CN103185879A - 针对具有高径向速度目标的单通道合成孔径雷达动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对具有高径向速度目标的单通道合成孔径雷达动目标检测方法，涉及合成孔径雷达信号处理技术。该方法通过对单通道合成孔径雷达数据在方位向进行降采样来构造双通道数据，然后通过插值将两个通道的数据在时间上对齐。之后，对两个通道进行相干对消来抑制杂波，最终在图像域检测运动目标。本发明能够在杂波抑制的同时，提高动目标的幅度。此外，本发明还能够消除高径向速度目标的频谱分裂，从而解决该类目标在成像后产生的鬼影问题，有效的降低虚警概率。

Description

针对具有高径向速度目标的单通道合成孔径雷达动目标检测方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达信号处理技术领域，特别涉及单通道合成孔径雷达动目标检测方法。 

背景技术

地面动目标检测(Ground Moving Target Indication：GMTI)与成像一直是现代雷达要完成的基本功能之一。随着合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar：SAR)的广泛应用，基于该平台的地面运动目标检测与成像技术将在未来发挥重要的作用。然而传统的合成孔径雷达是为静止目标成像而设计的，当对运动目标进行检测和成像时，静止目标的回波变成了杂波干扰，需尽量加以滤除。若采用静止目标的参数对运动目标进行成像，运动目标会在合成孔径雷达图像中出现模糊，散焦和方位位置偏移等现象，并淹没在杂波中无法分辨。因此如何正确地检测运动目标是一个亟待解决的问题。 

目前在动目标检测领域，主要包括单通道和多通道两大类检测方法。考虑到多通道的硬件系统较为复杂，成本高，而且国内现有的大多数机载合成孔径雷达系统均为单通道系统，对它们进行多通道改造比较困难。因此单通道动目标检测方法一直是国内外的研究热点。 

现有的单通道动目标检测方法主要包括：频域检测法和图像域检测法。下面分别进行介绍：①频域检测法：该类方法是利用运动目标和杂波的多普勒频谱存在偏差的特点分离动静目标。美国科学家R.K.Raney详细分析了运动目标的方位向和径向速度及加速度对合成孔径雷达成像的影响并提出了频域滤波法和相位滤波法(参见：R.K.Raney.Synthetic Aperture Imaging Radar and Moving Targets.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System，1971)；②图像域检测法：该类方法是利用动目标与杂波在图像上的不一致性来检测运动目标。Kirscht提出了一种通过单视 图像序列法消除背景，从而检测动目标，估计其速度的方法(参见：Kirscht M.Detection and Imaging of Arbitrarily Moving Targets with Single-Channel SAR.IEE Proc.Radar Sonar & Navigation，1997)。周峰等人提出了基于两视处理的运动目标检测和定位方法，该方法对两个子视进行成像处理，并利用非相干对消来抑制杂波以提高信杂比(参见：Zhou Feng.Approach for single channel SAR ground moving target imaging and motion Parameter estimation.IET Proc.Radar Sonar & Navigation，2007)。 

对比两类方法发现，使用频域滤波法可以消除杂波，但该类方法没有进行方位压缩，动目标能量没有累积，因此检测能力较弱。使用图像域的方法可最大程度地累积动目标能量，增大检测概率。然而当目标存在较高径向速度时，其频谱会产生多普勒模糊，并时常出现频谱跨越两个模糊数的情况，此时使用方位压缩进行成像会导致动目标在图像中出现鬼影，这将增大虚警概率。 

发明内容

本发明的目的是公开一种针对具有高径向速度目标的单通道合成孔径雷达动目标检测方法，在于消除高径向速度目标所产生的鬼影问题，从而降低该类目标的虚警概率。 

为达到上述目的，本发明提出了一种针对具有高径向速度目标的单通道合成孔径雷达动目标检测方法，在杂波抑制的同时，提高动目标的幅度，有效去除动目标的分裂频谱，使其在成像后呈现单个目标。该方法的技术解决方案包括如下步骤： 

