CN106772373A

CN106772373A - 针对任意地面运动目标的sar成像方法

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Publication number: CN106772373A
Application number: CN201611157966.1A
Authority: CN
Inventors: 朱圣棋; 龙忠实; 廖桂生; 王委; 陈娟娟; 王宇卓
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: CN106772373B

Abstract

本发明公开了一种针对任意运动目标的SAR成像方法，主要解决现有技术的距离徙动导致运动目标散焦问题，其中包括：1)构建正侧视雷达回波信号模型；2)对目标回波信号进行距离向脉冲压缩后，将其变换到距离频率域；3)从脉冲压缩信号的距离频率域表达式中构造参考函数；4)对参考函数取复共轭后与慢速目标脉冲压缩信号的距离频域表达式进行相乘，再将其结果在方位向进行傅立叶变换，得到距离和方位二维频率域；5)对二维频率域进行距离向逆傅立叶变换，得到目标信号幅度谱。本发明与传统的方法相比，无需对目标进行参数估计，仅利用快速傅立叶变换就实现良好的成像效果而无需插值操作，可用于任意未知运动目标的跟踪识别。

Description

针对任意地面运动目标的SAR成像方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种运动目标的SAR成像方法，主要适用于实际工程应用中任意未知运动目标的跟踪识别。

背景技术

近年来，合成孔径雷达地面运动目标检测SAR-GMTI，在运动目标成像和运动目标跟踪探测等领域引起了广泛的关注。运动目标检测、参数估计和成像是GMTI的三大关键步骤。在实际应用中，慢速或者快速运动目标被淹没在强杂波中，有效的方法是采用相位中心偏置DPCA或者采用空时自适应处理STAP方法提取来自静态背景中的目标回波信号。

对于SAR-GMTI系统，在运动目标进行长时间的相干积累时，目标的运动会导致回波包络在距离向上跨越多个距离单元，即距离走动和距离弯曲。目标的径向速度会引起目标回波包络出现距离走动，方位向速度和距离向加速度则引起距离弯曲。目标的距离徙动量，尤其是快速运动目标和静止场景存在很大的差异。因此，采用传统的SAR静止场景成像算法对运动目标进行成像时，必然导致运动目标出现散焦现象。为了对运动目标进行精确成像，现有的一些方法是先对目标进行参数估计，用估计得的参数来补偿由于目标运动引起的距离走动和距离弯曲。但在实际情况中，由于慢速目标或者快速目标与强地杂波之间的对比度较低，目标的运动参数往往很难得到精确估计，从而导致距离徙动也难以得到很好校正。在多普勒锐化DBS图中采用多普勒后处理的降维STAP方法进行GMTI处理时在一定程度上可以减轻距离徙动的影响。但是，有效的相干处理脉冲串由于受到非聚焦SAR处理的条件限制，并不能在实际应用中得到很好的应用。对于天基雷达系统SBR，卫星和地面运动目标的长远距离会导致目标的信噪比相对较低。为了能更好的检测地面运动目标，需要在整个合成孔径时间内累积有效目标信息。部分学者分析了长相干积累时间的SAR运动目标成像理论，并提出了一种基于Keystone变换的SAR目标成像算法，该方法可以有效去除由目标径向速度引起的距离走动。但是，由距离向加速度和方位向速度引起的距离弯曲却无法通过Keystone变换进行校正。

众所周知，高分辨率目标图像需要对目标和平台之间的相对运动进行精确估计和补偿。传统SAR成像算法中参数估计准确度直接影响目标成像。此外，模糊成像也会导致目标运动参数估计的不准确，尤其是对于快速运动目标其估计的运动参数准确度更低。另外，在方位方向上的数字采样，也会导致参数估计出现模糊问题。综上，在目标信号参数未知情况下，采用现有的SAR成像算法对任意未知运动目标进行成像时，必然导致目标出现散焦现象。

发明内容

本发明的目的是在于克服上述现有技术的不足，提出一种针对任意地面运动目标的SAR成像方法，以减小目标出现散焦现象，实现在目标运动参数未知的情况下的精确成像。

本发明的技术思路是：通过构建正侧视雷达回波信号模型，在距离频率域构造参考函数；通过对方位时间域的变换，有效地在二维频率域进行解耦合，完成精确成像，其实现步骤包括如下：

(1)构建正侧视雷达回波信号模型，获取运动目标回波信号；

(2)对多普勒频率小于PRF/2的慢速运动目标进行成像，其中PRF为雷达脉冲重复率：

2a)对获取的慢速目标回波信号进行距离向脉冲压缩后，将其变换到距离频率域，得到脉冲压缩后信号的距离频域表达式s_c(f_r,t_m)，其中f_r为距离频率，t_m为慢时间；

