CN101609152A - 一种基于单通道合成孔径雷达(sar)子图像对消的运动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于单通道合成孔径雷达(SAR)子图像对消的运动目标检测方法，属于运动目标检测的技术领域。它是基于SAR图像在方位频谱的划分获取子图像的，而后结合二维自适应方法对不同子图像间在幅度和相位上的误差进行校正，实现子图像间的配准。利用运动目标与静止目标在不同子孔径间的成像特性，采用子图像间的对消实现运动目标的检测。能够避免多通道SAR运算量大和复杂度高等问题，因此该方法可以高效的实现运动目标的检测。可用于单通道SAR图像的运动目标检测。

Description

一种基于单通道合成孔径雷达(SAR)子图像对消的运动目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，它特别涉及利用单通道合成孔径雷达(简称：SAR)图像检测运动目标的方法。

背景技术

SAR/GMTI是目前SAR领域的研究热点之一。由于目标以未知的方式运动，雷达与目标间相对运动引起的相移难以正确补偿，从而出现散焦、模糊和方位偏移，致使动目标回波常常淹没于较强的背景杂波中。抑制杂波、提取动目标回波已成为动目标检测的核心问题。基于单天线SAR系统的杂波抑制方法主要有两种：一种是频域滤波法，假定动目标频谱位于杂波谱以外，通过频域滤波将动目标从杂波中分离出来，这对径向速度大的动目标有较好的检测结果。另一种假定相邻分辨单元中静止场景彼此相关而动目标不相关，将分辨单元的实际值与静止场景的线性预测估计值相减得到动目标分量。这两种方法都对PRF值有较高要求，且无法检测仅含方位向速度的动目标。为充分利用现有机载单天线SAR数据，本发明基于单通道SAR原始图像的观点，结合多通道杂波抑制思想，提出了子图像对消的方法实现动目标的检测。

发明内容

本发明的目的是克服现有单通道SAR在杂波抑制上的困难，提供了一种适用于单通道SAR图像序列的运动目标检测方法。该方法充分考虑了单通道SAR的特点，不但可以有效的抑制杂波，而且能够避免运算量大和复杂度高等问题，因此该方法可以高效的实现SAR运动目标检测。包括以下步骤：

步骤一、单通道中图像序列的生成

首先将SAR图像变换到方位向频域，在多普勒频域中将频带分成相互重叠大小相同的子频带，再将频域子块变换回时域以获得相应的子图像。频域划分后等效于将单天线方位波束宽度分为几个子孔径，每个子孔径近似于多通道中单个天线数据并分别进行成像处理。

步骤二、图像序列间的误差校正

为构造类似多通道的配置，以上通过单通道在方位频域的划分获得了不同的子图像，初步实现了多个子孔径的提取。但基于频域划分的处理过程，不仅引起上节所述相位上的差异，由于方向天线图的影响在幅度上也存在差别。针对这些失配，基于最小二乘准则的二维自适应校准方法，无需天线参数、载机平台运动参数等先验信息，只需对已有的SAR图像进行1-3次迭代即可同时校准幅度和相位误差，适合于在图像域的处理背景，使子图像的幅度特性和相位特性在最小二乘准则下匹配。

步骤三、单通道子图像间对消处理

当静止目标经过检波和距离向压缩后在距离向上为冲激函数，经过方位压缩后的频域表达式为exp(-j2πfx_s/v_a)，其中x_s为静止目标初始方位向位置，v_a为载机的速度。选取频带(f₀-Δf，f₀+Δf)后变回时域，但在实际处理中作逆傅立叶变换的因子exp(j2πft)并没有随频域区间的变化而产生相应变化，可得：

${\∫}_{f_0-\mathrm{\Δf}}^{f_0+\mathrm{\Δf}}\exp (-\frac{j2\mathrm{\πf}{x}_s}{v_a})\·\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{df}={\∫}_{-\mathrm{\Δf}}^{\mathrm{\Δf}}\exp (-\frac{j2\mathrm{\π}\left({f+f}_0\right)x_s}{v_a})\·\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{df}$

$=2\mathrm{\Δf\; exp}(-j2\mathrm{\π}{f}_0{x}_s/v_a))\sin c\left(2\mathrm{\π\Δf}(t-x_s/v_a)\right)$ 式(1)