1)获取单通道合成孔径雷达原始数据； 

2)对该数据进行距离向压缩； 

3)在距离压缩后的二维时域，沿方位向对数据进行2抽1，构造出两个通道的数据； 

4)以一个通道为标准，对另一个通道进行插值处理，将两个通道的方位时间对齐； 

5)两个通道进行相干对消，消除静止杂波； 

6)对步骤5)处理后的数据进行方位向傅里叶变换，将数据变换到距 离多普勒域； 

7)对步骤6)所得数据进行距离徙动校正(Range Cell Migration Correction：RCMC)； 

8)对步骤7)所得数据进行方位压缩，积累动目标能量； 

9)在图像域检测运动目标。 

所述方法的步骤3)对数据沿方位向进行了抽取，等效成两个通道。这需要以脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency：PRF)是方位向带宽的Z倍(其中Z＞2)为前提，在满足该前提的情况下，可根据奈奎斯特采样定律判定方位向为过采样情况，才能够在方位向对数据进行抽取。 

所述方法的步骤3)通过降采样使原本分裂的动目标频谱分布在同一模糊数中，即消除了动目标的频谱分裂，使得该类目标在成像后不会产生鬼影现象。 

所述方法的步骤4)通过插值处理将两个通道的时间对齐，其中插值方法是采用频域补零插值(Zero Padding in Frequency)。该插值方法的具体步骤如下： 

a)对数据沿方位向进行傅里叶变换，然后进行补零操作，使得方位数据的长度变为原来的2倍； 

b)对补零后的数据进行逆傅里叶变换； 

c)对变换后的数据进行采样。(每2个采样点取1个点)。 

所述方法的步骤5)对插值后的两个通道数据进行相干对消，即复数相减。其中模糊数为偶数次的目标(包括：静止目标和部分动目标)，它们在两个通道的信号幅度和相位均一致，相干对消会将该类目标消除。而模糊数为奇数次的目标(另一部分动目标)，它们在两个通道的信号幅度相同，但相位差π，在相干对消之后，该类目标将会被保留，且它们的幅度变为原来的2倍。 

与现有技术相比，本发明方法的优点如下： 

1、采用抽取来等效两个通道，并通过相干对消来抑制静止杂波。 

2、在杂波抑制的同时，保留了动目标数据，并且其幅度变为原来的2倍，大大提高了信杂比。 

3、对原数据进行了降采样，可消除动目标的频谱分裂问题。在成像后，动目标为单个目标，降低了虚警概率。 

4、本发明需要以脉冲重复频率是方位向带宽的2倍以上为前提条件，此条件在大多数机载平台下均可满足，故它能够应用于单通道机载合成孔径雷达系统，扩展了该系统的应用范围。 

5、本发明仅仅比传统的合成孔径雷达成像多了两个傅里叶变换和一个相减操作，因此运算量几乎没有增大，可以通过分布式并行处理系统进行实时处理，满足实时运动目标检测的要求，具有良好的实时性和工程应用价值。 

附图说明

图1为本发明一种针对具有高径向速度目标的单通道合成孔径雷达动目标检测方法的数据处理流程图； 

图2为本发明方法中动目标的回波几何模型示意图； 

图3为本发明方法中单通道抽取等效双通道示意图； 

图4a为动目标分裂频谱示意图； 

图4b为本发明方法中杂波抑制示意图； 

图4c为杂波抑制后的动目标频谱； 

图5a为距离压缩后，杂波抑制前的二维时域图； 

图5b为采用本发明方法中进行杂波抑制后的二维时域图； 

图5c为距离压缩后，杂波抑制前的距离多普勒域图； 

图5d为采用本发明方法进行杂波抑制后的距离多普勒域图； 

图5e为经过距离徙动校正后的距离多普勒域图； 

图5f为方位压缩后的成像结果。 

具体实施方式

为使本发明方法的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面对本发明方法的具体实施方式进行详细说明。 

对回波信号进行距离压缩，处理后的信号可表示为： 

$S_r(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_n)=A_0{w}_a\left({\mathrm{\η}}_n\right)\sin c\left[\mathrm{\π}{B}_w(\mathrm{\τ}-\frac{2R\left({\mathrm{\η}}_n\right)}{c})\right]\exp [-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}R\left({\mathrm{\η}}_n\right)]$

其中A₀表示任意复常数，w_a(·)表示方位向包络，τ表示快时间，c表示光速，B_w为发射信号带宽，λ表示载波波长，η_n表示离散慢时间。 

根据图2，可得到雷达到运动目标的瞬时斜距： 

$R\left({\mathrm{\η}}_n\right)=\sqrt{{(v_a{\mathrm{\η}}_n-v_x{\mathrm{\η}}_n)}^2+{(R_0+v_r{\mathrm{\η}}_n)}^2}$

