CN102955158A - 一种提高地面运动目标检测性能的多基线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对多通道单一SAR平台，分析基线长度对于动目标检测的影响，提出一种多基线的天线设计方法，并推导出相应的多通道ATI通用算法。本发明的基线设计方法增加系统选择基线的灵活性，可以根据不同需求，提高动目标检测性能，为后续处理提供丰富的干涉相位信息；与之匹配的ATI通用算法中适用于所有天线模式为一发多收的多通道GMTI系统，且涉及到的相位滤波器形式简单且有效，具有更好的通用性和更强的实用性。

Description

一种提高地面运动目标检测性能的多基线设计方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，特别涉及一种提高地面运动目标检测性能的多基线设计方法，并给出针对这种设计方法的多通道ATI通用算法的推导。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)由于具有高分辨率、全天候、全天时等优点而广泛用于侦察、测绘、资源探测、环境监测等领域。对地面运动目标的检测(GMTI-GroundMoving Target Indication)是SAR的一项重要应用。

SAR在实现GMTI功能时通常工作于下视状态，而载体的高速运动导致场景主瓣杂波具有较大的方位多普勒带宽，在很大程度上淹没了感兴趣速度范围内的目标回波信号，严重影响了地面慢速运动目标检测性能。有效抑制场景杂波成为SAR实现GMTI功能的前提条件，是SAR信号处理的重要研究内容。多通道SAR具有主瓣杂波区微弱、慢速运动目标的检测能力，相比于单通道SAR更具有优势。一种有效的杂波抑制方法是沿航迹干涉技术(ATI-Along Track Interferometry)，利用通道间场景与运动目标回波相位的差别，进行干涉处理，抑制杂波，从而检测出运动目标。

基线长度(本发明中提到的基线长度特指通道间相位中心间距)的选择对动目标检测性能有着不可忽视的影响。短基线难以获得理想的最小可检测速度(MDV)和测速精度；长基线的最大非模糊速度低，不利于检测快速目标。多基线的设计可实现长短基线的配合，同时提高动目标的检测性能。分布式雷达系统虽然可以实现多基线系统，但其造价相对昂贵，系统复杂，形成的多通道间相干性较差，技术还不够成熟，并不能得到广泛的使用。因此，研究单一雷达平台的GMTI系统，合理设计多基线的天线构型，以提高动目标的检测性能，是十分有意义的。

用于动目标检测技术的ATI算法，特别是数据域的ATI算法的推导，其中涉及到的相位补偿函数和延时处理过程都与基线长度密切相关，所以，针对所设计的多基线天线构型，需要相应的ATI算法配合，才能实现动目标检测。

发明内容

本发明针对多通道单一SAR平台，根据基线长度与动目标检测性能的关系，提出一种多基线的设计方法，并推导出相应的多通道ATI通用算法，以解决上述问题。本发明内容首先基于基线长度与动目标检测性能的关系，具体定性关系如下：

(a)基线越短，最大非模糊速度越大：

(b)基线越长，最小检测速度越小：

(c)基线越短，盲速周期越长：

(d)基线越长，测速精度越高： ${\mathrm{\σ}}_{v_r=}\frac{{\∂v}_r}{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ\φ}}=\frac{{\mathrm{\λV}}_a}{4\mathrm{\π}}\·\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δ\φ}}}{d};$

(e)利用长度互质的多基线，可延长盲速周期，扩大非模糊检测速度范围。

其中，d＝wB为基线长度，B为基线的单位长度，w为整数，v_r为目标的距离向速度，V_a为雷达平台的运行速度，φ_d为相位检测门限，k整数，干涉相位的测量误差

为两副图像的相关系数，n为多视视数。

本发明内容包括以下两部分：一、设计天线构型，实现多基线要求；二、根据第一部分天线构型，设计与之匹配的多通道ATI通用算法。

一、设计天线构型，实现多基线要求

步骤一：(图1)设计天线为一发多收模式，全孔径发射，n个子孔径接收。称作通道i，i＝0，±1，±2...。通道间的基线长度设置的原则是有长有短，并非均匀分配，且存在互质的基线。该设计有利于动目标检测性能的提高(延长盲速周期，扩大非模糊速度)，以及多通道ATI通用算法的推导(将会在下一个内容中有所体现)。

