CN105842696A - 一种基于可旋转前视阵的斜视InSAR地面动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于可旋转前视阵的斜视InSAR地面动目标检测方法，包括以下步骤：步骤一，在雷达射频部分后端加入一个伺服转台，控制SAR系统基线与竖直方向的角度θ_a，通过旋转安装SAR系统使基线与航迹及波束中心方向在一个平面内；步骤二，将垂直基线前视阵等效为一个沿航迹的多通道SAR系统，等效基线长度为Dtanα；接收目标回波信号，并根据等效基线长度Dtanα估算目标速度和位置。本发明通过对一维垂直航迹线阵的旋转，配置基线与成像平面的角度，巧妙解决了目标高度与速度干涉相位耦合问题。该方法需要的阵元少、信号处理方法简单，能适用于复杂的地形杂波抑制，具有较大的工程实用价值。

Description

一种基于可旋转前视阵的斜视InSAR地面动目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达系统设计及雷达信号处理技术领域，涉及干涉SAR地面运动目标检测技术，具体涉及一种基于可旋转前视阵的斜视InSAR地面动目标检测方法。

背景技术

地面运动目标检测(Ground Moving Target Indictation，GMTI)是现代雷达的重要功能之一，随着合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)的广泛应用，基于SAR平台的运动目标检测无论在军事上还是民用上都具有重大意义。

沿迹干涉多通道SAR-GMTI是目前最广泛采用的SAR-GMTI模式，具有优良的慢速小目标检测能力。然而，许多实际SAR系统基线并不能沿航迹布设，但他们也亟需具备地面运动目标检测能力。例如火控、预警及导航雷达，这些系统的雷达阵面多数安装在平台头部，即各通道间的基线所在平面与航迹垂直，此时基线没有沿航迹的分量或沿航迹分量较小，动目标运动引起的干涉相位与高度引起的干涉相位耦合在一起，导致目前的沿航迹SAR-GMTI方法不能直接应用于这些雷达系统中。

现有的方法多是基于平坦场景假设，利用动目标周围像素点进行地形拟合，得到静止场景的响应，实现了干涉相位的解耦合。但是对于非平坦的场景，例如含有大量人造建筑物的城市，场景高度剧烈起伏，不满足局域平坦假设，导致静止目标的垂直基线干涉相位图变化剧烈，无法再通过动目标周围像素的相位信息进行干涉相位解耦。或是通过非均匀STAP方法进行杂波抑制，但是对阵元数目要求较高，而且计算量非常大。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是解决垂直基线复杂地形下的动目标检测问题，提供一种基于可旋转前视阵的斜视InSAR地面动目标检测方法，该方法基于垂直基线目标干涉相位的分析，通过旋转前视阵列，在保证目标速度敏感性的同时使其对高度目标的敏感度函数为零，在前斜视情况下将垂直航迹基线等效为沿航迹的基线，进而，通过常规的沿航迹DPCA-ATI类方法实现运动目标的检测与定位。规避了STAP复杂的运算和大阵元数要求，同时能够很好地适应复杂场景。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于可旋转前视阵的斜视InSAR地面动目标检测方法，包括以下步骤：

步骤一，在雷达射频部分后端加入一个伺服转台，控制SAR系统基线与竖直方向的角度θ_a，通过旋转安装SAR系统使基线与航迹及波束中心方向在一个平面内；

步骤二，将垂直基线前视阵等效为一个沿航迹的多通道SAR系统，等效基线长度为Dtanα，其中D为垂直基线长度，α为波束的方位角；接收目标回波信号，并根据等效基线长度Dtanα估算目标速度和位置。

进一步地，本发明所述接收目标回波信号并根据等效基线长度Dtanα估算目标速度和位置的具体过程为：

步骤1：接收目标回波进行SAR成像处理，得到聚焦的二维图像；

步骤2：对二维图像进行配准及通道均衡，然后进行去平地相位，得到各个通道目标点位置的复图像域响应，表示为:

I₀＝A_s+A_m

I₁＝A_s+A_m exp(-jφ_sXTI)

I₂＝A_s+A_m exp(jφ_sXTI)

${\mathrm{\φ}}_{sXTI}=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{v_r}{v_p}Dtan\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{sin\θ}}_a}{sin\mathrm{\β}}$

其中，I₀,I₁,I₂分别为通道0,1,2中动目标所在复图像域的响应，A_s,A_m分别为静止目标及运动目标在通道0上的幅度及相位响应，φ_sXTI为运动目标对垂直基线的干涉相位，D为垂直基线长度，β为目标的俯仰角，v_r为目标径向速度，v_p为平台速度，λ为波长；