$\≈R_0+v_r{\mathrm{\η}}_n+\frac{{(v_a-v_x)}^2}{2R_0}{{\mathrm{\η}}_n}^2$

其中v_a表示载机速度，v_x表示动目标的方位向速度，v_r表示动目标的径向速度。R₀和R(η_n)分别表示目标与载机的最近斜距和瞬时斜距。 

在合成孔径雷达系统中，假设脉冲重复频率是方位向带宽的Z倍(Z＞2)，根据奈奎斯特采样定律，方位向属于过采样情况，故在方位向可对数据进行降采样，等效成两个通道(通道1和通道2)，如图3所示。 

降采样后的通道1和通道2的信号可分别表示为： 

$S_{r_1}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)=A_0{w}_a\left({\mathrm{\η}}_m\right)\sin c\left[\mathrm{\π}{B}_w(\mathrm{\τ}-\frac{2R\left({\mathrm{\η}}_m\right)}{c})\right]\exp [-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}R\left({\mathrm{\η}}_m\right)]$

$S_{r_2}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m+\mathrm{\Δ\η})=A_0{w}_a({\mathrm{\η}}_m+\mathrm{\Δ\η})\sin c\left[\mathrm{\π}{B}_w(\mathrm{\τ}-\frac{2R({\mathrm{\η}}_m+\mathrm{\Δ\η})}{c})\right]\exp [-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}R({\mathrm{\η}}_m+\mathrm{\Δ\η})]$

其中η_m表示降采样后的慢时间(m＝2n)；Δη表示脉冲重复时间(Pulse Repetition Time)。 

以通道1的时间 

为标准，对通道2 

进行插值，可得到相同时间下的通道2信号 它表示为： 

$S_{r_2}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{k}_i{S}_{r_2}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m+i\·\mathrm{\Δ\η})$

其中i＝±1，±3，±5，...，k_i表示插值核函数。由上式可知，通过插值已经将两个通道的方位时间对齐。 

将 

带入上式可得： 

$S_{r_2}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{k}_i{A}_0{w}_a({\mathrm{\η}}_m+i\·\mathrm{\Δ\η})\sin c\left[\mathrm{\π}{B}_w(\mathrm{\τ}-\frac{2R({\mathrm{\η}}_m+i\·\mathrm{\Δ\η})}{c})\right]\exp [-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}R({\mathrm{\η}}_m+i\·\mathrm{\Δ\η})]$

$=S_{r_1}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)F_{\mathrm{mov}}\left({\mathrm{\η}}_m\right)$

其中F_mov(η_m)和F_sta(η_m)定义为静止目标和运动目标的传递函数，可分别表示为： 

$F_{\mathrm{mov}}\left({\mathrm{\η}}_m\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{k}_i\exp [-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(v_r+\frac{{(v_a-v_x)}^2}{R_0}{\mathrm{\η}}_m)\·i\·\mathrm{\Δ\η}]$

$F_{\mathrm{sta}}\left({\mathrm{\η}}_m\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{k}_i\exp [-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(\frac{{v_a}^2}{R_0}{\mathrm{\η}}_m\right)\·i\·\mathrm{\Δ\η}]$

对于静止目标来说，插值后其在两个通道中的信号是一致的，故F_sta(η_m)≈1。 

由于插值核函数k_i为偶函数，因此可将F_mov(η_m)和F_sta(η_m)分别改写为： 

$F_{\mathrm{mov}}\left({\mathrm{\η}}_m\right)=2\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{k}_l\cos (-2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{dc}}\·l\·\mathrm{\Δ\η}+2\mathrm{\π}{K}_{\mathrm{am}}{\mathrm{\η}}_m\·l\·\mathrm{\Δ\η})$

$F_{\mathrm{sta}}\left({\mathrm{\η}}_m\right)=2\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{k}_l\cos (2\mathrm{\π}{K}_a{\mathrm{\η}}_m\·l\·\mathrm{\Δ\η})\≈1$

其中l＝1，3，5，...，其中 

和 

分别表示运动目标的多普勒中心频率和多普勒调频率， 

表示静止目标的多普勒调频率。 

虽然F_sta(η_m)≈1，但观察上式可知F_mov(η_m)比F_sta(η_m)多出了一项与径向速度有关的相位，因此F_mov(η_m)将会受到径向速度的影响，下面将对此进行讨论。 