在频带取为(f₁-Δf，f₁+Δf)，则相应的时域表达式为

${\∫}_{f_1-\mathrm{\Δf}}^{f_1+\mathrm{\Δf}}\exp (-\frac{j2\mathrm{\πf}{x}_s}{v_a})\·\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{df}={\∫}_{-\mathrm{\Δf}}^{\mathrm{\Δf}}\exp (-\frac{j2\mathrm{\π}\left({f+f}_1\right)x_s}{v_a})\·\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{df}$

$=2\mathrm{\Δf\; exp}(-j2\mathrm{\π}{f}_1{x}_s/v_a))\sin c\left(2\mathrm{\π\Δf}(t-x_s/v_a)\right)$ 式(2)

可见，静止目标在不同频段对应的子图像中仅存在一个由所选频带中心引起的相位差，将式(1)和式(2)分别乘以exp(j2πf₀t)和exp(j2πf₁t)，保持两子图像峰值点处相位相同，静止目标处于子图像中相同的位置，所得成像结果相同。

假设动目标方位向和距离向速度分别为v_x和v_y，起始时刻的方位向和距离向的位置分别为x₀和y₀，载机在零时刻坐标为(0，0，h)与目标起始位置的距离为 $R_0=\sqrt{x_0^2+y_0^2+h^2},$ 在t时刻动目标与载机斜距通过菲涅耳近似可得：

$R\left(t\right){\≈R}_0+\frac{1}{2R_0}[-2x_0{v}_{a}t+v_a^2{t}^2+(2x_0{v}_x+2y_0{v}_y)t+(v_x^2-2v_a{v}_x+v_y^2)t^2]$ 式(3)

因此，在检波和距离向压缩后忽略常数项可知信号为：

    S(t)＝exp[-j2π(f₀t+k_mt²/2)]            式(4)

其中f₀＝2[x₀(v_x-v_a)+y₀v_y]/(R₀λ)， $k_m=2(v_a^2+v_x^2-2v_a{v}_x+v_y^2)/\left(R_0\mathrm{\λ}\right),$ 由驻定相位原理知频域表达式

    S(f)＝exp[-jπ(f-f₀)²/k_m]            式(5)

对整个场景以静止目标的参数作方位向压缩可到，其中 $k_s=2v_a^2/R_0\mathrm{\λ}$

$S_0\left(f\right)=\exp [-\mathrm{j\π}\frac{{\left({f-f}_0\right)}^2}{k_m}]\·\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{f^2}{k_s}\right)=\exp \left(\mathrm{j\π}(\frac{f^2}{k_s}-\frac{{\left({f-f}_0\right)}^2}{k_m})\right)$

$=\exp [-\mathrm{j\π}{f}_0^2(\frac{1}{k_m}+\frac{k_s}{k_m(k_m-k_s)})]\exp \left[\mathrm{j\π}\left(\frac{k_m-k_s}{k_s{k}_m}\right){(f+\frac{f_0}{k_m-k_s})}^2\right]$ 式(6)

若方位向所取频带为(f₀-Δf，f₀+Δf)时，略去常数相位，(6)式变到时域的表达式为：

${\∫}_{f_0-\mathrm{\Δf}}^{f_0+\mathrm{\Δf}}\exp \left[\mathrm{j\π}\left(\frac{k_m-k_s}{k_s{k}_m}\right){(f+\frac{f_0}{k_m-k_s})}^2\right]\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{df}$

$={\∫}_{-\mathrm{\Δf}}^{\mathrm{\Δf}}\exp \left[\mathrm{j\π}\left(\frac{k_m-k_s}{k_{s}k}\right){(f+\frac{f_0}{k_m-k_s}+f_0)}^2\right]\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{df}$ 式(7)

当所取频带为(f₁-Δf，f₁+Δf)时，其表达式为：

${\∫}_{f_1-\mathrm{\Δf}}^{f_1+\mathrm{\Δf}}\exp \left[\mathrm{j\π}\left(\frac{k_m-k_s}{k_s{k}_m}\right){(f+\frac{f_1}{k_m-k_s})}^2\right]\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{df}$