步骤二：设置通道0作为参考通道，其作用在推导多通道ATI通用算法时得以体现。

步骤三：计算任意两个通道i和通道k相对于通道0的基线长度(即相位中心间距)为d_i0，d_k0。

步骤四：计算通道i相对与通道k的基线长度d_ik＝d_i0-d_k0。

步骤五：选择两个互质的基线d_ik，d_jr组成基线对。可以根据具体需求：

(a)检测慢速目标或对测速精度要求较高时，采用长基线对的检测结果；

(b)检测速度较快目标或对杂波抑制要求较高时，采用短基线对的检测结果；

(c)当长短基线对的数据都可以采纳时，可根据实际情况或检测结果加权各基线的数据，得到较为理想的检测结果。

二、根据第一部分天线构型，设计与之匹配的多通道ATI通用算法，具体内容为：

步骤一：读入SAR系统的相关参数，包括：雷达高度H，雷达速度V_a，雷达中心频率f₀，光速c，雷达斜视角脉冲时宽T_r，波束中心距离R_c，距离向采样率F_r，距离向调频率K_r，天线方位向长度D，基线单位长度B。

步骤二：根据天线配置方式、雷达与地面目标几何关系，推导SAR回波模型，具体为：

(a)天线的配置方式为：全孔径发射信号，各子孔径同时接收信号。

(b)设置通道0的相位中心设在天线中心(为便于推导所设，并非一定要位于天线中心)。天线延方位向排列，各通道相位中心用O_i表示，获取任一通道i和通道0的基线长度d_i0。

(c)计算雷达平台到场景中心的最短距离为R_b，获取雷达方位向速度V_a。零时刻，天线的中间O₀位于原点；目标位于P(x₀，y₀，h)，方位向速度和对地(对斜面)距离向速度分别为v_x，v_y(v_r)。

(d)t_a＝t时刻，天线运动到O′_i点，目标运动到P_t点，计算O′_i与P_t距离R_i(t)：

$R_i\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0+{2d}_{i0}+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}\left(1\right)$

特别地，发射脉冲与目标的距离为R₀(t)：

$R_0\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}---\left(2\right)$

(e)获取任一通道i接收到的SAR回波信号形式：

${S_i}^0\left(t\right)=\exp \{-\mathrm{j\π}{K}_r{t}^2\}\×\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(R_0\left(t\right)+R_i\left(t\right))\}---\left(3\right)$

步骤三：对步骤一中SAR回波信号进行距离压缩，即乘以exp{jπK_rt²}，得到压缩后的信号形式：

$S_i\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(R_0\left(t\right)+R_i\left(t\right))\}---\left(4\right)$

将式(1)(2)带入式(4)即为：

$S_i\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+\frac{{V_a^{2}t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{{2d}_{i0}}^2+{2d}_{i0}{x}_0-{2d}_{i0}{V}_{a}t}{R_b})\}---\left(5\right)$

步骤四：通道i接收到的回波相对于参考通道0延时为τ_i0＝d_i0/V_a，做延时处理得到：

$S_i(t+{\mathrm{\τ}}_{i0})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{i0}+\frac{{V_a^{2}t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{{2d}_{i0}}^2}{R_b})\}---\left(6\right)$

步骤五：根据步骤四中信号形式，推导通道i与方位时间无关的相位补偿函数：

$C_i\left(t\right)=\exp \{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×\frac{{d_{i0}}^2}{R_b}\}---\left(7\right)$

步骤六：根据步骤四中信号形式，推导每个通道与方位时间的二次项有关的相位补偿函数，作用相当于方位压缩：

$A\left(t\right)=\exp \{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×\frac{{{V_a}^{2}t}^2}{R_b}\}---\left(8\right)$

步骤七：将步骤五、六的相位补偿函数与步骤四中的信号做相乘处理后，信号形式为：

$S_i^{\′}(t+{\mathrm{\τ}}_{i0})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{i0}+\frac{x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}---\left(9\right)$

步骤八：按照步骤二到步骤七推导其他通道k的处理过程，处理后得到信号形式：

$S_k^{\′}(t+{\mathrm{\τ}}_{k0})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{k0}+\frac{x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}---\left(10\right)$