2b)在没有目标和平台运动参数先验知识条件下，从脉冲压缩信号的距离频率域表达式中构造参考函数s_ref(f_r,t_m)：

其中，Δf为距离频率间隔，σ_s为目标复反射系数，P(f_r)表示距离向窗函数w_c(t)的傅立叶变换，j为复数符号，f_c是载频，w_a(t_m)为方位向窗函数，c表示光速，v为平台速度，v_a为方位向速度，v_c为距离向速度，a_c是距离向加速度，R_B为最短斜距；

2c)对参考函数取复共轭后与慢速目标脉冲压缩信号的距离频域表达式进行相乘，再将其结果在方位向进行傅立叶变换，得到距离和方位二维频率域其中f_a为方位频率；

2d)对二维频率域中的距离向进行逆傅立叶变换，得到慢速目标信号幅度谱|s_O(t,f_a)|，其中t为快时间；

(3)对多普勒频率大于PRF/2的快速运动目标进行成像：

3a)判断快速运动目标的频谱在方位向上是否落在一个雷达脉冲重复率PRF之内，若是，则执行3b)，否则，执行步骤3c)；

3b)目标频谱落在一个雷达脉冲重复率之内的成像：

3b1)对获取的快速目标基带回波信号进行距离向脉冲压缩后，将其变换到距离频率域，得到的距离频域表达式

3b2)从脉冲压缩后信号距离频域表达式中构造参考函数

其中，M＝…,-2,-1,1,2…是模糊数；

3b3)对参考函数取复共轭后与脉冲压缩后信号的距离频域表达式进行相乘，得到得到目标频谱的距离频域表达式

3b4)对目标频谱进行距离向逆傅立叶变换后再进行方位向傅立叶变换，得到快速目标信号幅度谱

3c)目标频谱落在一个雷达脉冲重复率之外的成像：

3c1)对获取的快速目标基带回波信号进行距离向脉冲压缩后，将其变换到距离频率域，得到距离频域表达式

3c2)从脉冲压缩后信号的距离频域表达式中构造参考函数

其中，w₁(t_m)和w₂(t_m)分别为目标信号坐落在第M个PRF和第(M+1)个PRF的方位向包络；

3c3)对参考函数取复共轭后与脉冲压缩后信号的距离频域表达式进行相乘，得到目标频谱的距离频率域表达式

3c4)对目标频谱距离频率域表达式进行距离向逆傅立叶变换后再进行方位向傅立叶变换，得到快速目标信号幅度谱

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明由于无需对目标进行参数估计，所以在目标信号与强地杂波之间的对比度较低的情况下，依然能够很好地消除目标距离向速度引起的距离走动，校正方位向速度以及距离向加速度引起的距离弯曲；

2)本发明由于构造的参考函数是随着距离频率变化的，所以可利用快速傅立叶变换来实现目标成像，而无需插值操作；

3)本发明由于基带相位在距离频率域匹配滤波之后，距离向和方位向之间的耦合被消除，所以能够地对运动目标进行聚焦成像。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中使用的正侧视雷达几何结构示意图；

图3为用本发明对慢速运动目标聚焦成像结果仿真图；

图4为用本发明对快速运动目标频谱落在一个雷达脉冲重复率之内的目标聚焦成像结果仿真图；

图5为用本发明对快速目标频谱落在一个雷达脉冲重复率之外的目标聚焦成像结果仿真图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述

参照图1，本发明包括以下几个步骤：

步骤1，构建正侧视雷达回波信号模型，获取运动目标回波信号。

1a)设计正侧视雷达与运动目标之间的几何关系：

本步骤设计的正侧视雷达与动目标之间的几何关系如图2所示，其中v_c和v_a分别代表距离向速度和方位向速度，a_c和a_a分别是距离向加速度和方位向加速度，t_m为慢时间，v为平台速度，在方位慢时间间隔ΔT时间内，目标由位置a运动到位置b，R_B和R_s(t_m)分别为目标到平台的最短斜距和瞬时斜距，其中瞬时斜距R_s(t_m)通过如下公式计算得到：

1b)获取运动目标回波信号：

设正侧视阵雷达的斜视角为零，得到运动目标的回波信号为：

其中t为快时间，σ_s为目标复反射系数，G为回波信号增益，w_c(t)为距离向窗函数，w_a(t_m)为方位向窗函数，c代表光速，λ为波长，γ为脉冲信号调频率，。

