CN106569212B - 一种多通道sar-gmti距离模糊杂波抑制方法 - Google Patents

一种多通道sar-gmti距离模糊杂波抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种多通道SAR‑GMTI距离模糊杂波抑制方法，用于解决在回波存在距离模糊时杂波抑制性能下降的问题。步骤为：1.回波下变频和匹配滤波；2.距离依赖补偿；3.提取各距离模糊回波信号并重建无模糊信号；4.对无模糊信号使用空时自适应处理方法在图像域或者后多普勒域完成杂波抑制。本发明可提供比传统一发N收多通道系统多一倍的自由度，可有效抑制距离模糊杂波，拓展检测区域面积，避免低PRF产生的过多盲速，具有良好的应用前景。

Description

一种多通道SAR-GMTI距离模糊杂波抑制方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，涉及一种雷达信号的自适应处理方法，可用于SAR-GMTI系统在回波存在距离模糊情况下的杂波抑制。
背景技术
多通道合成孔径雷达(SAR)可以突破单通道SAR的最小天线面积约束，同时实现高分辨率和宽测绘带成像。另外，利用SAR回波进行地面运动目标检测时，多个方位向通道提供的空间自由度也可以提高杂波的抑制性能。
对于方位向多通道SAR-GMTI(地面运动目标检测)系统，脉冲重复频率(PRF)较低，一般只存在多普勒模糊而不存在距离模糊，通常对部分通道进行数字波束形成以解除多普勒模糊，然后对部分通道用偏置相位中心天线(DPCA)或STAP等传统方法进行杂波抑制。这类系统的缺点包括：一、需要较多的通道数目分别用于解多普勒模糊和抑制杂波，实际系统可能由于平台尺寸、载荷重量、功率等原因无法提供足够多的通道；二、低PRF造成盲速过多。若系统工作在高PRF下，只存在距离模糊，这种方式虽然避免了多普勒模糊，但是传统的方位向多通道系统无法解除距离模糊。因此，实际应用中迫切需要一种对系统通道数目要求较低的广域高分SAR-GMTI杂波抑制方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于频率分集阵列(PFA)的方位向多通道SAR-GMTI系统距离模糊杂波抑制方法，分别使用多输入多输出(MIMO)雷达的发射自由度和接收自由度完成解距离模糊和杂波抑制，从而降低了对系统通道数目的要求。
本发明的技术解决方案是：一种多通道SAR-GMTI距离模糊杂波抑制方法，包括如下步骤：
(1)将FDA-SAR天线沿方位向均匀划分，N个天线同时发射正交波形信号，M个天线同时接收，在一个合成孔径时间内采集K个脉冲；其中M，N，K均为正整数；
(2)接收FDA-SAR的回波信号并进行下变频，然后进行匹配滤波；
(3)构建距离依赖补偿因子hl，对N发M收频率分集阵列K次脉冲回波快拍矢量xl进行距离补偿，将各个距离单元回波功率谱在发射空间频率域对齐，补偿后的回波矢量表示为
其中hl＝diag[1,exp(j4πΔfRl/c),…,exp(j4πΔfRl(N-1)/c)]，xl＝xc+xs+n，n为高斯白噪声矢量，IMK为MK维单位阵，diag[·]为对角矩阵，Δf为发射天线间的频率增量，
第p距离模糊区中第l距离单元到雷达的最近斜距为Rp,l＝Rl+(p-1)Ru,p＝1,…,Nr，vr表示动目标径向速度，θ为锥角，vr,p,θp,ξp′分别表示第p距离模糊区内动目标的径向速度、锥角及增益系数，θp,i,ξ′p,i分别表示第p距离模糊区内第i个杂波散射点的锥角和增益系数，表示Kronecker积，
t(R,θ)＝[1,exp(-j4πRΔf/c+j2πdT sinθ/λ),…