步骤九：将各个通道的信号分别作方位向FFT后，选择两个通道进行干涉处理，使得到的干涉相位中涉及到的若干基线长度可以组成互质基线对：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ik}}\left(f\right)=S_i\left(f\right)\·S_k{\left(f\right)}^{*}=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{2v}_r({\mathrm{\τ}}_{i0}-{\mathrm{\τ}}_{k0})\}=\exp \{-j\frac{4{\mathrm{\πv}}_r\mathrm{}}{\mathrm{\λ}}\frac{d_{\mathrm{ik}}}{V_a}\}\\ S_{\mathrm{jr}}\left(f\right)=S_j\left(f\right)\·S_r{\left(f\right)}^{*}=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{2v}_r({\mathrm{\τ}}_{j0}-{\mathrm{\τ}}_{r0})=\exp \{-j\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{d_{\mathrm{jr}}}{V_a}\}\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中关于互质基线对d_ik、d_jr的干涉相位：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{ik}}=\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{d_{\mathrm{ik}}}{V_a}\\ {\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{jr}}=\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{d_{\mathrm{jr}}}{V_a}\end{array}\right.---\left(12\right)$

步骤十：由干涉相位计算得到互质基线对的运动目标速度：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{rik}}=\frac{{\mathrm{\λV}}_a{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{ik}}}{{4\mathrm{\πd}}_{\mathrm{ik}}}\\ v_{\mathrm{rjr}}=\frac{{\mathrm{\λV}}_a{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{jr}}}{{4\mathrm{\πd}}_{\mathrm{jr}}}\end{array}\right.---\left(13\right)$

步骤十一：根据不同基线对所对应的动目标检测结果，采用：

(a)长基线对对应的动目标检测结果用于检测慢速目标，选择该基线对内共有的检测速度作为慢速目标速度，以排除模糊速度(虚假目标)；

(b)短基线对对应的动目标检测结果用于检测速度较快目标，选择该基线对内共有的检测速度作为速度较快目标速度，以排除模糊速度(虚假目标)；

本发明的优点在于：

(1)实用性好。本发明的基线设计方法增加系统选择基线的灵活性，可以根据不同需求，提高动目标检测性能，为后续处理提供丰富的干涉相位信息。且与之匹配的ATI通用算法中涉及到的相位滤波器形式简单且有效，因此系统的实用性好。

(2)通用性强。本发明推导的多通道ATI通用算法适用于所有天线模式为一发多收的多通道GMTI系统，而这种收发模式也是现今单星SAR最为常用发展最成熟的模式，参考通道可以按实际情况任意选取，并非只适用于选择中间通道为参考通道，接收通道的分配方式也可以按需求处理，所以其通用性很强。

(3)移植性好。本发明所利用的器件都为较普通的器件，利用C语言进行开发，可以很方便的进行移植。

附图说明

图1是本发明的多通道一发多收天线发射/接收模式示意图；

图2是本发明的多通道ATI通用算法流程图；

图3是本发明的5通道一发多收天线发射/接收模式示意图；

图4是本发明的5通道SAR与动目标的几何模型示意图；

图5是本发明的5通道ATI算法流程图；

图6是本发明实施例中测速误差与基线长度的关系；

图7是本发明实施例中各基线运动目标的检测结果。

具体实施方式

本发明以5通道为例，设计了满足多基线要求的天线及其发射接收方式，推导了与之匹配的5通道ATI通用算法，并通过仿真验证了该方法的有效性和实用性。具体的实施方式如下：

一、设计天线构型，实现多基线要求

步骤一：(图3)天线采用一发多收模式，全孔径发射，5个子孔径接收。天线的配置方式为1:1:3:1:1，分别称作通道-2，通道-1，通道0，通道1，通道2。设置B为基线单位长度。

步骤二：选择通道0作为参考通道。

步骤三：计算通道i相对于参考通道0基线长度为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{-20}=3B\\ d_{-10}=2B\\ d_{00}=0\\ d_{10}=-2B\\ d_{20}=-3B\end{array}\right.---\left(1\right)$

步骤四：计算通道i相对于通道k基线长度d_ik＝d_i0-d_k0。可获得该天线设计的所有基线长度有：B、2B、3B、4B、5B和6B。互质的基线有2B和3B、5B和6B等。选择哪两组互质基线的数据可以根据具体需求：

