CN104459651B - 机载sar-gmti系统等效基线长度估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于等效基线长度估计技术领域，特别涉及SAR‑GMTI系统等效基线长度估计方法。其具体步骤为：利用第一接收通道接收第一时域数据，利用第二接收通道接收第二时域数据；分别对第一时域数据和第二时域数据进行二维傅里叶变换，得到第一频域数据和第二频域数据；得出第二频域相位配准后数据；得出第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化的相位解缠绕值，将其记为第j个干涉相位样本；针对各个干涉相位样本、对应的多普勒频率进行线性拟合，得出干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式的一次项系数X；得出第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度的估计值d₁，V为载机速度。

Description

机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法

技术领域

本发明属于机载SAR-GMTI系统中等效基线长度估计技术领域，特别涉及机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法，本发明通过距离向配准，按照中值滤波挑选样本，并对样本进行两次线性拟合，得到了等效基线长度的精确的稳健的估计结果。通过对等效基线长度的精确估计，本发明能够使运动目标测速和重新定位更加准确，在军事或民用领域具有十分重要的意义。

背景技术

在合成孔径雷达地面运动目标检测(Synthetic Aperture Radar-Ground MovingTarget Indication,SAR-GMTI)系统中运动目标的检测与定位，无论在军事还是民用领域都具有十分重要的意义，在对运动目标进行测速和定位时，基线长度是一个十分重要的参数。基线是指在多接收通道SAR系统中，不同接收通道(天线)的等效相位中心之间的距离。运动目标的测速精度与定位精度与基线长度的精度有着直接关系，基线长度的误差会严重制约运动目标测速与定位性能的提高。对于机载或星载雷达，由于平台的高速运动会导致观察场景杂波谱展宽，慢速运动目标常常被淹没于主瓣杂波区。通过相位中心偏置天线(Displaced Phase Centre Antenna，DPCA)或者沿航迹干涉(Along Trackinterferometry,ATI)等技术手段能够获得主瓣杂波区地面慢速运动目标检测的性能，在理想情况下具有较好的测速、定位能力，但是实际环境中不可避免存在的非理想因素(例如沿航迹基线长度误差)，会严重制约目标测速和定位性能的提高。因为上述非理想因素通常是随时间缓慢变化的，因此仅仅利用先验信息(比如微波暗室测量的基线长度)无法有效补偿误差的影响。造成基线长度误差的主要因素有天线本身的间距误差、载机平台运动过程中由于偏流等造成的误差，而在实际的雷达实测数据处理中，我们只能得到基线长度的量测值，不能获取多接收通道SAR-GMTI系统等效基线长度(即载机或卫星运动时真正的等效相位中心之间的长度)。基线长度的量测值与对应的等效基线长度会有较大偏差，这往往使估计得到的径向速度有较大的误差，从而使得定位效果不理想。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法包括以下步骤：

步骤1，在机载SAR-GMTI系统中，将需要估计等效基线长度的两个接收通道记为第一接收通道和第二接收通道；利用第一接收通道接收第一时域数据，利用第二接收通道接收第二时域数据；对第一时域数据进行二维傅里叶变换，得到第一频域数据S₁(f_d,f_r)，对第二时域数据进行二维傅里叶变换，得到第二频域数据S₂(f_d,f_r)，其中，f_d表示多普勒频率，f_r表示距离频率；

步骤2，以第一频域数据S₁(f_d,f_r)为基准对第二频域数据S₂(f_d,f_r)沿距离向进行相位配准，得出第二频域相位配准后数据S₂′(f_d,f_r)；

步骤3，得出第一频域数据S₁(f_d,f_r)和第二频域数据S₂(f_d,f_r)在第j个多普勒频率上的干涉相位变化值1≤j≤nan，nan为方位向采样点数；对第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化值进行相位解缠绕处理，得出第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化的相位解缠绕值；将第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化的相位解缠绕值记为第j个干涉相位样本；针对各个干涉相位样本、以及与各个干涉相位样本对应的多普勒频率，进行线性拟合，得出干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式，干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式的一次项系数为X；