$={\∫}_{-\mathrm{\Δf}}^{\mathrm{\Δf}}\exp \left[\mathrm{j\π}\left(\frac{k_m-k_s}{k_s{k}_m}\right){(f+\frac{f_1}{k_m-k_s}+f_1)}^2\right]\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{df}$ 式(8)

经过方位压缩后动目标在方位频域仍然为线性调频信号，其多普勒参数随时间变化，在不同的频带范围内进行逆傅立叶变换后各子图像的成像位置以及散焦程度都不相同。从(1)式到(8)式可知地杂波在不同子图像间仅存在固定的相位差，从理论上讲，根据雷达的工作参数，所取频带的位置，可对该相位完全补偿，将不同子图像中同一静止目标校正到相同位置，作子图像对消即可呈现出淹没于杂波中的动目标，检测出动目标在子图像中的大致位置。

本发明的创新点是利用单通道SAR图像在方位频域的划分以获得多个子图像，从而得到各子图像对应的子孔径。利用静止目标与运动目标在不同子孔径间成像特性的差异通过对消处理检测出运动目标的存在。

本发明的有益效果：充分利用了单通道SAR的特点，通过划分获得了类似于多通道的多个子孔径；采用子图像间对消的方法简单可行，运算效率高，并能有效的抑制杂波的影响。同时能确定出运动目标的大致位置，有利用进一步对目标的参数进行估计。

本发明主要采用仿真实验的方法进行验证，所有步骤、结论都在MATLAB7.0上验证正确。

附图说明

图1是本发明的工作流程框图；

图2是单通道SAR系统成像后的示意图；

其中，横轴表示方位向，纵轴表示距离向，读取真实环境数据作为杂波背景，建立运动目标的回波模型；图中包含了两个运动目标；

图3为经过步骤二至步骤三处理后子图像间对消处理的结果；

其中，横轴表示距离向，纵轴表示方位向。

具体实施方式

本实施例采用机载雷达的方式，其具体参数如下：

波束中心斜距：40km；发射脉冲载频：3GHz；发射脉冲持续时间：1μs；发射脉冲带宽：180MHz；采样频率f_s：180MHz；脉冲发射频率PRF：336Hz

仿真中选取6个静目标点，以成像中心点为原点(0，0)，x轴代表方位向，y轴代表距离向，其坐标分别为(0，20)，(0，30)，(0，40)，(-60，0)，(-30，0)，(30，0)均以米作单位。选取一个运动目标参数，其位置坐标为(0，-10)，距离向速度3m/s，方位向速度6m/s

步骤一、单通道中图像序列的生成

在合成孔径雷达系统中，通常是将全合成孔径在时域或者频域分成两个或多个视数。通过在时域对SAR图像进行处理获得子图像，是对时域回波数据进行分段，这相当于把全合成孔径划分为一些子孔径，再对各子孔径进行处理。由于在同一时刻接收到的回波信号，为场景中不同位置处目标信号的总和，单纯地将时域数据分段处理，每一时间段内将包含有不同角度下不同成像区域的混叠信号，难以准确地实现子孔径的划分。因此，在实际处理中，对合成孔径的划分一般在频域进行。

将单通道SAR成像后的结果沿方位向频域选取两个子频带，所取的其中两个图像大小均为80×240像素(方位向×距离向)，两个小块在方位频域内分别沿方位向上取了80个点，其中第一个小块的后40个像素点与第二个小块的前40个像素点是重合的。图2为仿真获得的第一个SAR子图像。步骤二、图像序列间的误差校正

所需处理的信号在距离向和方位向的传递函数是可分离的，H^(n，m)(Ω)为两子孔径在距离频域传递函数之比，D^(n，m)(ω)为两子孔径在多普勒域传递函数之比(其中Ω和ω分别表示距离向和方位向频域，)。在满足最优二乘准则的条件下，计算出两子孔径间的传递函数之比H^(m，n)(Ω)和D^(m，n)(ω)。则第n个与第m个子孔径信号S_n(Ω，ω)与S_m(Ω，ω)之间的关系如下所示：

    S_m(Ω，ω)＝H^(n，m)(Ω)S_n(Ω，ω)D^(n，m)(ω)        式(9)