(a)检测慢速目标或对测速精度要求较高时，采用长基线组5B和6B的检测结果；

(b)检测速度较快目标或对杂波抑制要求较高时，采用短基线组2B和3B的检测结果；

(c)当同时获得多组基线的数据时，可根据实际情况或检测结果加权各基线的数据，得到较为理想的检测结果。

二、根据第一部分天线构型，设计与之匹配的多通道ATI通用算法，具体内容为：

步骤一：读入SAR系统的相关参数，包括：雷达高度H，雷达速度V_a，雷达中心频率f₀，光速c，雷达斜视角

脉冲时宽T_r，波束中心距离R_c，距离向采样率F_r，距离向调频率K_r，天线方位向长度D，基线单位长度B。

步骤二：根据步骤一中设计的天线构型，分析五通道SAR几何模型(图4)，推导SAR回波模型，具体为：

(a)天线的配置方式为：全孔径发射信号，5个子孔径同时接收信号。

(b)5个通道延方位向排列，设通道0的相位中心设在天线中心，设置各天线相位中心O_-2，O_-1，O₀，O₁，O₂，5个通道与参考通道0间的基线长度d_i0由式(1)确定。

(c)雷达平台到场景中心的最短距离为R_b，雷达方位速度V_a。零时刻，中间的天线O₀位于原点，目标位于P(x₀，y₀，h)，以方位向速度和对地(对斜面)距离向速度v_x，v_y(v_r)作匀速直线运动。

(d)t_a＝t时刻，天线运动到O_-2′，O_-1′，O₀′，O₁′，O₂′点，目标运动到P_t点，O_-2′，O_-1′，O₀′，O₁′，O₂′与P_t距离分别为R_-2(t)，R_-1(t)，R₀(t)，R₁(t)，R₂(t)，具体形式：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{-2}\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0+6B+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}\\ R_{-1}\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0+4B+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}\\ R_0\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}\\ R_1\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0-4B+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}\\ R_2\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0-6B+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}\end{array}\right.---\left(2\right)$

(e)获取5个通道接收到的SAR回波信号S_-2 ⁰(t)，S_-1 ⁰(t)，S₀ ⁰(t)，S₁ ⁰(t)，S₂ ⁰(t)。

步骤三：对步骤一中SAR回波信号进行距离压缩即乘以exp{jπK_rt²}滤波器，得到压缩后的信号S_-2(t)，S_-1(t)，S₀(t)，S₁(t)，S₂(t)，具体形式：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{-2}\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+\frac{V_a^2{t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{18B}^2+{6\mathrm{Bx}}_0-{6\mathrm{BV}}_{a}t}{R_b})\}\\ S_{-1}\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+\frac{V_a^2{t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{8B}^2+{4\mathrm{Bx}}_0-{4\mathrm{BV}}_{a}t}{R_b})\}\\ S_0\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+\frac{V_a^2{t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}\\ S_1\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+\frac{V_a^2{t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{8B}^2-{4\mathrm{Bx}}_0+{4\mathrm{BV}}_{a}t}{R_b})\}\\ S_2\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+\frac{V_a^2{t}^2+-x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{18B}^2-{6\mathrm{Bx}}_0+{6\mathrm{BV}}_{a}t}{R_b})\}\end{array}\right.---\left(3\right)$

步骤四：4个通道接收到的回波信号相对于参考通道0的延时分别为τ_-20＝3B/V_a，τ_-10＝2B/V_a，τ₁₀＝-2B/V_a，τ₂₀＝-3B/V_a，延时处理后得到：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{-2}(t+{\mathrm{\τ}}_{-20})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{-20}+\frac{V_a^2{t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{9B}^2}{R_b})\}\\ S_{-1}(t+{\mathrm{\τ}}_{-10})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{-10}+\frac{V_a^2{t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{4B}^2}{R_b})\}\\ S_1(t+{\mathrm{\τ}}_{10})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{10}+\frac{V_a^2{t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{4B}^2}{R_b})\}\\ S_2(t+{\mathrm{\τ}}_{20})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{10}+\frac{V_a^2{t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{9B}^2}{R_b})\}\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤五：根据步骤四中信号形式，推导4个通道与方位时间无关的相位补偿函数：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{-2}\left(t\right)=\exp \{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×\frac{{9B}^2}{R_b}\}\\ C_{-1}\left(t\right)=\exp \{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×\frac{{4B}^2}{R_b}\}\\ C_1\left(t\right)=\exp \{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×\frac{{4B}^2}{R_b}\}\\ C_2\left(t\right)=\exp \{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×\frac{{9B}^2}{R_b}\}\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤六：根据步骤四中信号形式，推导5个通道与方位时间的二次项有关的相位补偿函数：

