CN105954751A - Ka FMCW SAR的运动目标检测方法及装置 - Google Patents

Ka FMCW SAR的运动目标检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了Ka FMCW SAR的运动目标检测方法及装置，本发明公开的Ka FMCW SAR的运动目标检测方法包括：步骤一、FMCW SAR发射三角波，将回波信号分段，得到正调频回波信号和负调频回波信号；步骤二、利用RD算法对正调频回波信号、负调频回波信号分别进行处理，分别得到正调频图像和负调频图像；步骤三、补偿正调频图像、负调频图像之间的时间差；步骤四、对补偿时间差后的两幅图像进行相减处理。通过本发明提供的方案可以实现基于FMCW SAR的运动目标检测。

Description

Ka FMCW SAR的运动目标检测方法及装置
技术领域
本发明属于合成孔径雷达信号处理技术领域，涉及一种Ka FMCW MiSAR运动目标检测方法。
背景技术
传统合成孔径雷达（SAR）体积较大，不易安装于小型飞行器上使用，限制了其应用领域。随着SAR应用的拓展与无人机及高可靠固态器件的发展，不论在军用还是民用方面，小型SAR的需求越来越迫切，其中，调频连续波SAR（FMCW SAR）是FMCW 与SAR的完美结合，其采用去斜接收体制，产生较小的差频带宽，降低了对采集设备要求，减轻了设备的重量，其更易于安装于小型无人机上或者航模飞机。Ka频段FMCW SAR以其成像细节细腻、体积小、重量轻、成本低、分辨率高及消耗功率低等优点已然成为小型SAR重要的发展方向。
运动目标检测是SAR的重要任务之一，因动目标与静止目标的多普勒参数不同，若仍采用传统SAR静止目标成像方法会导致运动目标的模糊、误判、或是淹没在杂波中无法分辨，而单通道SAR在目标检测与估计方面性能有限，主要不足为：无法检测慢速运动目标；要求较高的PRF，使得测绘带宽较窄、数据量增加；位置与速度模糊无法精确测速和定位，无法精确成像。尽管多通道SAR设备和算法复杂，数据量较大，但其优异的检测和估计性能使其备受关注。
常见的多通道SAR/GMTI数据处理技术包括：方位向干涉技术（Along-TrackInterferometry, ATI），相位中心偏置技术（Displaced Phase Center Antenna, DPCA）和空时自适应处理技术（Space-Time Adaptive Processing, STAP）。
ATI技术能够检测到杂波谱内的慢速运动目标，但基线长度的局限性限制了该方法的应用，提高检测性能需要加大基线长度，但同时会引起速度检测范围的变窄。DPCA技术使用两个或多个相位中心，通过移位相位中心，可补偿由机载平台运动带来的多普勒展宽，使得杂波多普勒频谱带宽变窄，进而能够检测出运动目标。由于受无人机承受载荷重量、灵活性等特点的要求，DPCA技术较ATI更适合于本发明中的无人机FMCW SAR应用。
但现有基于DPCA的SAR动目标检测方法需要多个通道，方法复杂，系统结构庞大，对于FMCW SAR小型系统实现动目标检测不再适用。
发明内容
本发明解决的问题是，现有技术中，基于DPCA的SAR动目标检测方法复杂，系统结构庞大，不再适用于FMCW SAR小型系统。为解决所述问题，本发明提供基于FMCW SAR的运动目标检测方法。
本发明提供的FMCW SAR的运动目标检测方法包括：
步骤一、FMCW SAR发射三角波，根据时间关系对回波信号分段，得到正调频回波信号和负调频回波信号；
步骤二、利用RD算法对正调频回波信号、负调频回波信号分别进行处理，分别得到正调频图像和负调频图像；
步骤三、补偿正调频图像、负调频图像之间的时间差；
步骤四、对补偿时间差后的两幅图像进行相减处理。
进一步，所述步骤二包括：
步骤2.1、对正调频回波信号、负调频回波信号分别进行距离向FFT；
步骤2.2、对距离向FFT后的数据分别进行RVP校正；
步骤2.3、对RVP校正后的数据分别进行方位向FFT；
步骤2.4、对方位向FFT后的数据分别进行方位向匹配滤波，分别形成正调频图像和负调频图像。
进一步，所述步骤2.2包括将距离向FFT后的数据与RVP校正函数相乘，所述RVP校正函数为，其中为虚数单位。
进一步，所述步骤2.3还包括利用sinc插值方法或者Slot插值方法完成距离徙动与多普勒频移校正。
进一步，还包括：步骤2.5、基于惯导数据和回波数据对正调频图像和负调频图像进行补偿。
进一步，所述三角波为Ka频段三角波。
进一步，还包括：步骤五、基于单元平均方法设定目标阈值，确定动目标。
