CN108427115B - 合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法 - Google Patents

合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法，属于雷达技术领域。本发明通过将脉冲压缩后的信号进行二阶Keystone变换操作，去除了距离频率与方位时间的二阶耦合。其次构造相位补偿信号，并通过乘法器将相位补偿信号与原信号相乘，降低了距离频率与方位时间的耦合阶数，即去除了一阶耦合。最后对信号进行方位向傅里叶变换和距离向傅里叶逆变换得到最终运动目标参数域的积累结果，从而可以估计运动目标的参数。本发明与现有技术相比，可以同时估计多普勒质心和多普勒调频率，并且无需距离徙动校正后对一维信号的复杂操作，仅存在距离徙动校正后的傅里叶变换操作，形式简单，运算效率高。

Description

合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种全天时、全天候、高分辨率的微波遥感成像雷达，被广泛应用于地形测绘、灾害监测、植被分析、海洋观测、城市规划等领域。
SAR成像对静止目标成像具有操作简单、精度高、多普勒参数易计算等优点。但是，对动目标成像结果中会出现运动目标散焦、移位等现象，主要由于运动参数未知，导致运动目标无法进行高分辨聚焦。
传统的运动目标参数估计方法有Hough变换、Radon变换等，其中，Radon变换可对多普勒质心进行估计，但是该算法仅能估计多普勒质心，不能实现对多普勒调频率的估计。并且该算法为非相干积累方法，抗噪性能差，运算效率低。
现有的技术中，还有一种相干积累的估计参数算法，但是该算法是对一维信号进行处理，二维回波需要进行校正后再进行复杂参数估计过程，操作复杂、运算效率较低。
发明内容
为了解决上述不能同时估计多普勒质心和多普勒调频率，并且估计过程复杂的问题，本发明提供一种合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法。
本发明的一种合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法，所述合成孔径雷达装载于飞行平台上，所述方法包括以下步骤：
步骤1，建立飞行平台和运动目标的几何模型并初始化参数；
步骤2，获取所述运动目标的回波信号，并对所述回波信号进行距离向匹配滤波操作；
步骤3，对匹配滤波后的信号进行二阶Keystone变换；
步骤4，将经过二阶Keystone变换后的信号通过方位向定量延时系统，构造相位补偿信号；
步骤5，对相位补偿信号进行共轭操作，并利用乘法器将共轭后的相位补偿信号和经过二阶Keystone变换后的信号相乘；
步骤6，对相乘后的信号进行距离向傅里叶逆变换和方位向傅里叶变换，得到参数估计结果。
进一步地，所述步骤1的具体流程包括：
以O为坐标原点建立直角坐标系，所述飞行平台的初始位置坐标设为(0,0,H0)，地面运动目标的初始位置设为(X0,0,0)，其中，H0为所述飞行平台的Z轴坐标，X0为所述运动目标的X轴坐标，所述飞行平台的飞行速度为V，所述运动目标的距离向速度为Vx，所述运动目标的距离向加速度为ax，所述运动目标的方位向速度为Vy，所述运动目标的方位向加速度为ay，得到所述飞行平台到所述运动目标的最短斜距R0，
Figure BDA0001561678740000021
得到所述运动目标到所述飞行平台的距离历史RM(t)为
Figure BDA0001561678740000022
其中，t为方位向的时间变量，
将所述距离历史RM(t)在中心时刻t＝0沿泰勒级数展开，得到
Figure BDA0001561678740000023
其中，
Figure BDA0001561678740000031
α是方位时间的一次项系数，β是方位时间的二次项系数，θ为所述合成孔径雷达的天线入射角。
进一步地，所述步骤2的具体流程包括：
获取下变频后的所述运动目标回波，所述运动目标的回波信号S(τ,t)在距离时域、方位时域的表达式为
Figure BDA0001561678740000032
其中，rect(·)为距离向和方位向矩形窗，Ta为合成孔径时间，τ为距离向的时间变量，Δτ＝2RM(t)/c为线性调频信号的时延，Tp为发射信号时宽，
Figure BDA0001561678740000033
为虚数单位，kτ为距离向调频率，c为光速，fc为载波频率；
对所述回波信号进行距离向匹配滤波处理，在距离频域、方位时域的信号记为
Figure BDA0001561678740000034
其中，fτ为距离频率变量，Bτ为发射信号带宽。
进一步地，所述步骤3的具体流程包括：
对匹配滤波后的信号进行二阶Keystone变换，二阶Keystone变换表示为
Figure BDA0001561678740000035
其中，tm为新的方位向时间变量，
将二阶Keystone变换后的信号相位沿方位时间tm＝0进行泰勒展开，得到的信号表达式为
Figure BDA0001561678740000041