$A\left(t\right)=\exp \{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×\frac{{V_a}^2{t}^2}{R_b}\}---\left(6\right)$

步骤七：将步骤五、六的相位补偿函数与步骤四中的信号做相乘处理后，5个通道的信号形式：

$\left\{\begin{array}{c}{S_{-2}}^{\′}(t+{\mathrm{\τ}}_{i0})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{-20}+\frac{x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}\\ {S_{-1}}^{\′}(t+{\mathrm{\τ}}_{i0})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{-10}+\frac{x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}\\ {S_0}^{\′}(t+{\mathrm{\τ}}_{i0})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+\frac{x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}\\ {S_1}^{\′}(t+{\mathrm{\τ}}_{10})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{10}+\frac{x_0^2{-2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}\\ {S_2}^{\′}(t+{\mathrm{\τ}}_{20})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{20}+\frac{x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}\end{array}\right.---\left(7\right)$

步骤八：将各通道的信号分别作方位向FFT后，在距离多普勒域内进行干涉处理，通道-2与通道2处理得到干涉信号S_-22(f)、通道-1与通道2处理得到干涉信号S_-12(f)、通道0与通道1处理得到干涉信号S₀₁(f)、通道0与通道2处理得到干涉信号S₀₂(f)，干涉信号具体形式：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{-22}\left(f\right)=\exp \{-{\mathrm{j\Δ\φ}}_{-22}\}=\exp \{-j\frac{4{\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{6B}{V_a}\}\\ S_{-12}\left(f\right)=\exp \{-{\mathrm{j\Δ\φ}}_{-12}\}=\exp \{-j\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{5B}{V_a}\}\\ S_{01}\left(f\right)=\exp \{-{\mathrm{j\Δ\φ}}_{01}\}=\exp \{-j\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{2B}{V_a}\}\\ S_{02}\left(f\right)=\exp \{-{\mathrm{j\Δ\φ}}_{02}\}=\exp \{-j\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{3B}{V_a}\}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中关于基线组 $\left\{\begin{array}{c}{d}_{01}=2B\\ d_{02}=3B\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{d}_{-22}=6B\\ d_{-12}=5B\end{array}\right.$ 的干涉相位：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\φ}}_{01}=\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{2B}{V_a}\\ {\mathrm{\Δ\φ}}_{01}=\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{3B}{V_a}\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\φ}}_{-12}=\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{5B}{V_a}\\ {\mathrm{\Δ\φ}}_{-22}=\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{6B}{V_a}\end{array}\right.---\left(9\right)$

步骤十一：根据干涉相位计算目标速度：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{r01}=\frac{{\mathrm{\λV}}_a{\mathrm{\Δ\φ}}_{01}}{4\mathrm{\π}\×2B}\\ v_{r02}=\frac{{\mathrm{\λV}}_a{\mathrm{\Δ\φ}}_{02}}{4\mathrm{\π}\×3B}\end{array}\right]$ $\left\{\begin{array}{c}{v}_{r-12}=\frac{{\mathrm{\λV}}_a{\mathrm{\Δ\φ}}_{-12}}{4\mathrm{\π}\×5B}\\ v_{r-22}=\frac{{\mathrm{\λV}}_a{\mathrm{\Δ\φ}}_{-22}}{4\mathrm{\π}\×6B}\end{array}\right.---\left(10\right)$

步骤十：根据不同基线对所对应的动目标检测结果，采用方法：

(a)长基线对5B和6B对应的动目标检测结果用于检测慢速目标，选择该基线对内共有的检测速度作为慢速目标速度，以排除模糊速度(虚假目标)；

(b)短基线对2B和3B对应的动目标检测结果用于检测速度较快目标，选择该基线对内共有的检测速度作为速度较快目标速度，以排除模糊速度(虚假目标)。

实施例：

利用本发明所设计的天线和ATI算法对静止和运动的点目标进行回波仿真，仿真参数如表格一所示，在此基础上完成了对本发明通用性、有效性、实用性的测试。

根据表格一的仿真参数，以及基线长度与动目标检测性能的定性关系，可求得各检测指标的值，如表二所示，其中相位门限Δφ_d设置为0.2。可见，多基线可以同时提升各项动目标检测指标，且可检测的速度范围基本覆盖了地面运动目标的距离向速度(5km/h～258km/h)，除以即可得到地面目标的距离向地速范围，其中θ_i为地面入射角。