得出第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度的估计值d₁，V为载机速度。

本发明的有益效果为：1)不需要对原始数据进行任何处理，直接进行基线的估计。2)预先对距离向进行了配准，提高了基线估计的准确度。3)在求干涉相位时，只利用杂波的干涉相位信息，用幅度信息挑选用于估计的样本点是可靠而且准确的。4)解决了干涉相位的缠绕问题。5)对基线进行了两次估计：粗略估计与精细估计。首先利用干涉相位进行粗略估计基线，然后根据估计结果与实测结果的标准差设定门限，重新选择估计样本，进行基线的第二次估计。从而使得估计的结果更准确。6)在估计基线时假定雷达平台的方位向速度恒定，得到的基线是等效基线，即将干涉相位中所有的误差都等效到基线误差中，这样有利于运动目标定位等后续处理。

附图说明

图1为本发明的机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法的流程图；

图2a为实测数据实验中获取的两个接收通道的回波信号的二维频域干涉相位图；

图2b为实测数据实验中相位配准之前两个接收通道的回波信号在多普勒支撑区间内的二维频谱图；

图2c为实测数据实验中相位配准之后两个接收通道的回波信号在多普勒支撑区间内的二维频谱图；

图2d为实测数据实验中相位配准之前两个接收通道的回波信号在特定多普勒频率处的沿距离频率的干涉相位剖面图；

图2e为实测数据实验中相位配准后两个接收通道的回波信号在特定多普勒频率处的沿距离频率的干涉相位剖面图；

图2f为实测数据实验中杂波的多普勒支撑区内多普勒频率和干涉相位的关系示意图；

图2g为实测数据实验得出的干涉相位的线性拟合的示意图；

图2h为实测数据实验中根据预先已知的基线长度进行动目标定位重新定位的结果示意图；

图2i为实测数据实验中根据估计出的基线长度进行动目标重新定位的结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法的流程图。该机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法包括以下步骤：

步骤1，在机载SAR-GMTI系统中，将需要估计等效基线长度的两个接收通道记为第一接收通道和第二接收通道；机载SAR-GMTI系统的第一接收通道和第二接收通道在方位向存在的时间间隔表示为ΔT，ΔT＝d/V，V为载机速度，d表示第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度(为待估计值)。

利用第一接收通道接收第一时域数据，利用第二接收通道接收第二时域数据；对第一时域数据进行二维傅里叶变换(FFT处理)，得到第一频域数据S₁(f_d,f_r)，对第二时域数据进行二维傅里叶变换(FFT处理)，得到第二频域数据S₂(f_d,f_r)，其中，f_d表示多普勒频率，f_r表示距离频率。

本发明实施例中，进行等效基线长度估计的时刻较为随意，可以直接利用第一频域数据和第二频域数据进行等效基线长度的估计，也可以在对两个频域数据作距离压缩后进行，还可以在对两个频域数据作方位压缩后进行。下面说明直接利用第一频域数据和第二频域数据进行等效基线长度估计的过程。

根据第一频域数据S₁(f_d,f_r)和第二频域数据S₂(f_d,f_r)在多普勒域的干涉相位变化值，即可估计出第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度(注意等效相位中心间距为物理间距的一半)。具体地说，第一频域数据S₁(f_d,f_r)和第二频域数据S₂(f_d,f_r)的表达式分别为：

S₁(f_d,f_r)＝S_c(f_d,f_r)+S_n

S₂(f_d,f_r)＝S_c(f_d,f_r)exp(jπf_dd/V)+S_n

其中，S_c(f_d,f_r)表示杂波谱，S_n表示噪声谱。根据第一频域数据S₁(f_d,f_r)和第二频域数据S₂(f_d,f_r)的表达式，只要求出第一频域数据S₁(f_d,f_r)和第二频域数据S₂(f_d,f_r)在多普勒域的干涉相位变化值，即可估计出第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度。

步骤2，以第一频域数据S₁(f_d,f_r)为基准对第二频域数据S₂(f_d,f_r)沿距离向进行相位配准，得出第二频域相位配准后数据S₂′(f_d,f_r)。

具体地说，在理想情况下，第一接收通道和第二通道的干涉相位沿距离向是不会发生变化的，而实测数据得到的结果由于非理想因素的影响，干涉相位会沿着距离向发生较小的波动，为了准确的估计出等效基线，需要首先补偿掉两接收通道间沿距离向变化的干涉相位，即第一原始频域数据S₁(f_d,f_r)为基准对第二原始频域数据S₂(f_d,f_r)沿距离向进行相位配准，其具体过程为：