为得到准确的信号通过以下的迭代过程进行校正：

$S_m^{(k+1)}(\mathrm{\Ω},\mathrm{\ω})=S_m^{\left(k\right)}(\mathrm{\Ω},\mathrm{\ω})\frac{{\∫S}_m^{\left(k\right)}(\mathrm{\Ω},\mathrm{\ω})S_n(\mathrm{\Ω},\mathrm{\ω})\mathrm{d\ω}}{\∫{\left|S_m^{\left(k\right)}(\mathrm{\Ω},\mathrm{\ω})\right|}^2\mathrm{d\ω}}$

$S_m^{(k+2)}(\mathrm{\Ω},\mathrm{\ω})=S_m^{(k+1)}(\mathrm{\Ω},\mathrm{\ω})\frac{{\∫S}_m^{(k+1)}(\mathrm{\Ω},\mathrm{\ω})S_n(\mathrm{\Ω},\mathrm{\ω})\mathrm{d\Ω}}{\∫{\left|S_m^{(k+1)}(\mathrm{\Ω},\mathrm{\ω})\right|}^2\mathrm{d\Ω}}$ 式(10)

其中S_m ^(k)(Ω，ω)的上标k＝0，1，2，...，表示第k次迭代。一般经过1～3次迭代后，可使校正误差逼近于S_m(Ω，ω)，实现不同子孔径间的配准。

步骤三、单通道子图像间对消处理

由于运动目标参数未知，在进行方位向压缩时，整个场景均以静止目标的参数特性来确定参考信号，因此参考信号的线性调频率不同于运动目标在方位向线性调频信号的调频率，在完成了方位压缩后的运动目标在方位频域内仍然为线性调频信号，其多普勒参数随时间变化而变化。在不同的频带内对运动目标进行处理后，其逆傅立叶变换对应的成像结果使得运动目标在各子图像中的成像位置及散焦程度都不相同。

由此可知，不同子图像所对应的子孔径，在方位向的相位中心差异会使得运动目标在不同子图像中成像结果发生变化，而静止目标则保持不变。这一特性是在图像序列间作对消处理的理论基础。经过子图像间的对消处理，抑制了静止杂波的影响，检测出运动目标。

本发明，在获得单通道SAR图像的基础上，通过方位向多普勒频域的划分，得到各个多普勒频域所对应的子图像序列，再对相邻子图像进行校准，然后详细分析了静止目标与运动目标在不同子孔径间的成像特性，利用动静目标的成像差异实现目标检测。

Claims (1)

1、一种基于单通道合成孔径雷达(SAR)子图像对消的运动目标检测方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一、单通道中图像序列的生成

在SAR图像中提取子图像时，首先将SAR图像变换到方位向频域，在多普勒频域中将频带分成相互重叠大小相同的子频带，再将频域子块变换回时域以获得相应的子图像；子频带的大小要兼顾方位向分辨率和运动目标散焦所带来的影响，当所选频带太小会引起分辨率的严重降低，太大则会加剧动目标的散焦现象；子频带之间重叠50％，既保证了静止目标在图像序列间的相关性，又给出了运动目标在图像序列间的位移差；在频域的划分等效于将单天线方位波束宽度分为几个子孔径，每个子孔径近似于多通道中单个天线数据；

步骤二、图像序列间的误差校正

针对不同子孔径间的失配，采用基于最小二乘准则的二维自适应校准方法进行校正，该方法无需天线参数、载机平台运动参数先验信息；基于所处理信号在距离向和方位向传递函数的可分离性，在满足最优二乘准则的条件下，计算出两子孔径间距离频域传递函数之比与多普勒域传递函数之比；则不同子孔径信号之间经过传递函数在距离向和方位向的1-3次迭代即可同时校准幅度和相位误差，适合于本文在图像域的处理背景，使子图像的幅度特性和相位特性在最小二乘准则下匹配；

步骤三、子图像序列间对消处理

静止杂波在基于原始SAR图像的不同子图像间仅相差一固定相位，相位校正后的杂波背景在各子图像中的成像位置是相同的，而动目标的多普勒参数随时间变化，在不同子图像中多普勒参数不同，成像位置也不同；通过子图像间的对消，有效的抑制了杂波，检测出动目标的大致位置，实现了运动目标的检测。

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