情况①：当-2πf_dc·Δη＝π·(2M-1)(即： 

)时，F_mov(η_m)可简化为： 

$F_{\mathrm{mov}}\left({\mathrm{\η}}_m\right)=-2\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{k}_l\cos (2\mathrm{\π}{K}_{\mathrm{am}}{\mathrm{\η}}_m\·l\·\mathrm{\Δ\η})\≈-F_{\mathrm{sta}}\left({\mathrm{\η}}_m\right)$

$S_{r_2}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)\≈-S_{r_1}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)$

情况②：当-2πf_dc·Δη＝2π·M(即：f_dc＝-M·PRF)时，F_mov(η_m)可简化为： 

$F_{\mathrm{mov}}\left({\mathrm{\η}}_m\right)=2\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{k}_l\cos (2\mathrm{\π}{K}_m\mathrm{\η}\·l\·\mathrm{\Δ\η})\≈F_{\mathrm{sta}}\left({\mathrm{\η}}_m\right)$

$S_{r_2}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)\≈S_{r_1}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)$

其中M表示任意整数。 

通过对以上两种情况的分析，可将降采样后的模糊数(N)与M的关系表示为： 

由上式可知，当目标的模糊数(表示降采样后的模糊数)为奇数次时，它在两通道的信号幅度相同，相位相差π，两个通道进行相干对消(即复数相减)，目标的幅度会增大为原来的2倍；而当目标的模糊数为偶数次时，它在两通道的信号幅度和相位均一致，相干对消会将目标消除。 

对于静止目标来说，它的模糊数为0，故两个通道的信号在幅度和相位上是一致的，在相干对消之后，静止目标将被抑制。对于运动目标来说，当模糊数为奇数次时，两个通道的信号幅度相同，但相位差π。在相干对消之后，动目标将会被保留，并且动目标幅度将会变为原来的2倍。本方法正式利用上述特点来进行杂波抑制的。需要说明的是，模糊数为偶数次的动目标由于其相位和幅度一致，杂波抑制会将该目标消除，因此本发明方法适用于检测模糊数为奇数次的运动目标。 

另外，当运动目标由于径向速度而引起频谱分裂时，传统方法在成像后会产生鬼影，在图像域对该类目标进行检测会增大虚警概率。本方法能够在杂波抑制的同时消除动目标的频谱分裂，下面将通过图示进一步说明本方法及其特点。 

图4a为多普勒域中的动目标频谱，其用直线表示。由于目标存在一定的径向速度，致使其频谱分布在两个模糊数之间(即频谱分裂)，在图中分别表示为部分1和部分2。 

图4b为本发明方法示意图。为了更清晰的说明本文方法，图4b将频率轴进行了一定的扩展。依上文所述，模糊数为奇数次的部分为对消后保留的区域，模糊数为偶数次的部分为被对消的区域。由图4b可见，频率 轴扩展可将分裂的动目标频谱重新连通在一起，其位于[PRF/4，3·PRF/4]。由于抽取后的频率轴主值区间变为[-PRF/4，PRF/4]，动目标频谱的模糊数恰好为奇数次，因此该目标在杂波抑制后将得以保留。 

图4c为杂波抑制后的动目标频谱，可见该目标频谱在多普勒域呈一条线。 

经过相干对消后的信号可表示为： 

$S_{r_{12}}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)=S_{r_1}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)-S_{r_2}(\mathrm{\τ},{\mathrm{\η}}_m)=2A_0{w}_a\left({\mathrm{\η}}_m\right)\sin c\left[\mathrm{\π}{B}_w(\mathrm{\τ}-\frac{2R\left({\mathrm{\η}}_m\right)}{c})\right]\exp [-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}R\left({\mathrm{\η}}_m\right)]$

将数据进行方位向傅里叶变换，并进行距离徙动校正，可得到矫正后的信号 

$S_{r_{12}}(\mathrm{\τ},f_{\mathrm{\η}}^{\′})=2A_0{w}_a(f_{\mathrm{\η}}^{\′}-f_{\mathrm{dc}}^{\′})\·\sin c\left[\mathrm{\π}{B}_w(\mathrm{\τ}-\frac{{2R}_0}{c}-\frac{N\·\mathrm{PRF}}{{2K}_{\mathrm{am}}{f}_0}(f_{\mathrm{\η}}^{\′}-f_{\mathrm{dc}}^{\′})+\frac{f_{\mathrm{dc}}^{\′2}}{{2K}_{\mathrm{am}}{f}_0})\right]$

