CN103983971A - 高效的星载sar的地面运动目标成像方法 - Google Patents

高效的星载sar的地面运动目标成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于雷达技术领域，涉及星载合成孔径雷达成像方法，公开了一种高效的星载SAR的地面运动目标成像方法，其步骤为：1）将目标原始回波信号变换到二维频域；2）在二维频域构造距离匹配滤波器，通过距离向匹配滤波实现距离压缩和距离徙动校正；3）对距离匹配滤波后的信号进行距离向逆傅里叶变换，将信号变换到距离多普勒域；4）在距离多普勒域构造方位匹配滤波器，通过方位向匹配滤波实现方位压缩；5）对方位匹配滤波后的信号进行方位向逆傅里叶变换，完成对地面运动目标的成像。本发明在二维频域实现距离徙动校正，无需插值，计算效率高；无需知道目标的运动参数和位置参数，能同时对多个目标成像。

Description

高效的星载SAR的地面运动目标成像方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，涉及星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）成像方法，具体地说是一种高效的星载SAR的地面运动目标成像方法，用于星载SAR对地面运动目标成像。
背景技术
星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）是一种全天时、全天候、多功能的微波遥感成像设备，在民用和军事领域内都得到了广泛应用。其中，星载SAR地面运动目标检测（Ground Moving Target Indication,GMTI）和地面运动目标成像（GroundMoving Target Imaging,GMTIm）因其在交通监控和战场侦察中的重要作用而成为一个研究热点。
对于星载SAR-GMTI系统，较宽的工作带宽和较长的相干积累时间使其能够对观测区域进行高分辨的成像。然而，由于相干积累时间较长，对目标的成像需要精确的补偿目标的距离单元徙动和目标回波信号相位弯曲。而运动目标由于存在速度，其距离徙动和信号相位历程与静止目标不同。因此，如果直接采用传统的SAR静止目标成像方法对地面运动目标进行成像，由于距离单元徙动和信号相位弯曲补偿不准确，会出现散焦现象。目标的散焦一方面会导致成像后的目标的图像变得模糊，一方面会使目标的信杂噪比下降，这些都将影响系统对运动目标的识别和分类。因此，有必要研究和开发星载SAR的地面运动目标的精确成像方法。
在过去的近40年里，为实现对地面运动目标的精确成像，各国学者提出了许多方法。Barbarossa等人通过先从数据中估计出目标的运动参数，然后补偿由于目标运动引起的距离走动和距离弯曲来实现对目标的成像。Perry等人提出了一系列基于keystone变换的SAR地面运动目标成像方法。通过使用keystone变换，可以很好的补偿由目标距离向速度带来的距离走动。然而，这些方法的计算量均非常大，在工程上很难实时实现。
朱圣棋等人提出了一种在二维频域通过对目标信号进行匹配滤波来实现成像的方法。与传统方法不同，该方法在二维频域实现距离徙动校正，计算效率较高。但是，这个方法需要知道目标的位置参数，而现实中目标的位置参数往往是未知的。因此，这个方法在实际中的适用范围非常有限。此外，这个方法无法同时对多个目标成像。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提出了一种高效的星载SAR的地面运动目标成像方法，该方法无需插值，计算效率高；且不需要知道目标的运动参数和位置参数，并能同时对多个目标成像。
本发明的思路是：1）将目标原始回波信号变换到二维频域；2）在二维频域构造距离匹配滤波器，通过距离向匹配滤波实现距离压缩和距离徙动校正；3）对距离匹配滤波后的信号进行距离向逆傅里叶变换，将信号变换到距离多普勒域；4）在距离多普勒域构造方位匹配滤波器，通过方位向匹配滤波实现方位压缩；5）对方位匹配滤波后的信号进行方位向逆傅里叶变换，完成对地面运动目标的成像。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种高效的星载SAR的地面运动目标成像方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1，对星载SAR接收到的地面运动目标原始回波信号依次进行距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换，得到二维频域的目标信号；
步骤2，在二维频域构造距离匹配滤波器，对变换到二维频域的目标信号进行距离向匹配滤波，实现距离压缩和距离徙动校正，得到距离徙动校正后的目标信号；