进一步地，所述步骤4的具体流程包括：
将信号通过方位向定量延时系统，构造相位补偿信号
Figure BDA0001561678740000042
其中，t0为常量时延。
进一步地，所述步骤5的具体流程包括：
对相位补偿信号进行共轭操作，并利用乘法器将共轭后的信号和二阶Keystone处理后的信号相乘，得到所述运动目标的参数估计结果
Figure BDA0001561678740000043
进一步地，所述步骤6的具体流程包括：
对相乘后的信号进行距离向傅里叶逆变换和方位向傅里叶变换，得到所述运动目标的参数估计结果
Figure BDA0001561678740000044
本发明的有益效果：首先将脉冲压缩后的信号进行二阶Keystone变换操作，去除了距离频率与方位时间的二阶耦合。其次构造相位补偿信号，并通过乘法器将相位补偿信号与原信号相乘，降低了距离频率与方位时间的耦合阶数，即去除了一阶耦合。最后对信号进行方位向傅里叶变换和距离向傅里叶逆变换得到最终运动目标参数域的积累结果，从而可以估计运动目标的参数。本发明和传统的运动目标参数方法相比，可以同时估计多普勒质心和多普勒调频率，并且无需距离徙动校正后对一维信号的复杂操作，仅存在距离徙动校正后的傅里叶变换操作，形式简单，运算效率高。本发明可以应用于机载SAR运动目标参数估计与成像领域。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明步骤1中建立的几何模型。
图3为经步骤2中距离向匹配滤波后的回波信号图像。
图4为经步骤3中二阶Keystone变换处理后的信号图像。
图5为经步骤5后的信号在距离时域-方位时域的图像。
图6为实施例中运动目标在参数域的图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。
本发明实施例以仿真实验的方法展现，所有步骤和结果都可以在Mattlab2017上验证正确。
如图1所示，本发明的合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法，包括以下步骤：
步骤1，建立飞行平台和运动目标的几何模型并初始化参数。
本发明中，合成孔径雷达(SAR)装载于飞行平台上，对地面上的运动目标进行参数估计。数据见表一。建立如图2所示的飞行平台和运动目标的直角坐标系，以O为坐标原点建立直角坐标系，飞行平台的初始位置坐标设为(0m,0m,2000m)，地面运动目标的初始位置设为(500m,0m,0m)，飞行平台的飞行速度V为150m/s，运动目标在距离向的速度Vx为32m/s，运动目标在距离向的加速度ax为1m/s2，在方位向的速度Vy为8m/s，方位向的加速度ay为2m/s2，得到飞行平台到运动目标的最短斜距R0为2061m。
根据上述参数数据，得到运动目标到飞行平台的距离历史RM(t)为
Figure BDA0001561678740000061
其中，t为方位向的时间变量，
将距离历史RM(t)在中心时刻t＝0沿泰勒级数展开，得到
Figure BDA0001561678740000062
其中，
Figure BDA0001561678740000063
α是方位时间的一次项系数，β是方位时间的二次项系数，θ为合成孔径雷达的天线入射角。
步骤2，获取运动目标的回波信号，并对回波信号进行距离向匹配滤波操作。
获取经过脉冲压缩下变频的运动目标的回波，回波信号S(τ,t)在距离时域、方位时域的表达式为
Figure BDA0001561678740000064
其中，rect(·)为距离向和方位向矩形窗，Ta为合成孔径时间，τ为距离向的时间变量，Δτ＝2RM(t)/c为线性调频信号的时延，Tp为发射信号时宽，
Figure BDA0001561678740000065
为虚数单位，kτ为距离向调频率，c为光速，fc为载波频率。
对回波信号经过距离向匹配滤波处理，在距离频域、方位时域的信号记为
Figure BDA0001561678740000066
其中，fτ为距离频率变量，Bτ为发射信号带宽。
获取的信号如图3所示，信号是一条弯曲倾斜的线，其中包含距离频率和方位时域的一阶和二阶耦合。
步骤3，对匹配滤波后的信号进行二阶Keystone变换。
对匹配滤波后的信号进行二阶Keystone变换，二阶Keystone变换表示为
Figure BDA0001561678740000071
其中，tm为新的方位向时间变量，
将二阶Keystone变换后的信号相位沿方位时间tm＝0进行泰勒展开，得到的信号表达式为
Figure BDA0001561678740000072
将步骤2后的脉冲压缩后的信号进行二阶Keystone变换操作，得到如图4所示的信号图，信号轨迹变成一条斜线，即二阶耦合被去除。
步骤4，将经过二阶Keystone变换后的信号通过方位向定量延时系统，构造相位补偿信号。
将信号通过方位向定量延时系统，构造相位补偿信号
Figure BDA0001561678740000073
其中，t0为常量时延。
步骤5，对相位补偿信号进行共轭操作，并利用乘法器将共轭后的相位补偿信号和经过二阶Keystone变换后的信号相乘。
