星載SAR斜視模式運(yùn)動(dòng)目標(biāo)方位多通道信號(hào)重建方法

徐 偉 魏正彬黃平平 譚維賢 乞耀龍 高志奇

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 呼和浩特 010050)

(內(nèi)蒙古自治區(qū)雷達(dá)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 呼和浩特 010050)

1 引言

星載合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種可以全天時(shí)、全天候工作的全球?qū)Φ赜^測(cè)的微波成像雷達(dá)[1]。與星載正側(cè)視SAR相比，斜視模式[2–6]通過(guò)改變天線波束的指向可以實(shí)現(xiàn)單次航對(duì)多個(gè)區(qū)域成像，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一區(qū)域的多次多角度成像。隨著斜視角度的增加，星載SAR的方位分辨率會(huì)越來(lái)越差，同時(shí)方位多通道接收技術(shù)可以有效地提高方位分辨率[7,8]。

在星載多通道斜視模式成像處理方面：學(xué)者對(duì)靜止目標(biāo)的成像方法展開(kāi)了深入的研究。文獻(xiàn)[9]分析了斜視角度對(duì)信號(hào)頻譜的影響并給出了一種改進(jìn)的重建算法；文獻(xiàn)[10]提出了一種基于混合基線的多通道斜視SAR的成像方法。在方位多通道運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像方面，文獻(xiàn)[11–13]給出了幾種改進(jìn)的方位多通道重建方法；文獻(xiàn)[14]通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)方位模糊和頻譜混疊的影響，提出了一種基于速度SAR的方位信號(hào)重建方法。當(dāng)前對(duì)于星載斜視多通道模式下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)處理方面的研究成果較少。

對(duì)于方位多通道SAR回波信號(hào)，通常需要進(jìn)行多通道信號(hào)重建來(lái)解決方位向的非均勻采樣問(wèn)題。斜視角度的增加導(dǎo)致了信號(hào)的頻譜發(fā)生2次混疊，無(wú)法直接采用方位多通道重建方法進(jìn)行處理。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒調(diào)制和距離歷史與靜止目標(biāo)存在較大差異。本文建立了星載方位多通道斜視SAR模式下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的幾何模型，對(duì)斜視模式下回波信號(hào)的特性和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度對(duì)回波信號(hào)的影響進(jìn)行了分析；通過(guò)方位去斜預(yù)處理消除了斜視角度對(duì)多普勒歷程的影響；然后通過(guò)修正的方位多通道重建矩陣消除了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度帶來(lái)的方位通道失衡，同時(shí)對(duì)通道冗余情況下的雜波抑制能力進(jìn)行了研究；分析了估計(jì)速度誤差帶來(lái)的殘余相位誤差的影響，并給出了一種星載方位多通道斜視SAR模式下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度快速估計(jì)搜索方法。

本文的結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)建立星載方位多通道斜視SAR模式下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的幾何模型，并對(duì)回波信號(hào)特征和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度的影響進(jìn)行分析；第3節(jié)提出多通道斜視模式下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多通道重建方法，同時(shí)對(duì)通道冗余情況下的雜波抑制能力進(jìn)行分析，給出一種星載方位多通道SAR斜視模式下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度快速估計(jì)方法；第4節(jié)對(duì)提出的方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證；第5節(jié)對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

2 信號(hào)模型

2.1 成像幾何模型

其中

2.2 信號(hào)特征

在星載斜視SAR模式下，回波信號(hào)的帶寬可以表示為[9]

2.3 速度影響分析

圖1 方位多通道斜視運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像幾何模型

圖2 信號(hào)的2維頻譜圖

式(8)的相位偏移由兩項(xiàng)組成，第1項(xiàng)僅與通道幾何關(guān)系有關(guān)，這與靜止目標(biāo)回波信號(hào)相同；第2項(xiàng)主要是由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的斜距向速度導(dǎo)致的。從式(8)可以看出，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的斜距向速度會(huì)使每個(gè)通道產(chǎn)生不同的相位偏移，從而引起各通道之間的相位失衡。根據(jù)表1的仿真參數(shù)，圖3給出了不同航跡向速度和斜距向速度對(duì)第3個(gè)接收通道相位偏移的影響。從圖3的結(jié)果可以看出，相位偏移量主要由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的斜距向速度分量決定。在接收平臺(tái)采用了多通道接收技術(shù)，斜距向速度對(duì)每個(gè)通道相位偏移的影響如圖4所示。