步骤3，对距离徙动校正后的目标信号进行距离向逆傅里叶变换，将距离徙动校正后的目标信号变换到距离多普勒域，得到距离多普勒域的目标信号；
步骤4，在距离多普勒域构造方位匹配滤波器，对变换到距离多普勒域的目标信号进行方位向匹配滤波，实现方位压缩，得到方位匹配滤波后的目标信号；
步骤5，对方位匹配滤波后的目标信号进行方位向逆傅里叶变换，得到聚焦后的SAR图像域目标信号，完成对地面运动目标的成像。
上述技术方案的特点和进一步改进在于：
（1）步骤2的具体子步骤为：
2a）根据目标二维频域回波信号S(fa,fr)的表达式
S ( f a , f r ) = W a ( f a , f ac ) W r ( f r ) exp { - jπ ( f r 2 K r - cy 0 f a 2 2 f c 2 ( v a - v x ) 2 f r + 4 y 0 c f 0 ) } × exp { j [ π cy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 π v y y 0 ( v a - v x ) 2 f a - 2 πy 0 ( 2 ( v a - v x ) 2 - v y 2 ) c ( v a - v x ) 2 f r ] }
其中，星载SAR雷达工作在正侧视模式下，雷达平台速度为va，地面运动目标方位向速度为vx，投影到斜距平面的距离向速度为vy；设在ta=0时刻，雷达位于坐标原点，目标位于(0,y0)；c为光速，fc为雷达发射信号的载频，Kr为雷达发射的线性调频信号的调频率；Wr(fr)是目标信号距离频谱的包络，Wa(fa)是目标信号方位频谱的包络，fr为距离频率，fa是方位频率，fac为目标多普勒中心频率；
在二维频域构造如下距离匹配滤波器实现距离压缩和距离徙动校正：
H r ( f a , f r ) = exp { jπ f r 2 K r - jπ cy ref f a 2 2 f c 2 v a 2 f r }
其中，yref为观测场景中心距离；
2b）将变换到二维频域的目标信号S(fa,fr)与构造的距离匹配滤波器Hr(fa,fr)相乘，实现距离压缩和距离徙动校正：
S r ( f a , f r ) = S ( f a , f r ) H r ( f a , f r ) = W a ( f a , f ac ) W r ( f r ) exp { - j 4 π y 0 c f r } × exp { j [ πcy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a - 2 πy 0 ( 2 ( v a - v x ) 2 - v y 2 ) c ( v a - v x ) 2 f r ] } × exp { j cπf a 2 2 f c 2 ( y 0 ( v a , v x ) 2 - y ref v a 2 ) f r }
其中，Sr(fa,fr)为距离徙动校正后的目标信号。
（2）步骤4的具体子步骤为：
4a）根据距离匹配滤波后距离多普勒域目标信号的表达式
S ( f a , t r ) = W a ( f a , f ac ) p r [ t r - 2 y 0 c - y 0 ( 2 ( v a - v x ) 2 - v y 2 ) c ( v a - v x ) 2 + cf a 2 4 f c 2 ( y 0 ( v a - v x ) 2 - y ref v a 2 ) ] × exp { j [ πcy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a ] } ≈ W a ( f a - f ac ) p r ( t r - 2 y 0 c ) × { j [ πcy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a ] }
其中，tr为快时间，pr(tr)为距离冲激响应函数；
在距离多普勒域构造如下方位匹配滤波器实现方位压缩：
H a ( f a ) = exp { - j πcy 0 2 f c v a 2 f a 2 }
4b）将变换得到的距离多普勒域目标信号与构造的方位匹配滤波器相乘，实现方位压缩：
S a ( f a , t r ) = S ( f a , t r ) H a ( f a ) = W a ( f a - f ac ) p r ( t r - 2 y 0 c ) × exp { j 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a }
其中，Sa(fa,tr)为方位匹配滤波后的目标信号。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
a）本发明在二维频域实现距离徙动校正，不需要插值，计算效率非常高；
