基于星載高低軌的單通道動目標檢測技術(shù)

丁繪繪 張順生

(電子科技大學(xué)電子科學(xué)技術(shù)研究院, 四川成都 611731)

1 引言

對星載SAR成像在地球觀測,目標監(jiān)視和海洋偵察等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。目前,軌道上的SAR成像衛(wèi)星都是低軌道衛(wèi)星很難滿足敏感區(qū)域連續(xù)快速遙感的需求[1-2]。高軌平臺可以有效地擴展觀察區(qū)域,單個光束可以覆蓋數(shù)百公里成像分辨率?；趨f(xié)同成像系統(tǒng)在地球同步軌道SAR平臺上可以同時解決低軌道SAR修正時間短的問題而高軌道SAR的分辨率低,有效提高系統(tǒng)的及時性和空間分辨率,場景提升地圖,地面目標運動特征等[3- 4]。

單通道SAR中現(xiàn)有的定位運動目標系統(tǒng)主要在圖像域和回波數(shù)據(jù)域中處理。前者基于一系列單一外觀SAR圖像。移動參數(shù)通過連續(xù)單視SAR之間的移動目標位移來估計圖片。這種方法依賴于全面的測量移動目標位置和振幅。另一種方法是廣義的keystone變換,但是傳統(tǒng)的方法當(dāng)非線性范圍方位角時不再適用因目標的速度或加速度而產(chǎn)生的距離走動[5]。本文提出了一種新的星載雙基地SAR運動目標成像方法不僅可以有效抑制地面靜止雜波,還可以獲得良好的動目標成像性能?？梢钥偨Y(jié)所提出的算法如下。首先,運動目標的雜波抑制是通過子孔徑對消實現(xiàn)。其次,應(yīng)用三階廣義keystone形成距離壓縮數(shù)據(jù)用于距離徙動補償[6]。第三,移動目標的高階相位誤差折疊因子相位項可以估算和補償距離徙動后。最后,通過應(yīng)用FFT方位壓縮,我們可以獲得地面運動目標的距離-多普勒圖像。

1985年,Ouchi在文章中第一次在處理SAR成像時使用子孔徑的方案,解釋了目標在不同子孔徑中的成像特點,奠定了子孔徑理論的基礎(chǔ)。劃分子孔徑有多種不同的方法,比如可以在時域、多普勒域及圖像域。我們用的最多的是時域劃分,就是對原始回波數(shù)據(jù)進行劃分處理,但是應(yīng)用在多普勒域的子孔徑劃分方法也很常見,一般應(yīng)用在相干斑抑制處理中；考慮到對地面上運動目標檢測問題,這里提出將廣義keystone變換和子孔徑結(jié)合的方法。

2 空間幾何模型和信號模型

通過在SAR單通道系統(tǒng)對靜止目標的子孔徑成像技術(shù),達到靜止目標對消的效果,可以有效地抑制雜波。時域子孔徑成像是指通過將合成孔徑劃分成多個子孔徑,對每一個子孔徑回波數(shù)據(jù)進行處理成像。由于靜止目標在不同合成孔徑時間內(nèi)處理成像,但是由于其多普勒參數(shù)在不同孔徑圖像中保持一致性的特點,故其成像位置也是不變的。而動目標的多普勒參數(shù)在不同孔徑圖像中是不一樣的,所以成像位置也是不一樣的。由于上述特點,我們可以通過對不同孔徑的信號進行對消處理,很好的對消掉靜止目標,使圖像中只留下運動目標的信息,有效提高信雜比,檢測出運動目標。

星載高低軌 SAR和運動目標的幾何圖像如圖1所示,其中M表示任意移動目標,V表示目標速度。發(fā)射機雷達T和接收機雷達R以Vt,Vr沿著他們自己的軌道飛行。R(τ)是從雙基地星載雷達到地面運動目標的距離,可以通過R(τ)=Rt(τ)+Rr(τ)得到,其中Rt(τ)是距離從發(fā)射機雷達到目標,Rr(τ)是距離從目標到接收機雷達,τ是緩慢的時間[7]。假設(shè)發(fā)射機雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號形式如下:

(1)

設(shè)全合成孔徑劃分為N個子孔徑,第n個子孔徑對應(yīng)方位壓縮后參考信號包絡(luò)為Wn(s),如圖2。

圖1 星載高低軌雷達幾何模型和地面運動目標幾何模型Fig.1 Geometric model of spaceborne radar and moving target

圖2 兩個孔徑參考信號包絡(luò)示意圖Fig.2 Two-view reference signal envelope

回波的方位向信號形式為

(2)

其頻譜近似為

(3)

設(shè)第一個孔徑匹配濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)為:

(4)

對應(yīng)頻譜為

(5)

第一個孔徑輸出信號的頻譜為:

(6)

經(jīng)FFT變換,得輸出信號為:

(7)

第二個孔徑匹配濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)為:

(8)

對應(yīng)頻譜為

(9)

第二個孔徑輸出信號的頻譜為:

(10)

經(jīng)FFT變換,得輸出信號為:

(11)

(12)

其中EN包含AT,N等不重要的常數(shù)項。從兩孔徑推廣到多孔徑可得,

(13)

圖3 靜止目標回波的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of stationary target echoes