将第一频域数据中第i个距离频率上的数据表示为将第二频域数据中第i个距离频率上的数据表示为表示第i个距离频率，1≤i≤nrn，nrn为距离向的采样点数。得出第二频域数据中第i个距离频率上的数据的相位配准后数据

$S_2^{\′}=(f_d,f_{r_i})=S_2(f_d,f_{r_i})\·\frac{S_1(f_d,f_{r_i})\·S_2^{*}(f_d,f_{r_i})}{{\left|S_2(f_d,f_{r_i})\right|}^2}$

其中，*表示取共轭，·表示Hadamard积，||表示取绝对值，表示第i个距离频率。

将第二频域数据中第1个距离频率上的数据的相位配准后数据至第二频域数据中第nrn个距离频率上的数据的相位配准后数据组合为第二频域相位配准后数据S₂′(f_d,f_r)。

步骤3，其具体子步骤为：

(3.1)将第一频域数据中第j个多普勒频率第i个距离频率的数据表示为将第二频域相位配准后数据中第j个多普勒频率第i个距离频率的数据表示为其中，表示第j个多普勒频率，1≤j≤nan，nan为方位向采样点数。

以第一频域数据中第j个多普勒频率第i个距离频率的数据为基准，与对应的第二频域相位配准后数据中第j个多普勒频率第i个距离频率的数据进行共轭相乘，为了消除噪声的影响，我们对场景中心对应的距离频率附近的2N+1个距离频率进行中值滤波处理，求出第一频域数据S₁(f_d,f_r)和第二频域数据S₂(f_d,f_r)在第j个多普勒频率上的干涉相位变化值

$\mathrm{\Δ\φ}\left(f_{d_j}\right)=\mathrm{median}\{\mathrm{\Δ\φ}{\left(f_{d_j}\right)}_{i-N},\mathrm{\Δ\φ}{\left(f_{d_j}\right)}_{i-N+1},...,\mathrm{\Δ\φ}{\left(f_{d_j}\right)}_i,...,\mathrm{\Δ\φ}{\left(f_{d_j}\right)}_{i+N-1},\mathrm{\Δ\φ}{\left(f_{d_i}\right)}_{i+N}\}$

$\mathrm{\Δ\φ}{\left(f_{d_j}\right)}_i=\mathrm{angle}[S_1(f_{d_j},f_{r_i})\·{S_2}^{\′}*(f_{d_j},f_{r_i})]$

其中，1≤j≤nan，nan为方位向采样点数，*表示取共轭，·表示Hadamard积，angle[]为取相位操作，median{·}表示取中值，即在括号内的2N+1个数值中取中间值。

为准确得出多普勒域干涉相位的变化，这里多普勒维只取以估计出多普勒中心f_dc为中心的多普勒带宽内的区域，设该区域为Ψ。也就是说，将第1个多普勒频率至第p个多普勒频率作为估计第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度的多普勒频率样本，第1个多普勒频率和第p个多普勒频率关于多普勒中心f_dc对称。此时，多普勒频率的支撑区间为Ψ，对于多普勒频率的支撑区间Ψ之外的多普勒频率，对应的频域数据存在的主要是噪声，不能反映相位变化规律，因此不用这些多普勒频率样本进行估计。

(3.2)第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化值是关于第j个多普勒频率的一次函数；由于干涉相位变化值在-π到π之间，因此，当1≤j≤p时，对第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化值进行相位解缠绕处理，得出第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化的相位解缠绕值；将第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化的相位解缠绕值记为第j个干涉相位样本；得出第1组初步拟合数据至第p组初步拟合数据，第j组初步拟合数据包括第j个干涉相位样本、以及第j个多普勒频率对第1组初步拟合数据至第p组初步拟合数据进行线性拟合，得出干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式、以及干涉相位样本与多普勒频率的拟合直线，干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式的一次项系数为X，常数项为Y；