步骤2，对多普勒频率小于PRF/2的慢速运动目标进行成像。

2a)对慢速目标回波信号进行距离向脉冲压缩后，将其变换到距离频率域，得到脉冲压缩后信号的距离频域表达式s_c(f_r,t_m)：

其中，P(f_r)表示距离窗函数w_c(t)的傅立叶变换形式，f_r是距离频率，f_c是载频；

2c)对参考函数取复共轭后与慢速目标脉冲压缩信号的距离频域表达式进行相乘，再将其结果在方位向进行傅立叶变换，得到距离和方位二维频率域

其中是卷积符号，f_a是方位向频率，并且有-PRF/2≤f_a≤PRF/2，PRF为脉冲重复率。T_p是合成孔径时间，E(f_a)是小线性调频信号的傅立叶变换形式，它是一个近似矩形函数，该近似矩形窗函数将会使式中的sinc(·)函数对称展宽，当多普勒中心不模糊时，从目标信号二维频率域表达式中可以看出距离频率独立于目标的运动轨迹；

2d)对二维频率域中的距离向进行逆傅立叶变换，得到慢速目标信号幅度谱|s_O(t,f_a)|：

其中A是方位压缩增益，由于所构造的参考函数是通过距离频率域中的目标信号获得而不用考虑其运动参数，所以在运动参数未知的情况下目标仍可以被很好的聚焦。

步骤3，对多普勒频率大于PRF/2的快速运动目标进行成像。

3a)判断快速运动目标的频谱在方位向上是否落在一个雷达脉冲重复率PRF之内，若是，则执行3b)，否则，执行步骤(3c)；

3b)目标频谱落在一个雷达脉冲重复率之内的成像：

其中，M＝…,-2,-1,1,2…是模糊数，由于基带相位exp(-j2πMPRFt_m)独立于距离频率，因此在距离频率域匹配滤波之后距离向和方位向之间的耦合可以被消除；

3b2)在没有目标和平台运动参数先验知识条件下，从脉冲压缩后的信号距离频域表达式中构造参考函数

其中G为回波信号增益，从快速目标信号幅度谱中可以看出，成像后的方位向位置独立于方位向速度，且与方位向速度成比例。值得注意的是，距离向和方位向之间的耦合在距离频率域里面已经完全被消除；

3c)目标频谱落在一个雷达脉冲重复率之外的成像：

由于目标频谱被一个脉冲重复率PRF分开成两部分，所以由两部分构成，其中w₁(t_m)和w₂(t_m)分别是目标信号坐落在第M个PRF和第(M+1)个PRF的方位向包络，根据时间—频率线性关系可知w₁(t_m)和w₂(t_m)在方位向频率域是相互独立的；

3c2)在没有目标和平台运动参数先验知识条件下，从脉冲压缩后信号的距离频域表达式中构造参考函数

其中是w₁(t_m)和w₂(t_m)的联合；

3c4)对目标频谱距离频率域表达式进行距离向逆傅立叶变换后，再进行方位向傅立叶变换，得到快速目标信号幅度谱

虽然目标频谱被一个PRF分开成两部分，但通过上述处理后，目标仍然能够得到很好的聚焦成像，由快速目标信号幅度谱可以看出，成像后的方位向位置独立于方位向速度，其与方位向速度成比例，且距离向和方位向之间的耦合在距离频率域里面已经完全被消除。

本发明的效果可由以下仿真结果进一步说明：

1)仿真条件：

实验仿真参数如表1所示。

表1系统仿真参数

2)仿真内容

仿真实验1：用本发明对目标径向速度和方位向速度分别为10m/s和9m/s多普勒频率小于PRF/2的慢速运动目标进行成像仿真，结果如如图3，从图3可以看出用本发明方法可对慢速运动目标得到很好的聚焦成像。

仿真实验2：用本发明方法径向速度是10m/s，方位向速度是30m/s且目标频谱落在一个PRF内的快速运动目标成像仿真，结果如图4，从图4中可以看出，本发明能对快速运动目标能进行很好的聚焦成像。

仿真实验3：用本发明对径向速度是10m/s，方位向速度是15m/s且目标频谱落在一个PRF之外的快速运动目标成像仿真，结果如图5，从图5中可以看出，在目标频谱在多普勒域被分成两部分的情况下，本发明能对快速运动目标能进行很好的聚焦成像。

上述仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。与传统的方法相比，本发明利用快速傅立叶变换来实现成像而无需插值操作，不管是慢速目标还是快速目标，本发明都能很好的实现目标聚焦成像。