进一步，还包括：步骤六、提取判断确定的动目标图像；步骤七、对提取出的动目标进行处理，得到动目标的径向偏移量，从而确定目标的径向速度，并对目标定位。
进一步，所述步骤一包括将回波信号去斜处理后得到中频信号，根据回波信号接收时间先后关系将接收到的回波信号进行分段，得到正调频回波信号和负调频回波信号。
本发明还提供实现所述的FMCW SAR的运动目标检测方法的装置，包括：三角波发射装置、回波信号接收装置、成像装置、时间补偿装置、图像处理装置；所述三角波发射装置发射三角波信号，所述回波信号接收装置接收回波信号，并将回波信号分为正调频回波信号和负调频回波信号，成像装置对正调频回波信号和负调频回波信号分别进行处理，得到正调频图像和负调频图像，时间补偿装置补偿正调频图像和负调频图像之间的时间差，图像处理装置对补偿时间差后的两幅图形进行相减处理。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的方案采用三角波信号为FMCW SAR的发射信号，回波信号经分段得到正调频回波信号和负调频回波信号，对正、负调频回波信号分别进行处理后得到正调频图像和负调频图像，对所述正调频图像和负调频图像时间差进行补偿后作相减处理，即可去除杂波和静止目标，得到动目标。通过本发明提供的方案只需要两个通道即可实现基于DPCA的FMCW MiSAR动目标检测方法，方法简单，有利于系统的小型化。
另外，本发明三角波位于Ka频段，Ka频段成像效果好，图像分辨率高，有利于检测动目标。
附图说明
图1是本发明实施例提供的FMCW MiSAR动目标检测方法中，发射及接收波形以及Dechirp处理后两通道信号图；
图2是本发明实施例提供的FMCW MiSAR动目标检测方法的流程示意图。
具体实施方式
下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。
由背景技术可知，现有技术中，FMCW SAR检测动目标的方法复杂，系统结构庞大。发明人针对上述问题进行研究，认为现有技术中传统的SAR发射脉冲波，为实现动目标检测需要多个接收通道，造成方法复杂，系统庞大。对于小型FMCW SAR系统不再适用。发明人针对上述问题进行进一步研究，在本发明中提供一种FMCW SAR动目标检测方法。本发明所提供的FMCW SAR动目标检测方法的发射波为三角波，并且提供了三角波的回波信号处理方法。本发明所提供的FMCW SAR动目标检测方法容易实现，并且有利于系统小型化。
本发明所提供的FMCW SAR动目标检测方法包括：
步骤一、FMCW SAR发射三角波，根据时间先后关系对回波信号分段，得到正调频回波信号和负调频回波信号。
如图1所示，FMCW SAR发射三角波信号的调频周期为T，得到的FMCW SAR回波信号经去斜（Dechirp）处理后得到中频信号。根据回波信号接收时间先后关系将接收到的回波信号进行分段，得到正调频回波信号与负调频回波信号。此处单通道接收可视为正调频回波信号通道与负调频回波信号通道两通道接收。Dechirp处理的好处是可以减小回波信号带宽，Dechirp处理的实现方法为本领域技人员所熟知，在此不再详述。
本实施例中，三角波为Ka频段三角波，选择Ka频段三角波的好处是Ka频段波的波长较短，成像质量高，可以提高动目标的检测精度。
步骤二、利用RD算法对正调频回波信号、负调频回波信号分别进行处理，分别得到正调频图像和负调频图像。
步骤2.1、对正调频回波信号、负调频回波信号分别进行距离向FFT，完成距离向压缩；
步骤2.2、对正调频回波信号、负调频回波信号距离向FFT后的数据分别进行RVP校正；
在进行FFT后，残余视频相位项（RVP）会改变多普勒频率，为了不影响方位向匹配滤波，需要进行RVP校正处理。由于RVP项相位随空间变化，在时域很难去除，RVP在快时间域的一个卷积因子，在距离向频域只要对不同频率乘以一个和频率相关的因子，就可以完全去除。因此在距离域进行残余视频相位（RVP）校正。距离向压缩数据与RVP校正函数相乘后即可完成距离维RVP校正。
RVP校正函数为：
其中，为虚数单位。
步骤2.3、对RVP校正后的数据分别进行方位向FFT；
与传统脉冲SAR距离徙动校正相比，平台运动导致的额外的距离徙动对应多普勒频移的影响。
变换到多普勒域后，可以看出与雷达天线距离为处的点目标，其多普勒域中的频率偏移量与方位维多普勒偏移量的关系可以表示为：为光速。
平台运动导致的多普勒频移引起的影响可以在距离徙动校正中完成补偿。进行距离徙动与多普勒频移校正后，可保证不同位置上的点目标的距离徙动轨迹与多普勒频率轴平行。在此可采用一般sinc插值或Slot插值方法完成距离徙动与多普勒频率校正。