exp(-j4πR(N-1)Δf/c+j2π(N-1)dT sinθ/λ)]T
r(θ)＝[1,exp(j2πdR sinθ/λ),…,
exp(j2π(M-1)dR sinθ/λ)]T,
b(vr,θ)＝[1,exp(-j4π(vs sinθ-vr)/(λfPRF)),…
exp(-j4π(K-1)(vs sinθ-vr)/(λfPRF))]T
dT、dR分别为发射天线的间距和接收天线的间距，c为光速，λ与fPRF分别为发射信号波长和脉冲重复频率，距离模糊数为其中表示向上取整，Ws为FDA-SAR波束俯仰向覆盖的测绘带宽度，Ru为最大不模糊距离，按照距雷达由近及远的顺序将各个距离模糊区依次编号p＝1,2,…,Nr，其中第一模糊区为参考区域，记参考区域内第l个距离单元到雷达的最近斜距为Rl，每个距离单元中包括Nc个统计独立的杂波散射单元；
(4)提取各距离模糊区回波并重建无模糊信号，其中第p区回波
其中，上角标H表示共轭转置，滤波器系数为距离依赖补偿后的Nr个发射导向矢量gp＝t((p-1)Ru,θ)；
(5)对FDA-SAR天线距离向的所有L个距离单元均执行步骤(3)～(4)，分别提取Nr个距离模糊区信号重新排列为1×LNr维无模糊信号
(6)对无模糊信号使用空时自适应处理方法在图像域或者后多普勒域完成杂波抑制。
所述步骤(1)中进行匹配滤波时的匹配滤波器脉冲响应为其中为第n个发射天线的发射波形，n＝1，2，3…N。
所述的Δf满足ΔfRu/c＝k+1/Nr，k为整数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明中雷达系统使用较高的脉冲重复频率，避免了多普勒模糊，同时避免了现有的低PRF方位向多通道SAR-GMTI系统面临的盲速过多等问题，提高了系统的最大不模糊速度；
(2)针对雷达系统高PRF带来的距离模糊问题，本发明利用方位向多输入多输出频率分集阵列发射方向图的距离依赖性，设计一组滤波器将各个距离模糊区的动目标和杂波回波在发射空间频率域实现分离，然后利用接收空间自由度完成杂波抑制。在通道数目相同的情况下，该方法利用多发多收的工作方式提供了比传统方位向一发N收多通道系统多一倍的自由度，可有效抑制距离模糊杂波，拓展检测区域面积，并且减轻了通道数目过多对实际系统设计造成的压力。
附图说明
图1为本发明方法的雷达系统几何构型图；
图2为本发明无模糊信号排列顺序示意图；
图3为本发明方法的流程框图。
具体实施方式
本发明的使用场景为：将合成孔径雷达天线沿方位向均匀划分为多个通道，记发射通道数目为N，接收通道数目为M，构成一维均匀线阵。
雷达系统几何构型如图1所示，工作方式如下：N个天线同时发射正交波形信号，M个天线同时接收，在一个合成孔径时间内采集K个脉冲。其中M，N，K均为正整数，并且N为距离模糊数Nr的整数倍，M和K按照传统多通道SAR设计经验取值即可，无特殊要求。
首先使用一组匹配滤波器将来自不同发射通道的回波进行分离，然后进行距离依赖补偿，使各距离模糊区回波在发射空间频率域彼此分离，再设计一组滤波器分别提取各距离模糊区的回波信号，最后使用传统空时自适应处理方法完成杂波抑制。
本发明的基本思路是：首先利用各通道之间发射频率的微小增量，产生同时依赖于距离和角度的发射方向图，用于解除距离模糊；然后对各距离模糊区回波利用多个接收通道进行数字波束形成，完成杂波抑制。其实现方案如图3所示，主要包括如下几个步骤：
步骤1 建立N发M收频率分集阵列SAR等效回波模型
步骤1a)接收FDA-SAR回波进行下变频，然后进行匹配滤波；
假设第n个通道发射信号表示为其中为第n个通道的发射波形，fn为第n个通道的发射频率，n＝1，2，3…N，满足N个发射波形相互正交。接收信号下变频后通过一组脉冲响应为的匹配滤波器，实现发射信号的分离，Δf为频率分集阵列发射阵元间的频率增量，一般远小于参考频率和发射信号带宽B。