表格一仿真参数

表格二动目标检测性能分析(单位m/s)

图6为测速误差与基线长度的关系。由于所用数据为仿真数据，通道间相干性差别不大，因此测速误差主要由基线长度决定，呈反比关系。所以存在长短基线都可以检测到的动目标时，其速度选择测速误差较小的长基线的测量结果。

仿真图像选取3个场景中心的点目标作为仿真对象，起始时刻4个点目标位于同一点：[方位位置，对地距离位置]＝[x，y]＝[0，Y_c]。其中1个点目标为静止目标，另外3个点目标的运动参数为：

图7为干涉处理后的多基线动目标检测结果。(a)图基线长度为2B，(b)图基线长度为3B，(c)图基线长度为5B，(d)图基线长度为6B。对于速度小的目标综合考虑(a)图与(b)图的检测结果，从图中看出，共有的目标速度为-3，10；对于速度快的目标综合考虑(a)图与(b)图的检测结果，从图中看出，共有的目标速度为10，20。所以检测到动目标得速度为-3，10，20，与仿真设置的动目标参数一致。可见，短基线检测到了快速目标，长基线检测到了慢速目标。且利用互质的基线组可以消除模糊速度，正确检测出运动目标。

实施例的仿真表明，本发明所设计的动目标检测系统可以检测的目标范围广，准确的消除模糊速度，检测出真实的运动目标，测速精度可取最优值。本发明通过仿真，验证了该系统得通用性、有效性、实用性。

Claims (1)

1.一种提高地面运动目标检测性能的多基线设计方法包括：一、设计天线构型，实现多基线要求；二、根据所设计天线构型，设计与之匹配的多通道ATI通用算法。具体内容如下：

一、设计天线构型，实现多基线要求

步骤一：(图1)设计天线为一发多收模式，全孔径发射，n个子孔径接收。称作通道i，i＝0，±1，±2...。通道间的基线长度设置的原则是有长有短，并非均匀分配，且存在互质的基线。该设计有利于动目标检测性能的提高(延长盲速周期，扩大非模糊速度)，以及多通道ATI通用算法的推导(将会在下一个内容中有所体现)。

步骤二：设置通道0作为参考通道，其作用在推导多通道ATI通用算法时得以体现。

步骤三：计算任意两个通道i和通道k相对于通道0的基线长度(即相位中心间距)为d_i0，d_k0。

步骤四：计算通道i相对与通道k的基线长度d_ik＝d_i0-d_k0。

步骤五：选择两个互质的基线d_ik，d_jr组成基线对。可以根据具体需求：

(a)检测慢速目标或对测速精度要求较高时，采用长基线对的检测结果；

(b)检测速度较快目标或对杂波抑制要求较高时，采用短基线对的检测结果；

(c)当长短基线对的数据都可以采纳时，可根据实际情况或检测结果加权各基线的数据，得到较为理想的检测结果。

二、根据第一部分天线构型，设计与之匹配的多通道ATI通用算法，具体内容为：

步骤一：读入SAR系统的相关参数，包括：雷达高度H，雷达速度V_a，雷达中心频率f₀，光速c，雷达斜视角

脉冲时宽T_r，波束中心距离R_c，距离向采样率F_r，距离向调频率K_r，天线方位向长度D，基线单位长度B。

步骤二：根据天线配置方式、雷达与地面目标几何关系，推导SAR回波模型，具体为：

(a)天线的配置方式为：全孔径发射信号，各子孔径同时接收信号。

(b)设置通道0的相位中心设在天线中心(为便于推导所设，并非一定要位于天线中心)。天线延方位向排列，各通道相位中心用O_i表示，获取任一通道i和通道0的基线长度d_i0。

(c)计算雷达平台到场景中心的最短距离为R_b，获取雷达方位向速度V_a。零时刻，天线的中间O₀位于原点；目标位于P(x₀，y₀，h)，方位向速度和对地(对斜面)距离向速度分别为v_x，v_y(v_r)。

(d)t_a＝t时刻，天线运动到O′_i点，目标运动到P_t点，计算O′_i与P_t距离R_i(t)：

$R_i\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0+{2d}_{i0}+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}---\left(1\right)$