表1 仿真參數(shù)

圖3 目標(biāo)速度對(duì)相位偏移的影響

圖4 斜距向速度對(duì)不同通道的影響

3 多通道重建處理

3.1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像方法

圖5展示了一種適用于斜視模式下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像方法，該方法包括4個(gè)步驟：首先采用原始的多通道重建方法[10]對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行重建；然后在結(jié)果中對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和提取[11]；在得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)后，就可以使用改進(jìn)的多通道重建方法進(jìn)行重建，該重建方法包括5個(gè)步驟：首先，通過(guò)去斜處理消除斜視角度帶來(lái)的頻譜2次混疊問(wèn)題；然后對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度進(jìn)行估計(jì)；接著通過(guò)適用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多通道重建方法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波進(jìn)行重建；并通過(guò)逆去斜處理恢復(fù)信號(hào)的多普勒歷程。

圖5 斜視模式下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像方法

3.2 多通道重建

圖6 斜視模式下多通道重建流程圖

其中

其中

3.3 速度估計(jì)方法

由式(12)可知，在求解運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多通道重建矩陣時(shí)需要知道運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的航跡向速度可以采用方位自聚焦的方法進(jìn)行估計(jì)。因此，本節(jié)討論關(guān)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)斜距向速度的估計(jì)方法。由式(8)可知，斜距向速度估計(jì)誤差帶來(lái)的殘存相位誤差可以表示為

圖7給出了不同速度估計(jì)誤差情況下的殘存相位誤差。從圖7的結(jié)果可以看出，估計(jì)速度誤差與各個(gè)通道的殘存相位誤差成正相關(guān)，并且斜距向速度會(huì)導(dǎo)致每個(gè)通道之間產(chǎn)生不同的殘存相位誤差。這些不同的殘存相位誤差會(huì)導(dǎo)致各通道之間的相位失衡，使成像結(jié)果產(chǎn)生虛假目標(biāo)[15]。當(dāng)估計(jì)速度誤差為0.1 m/s時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[15]，可以得到成像結(jié)果的峰值-假目標(biāo)比約為–40 d B。本文將估計(jì)速度的精度設(shè)置為0.1 m/s。

圖7 估計(jì)速度誤差造成的最大殘存相位誤差

在使用不同的估計(jì)速度對(duì)同一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)進(jìn)行重建的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)估計(jì)速度與目標(biāo)速度一致時(shí)，信號(hào)的頻譜能量會(huì)集中在以目標(biāo)多普勒中心fdc為中心的帶寬范圍內(nèi)；當(dāng)估計(jì)速度與目標(biāo)速度不一致時(shí)，信號(hào)頻譜的能量會(huì)泄露到帶寬范圍外。同時(shí)，估計(jì)速度與目標(biāo)的速度相差越大，能量泄露現(xiàn)象越嚴(yán)重?；诖爽F(xiàn)象，引入了一種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度快速估計(jì)搜索方法，具體流程圖如圖8所示。

圖8 一種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度快速估計(jì)搜索方法

該方法的具體步驟如下：

(1)首先，將方位多通道斜視模式下各通道的回波信號(hào)與去斜函數(shù)式(9)相乘，消除由于斜視角度帶來(lái)的2次頻譜混疊問(wèn)題；

(2)由于該重建方法主要針對(duì)慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，可以將初始的估計(jì)速度范圍設(shè)置為[?20,20]m/s，然后將速度范圍內(nèi)的最小值u?r1和 最大值u?r2設(shè)置為估計(jì)速度對(duì)信號(hào)進(jìn)行重建；