Claims

1.针对任意地面运动目标SAR成像方法，包括：

(1)构建正侧视雷达回波信号模型，获取运动目标回波信号；

s_{r e f} (f_{r}, t_{m}) = σ_{s} P (f_{r} - {Δf}_{r}) w_{a} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π}{c} (f_{r} - Δ f + f_{c}) (R_{B} - v_{c} t_{m} + \frac{{(v - v_{a})}^{2} - a_{c} R_{B}}{2 R_{B}} t_{m}^{2}))

其中，Δf为距离频率间隔，σ_s为目标复反射系数，P(f_r)表示距离向窗函数w_c(t)的傅立叶变换，f_c是载频，w_a(t_m)为方位向窗函数，c表示光速，v为平台速度，v_a为方位向速度，v_c为距离向速度，a_c是距离向加速度，R_B为最短斜距；

(3)对多普勒频率大于PRF/2的快速运动目标进行成像：

3b)目标频谱落在一个雷达脉冲重复率之内的成像：

3b2)从脉冲压缩后信号距离频域表达式中构造参考函数

s_{r e f}^{1} (f_{r}, t_{m}) = σ_{s} P (f_{r} - Δ f) w_{a} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π}{c} (f_{r} - Δ f + f_{c}) (R_{B} - v_{c} t_{m} + \frac{{(v - v_{α})}^{2} - a_{c} R_{B}}{2 R_{B}} t_{m}^{2})) \exp (- j 2 {πMPRFt}_{m})

其中，M＝…,-2,-1,1,2…是模糊数；

3c)目标频谱落在一个雷达脉冲重复率之外的成像：

3c2)从脉冲压缩后信号的距离频域表达式中构造参考函数

\begin{matrix} s_{r e f}^{2} (f_{r}, t_{m}) = σ_{s} P (f_{r}) w_{1} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π}{c} (f_{r} - {σΔf}_{r} + f_{c}) (R_{B} - v_{c} t_{m} + \frac{{(v - v_{a})}^{2} - a_{c} R_{B}}{2 R_{B}} t_{m}^{2})) \exp (- j 2 {πMPRFt}_{m}) \\ + σ_{s} P (f_{r} - Δ f) w_{2} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π}{c} (f_{r} - {Δf}_{r} + f_{c}) (R_{B} - v_{c} t_{m} + \frac{{(v - v_{a})}^{2} - a_{c} R_{B}}{2 R_{B}} t_{m}^{2})) \exp (- j 2 π (M - 1) {PRFt}_{m}) \end{matrix},

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中构建的正侧视雷达回波信号模型，表示如下：

s (t, t_{m}) = σ_{s} {Gw}_{c} (t - \frac{2 R_{s} (t_{m})}{c}) \exp (j π γ {(t - \frac{2 R_{s} (t_{m})}{c})}^{2}) w_{a} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π}{λ} R_{s} (t_{m}))

其中，s(t,t_m)表示正侧视雷达回波信号，t为快时间，G为回波信号增益，w_c(t)为距离窗函数，λ为波长，γ为脉冲信号调频率，R_s(t_m)为瞬时斜距。

3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(2a)中脉冲压缩后信号的距离频域表达式S_c(f_r,t_m)，表示如下：

S_{c} (f_{r}, t_{m}) = σ_{s} P (f_{r}) w_{a} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π}{c} (f_{r} + f_{c}) (R_{B} - v_{c} t_{m} + \frac{{(v - v_{a})}^{2} - a_{c} R_{B}}{2 R_{B}} t_{m}^{2}))

其中S_c(f_r,t_m)为脉冲压缩信号的距离频域表达式。

4.如权利要求1所述的方法，其中步骤(2c)中得到的慢速目标距离和方位二维频率域，其表示如下：

\hat{s} (f_{r}, f_{a}) = | σ_{s} |^{2} P (f_{r}) P^{*} (f_{r} - Δ f) E (f_{a}) &CircleTimes; \sin c (T_{p} (f_{a} - \frac{2 Δ f}{c} v_{c})) \exp (- j \frac{4 π Δ f}{c} R_{B})

其中为慢速目标距离和方位二维频率域表达式，是卷积符号，T_p是合成孔径时间，E(f_a)是小线性调频信号的傅立叶变换形式，它是一个近似矩形函数。

5.如权利要求1所述的方法，其中步骤(2d)中得到的慢速目标信号幅度谱，其表示如下：

| s_{O} (t, f_{a}) | = | σ_{s} |^{2} G^{2} A^{2} | E (f_{a}) &CircleTimes; \sin c (T_{p} (f_{a} - \frac{2 Δ f}{c} v_{c})) \sin c (Δ B (t - \frac{2 R_{B}}{c})) |