步骤1b)当波束俯仰向覆盖的测绘带宽度Ws大于系统最大不模糊距离Ru时出现距离模糊，记距离模糊数为其中表示向上取整。如图1所示，vs表示雷达所在平台沿方位向的速度。按照距雷达由近及远的顺序将各个距离模糊区依次编号：p＝1,2,…,Nr，其中第一模糊区又称为参考区域，记参考区域内第l个距离单元到雷达的最近斜距为Rl。假设每个距离单元中包括Nc个统计独立的杂波散射单元，构造N发M收阵列K次脉冲回波快拍矢量xl＝xc+xs+n，其中n为高斯白噪声矢量，动目标和杂波矢量分别为
其中，第p距离模糊区中第l距离单元到雷达的最近斜距为Rp,l＝Rl+(p-1)Ru,p＝1,…,Nr，vr表示动目标径向速度，θ为锥角，vr,p,θp,ξp′分别表示第p距离模糊区内动目标的径向速度、锥角及增益系数；θp,i,ξ′p,i分别表示第p距离模糊区内第i个杂波散射点的锥角和增益系数，表示Kronecker积，t(R,θ)∈CN×1,r(θ)∈CM×1,b(vr,θ)∈CK×1分别为发射导向矢量(N×1维复数矢量)，接收导向矢量(M×1维复数矢量)和时间导向矢量(K×1维复数矢量)，
t(R,θ)＝[1,exp(-j4πRΔf/c+j2πdT sinθ/λ),…
exp(-j4πR(N-1)Δf/c+j2π(N-1)dT sinθ/λ)]T
r(θ)＝[1,exp(j2πdR sinθ/λ),…,
exp(j2π(M-1)dR sinθ/λ)]T,
b(vr,θ)＝[1,exp(-j4π(vs sinθ-vr)/(λfPRF)),…
exp(-j4π(K-1)(vs sinθ-vr)/(λfPRF))]T.
其中，dT、dR分别为发射和接收阵列的阵元间距，c为光速，λ与fPRF分别为发射信号波长和脉冲重复频率。
步骤2 距离依赖补偿：
与传统多通道SAR回波不同的是，FDA-SAR回波的发射空间频率fT＝-2R0Δf/c+dTsinθ/λ不仅依赖于散射点的方位角θ，而且依赖于斜距R0。通过下面的距离依赖补偿，可以消除同一距离模糊区内回波发射空间频率的距离依赖性，即将各个距离单元回波功率谱在发射空间频率域对齐。
构建距离依赖补偿因子
hl＝diag[1,exp(j4πΔfRl/c),…,exp(j4πΔfRl(N-1)/c)]
并对1b)中回波矢量进行距离依赖补偿
其中diag[·]为对角矩阵，IMK为MK维单位阵。
经过距离依赖补偿后，同一方位角上，相邻距离模糊区内回波功率谱在发射空间频率域相差常数ΔfRu/c，可令频率增量满足ΔfRu/c＝k+1/Nr，k为整数，使各模糊区功率谱间隔达到最大。
步骤3 提取各距离模糊区回波并重建无模糊信号
步骤3a)下面设计一组滤波器分别提取Nr个距离模糊回波。假设发射阵元数目N满足N为距离模糊数Nr的整数倍，可令距离依赖补偿后的Nr个发射导向矢量gp＝t((p-1)Ru,θ),p＝1,2,…,Nr作为一组滤波器，该组滤波器满足相互正交，即每个滤波器方向图的零陷位置与其他滤波器的峰值位置重合。提取的第p区回波可表示为
其中，上角标H表示共轭转置。
需要注意的是，由于合成孔径雷达主瓣方位角宽度θa通常较小，表现为回波功率谱在发射空间频率上带宽较窄，可使用上述静态滤波器统一处理主瓣内所有角度回波。
步骤3b)对所有L个距离单元执行步骤3a)所示操作，并将提取Nr个距离模糊区信号按照图2所示顺序重新排列为1×LNr维无模糊信号，
步骤4 对无模糊信号使用传统空时自适应处理方法在图像域或者或后多普勒域完成杂波抑制。
两种处理算法均属于成熟方法，具体的
图像域：可参见周争光.阵列雷达SAR-GMTI关键技术研究[D].西安电子科技大学.2009.pp:29-35.