4 仿真

本節(jié)使用傳統(tǒng)的和改進(jìn)的兩種重建方法對(duì)單個(gè)點(diǎn)目標(biāo)和多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。首先，對(duì)航跡向速度為10 m/s的單點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，如圖9所示，圖9(a)—圖9(c)是傳統(tǒng)的重建方法，圖9(d)—圖9(f)是改進(jìn)的重建方法。從圖9可以看出，當(dāng)使用傳統(tǒng)的重建方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重建后，成像結(jié)果發(fā)生方位散焦和虛假目標(biāo)。但是在使用改進(jìn)的多通道重建方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重建后，由于目標(biāo)航跡向速度導(dǎo)致的方位散焦和虛假目標(biāo)都被很好地抑制掉了。

圖9 航跡向速度為10 m/s的目標(biāo)多通道重建結(jié)果

然后，對(duì)斜距向速度10 m/s的單點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖10所示，圖10(a)—圖10(c)是傳統(tǒng)的重建方法，圖10(d)—圖10(f)是改進(jìn)的重建方法。從圖10可以看出，在經(jīng)過(guò)改進(jìn)的多通道重建方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重建后，信號(hào)的2維頻譜不再混疊，虛假目標(biāo)也得到了很好的抑制，目標(biāo)的成像質(zhì)量得到了提高。

圖10 斜距向速度為10 m/s的目標(biāo)多通道重建結(jié)果

最后對(duì)多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖11所示，圖11(d)—圖11(f)為傳統(tǒng)的多通道成像結(jié)果的點(diǎn)目標(biāo)插值結(jié)果；圖11(g)—圖11(i)為改進(jìn)的多通道成像結(jié)果的點(diǎn)目標(biāo)插值結(jié)果。在設(shè)計(jì)的場(chǎng)景中存在3個(gè)不同速度的目標(biāo)，其中A為靜止目標(biāo)；B的斜距向速度為10 m/s；C的斜距向速度為10 m/s，航跡向速度為10 m/s。從圖11可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的多通道重建方法進(jìn)行重建后，可以有效地解決運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度導(dǎo)致的方位散焦和虛假目標(biāo)。同時(shí)，為了進(jìn)一步分析改進(jìn)的多通道重建算法對(duì)點(diǎn)目標(biāo)成像質(zhì)量的影響，表2總結(jié)了各個(gè)點(diǎn)目標(biāo)航跡向和斜距向的分辨率(Resolution,Res)、峰值旁瓣比(Peak Side Lobe Ratio,PSLR)、積分旁瓣比(Integral Side Lobe Ratio,ISLR)、航跡向最大虛假目標(biāo)幅度(Maximum False Target Amplitude,MFTA)。

圖11 多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果

從表2可以看出，通過(guò)改進(jìn)的多通道重建方法重建后，信號(hào)的性能指標(biāo)大幅度變好，同時(shí)虛假目標(biāo)得到了有效抑制。圖12給出了不同的斜距向速度對(duì)虛假目標(biāo)的抑制情況。從圖12可以看出，在斜距向速度小于15 m/s的情況下，改進(jìn)的多通道重建方法可以很好抑制虛假目標(biāo)的幅度；在斜距向速度大于15 m/s的情況下，改進(jìn)的多通道重建方法的抑制效果迅速惡化，但仍可以有效地抑制虛假目標(biāo)。同時(shí)，由于斜距向速度較小時(shí)產(chǎn)生的虛假目標(biāo)幅度較小，所以抑制的幅度也比較小。

表2 性能指標(biāo)

圖12 虛假目標(biāo)幅度

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析斜視角度和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度對(duì)回波信號(hào)的影響，提出一種適用于多通道斜視模式下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的重建方法。本方法通過(guò)方位去斜預(yù)處理消除了斜視角度帶來(lái)的影響；然后對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的重建濾波器組進(jìn)行了推理。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本方法的有效性。本方法在斜距向速度過(guò)大時(shí)抑制效果較差，這主要是因?yàn)楫?dāng)速度過(guò)大時(shí)，本文分析斜距時(shí)忽略掉的一些項(xiàng)會(huì)產(chǎn)生一定的相位誤差，需要將斜距分析到更高次項(xiàng)。因此，如何在斜距向速度過(guò)大的情況下，進(jìn)一步對(duì)虛假目標(biāo)進(jìn)行抑制是值得深入研究的。