步骤3：对三个复图像域响应I₀,I₁,I₂两两DPCA，得到对消后的图像，表达式为I₁₀和I₀₂；

步骤4：将对消后的两幅图像共轭相乘，获得各个目标聚焦点位置的干涉相位，进而得到径向速度估计

步骤5：根据径向速度估计和检测到目标聚焦位置，计算目标的真实位置估计值

进一步地，本发明还包括步骤6，利用目标真实位置估计值代替步骤4和5中的目标聚焦点位置，然后重复步骤4和5进行迭代，计算目标的径向速度估计和真实位置估计，每次迭代所利用的真实位置估计值为上次迭代获得的。

有益效果：

本发明提出了一种基于可旋转前视阵的前斜视干涉合成孔径雷达(Ro-XT-InSAR)地面动目标检测方法，通过对一维垂直航迹线阵的旋转，配置基线与成像平面的角度，巧妙解决了目标高度与速度干涉相位耦合问题。该方法需要的阵元少、信号处理方法简单，能适用于复杂的地形杂波抑制，具有较大的工程实用价值。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为可旋转前视阵干涉SAR系统模型；

图3为垂直基线与沿航迹基线等效关系示意图；

图4为仿真处理结果，(a)为原始参考图像，(b)为DPCA处理结果，(c)为动目标检测与定位结果。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供一种基于可旋转前视阵的斜视InSAR地面动目标检测方法，包括以下步骤：

步骤一，对平台(如飞机)前端的天线阵列进行改造，在雷达射频部分后端加入一个伺服转台，用于控制SAR系统基线(虚线)与竖直方向的角度θ_a，通过旋转安装SAR系统使基线与航迹及波束中心方向在一个平面内，以使得目标高度引起的干涉相位为零。同时通过控制波束的方位角α以实现更加灵活的扫描波束，对不同的区域进行SAR-GMTI处理。系统架构如图2所示。

步骤二，将垂直基线前视阵等效为一个沿航迹的多通道SAR系统，等效基线长度从原来的D变为Dtanα，其中D为垂直基线长度，α为波束的方位角；接收目标回波信号，并根据等效基线长度Dtanα估算目标速度和位置，如图3所示。

本发明通过对垂直基线前视阵进行调整，使其等效为一个沿航迹的SAR系统基线前视阵，因此调整后可以忽略目标高度所带来的影响，针对调整后的SAR系统，可以快速准确计算出目标的速度和位置。

本实施例中，接收目标回波信号并根据等效基线长度Dtanα估算目标速度和位置可以采用如下过程实现：

步骤1：对三个通道接收的回波进行SAR成像处理，得到聚焦的二维图像，成像处理可用的前斜视算法有BP、SPECAN、NCS等。其中一个通道的成像结果如图4(a)所示，场景高度为400m，图中模拟一条马路，其中有一对运动车辆沿着距离向运动，径向速度为1.7342m/s。

步骤2：对得到的图像进行配准及通道均衡，消除通道不一致带来的影响，对于SPECAN及NCS等算法需要去平地相位，以保证地平面上的静止目标干涉相位为零。这时各个通道目标点位置的复图像域响应可以表示为:

I₀＝A_s+A_m

I₁＝A_s+A_mexp(-jφ_sXTI)

I₂＝A_s+A_mexp(jφ_sXTI)

${\mathrm{\φ}}_{sXTI}=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{v_r}{v_p}Dtan\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{sin\θ}}_a}{sin\mathrm{\β}}$

其中，I₀,I₁,I₂分别为通道0,1,2中某一动目标所在像素的响应，A_s,A_m分别为静止目标及运动目标在通道0上的幅度及相位响应，φ_sXTI为运动目标对垂直基线的干涉相位，D为垂直基线长度，β为目标的俯仰角，v_r为目标径向速度，v_p为平台速度，λ为波长，α为波束的方位角。

步骤3：三幅图像两两DPCA，得到对消后的图像，其表达式为

$\begin{array}{c}{I}_{10}=I_1-I_0=A_m\[\exp (-{\mathrm{j\φ}}_{sXTI})-1\]\\ =A_m\exp (-j\frac{{\mathrm{\φ}}_{sXTI}}{2})\[\exp (-j\frac{{\mathrm{\φ}}_{sXTI}}{2})-\exp \left(j\frac{{\mathrm{\φ}}_{sXTI}}{2}\right)\]\end{array}$

$\begin{array}{c}{I}_{02}=I_0-I_2=A_m\[1-\exp \left({\mathrm{j\φ}}_{sXTI}\right)\]\\ =A_m\exp \left(j\frac{{\mathrm{\φ}}_{sXTI}}{2}\right)\[\exp (-j\frac{{\mathrm{\φ}}_{sXTI}}{2})-\exp \left(j\frac{{\mathrm{\φ}}_{sXTI}}{2}\right)\]\end{array}$