后多普勒域：可参见Ender J.Space-Time processing for multichannelsynthetic aperture radar[J].Electronics&communication engineeringjournal.1999:29-38.
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种多通道SAR-GMTI距离模糊杂波抑制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将FDA-SAR天线沿方位向均匀划分，N个天线同时发射正交波形信号，M个天线同时接收，在一个合成孔径时间内采集K个脉冲；其中M，N，K均为正整数；
(2)接收FDA-SAR的回波信号并进行下变频，然后进行匹配滤波；所述进行匹配滤波时的匹配滤波器脉冲响应为其中为第n个发射天线的发射波形，n＝1，2，3…N，Δf满足ΔfRu/c＝k+1/Nr，k为整数；
(3)构建距离依赖补偿因子hl，对N发M收频率分集阵列K次脉冲回波快拍矢量xl进行距离补偿，将各个距离单元回波功率谱在发射空间频率域对齐，补偿后的回波矢量表示为
其中hl＝diag[1,exp(j4πΔfRl/c),…,exp(j4πΔfRl(N-1)/c)]，xl＝xc+xs+n，n为高斯白噪声矢量，IMK为MK维单位阵，diag[·]为对角矩阵，Δf为发射天线间的频率增量，
第p距离模糊区中第l距离单元到雷达的最近斜距为Rp,l＝Rl+(p-1)Ru,p＝1,…,Nr，vr表示动目标径向速度，θ为锥角，vr,p,θp,ξ′p分别表示第p距离模糊区内动目标的径向速度、锥角及增益系数，θp,i,ξ′p,i分别表示第p距离模糊区内第i个杂波散射点的锥角和增益系数，表示Kronecker积，
t(R,θ)＝[1,exp(-j4πRΔf/c+j2πdTsinθ/λ),…exp(-j4πR(N-1)Δf/c+j2π(N-1)dTsinθ/λ)]T
r(θ)＝[1,exp(j2πdRsinθ/λ),…,exp(j2π(M-1)dRsinθ/λ)]T,
b(vr,θ)＝[1,exp(-j4π(vssinθ-vr)/(λfPRF)),…exp(-j4π(K-1)(vssinθ-vr)/(λfPRF))]T
dT、dR分别为发射天线的间距和接收天线的间距，c为光速，λ与fPRF分别为发射信号波长和脉冲重复频率，距离模糊数为其中表示向上取整，Ws为FDA-SAR波束俯仰向覆盖的测绘带宽度，Ru为最大不模糊距离，按照距雷达由近及远的顺序将各个距离模糊区依次编号p＝1,2,…,Nr，其中第一模糊区为参考区域，记参考区域内第l个距离单元到雷达的最近斜距为Rl，每个距离单元中包括Nc个统计独立的杂波散射单元，vs表示雷达所在平台沿方位向的速度；
(4)提取各距离模糊区回波并重建无模糊信号，其中第p区回波
其中，上角标H表示共轭转置，滤波器系数为距离依赖补偿后的Nr个发射导向矢量gp＝t((p-1)Ru,θ)；
(5)对FDA-SAR天线距离向的所有L个距离单元均执行步骤(3)～(4)，分别提取Nr个距离模糊区信号重新排列为1×LNr维无模糊信号
(6)对无模糊信号使用空时自适应处理方法在图像域或者后多普勒域完成杂波抑制。
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