特别地，发射脉冲与目标的距离为R₀(t)：

$R_0\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}---\left(2\right)$

(e)获取任一通道i接收到的SAR回波信号形式：

${S_i}^0\left(t\right)=\exp \{-\mathrm{j\π}{K}_r{t}^2\}\×\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(R_0\left(t\right)+R_i\left(t\right))\}---\left(3\right)$

步骤三：对步骤一中SAR回波信号进行距离压缩，即乘以exp{jπK_rt²}，得到压缩后的信号形式：

$S_i\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(R_0\left(t\right)+R_i\left(t\right))\}---\left(4\right)$

将式(1)(2)带入式(4)即为：

$S_i\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+\frac{{V_a^{2}t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{{2d}_{i0}}^2+{2d}_{i0}{x}_0-{2d}_{i0}{V}_{a}t}{R_b})\}---\left(5\right)$

步骤四：通道i接收到的回波相对于参考通道0延时为τ_i0＝d_i0/V_a，做延时处理得到：

$S_i(t+{\mathrm{\τ}}_{i0})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{i0}+\frac{{V_a^{2}t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{{2d}_{i0}}^2}{R_b})\}---\left(6\right)$

步骤五：根据步骤四中信号形式，推导通道i与方位时间无关的相位补偿函数：

$C_i\left(t\right)=\exp \{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×\frac{{d_{i0}}^2}{R_b}\}---\left(7\right)$

步骤六：根据步骤四中信号形式，推导每个通道与方位时间的二次项有关的相位补偿函数，作用相当于方位压缩：

$A\left(t\right)=\exp \{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×\frac{{{V_a}^{2}t}^2}{R_b}\}---\left(8\right)$

步骤七：将步骤五、六的相位补偿函数与步骤四中的信号做相乘处理后，信号形式为：

$S_i^{\′}(t+{\mathrm{\τ}}_{i0})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{i0}+\frac{x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}---\left(9\right)$

步骤八：按照步骤二到步骤七推导其他通道k的处理过程，处理后得到信号形式：

$S_k^{\′}(t+{\mathrm{\τ}}_{k0})=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\mathrm{\τ}}_{k0}+\frac{x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}---\left(10\right)$

步骤九：将各个通道的信号分别作方位向FFT后，选择两个通道进行干涉处理，使得到的干涉相位中涉及到的若干基线长度可以组成互质基线对：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ik}}\left(f\right)=S_i\left(f\right)\·S_k{\left(f\right)}^{*}=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{2v}_r({\mathrm{\τ}}_{i0}-{\mathrm{\τ}}_{k0})\}=\exp \{-j\frac{4{\mathrm{\πv}}_r\mathrm{}}{\mathrm{\λ}}\frac{d_{\mathrm{ik}}}{V_a}\}\\ S_{\mathrm{jr}}\left(f\right)=S_j\left(f\right)\·S_r{\left(f\right)}^{*}=\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{2v}_r({\mathrm{\τ}}_{j0}-{\mathrm{\τ}}_{r0})=\exp \{-j\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{d_{\mathrm{jr}}}{V_a}\}\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中关于互质基线对d_ik、d_jr的干涉相位：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{ik}}=\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{d_{\mathrm{ik}}}{V_a}\\ {\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{jr}}=\frac{{4\mathrm{\πv}}_r}{\mathrm{\λ}}\frac{d_{\mathrm{jr}}}{V_a}\end{array}\right.---\left(12\right)$

步骤十：由干涉相位计算得到运动目标速度：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{rik}}=\frac{{\mathrm{\λV}}_a{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{ik}}}{{4\mathrm{\πd}}_{\mathrm{ik}}}\\ v_{\mathrm{rjr}}=\frac{{\mathrm{\λV}}_a{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{jr}}}{{4\mathrm{\πd}}_{\mathrm{jr}}}\end{array}\right.---\left(13\right)$

步骤十一：根据不同基线对所对应的动目标检测结果，采用：

(a)长基线对对应的动目标检测结果用于检测慢速目标，选择该基线对内共有的检测速度作为慢速目标速度，以排除模糊速度(虚假目标)；

(b)短基线对对应的动目标检测结果用于检测速度较快目标，选择该基线对内共有的检测速度作为速度较快目标速度，以排除模糊速度(虚假目标)。

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