(3.3)得出第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度的初步估计值d₁，V为载机速度。

步骤4，计算出第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的拟合干涉相位变化值1≤j≤p；将第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的拟合干涉相位变化值记为第j个拟合干涉相位样本，计算出p个拟合干涉相位样本的标准差σ：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{p-1}\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{\Δ}\widetilde{\mathrm{\φ}}\left(f_{d_j}\right)-\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}\widetilde{\mathrm{\φ}}\left(f_{d_j}\right)}]}^2}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}\widetilde{\mathrm{\φ}}\left(f_{d_j}\right)}=\frac{1}{p}\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}\widetilde{\mathrm{\φ}}\left(f_{d_j}\right)$

其中，表示p个拟合干涉相位样本的均值。

将p个拟合干涉相位样本的标准差σ作为设定门限，在p个拟合干涉相位样本中，选取与拟合直线(干涉相位样本与多普勒频率的拟合直线)的距离小于设定门限的拟合干涉相位样本。

针对选取的各个拟合干涉相位样本、以及与选取的各个拟合干涉相位样本对应的多普勒频率，进行线性拟合，得出拟合干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式，拟合干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式的一次项系数为X'。

得出第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度的最终估计值d₂，V为载机速度。

下面结合实测数据实验对本发明的效果做进一步说明

表1：雷达参数

采用本发明对某实测数据的基线长度进行估计，其余基本参数如表1所示，其中预先已知的基线长度为0.559m。参照图2a，为实测数据实验中获取的两个接收通道的回波信号的二维频域干涉相位图。参照图2b，为实测数据实验中相位配准之前两个接收通道的回波信号在多普勒支撑区间内的二维频谱图。参照图2c，为实测数据实验中相位配准之后两个接收通道的回波信号在多普勒支撑区间内的二维频谱图。图2a至图2c中，横轴代表距离向采样点，纵轴代表方位向采样点，像素点的灰度值代表对应的能量。参照图2d，为实测数据实验中相位配准之前两个接收通道的回波信号在特定多普勒频率处的沿距离频率的干涉相位剖面图。参照图2e，为实测数据实验中相位配准后两个接收通道的回波信号在特定多普勒频率处的沿距离频率的干涉相位剖面图。图2d和图2e中，横轴表示距离频率，单位为Hz，纵轴表示干涉相位，单位为度。在实测数据实验中，多普勒中心频率所在的方位单元为1441，在其附近的多普勒带宽内，主要为杂波谱的分布，所以我们只取该部分(第314至第2568个方位单元)进行处理。距离频率两侧为噪声区域，避开该区域以及距离频域的干扰区域，对距离频率进行配准。从图2a至图2e可以看出，经过沿距离向的相位配准后二维干涉相位沿着距离频率方向变化平稳，干涉相位的大小为该多普勒频率所决定。

下面用多个距离单元平均求出干涉相位在多普勒域的变化。参照图2f，为实测数据实验中杂波的多普勒支撑区内多普勒频率和干涉相位的关系示意图。参照图2g，为实测数据实验得出的干涉相位的线性拟合的示意图。图2f和图2g中，横轴表示多普勒频率，单位为Hz，纵轴表示干涉相位，单位为度。在实测数据实验中，可以求得，干涉相位的拟合线的斜率为0.0144，估计的基线长度为0.5253m，然后再进行动目标检测与定位。参照图2h，为实测数据实验中根据预先已知的基线长度进行动目标定位重新定位的结果示意图。参照图2i，为实测数据实验中根据估计出的基线长度进行动目标重新定位的结果示意图。图2h和图2i中，横轴表示距离单元序号，纵轴表示方位单元序号。白色竖线所指的位置(与白色圆圈处在相异的两端)为动目标重新定位前的位置，白色圆圈所标示的位置为动目标重新定位的位置。可以看出，图2i比图2h的图像定位精度要高。在图2i中，目标进行重新定位后，除最右边一个目标外，道路同侧的目标基本行驶在一条直线上，而在图2h中，道路同侧的目标不是在一条直线上，说明用本发明的基线进行动目标定位时效果更好。因此在数据处理中我们需要利用采集的原始数据通过本发明得出第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度的最终估计值，然后用该最终估计值进行运动目标速度的估计和目标定位，从而提高运动目标测速、定位性能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在机载SAR-GMTI系统中，将需要估计等效基线长度的两个接收通道记为第一接收通道和第二接收通道；利用第一接收通道接收第一时域数据，利用第二接收通道接收第二时域数据；对第一时域数据进行二维傅里叶变换，得到第一频域数据S₁(f_d，f_r)，对第二时域数据进行二维傅里叶变换，得到第二频域数据S₂(f_d，f_r)，其中，f_d表示多普勒频率，f_r表示距离频率；