$\·\exp [-j\frac{4\mathrm{\π}{R}_0}{\mathrm{\λ}}]\exp \left[\mathrm{j\π}\frac{{(f_{\mathrm{\η}}^{\′}-f_{\mathrm{dc}}^{\′})}^2}{K_{\mathrm{am}}}\right]$

其中f₀表示载频，f′_η表示基带多普勒频率，其范围可表示为-PRF/4≤f′_η≤PRF/4；f′_dc表示动目标的基带多普勒中心频率。 

对校正后的信号进行方位压缩，并在图像中检测运动目标。由于已经去除了频谱分裂，可消除动目标在成像后出现的鬼影现象，降低虚警概率。 

根据上述流程，采用仿真试验来验证本发明方法的有效性，仿真参数如下：载频为10GHz，载机速度为120m/s，场景中心斜距为12Km，天线孔径为0.6m，距离向带宽为150MHz，脉冲重复频率为880Hz，添加了2个径向和方位向速度均不相同的运动目标(分别表示为T1和T2)，以及1个静止目标。 

图5a和图5b分别为杂波抑制前后的二维时域图。对比两图发现，利用本发明方法可抑制杂波，并保留运动目标信号。对图5a和图5b分别进行方位向傅里叶变换可得到图5c和图5d。由图5c可知，T2存在频谱分裂情况。经过杂波抑制后，T2的分裂频谱被消除，它们的包络在距离多普勒域呈一条直线(如图5d)。这说明本发明方法可消除动目标的分裂频谱。图5e为距离徙动校正后运动目标的包络，可见由于目标存在多普勒 模糊，距离徙动校正无法完全消除距离走动，残余距离走动会使目标包络呈一条直线。图5f为方位压缩后的成像结果，可在图像中检测到2个目标。由于之前已经通过本发明方法消除了静止杂波和分裂频谱，因此在方位压缩后动目标不会出现鬼影现象，故本发明方法可有效降低虚警。 

Claims (5)

1.一种对具高径向速度目标的单通道合成孔径雷达动目标检测方法，其特征在于，该方法依次含有以下步骤：

1)获取单通道合成孔径雷达原始数据；

2)对该数据进行距离向压缩；

3)在距离压缩后的二维时域，沿方位向对数据进行2抽1，构造出两个通道的数据；

4)以一个通道为标准，对另一个通道进行插值处理，将两个通道的方位时间对齐；

5)两个通道进行相干对消，消除静止杂波；

6)对步骤5)处理后的数据进行方位向傅里叶变换，将数据变换到距离多普勒域；

7)对步骤6)所得数据进行距离徙动校正；

8)对步骤7)所得数据进行方位压缩，积累动目标能量；

9)在图像域检测运动目标。

2.根据权利要求1所述的单通道合成孔径雷达动目标检测方法，其特征在于，所述步骤3)中对数据沿方位向进行2抽1，该特征需要假设脉冲重复频率是方位向带宽的Z倍，其中Z＞2；在此假设成立的前提下，才能对方位向数据进行降采样，等效双通道。

3.根据权利要求1或4所述的单通道合成孔径雷达动目标检测方法，其特征在于，所述步骤3)中通过降采样使原本分裂的动目标频谱分布在同一模糊数中，即消除了动目标的频谱分裂，使得该类目标在成像后不会产生鬼影现象。

4.根据权利要求1所述的单通道合成孔径雷达动目标检测方法，其特征在于，所述步骤4)中通过插值处理将两个通道的方位时间对齐，其中插值方法采用频域补零插值。

5.根据权利要求1所述的单通道合成孔径雷达动目标检测方法，其特征在于，所述步骤5)中对插值后的两个通道数据进行相干对消，即复数相减，其中模糊数为偶数次的目标，它们在两个通道的信号幅度和相位均一致，相干对消会将该类目标消除；而模糊数为奇数次的目标，它们在两个通道的信号幅度相同，但相位差π，在相干对消之后，该类目标将会被保留，且它们的幅度变为原来的2倍。

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