对相位补偿信号进行共轭操作，并利用乘法器将共轭后的信号和二阶Keystone处理后的信号相乘，得到所述运动目标的参数估计结果
Figure BDA0001561678740000081
步骤4和5，构造相位补偿信号，并通过乘法器将相位补偿信号与原信号相乘，得到如图5所示信号图，图5经补偿方程补偿后的信号，信号的一阶耦合量被去除，降低了距离频率与方位时间的耦合阶数。
步骤6，对相乘后的信号进行距离向傅里叶逆变换和方位向傅里叶变换，得到参数估计结果。
对相乘后的信号进行距离向傅里叶逆变换和方位向傅里叶变换，得到所述运动目标的参数估计结果
Figure BDA0001561678740000082
图6为最终的参数域聚焦结果，可以看出该方法能够实现信号能量在参数域上聚焦并最终实现对运动目标的参数估计。
数据见表一。
Figure BDA0001561678740000083
Figure BDA0001561678740000091
表(一)
本实施例仅以一组数据为例，对运动目标参数进行了快速估计，本发明适用于机载SAR动目标参数估计与成像领域。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法，其特征在于，所述合成孔径雷达装载于飞行平台上，所述方法包括以下步骤：
步骤1，建立飞行平台和运动目标的几何模型并初始化参数；具体流程包括：
以O为坐标原点建立直角坐标系，所述飞行平台的初始位置坐标设为(0,0,H0)，地面运动目标的初始位置设为(X0,0,0)，其中，H0为所述飞行平台的Z轴坐标，X0为所述运动目标的X轴坐标，所述飞行平台的飞行速度为V，所述运动目标的距离向速度为Vx，所述运动目标的距离向加速度为ax，所述运动目标的方位向速度为Vy，所述运动目标的方位向加速度为ay，得到所述飞行平台到所述运动目标的最短斜距R0，
Figure FDA0002419194150000011
得到所述运动目标到所述飞行平台的距离历史RM(t)为
Figure FDA0002419194150000012
其中，t为方位向的时间变量，
将所述距离历史RM(t)在中心时刻t＝0沿泰勒级数展开，得到
Figure FDA0002419194150000013
其中，α＝Vxsinθ，
Figure FDA0002419194150000014
α是方位时间的一次项系数，β是方位时间的二次项系数，θ为所述合成孔径雷达的天线入射角；
步骤2，获取所述运动目标的回波信号，并对所述回波信号进行距离向匹配滤波操作；具体流程包括：
获取下变频后的所述运动目标回波，所述运动目标的回波信号S(τ,t)在距离时域、方位时域的表达式为
Figure FDA0002419194150000015
其中，rect(·)为距离向和方位向矩形窗，Ta为合成孔径时间，τ为距离向的时间变量，Δτ＝2RM(t)/c为线性调频信号的时延，Tp为发射信号时宽，
Figure FDA0002419194150000016
为虚数单位，kτ为距离向调频率，c为光速，fc为载波频率；
对所述回波信号进行距离向匹配滤波处理，在距离频域、方位时域的信号记为
Figure FDA0002419194150000021
其中，fτ为距离频率变量，Bτ为发射信号带宽；
步骤3，对匹配滤波后的信号进行二阶Keystone变换；具体流程包括：
对匹配滤波后的信号进行二阶Keystone变换，二阶Keystone变换表示为
Figure FDA0002419194150000022
其中，tm为新的方位向时间变量，
将二阶Keystone变换后的信号相位沿方位时间tm＝0进行泰勒展开，得到的信号表达式为
Figure FDA0002419194150000023
步骤4，将经过二阶Keystone变换后的信号通过方位向定量延时系统，构造相位补偿信号；具体流程包括：
将信号通过方位向定量延时系统，构造相位补偿信号
Figure FDA0002419194150000024
其中，t0为常量时延；
步骤5，对相位补偿信号进行共轭操作，并利用乘法器将共轭后的相位补偿信号和经过二阶Keystone变换后的信号相乘；
步骤6，对相乘后的信号进行距离向傅里叶逆变换和方位向傅里叶变换，得到参数估计结果。
2.如权利要求1所述的合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法，其特征在于，所述步骤5的具体流程包括：
对相位补偿信号进行共轭操作，并利用乘法器将共轭后的信号和二阶Keystone处理后的信号相乘，得到所述运动目标的参数估计结果
Figure FDA0002419194150000031
3.如权利要求2所述的合成孔径雷达对运动目标参数的快速估计方法，其特征在于，所述步骤6的具体流程包括：
对相乘后的信号进行距离向傅里叶逆变换和方位向傅里叶变换，得到所述运动目标的参数估计结果
Figure FDA0002419194150000032
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