b）本发明在距离多普勒域实现方位压缩，能同时对距离位置不同的多个目标成像；
c）本发明能在不知道目标运动参数和位置参数的情况下对目标成像，适用范围非常广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明高效的星载SAR的地面运动目标成像方法的流程示意图；
图2斜距平面星载SAR系统观测几何图；其中横坐标表示方位向，纵坐标表示距离向；
图3是用本发明方法的距离徙动校正前的目标轨迹图；其中横坐标表示距离单元，纵坐标表示多普勒单元；
图4是距离徙动校正后的目标轨迹图；其中横坐标表示距离单元，纵坐标表示多普勒单元；
图5是用本发明方法的目标成像结果图；其中横坐标表示距离单元，纵坐标表示方位单元。
具体实施方式
参照图1，说明本发明高效的星载SAR的地面运动目标成像方法，其包括以下具体步骤：
步骤1，对星载SAR接收到的地面运动目标原始回波信号分别进行距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换，得到二维频域的目标信号。
参照图2，为斜距平面星载SAR系统观测几何图。星载SAR雷达工作在正侧视模式下，雷达平台速度为va，地面运动目标方位向速度为vx，投影到斜距平面的距离向速度为vy，不考虑目标加速度，设在ta=0时刻，雷达位于坐标原点，目标位于(0,y0)。
因此，ta时刻目标到雷达的瞬时距离可表示为：
R ( t a ) = ( y 0 + v y t a ) 2 + ( v x t a - v a t a ) 2 ≈ y 0 + v y t a + 1 2 y 0 ( v a - v x ) 2 t a 2
目标原始回波信号可表示为：
s ( t a , t r ) = w a ( t a ) w r ( t r - 2 R ( t a ) / c ) exp { - j 4 π f c R ( t a ) c + j πK r ( 2 R ( t a ) c ) 2 }
其中，tr为快时间，c为光速，wa(ta)、wr(tr)分别为目标原始回波信号的方位包络和距离包络，fc为雷达发射信号的载频，Kr为雷达发射的线性调频信号的调频率。
经距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换后，得到的目标二维频域回波信号可表示为：
S ( f a , f r ) = W a ( f a , f ac ) W r ( f r ) exp { - jπ ( f r 2 K r - cy 0 f a 2 2 f c 2 ( v a - v x ) 2 f r + 4 y 0 c f 0 ) } × exp { j [ π cy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 π v y y 0 ( v a - v x ) 2 f a - 2 πy 0 ( 2 ( v a - v x ) 2 - v y 2 ) c ( v a - v x ) 2 f r ] }
其中，Wr(fr)是目标信号距离频谱的包络，Wa(fa)是目标信号方位频谱的包络，fr为距离频率，fa是方位频率，fac为目标多普勒中心频率。
步骤2，在二维频域构造距离匹配滤波器，对变换到二维频域的目标信号进行距离向匹配滤波，实现距离压缩和距离徙动校正，得到距离徙动校正后的目标信号。
2a）由目标二维频域回波信号的表达式可以看出，决定目标距离调制和距离徙动的相位为： exp { - jπ ( f r 2 K r - cy 0 f a 2 2 f c 2 ( v a - v x ) 2 f r ) } . 因此，可以在二维频域构造如下距离匹配滤波器实现距离压缩和距离徙动校正：
H r ( f a , f r ) = exp { jπ f r 2 K r - jπ cy ref f a 2 2 f c 2 v a 2 f r }
其中，yref为观测场景中心距离。需要注意的是，在构造距离匹配滤波器的过程中并没有使用目标的位置参数和速度参数。
2b）将变换到二维频域的目标信号S(fa,fr)与构造的距离匹配滤波器Hr(fa,fr)相乘，实现距离压缩和距离徙动校正：
S r ( f a , f r ) = S ( f a , f r ) H r ( f a , f r ) = W a ( f a , f ac ) W r ( f r ) exp { - j 4 π y 0 c f r } × exp { j [ πcy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a - 2 πy 0 ( 2 ( v a - v x ) 2 - v y 2 ) c ( v a - v x ) 2 f r ] } × exp { j cπf a 2 2 f c 2 ( y 0 ( v a , v x ) 2 - y ref v a 2 ) f r }