雖然由于雷達平臺的運動使得雷達對于靜止地物的瞬時錐角發(fā)生變化,一定程度上降低了這些地物回波信號之間的相關(guān)性。但是通過對相同靜止目標在不同孔徑的回波數(shù)據(jù)進行相關(guān)性處理,由圖3可知,相同靜止目標在不同孔徑的回波數(shù)據(jù)相關(guān)性良好。在文獻[8]中提到在天線波束對稱的條件下,靜止雜波回波的多普勒頻譜具有對稱分布的特性,由于地面運動目標本身具有徑向速度,所以其回波的多普勒譜有一定的頻移,這樣其多普勒譜能量在不同視圖像中就呈不對稱分布。因此,通過兩視圖像非相干相減可以有效地抑制雜波,對消后會保留其運動目標的部分信息,提高輸出信雜比,從而實現(xiàn)在低信雜比下對運動目標的檢測。靜止目標在各個不同子孔徑圖像中的成像點位置相同。而根據(jù)目標成像位置與多普勒頻率的關(guān)系可推知,而在不同的子孔徑圖像中,動目標的成像位置是不同的[9]。且單通道的子孔徑對消法相較于單通道的頻域濾波法和FrFT方法,具有可抑制相干斑的優(yōu)點,但在圖像方位分辨率方面有所降低。

我們對接收到的回波數(shù)據(jù)分成兩個子孔徑分別成像。在對動目標進行成像的過程中,由于動目標的特性,為了解決非線性和線性范圍的遷移同時,消除了之間的低階耦合方位角,需要非線性變換。

R(τ)=R0+ντ+a1τ2+a2τ2

(14)

(15)

此時快時間頻率已經(jīng)和慢時間沒有關(guān)系了,假設(shè)模糊數(shù)補償函數(shù)為

(16)

令ν=Γkνb+ν0,?！?Γk,可得

(17)

由于采樣、噪聲等影響,在對消之前還要進行圖像配準和相干斑抑制,然后將兩個子孔徑圖像進行對消處理,消去靜止目標,提高信雜比。最后通過恒虛警檢測分離出運動目標[10-11]。流程圖如圖4所示。

仿真參數(shù):高軌衛(wèi)星高度36000 km, 低軌衛(wèi)星高度570 km, 信號帶寬5 MHz, 脈沖寬度10 μs,衛(wèi)星速度7208 m/s,發(fā)射信號波長0.02 m,采樣頻率30 MHz, 合成孔徑長度150 m,脈沖重復(fù)頻率1000 Hz, 一個靜止目標和一個運動目標初始位置均位于場景中心,其中動目標速度νr=200 m/s。

結(jié)果分析:在高低軌協(xié)同觀測模式下,使用單通道子孔徑對消與廣義keystone變換相結(jié)合的方法,有效抑制靜止雜波。根據(jù)雷達方程,我們可以計算出在輸入信噪比為-10 dB時,輸出信噪比可以高達29.9 dB,遠超高低軌協(xié)同觀測系統(tǒng)對輸出信噪比的要求。通過對場景中三個靜止目標和一個運動目標進行仿真成像處理,我們可以看到圖5(a),圖5(b)分別是前半孔徑和后半孔徑對場景中目標的成像結(jié)果,動目標的信號淹沒在場景雜波中,無法有效檢測出來。圖5(c)展示了孔徑對消后的成像結(jié)果,我們可以看到,此時,運動目標可以有效檢測出來。根據(jù)信雜比的公式,我們可以計算得出,對消前,圖像信雜比為1.7 dB, 對消后,圖像信雜比為27.1 dB, 對消前后,信雜比提升了25.4 dB,并成功檢測出運動目標。圖6(a)中展示了場景中三個靜止目標和一個運動目標在DPCA對消前距離壓縮的結(jié)果,圖6(b)展示了DPCA對消后距離壓縮的結(jié)果,從圖中可以看出DPCA對消后靜止目標已經(jīng)有效抑制,圖6(c)展示了動目標最后的成像結(jié)果。通過信雜比公式我們可以計算得出DPCA對消前信雜比為3.5 dB, DPCA對消后信雜比為34 dB,對消前后,信雜比提升了30.5 dB。故在雜波對消效果來看,多通道DPCA的抑制雜波效果要優(yōu)于單通道子孔徑對消方法,但是在同時考慮到系統(tǒng)硬件復(fù)雜度和對消效果的情況下,單通道子孔徑對消方法具有更好的效果。

圖4 子孔徑對消法的實現(xiàn)流程Fig.4 Implementation process of subaperture cancellation method

圖5 單通道子孔徑對消后的動目標檢測結(jié)果Fig.5 Moving target detection result after single channel subaperture cancellation

圖6 多通道DPCA對消后的動目標檢測結(jié)果Fig.6 Moving target detection result after multi-channel DPCA cancellation

3 結(jié)論

本文研究了在星載高低軌平臺模式下對地面運動目標的檢測技術(shù),利用單通道子孔徑對消和廣義keystone變換處理,有效地抑制了地物雜波,提高動目標的檢測性能,仿真結(jié)果驗證了方法的有效性,后期將會著重分析如何有效估計運動目標的運動參數(shù),以及對空中目標和太空飛行器的檢測。