步骤2.4、对方位向FFT后的数据分别进行方位向匹配滤波，分别形成正调频图像和负调频图像。进行匹配滤波的技术位本领域技术人员所熟知，在此不再详述。
考虑到飞行器飞行的稳定度有限，以及GPS和INS监测范围和精度有限，难以满足高分辨成像要求，所以在本发明的实施例中还包括：
步骤2.5、结合惯导数据和回波数据，对所述正调频图像和负调频图像进行运动补偿，得到高分辨率的正调频图像与负调频图像。在此基于惯导数据和回波数据共同完成运动补偿，较传统脉冲SAR只用基于惯导数据或只基于回波数据处理图像效果更好，更易于后续动目标检测。
步骤三、补偿正调频图像、负调频图像之间的时间差。
正负调频图像间存在T/2的时间差，对此时间差进行补偿实现图像配准。其中，T为三角波调频周期。
步骤四、对补偿时间差后的两幅图像进行相减处理。
对补偿时间差后的两幅图像进行DPCA相减处理，可抑制固定杂波。杂波与静止目标成像结果相同，运动目标存在相位差，图像相减杂波与静止目标相消，得到疑似动目标。
通过所述步骤一至步骤四可以实现检测动目标的技术效果。考虑到杂波和噪声起伏对回波信号的影响，在本发明的优选实施例中，还包括：
步骤五、基于经典的单元平均CFAR（Constant False Alarm Rate, 恒虚警检测技术）方法设定目标检测阈值，确定最终的动目标。其中，CFAR处理技术是雷达自动检测系统中为检测策略提供阈值并使杂波和噪声起伏对虚警概率的影响最小化的信号处理算法。
步骤六、对判断确定的动目标图像进行提取。
步骤七、对提取出的动目标进行相关处理，得到目标的径向偏移量，从而得到目标的径向速度，完成目标的定位。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.FMCW SAR的运动目标检测方法，其特征在于，包括：
步骤一、FMCW SAR发射三角波，将回波信号分段，得到正调频回波信号和负调频回波信号；
步骤二、利用RD算法对正调频回波信号、负调频回波信号分别进行处理，分别得到正调频图像和负调频图像；
步骤三、补偿正调频图像、负调频图像之间的时间差；
步骤四、对补偿时间差后的两幅图像进行相减处理。
2.依据权利要求1所述的FMCW SAR的运动目标检测方法，其特征在于，所述步骤二包括：
步骤2.1、对正调频回波信号、负调频回波信号分别进行距离向FFT；
步骤2.2、对距离向FFT后的数据分别进行RVP校正；
步骤2.3、对RVP校正后的数据分别进行方位向FFT；
步骤2.4、对方位向FFT后的数据分别进行方位向匹配滤波，分别形成正调频图像和负调频图像。
3.依据权利要求2所述的FMCW SAR的运动目标检测方法，其特征在于，所述步骤2.2包括将距离向FFT后的数据与RVP校正函数相乘，所述RVP校正函数为为虚数单位。
4.依据权利要求2所述的FMCW SAR的运动目标检测方法，其特征在于，所述步骤2.3还包括利用sinc插值方法或Slot插值方法完成距离徙动与多普勒频移校正。
5.依据权利要求2所述的FMCW SAR的运动目标检测方法，其特征在于，还包括：步骤2.5、基于惯导数据和回波数据对正调频图像和负调频图像进行补偿。
6.依据权利要求1所述的FMCW SAR的运动目标检测方法，其特征在于，所述三角波为Ka频段三角波。
7.依据权利要求1所述的FMCW SAR的运动目标检测方法，其特征在于，还包括：步骤五、基于单元平均方法设定目标阈值，确定动目标。
8.依据权利要求7所述的FMCW SAR的运动目标检测方法，其特征在于，还包括：步骤六、提取判断确定的动目标图像；步骤七、对提取出的动目标进行处理，得到动目标的径向偏移量，从而确定目标的径向速度，并对目标定位。
9.依据权利要求1所述的FMCW SAR的运动目标检测方法，其特征在于，所述步骤一包括将回波信号去斜处理后得到中频信号，根据回波信号接收时间先后关系将接收到的回波信号进行分段，得到正调频回波信号和负调频回波信号。
10.实现权利要求1至9中任意一项所提供的FMCW SAR的运动目标检测方法的装置，其特征在于，包括：三角波发射装置、回波信号接收装置、成像装置、时间补偿装置、图像处理装置；所述三角波发射装置发射三角波信号，所述回波信号接收装置接收回波信号，并将回波信号分为正调频回波信号和负调频回波信号，成像装置对正调频回波信号和负调频回波信号分别进行处理，得到正调频图像和负调频图像，时间补偿装置补偿正调频图像和负调频图像之间的时间差，图像处理装置对补偿时间差后的两幅图形进行相减处理。
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