其中，Sr(fa,fr)为距离徙动校正后的目标信号。
步骤3，对距离徙动校正后的目标信号进行距离向逆傅里叶变换，将距离徙动校正后的目标信号变换到距离多普勒域，得到距离多普勒域的目标信号。
对Sr(fa,fr)进行距离向逆傅里叶变换可得距离多普勒域目标信号：
S ( f a , t r ) = W a ( f a , f ac ) p r [ t r - 2 y 0 c - y 0 ( 2 ( v a - v x ) 2 - v y 2 ) c ( v a - v x ) 2 + cf a 2 4 f c 2 ( y 0 ( v a - v x ) 2 - y ref v a 2 ) ] × exp { j [ πcy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a ] } ≈ W a ( f a - f ac ) p r ( t r - 2 y 0 c ) × { j [ πcy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a ] }
其中，pr(tr)为距离冲激响应函数。
步骤4，在距离多普勒域构造方位匹配滤波器，对变换得到距离多普勒域的目标信号进行方位向匹配滤波，实现方位压缩，得到方位匹配滤波后的目标信号。
4a）由距离匹配滤波后距离多普勒域目标信号的表达式可以看出，决定目标方位调制的相位为：因此，可以在距离多普勒域构造如下方位匹配滤波器实现方位压缩：
H a ( f a ) = exp { - j πcy 0 2 f c v a 2 f a 2 }
需要注意的是，在构造方位匹配滤波器的过程中并没有使用目标的位置参数和速度参数。
4b）将变换得到的距离多普勒域目标信号与构造的方位匹配滤波器相乘，实现方位压缩：
S a ( f a , t r ) = S ( f a , t r ) H a ( f a ) = W a ( f a - f ac ) p r ( t r - 2 y 0 c ) × exp { j 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a }
其中，Sa(fa,tr)为对方位匹配滤波后的目标信号。
步骤5，对方位匹配滤波后的目标信号进行方位向逆傅里叶变换，得到聚焦后的SAR图像域目标信号，完成对地面运动目标的成像。
对Sa(fa,tr)进行方位向逆傅里叶变换，可得聚焦后的SAR图像域目标信号的表达式：
s ( t a , t r ) = w a ( t a ) w r ( t r - 2 R ( t a ) / c ) exp { - j 4 π f c R ( t a ) c + j πK r ( 2 R ( t a ) c ) 2 }
其中，pa(ta)为方位冲激响应函数。
从上面的理论分析可以看出，在整个成像过程中，本发明没有使用目标的位置参数和速度参数。
本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明：
（1）距离压缩后的目标轨迹仿真。
星载SAR系统参数见表1，目标参数为：y0=951km，vx=5m/s，vy=5m/s。在二维频域通过相位相乘实现距离压缩，然后进行距离向逆傅里叶变换获得距离压缩后的目标轨迹。仿真结果见图3。由图3可以看到目标轨迹存在明显的距离徙动。
表1星载SAR系统参数
（2）用本发明进行距离徙动校正后的目标轨迹仿真。
本仿真中的参数设置与仿真1中的设置相同，仿真时没有使用目标的位置参数和速度参数，也没有使用插值，仿真结果见图4。由图4可以看出，目标的轨迹变成了一条直线。这个仿真实验说明本发明可以在不使用目标位置参数和速度参数的前提下实现距离徙动校正。
（3）本发明地面运动目标成像结果仿真。
本仿真中的参数设置与仿真1中的设置相同，仿真时没有使用目标的位置参数和速度参数，仿真结果见图5。由图5可以看出，目标被很好的聚焦了。这个仿真实验证明了本发明可以在不使用目标位置参数和速度参数的前提下实现对地面运动目标的成像。

Claims (3)

1.一种高效的星载SAR的地面运动目标成像方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1，对星载SAR接收到的地面运动目标原始回波信号分别进行距离向傅里叶变换和方位向傅里叶变换，得到二维频域的目标信号；
步骤2，在二维频域构造距离匹配滤波器，对变换到二维频域的目标信号进行距离向匹配滤波，实现距离压缩和距离徙动校正，得到距离徙动校正后的目标信号；
步骤3，对距离徙动校正后的目标信号进行距离向逆傅里叶变换，将距离徙动校正后的目标信号变换到距离多普勒域，得到距离多普勒域的目标信号；