其中|s_O(t,f_a)|慢速目标回波信号幅度谱，t为快时间，f_a是方位向频率，并且有-PRF/2≤f_a≤PRF/2，A是方位压缩增益，G为回波信号增益，是卷积符号，T_p是合成孔径时间，E(f_a)是小线性调频信号的傅立叶变换形式，它是一个近似矩形函数。

6.如权利要求1所述的方法，步骤(3b1)中得到脉冲压缩信号的距离频域表达式表示如下：

s_{b a s e}^{1} (f_{r}, t_{m}) = σ_{s} P (f_{r}) w_{a} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π}{c} (f_{r} + f_{c}) (R_{B} - v_{c} t_{m} + \frac{{(v - v_{a})}^{2} - a_{c} R_{B}}{2 R_{B}} t_{m}^{2})) \exp (- j 2 {πMPRFt}_{m})

其中，为脉冲压缩后的距离频域表达式。

7.如权利要求1所述的方法，步骤(3b3)中得到目标频谱的距离频域表达式，其表示如下：

\overset{&OverBar;}{s^{1}} (f_{r}, t_{m}) = | σ_{s} |^{2} P (f_{r}) P^{*} (f_{r} - Δ f) {w_{a}}^{2} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π Δ f}{c} (R_{B} - v_{c} t_{m} + \frac{{(v - v_{a})}^{2} - a_{c} R_{B}}{2 R_{B}} t_{m}^{2}))

其中，为目标频谱距离频域表达式。

8.如权利要求1所述的方法，步骤(3b4)中得到快速目标信号幅度谱，其表示如下：

| s_{O}^{1} (t, f_{a}) | = | σ_{s} |^{2} G^{2} A^{2} | E (f_{a}) &CircleTimes; \sin c (T_{p} (f_{a} - \frac{2 Δ f}{c} v_{c})) \sin c (Δ B (t - \frac{2 R_{B}}{c})) |,

其中，为快速目标信号幅度谱，t为快时间，f_a为方位向频率，并且有-PRF/2≤f_a≤PRF/2，A是方位压缩增益，G为回波信号增益，是卷积符号，T_p是合成孔径时间，E(f_a)是小线性调频信号的傅立叶变换形式，它是一个近似矩形函数。

9.如权利要求1所述方法，步骤(3c1)中得到脉冲压缩后信号的距离频域表达式其表示如下：

\begin{matrix} s_{b a s e}^{2} (f_{r}, t_{m}) = σ_{s} P (f_{r}) w_{1} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π}{c} (f_{r} + f_{c}) (R_{B} - v_{c} t_{m} + \frac{{(v - v_{a})}^{2} - a_{c} R_{B}}{2 R_{B}} t_{m}^{2})) \exp (- j 2 {πMPRFt}_{m}) \\ + σ_{s} P (f_{r}) w_{2} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π}{c} (f_{r} + f_{c}) (R_{B} - v_{c} t_{m} + \frac{{(v - v_{a})}^{2} - a_{c} R_{B}}{2 R_{B}} t_{m}^{2})) \exp (- j 2 π (M - 1) {PRFt}_{m}) \end{matrix}

其中为脉冲压缩后信号的距离频域表达式。

10.如权利要求1所述方法，步骤(3c3)中得到目标频谱的距离频率域表达式和步骤(3c4)中得到快速目标信号幅度谱分别表示如下：

\begin{matrix} \overset{&OverBar;}{s^{2}} (f_{r}, t_{m}) = | σ_{s} |^{2} P (f_{r}) P^{*} (f_{r} - Δ f) {w_{a}}^{2} (t_{m}) \exp (- j \frac{4 π Δ f}{c} (R_{B} - v_{c} t_{m} + \frac{{(v - v_{a})}^{2} - a_{c} R_{B}}{2 R_{B}} t_{m}^{2})) \\ | s_{O}^{2} (t, f_{a}) | = | σ_{s} |^{2} G^{2} A^{2} | E (f_{a}) &CircleTimes; \sin c (T_{p} (f_{a} - \frac{2 Δ f}{c} v_{c})) \sin c (Δ B (t - \frac{2 R_{B}}{c})) | \end{matrix},

其中，t为快时间，f_a为方位向频率，并且有-PRF/2≤f_a≤PRF/2，A是方位压缩增益，G为回波信号增益，是卷积符号，T_p是合成孔径时间，E(f_a)是小线性调频信号的傅立叶变换形式，它是一个近似矩形函数。