此时静止杂波被抑制，再通过对任意对消图像进行CFAR检测，得到运动目标的个数及每个动目标的聚焦点位置(x_f,y_f)。如图4(b)所示。

步骤4：将对消后的两幅图像共轭相乘，获得各个目标聚焦点位置的干涉相位，进而得到径向速度估计。

${\hat{v}}_r=-\frac{v_p\mathrm{\λ}sin\mathrm{\β}}{2\mathrm{\π}D{\mathrm{tan\αsin\θ}}_a}{\mathrm{\φ}}_{sXTI}$

由于目标真实位置是未知量，因此暂时用目标的聚焦点位置代替，

$tan\mathrm{\α}=\frac{y_T}{\sqrt{{x_T}^2+{(H-h)}^2}}\≈\frac{y_f}{\sqrt{{x_f}^2+H^2}}$

$sin\mathrm{\β}=\frac{x_T}{\sqrt{{x_T}^2+{(H-h)}^2}}\≈\frac{x_f}{\sqrt{{x_f}^2+H^2}}$

其中，(x_f,y_f)为目标焦点位置，(x_T,y_T)为目标真实位置，H为平台高度，h为目标高度；

步骤5：最后由估计的径向速度和检测到目标聚焦位置，求出目标点的真实位置估计值：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{x}}_T\≈x_f-\frac{{\hat{v}}_r{R}_0{y}_f}{v_p{x}_f}-\frac{{{\hat{v}}_r}^2{R_0}^2}{2{v_p}^2{x}_f}\\ {\hat{y}}_T=y_f+\frac{{\hat{v}}_r{R}_0}{v_p}\end{array}\right.$

其中

$R_0=\sqrt{{x_f}^2+{y_f}^2+H^2}$

为了提高目标速度及位置的估计，本实施例中可以通过估计的替换步骤4、5中的(x_f,y_f)，重复步骤4与步骤5进行迭代，提高目标速度及位置的估计精度，当达到设定的迭代次数，停止迭代，得到高精度的目标速度和位置。

检测与重新定位结果如图4(c)所示，速度估计结果如下表所示，估计标准差为0.06m/s，可见，该发明所提方法在大斜视垂直基线下具有很好的动目标检测与参数估计性能。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于可旋转前视阵的斜视InSAR地面动目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在雷达射频部分后端加入一个伺服转台，控制SAR系统基线与竖直方向的角度θ_a，通过旋转安装SAR系统使基线与航迹及波束中心方向在一个平面内；

步骤二，将垂直基线前视阵等效为一个沿航迹的多通道SAR系统，等效基线长度为Dtanα，其中D为垂直基线长度，α为波束的方位角；接收目标回波信号，并根据等效基线长度Dtanα估算目标速度和位置。

2.根据权利1所述基于可旋转前视阵的斜视InSAR地面动目标检测方法，其特征在于，所述接收目标回波信号并根据等效基线长度Dtanα估算目标速度和位置的具体过程为：

步骤1：接收目标回波进行SAR成像处理，得到聚焦的二维图像；

步骤2：对二维图像进行配准及通道均衡，然后进行去平地相位，得到各个通道目标点位置的复图像域响应，表示为:

I₀＝A_s+A_m

I₁＝A_s+A_m exp(-jφ_sXTI)

I₂＝A_s+A_m exp(jφ_sXTI)

${\mathrm{\φ}}_{sXTI}=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{v_r}{v_p}Dtan\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{sin\θ}}_a}{sin\mathrm{\β}}$

其中，I₀,I₁,I₂分别为通道0,1,2中动目标所在复图像域的响应，A_s,A_m分别为静止目标及运动目标在通道0上的幅度及相位响应，φ_sXTI为运动目标对垂直基线的干涉相位，D为垂直基线长度，β为目标的俯仰角，v_r为目标径向速度，v_p为平台速度，λ为波长；

步骤3：对三个复图像域响应I₀,I₁,I₂两两DPCA，得到对消后的图像，表达式为I₁₀和I₀₂；

步骤4：将对消后的两幅图像共轭相乘，获得各个目标聚焦点位置的干涉相位，进而得到径向速度估计

步骤5：根据径向速度估计和检测到目标聚焦位置，计算目标的真实位置估计值

3.根据权利2所述基于可旋转前视阵的斜视InSAR地面动目标检测方法，其特征在于，该方法还包括步骤6，利用目标真实位置估计值代替步骤4和5中的目标聚焦点位置，然后重复步骤4和5进行迭代，计算目标的径向速度估计和真实位置估计，每次迭代所利用的真实位置估计值为上次迭代获得的。