步骤2，以第一频域数据S₁(f_d，f_r)为基准对第二频域数据S₂(f_d，f_r)沿距离向进行相位配准，得出第二频域相位配准后数据S₂′(f_d，f_r)；

步骤3，得出第一频域数据S₁(f_d，f_r)和第二频域数据S₂(f_d，f_r)在第j个多普勒频率上的干涉相位变化值1≤j≤nan，nan为方位向采样点数；对第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化值 进行相位解缠绕处理，得出第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化的相位解缠绕值；将第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化的相位解缠绕值记为第j个干涉相位样本；针对各个干涉相位样本、以及与各个干涉相位样本对应的多普勒频率，进行线性拟合，得出干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式，干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式的一次项系数为X；

得出第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度的估计值d₁， V为载机速度；

在步骤3中，将第一频域数据中第j个多普勒频率第i个距离频率的数据表示为将第二频域相位配准后数据中第j个多普勒频率第i个距离 频率的数据表示为 表示第j个多普勒频率，表示第i个距离频率，1≤i≤nrn，nrn为距离向的采样点数；

按照以下公式得出第一频域数据S₁(f_d，f_r)和第二频域数据S₂(f_d，f_r)在第j个多普勒频率上的干涉相位变化值

其中，1≤j≤nan，nan为方位向采样点数，*表示取共轭，·表示Hadamard积，angle[ ]为取相位操作，median{·}表示取中值。

2.如权利要求1所述的机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法，其特征在于，在步骤2中，将第一频域数据中第i个距离频率上的数据表示为 将第二频域数据中第i个距离频率上的数据表示为 表示第i个距离频率，1≤i≤nrn，nrn为距离向的采样点数；得出第二频域数据中第i个距离频率上的数据的相位配准后数据

其中，*表示取共轭，·表示Hadamard积，||表示取绝对值；

将第二频域数据中第1个距离频率上的数据的相位配准后数据至第二频域数据中第nrn个距离频率上的数据的相位配准后数据组合为第二频域相位配准后数据S₂′(f_d，f_r)。

3.如权利要求1所述的机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法，其特征在于，在步骤3中，将第1个多普勒频率至第p个多普勒频率作为估计第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度的多普勒频率样本， f_dc表示多普勒中心；

当1≤j≤p时，对第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化值进行相位解缠绕处理，得出第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化的相位解缠绕值；将第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的干涉相位变化的相位解缠绕值记为第j个干涉相位样本；得出第1组初步拟合数据至第p组初步拟合数据，第j组初步拟合数据包括第j个干涉相位样本、以及第j个多普勒频率对第1组初步拟合数据至第p组初步拟合数据进行线性拟合，得出干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式、以及干涉相位样本与多普勒频率的拟合直线，干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式的一次项系数为X，常数项为Y。

4.如权利要求3所述的机载SAR-GMTI系统等效基线长度估计方法，其特征在于，在步骤3中，针对各个干涉相位样本、以及与各个干涉相位样本对应的多普勒频率，进行线性拟合，得出干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式、以及干涉相位样本与多普勒频率的拟合直线，干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式的常数项为Y；

在步骤3之后，计算出第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的拟合干涉相位变化值 将第一频域数据和第二频域数据在第j个多普勒频率上的拟合干涉相位变化值记为第j个拟合干涉相位样本，计算出p个拟合干涉相位样本的标准差σ：

其中，表示p个拟合干涉相位样本的均值；

将p个拟合干涉相位样本的标准差σ作为设定门限，在p个拟合干涉相位样本中，选取与拟合直线的距离小于设定门限的拟合干涉相位样本；

针对选取的各个拟合干涉相位样本、以及与选取的各个拟合干涉相位样本对应的多普勒频率，进行线性拟合，得出拟合干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式，拟合干涉相位样本与多普勒频率的线性关系式的一次项系数为X′；

得出第一接收通道和第二接收通道之间的等效基线长度的最终估计值d₂，V为载机速度。