步骤4，在距离多普勒域构造方位匹配滤波器，对变换到距离多普勒域的目标信号进行方位向匹配滤波，实现方位压缩，得到方位匹配滤波后的目标信号；
步骤5，对方位匹配滤波后的目标信号进行方位向逆傅里叶变换，得到聚焦后的SAR图像域目标信号，完成对地面运动目标的成像。
2.根据权利要求1所述的高效的星载SAR的地面运动目标成像方法，其特征在于，步骤2的具体子步骤为：
2a）根据目标二维频域回波信号S(fa,fr)的表达式
S ( f a , f r ) = W a ( f a , f ac ) W r ( f r ) exp { - jπ ( f r 2 K r - cy 0 f a 2 2 f c 2 ( v a - v x ) 2 f r + 4 y 0 c f 0 ) } × exp { j [ π cy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 π v y y 0 ( v a - v x ) 2 f a - 2 πy 0 ( 2 ( v a - v x ) 2 - v y 2 ) c ( v a - v x ) 2 f r ] }
其中，星载SAR雷达工作在正侧视模式下，雷达平台速度为va，地面运动目标方位向速度为vx，投影到斜距平面的距离向速度为vy；设在ta=0时刻，雷达位于坐标原点，目标位于(0,y0)；c为光速，fc为雷达发射信号的载频，Kr为雷达发射的线性调频信号的调频率；Wr(fr)是目标信号距离频谱的包络，Wa(fa)是目标信号方位频谱的包络，fr为距离频率，fa是方位频率，fac为目标多普勒中心频率；
在二维频域构造如下距离匹配滤波器实现距离压缩和距离徙动校正：
H r ( f a , f r ) = exp { jπ f r 2 K r - jπ cy ref f a 2 2 f c 2 v a 2 f r }
其中，yref为观测场景中心距离；
2b）将变换到二维频域的目标信号S(fa,fr)与构造的距离匹配滤波器Hr(fa,fr)相乘，实现距离压缩和距离徙动校正：
S r ( f a , f r ) = S ( f a , f r ) H r ( f a , f r ) = W a ( f a , f ac ) W r ( f r ) exp { - j 4 π y 0 c f r } × exp { j [ πcy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a - 2 πy 0 ( 2 ( v a - v x ) 2 - v y 2 ) c ( v a - v x ) 2 f r ] } × exp { j cπf a 2 2 f c 2 ( y 0 ( v a , v x ) 2 - y ref v a 2 ) f r }
其中，Sr(fa,fr)为距离徙动校正后的目标信号。
3.根据权利要求1所述的高效的星载SAR的地面运动目标成像方法，其特征在于，步骤4的具体子步骤为：
4a）根据距离匹配滤波后距离多普勒域目标信号的表达式
S ( f a , t r ) = W a ( f a , f ac ) p r [ t r - 2 y 0 c - y 0 ( 2 ( v a - v x ) 2 - v y 2 ) c ( v a - v x ) 2 + cf a 2 4 f c 2 ( y 0 ( v a - v x ) 2 - y ref v a 2 ) ] × exp { j [ πcy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a ] } ≈ W a ( f a - f ac ) p r ( t r - 2 y 0 c ) × { j [ πcy 0 2 f c ( v a - v x ) 2 f a 2 + 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a ] }
其中，tr为快时间，pr(tr)为距离冲激响应函数；
在距离多普勒域构造如下方位匹配滤波器实现方位压缩：
H a ( f a ) = exp { - j πcy 0 2 f c v a 2 f a 2 }
4b）将变换得到的距离多普勒域目标信号与构造的方位匹配滤波器相乘，实现方位压缩：
S a ( f a , t r ) = S ( f a , t r ) H a ( f a ) = W a ( f a - f ac ) p r ( t r - 2 y 0 c ) × exp { j 2 πv y y 0 ( v a - v x ) 2 f a }
其中，Sa(fa,tr)为方位匹配滤波后的目标信号。
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