diǎn)振幅時(shí)不僅需要提取最大值點(diǎn)和中值點(diǎn)位置信息,還需要其幅度值,而STE幅度受噪聲的影響很難提取到其真實(shí)的幅度值,因此,提取精度受到一定的限制.

4　結(jié)束語(yǔ)

筆者采用雙通道SAR/DPCA技術(shù)進(jìn)行地雜波抑制,分析了STE對(duì)振動(dòng)目標(biāo)m-D時(shí)頻曲線的影響,同時(shí)提出了一種基于STE的振動(dòng)目標(biāo)特征提取方法,所提提取方法能夠完成對(duì)振動(dòng)點(diǎn)振動(dòng)頻率及振幅的有效提取.該方法能夠更好地輔助SAR GMTI技術(shù),完善SAR MMTI技術(shù),具有一定的理論和實(shí)際意義.

圖6　振幅估計(jì)誤差分析

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(編輯:王 瑞)

Features extracting method of ground vibrating targets for dual-channel SAR

LIANG Ying1,3,ZHANG Qun1,2,YANG Qiu1,GU Fufei1
(1.School of Information and Navigation,AFEU,Xi’an 710077,China;2.Collaborative Innovation Center of Information Sensing and Understanding,Xi’an 710077,China;3.Unit 95980 of PLA,Xiangyang 441100,China)

The returned radar signal includes the vibrating target echo but also the strong ground clutter. However,it is difficult to detect and extract the vibrating features for SAR.For detecting and extracting the features of vibrating targets on the ground,the displaced phase center antenna(DPCA)technique is applied to suppress the ground clutter,which indicates that a time-varying envelope is induced after the DPCA processing,named the slow time envelope(STE).The energy distribution of micro-Doppler(m-D)time-frequency curve is influenced by the STE,and the integrated m-D time-frequency curve cannot be obtained.Further,an extracting method of vibrating features based on STE signatures is proposed.Finally some simulations are given for validating the theoretical derivation and the effectiveness of the proposed extracting method.

vibrating target;clutter suppression;displaced phase center antenna;slow time envelope

TN957

A

1001-2400(2016)03-0114-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.03.020

2015-01-26

時(shí)間:2015-07-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61172169,61471386);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015JM6306)

梁 穎(1986-),男,空軍工程大學(xué)博士研究生,E-mail:liangying8633@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150727.1952.020.html