CN108549081B - 一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法 - Google Patents

一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法，基于不同原始子孔径图像中的变化信息实现动目标的速度估计，克服传统单通道动目标检测系统检测概率低、盲速以及最小检测速度限制等问题；本发明通过径向速度和方位向速度不断去更新相位补偿函数后，重新进行BP成像，直到径向速度和方位向速度满足设定条件，符合一定的精度要求；并且，由于本发明进行多次BP成像，获得的子孔径图像聚焦度更好，能够提供类视频的高轨SAR产品，从而获得动目标的位置、速度、运动趋势等各种运动参数信息，显著提升SAR图像产品的应用水平。

Description

一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法
技术领域
本发明属于合成孔径雷达信号处理领域，尤其涉及一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法。
背景技术
高轨合成孔径雷达具备大范围覆盖、持续监视重点区域等低轨合成孔径雷达不可比拟的优势。因此，开展高轨合成孔径雷达动目标处理技术的研究具有重大军事意义。然而，受限于卫星承载能力，目前国内中高轨道合成孔径雷达卫星均为单通道模式。因此，开展单通道高轨合成孔径雷达动目标处理技术的研究具有实际意义。
传统的单通道合成孔径雷达动目标检测方法主要是利用运动目标与静止场景多普勒中心频率、多普勒调频率与时频特性的不同来检测动目标。对于单通道系统而言，杂波抑制能力有限，使得动目标淹没在强杂波中难以检测，特别是对于慢速目标的检测更加困难，同时存在盲速的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法，能够解决传统单通道动目标检测系统检测概率低、盲速等问题。
一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法，包括以下步骤：
S1：对高轨SAR回波数据进行子孔径分割，得到原始子孔径数据；
S2：根据初始相位补偿函数，基于BP算法获取各原始子孔径数据的原始子孔径图像；其中，所述初始相位补偿函数为静止场景下的相位补偿函数；
S3：基于恒虚警率法CFAR，获取各原始子孔径图像中的疑似动目标；
S4：获取各疑似动目标在相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量，如果疑似动目标在任意相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量均大于0，则该疑似动目标为待选动目标；
S5：提取各原始子孔径图像中的待选动目标图像，并将各待选动目标图像反变换为回波数据；
S6：获取各原始子孔径图像中的待选动目标的径向速度和方位向速度；
S7：根据所述径向速度和方位向速度重新获取相位补偿函数后，根据重新获取的相位补偿函数，基于BP算法对待选动目标图像的回波数据进行成像，获取待选动目标子孔径图像；
S8：获取待选动目标子孔径图像中待选动目标的径向速度和方位向速度；
S9：判断步骤S8的径向速度和方位向速度是否满足设定条件，如果满足，则步骤S8的径向速度和方位向速度为动目标的径向速度和方位向速度，如果不满足，则根据步骤S8中的径向速度和方位向速度重新执行步骤S7和S8，直到满足设定条件。
可选的，所述获取各原始子孔径图像中的待选动目标的径向速度和方位向速度具体为：
对所有相邻原始子孔径图像之间的同一个待选动目标进行位置差分，得到待选动目标的位移矢量；
将各位移矢量对时间进行微分，得到待选动目标的方位向速度估计值；
取待选动目标在所有原始子孔径图像中的方位向速度估计值的平均值作为该待选动目标的方位向速度；
根据各原始子孔径图像中待选动目标相对于任意一个静止强散射目标的多普勒中心偏移，获取待选动目标的径向速度估计值；其中，所述静止强散射目标为在任意相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量不全大于0的疑似动目标；
取待选动目标在所有原始子孔径图像中的径向速度估计值的平均值作为该待选动目标的径向速度。
可选的，所述获取待选动目标子孔径图像中待选动目标的径向速度和方位向速度具体为：
对所有相邻待选动目标子孔径图像之间的同一个待选动目标进行位置差分，得到待选动目标的位移矢量；
将各位移矢量对时间进行微分，得到待选动目标的方位向速度估计值；
取待选动目标在所有待选动目标子孔径图像中的方位向速度估计值的平均值作为该待选动目标的方位向速度；
根据各待选动目标子孔径图像中待选动目标，与该待选动目标子孔径图像所在的原始子孔径图像中任意一个静止强散射目标的多普勒中心偏移，获取待选动目标的径向速度估计值；其中，所述静止强散射目标为在任意相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量不全大于0的疑似动目标；
取待选动目标在所有待选动目标子孔径图像中的径向速度估计值的平均值作为该待选动目标的径向速度。
可选的，所述相邻原始子孔径数据之间的时间间隔tf为(1-α)Ts，其中α为相邻原始子孔径数据的重叠率，Ts为原始子孔径数据的合成孔径时间。
可选的，所述基于恒虚警率法CFAR，获取各子孔径图像中的疑似动目标具体为：
分别获取各子孔径图像中能量密度大于第一设定阈值的像素点，如果该像素点的邻域像素点的平均能量密度，比背景杂波的平均能量密度高出第二设定阈值时，该像素点为疑似动目标，否则为非疑似动目标。
有益效果：
本发明提供一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法，基于不同原始子孔径图像中的变化信息实现动目标的速度估计，克服传统单通道动目标检测系统检测概率低、盲速以及最小检测速度限制等问题；本发明通过径向速度和方位向速度不断去更新相位补偿函数后，重新进行BP成像，直到径向速度和方位向速度满足设定条件，符合一定的精度要求；并且，由于本发明进行多次BP成像，获得的子孔径图像聚焦度更好，能够提供类视频的高轨SAR产品，从而获得动目标的位置、速度、运动趋势等各种运动参数信息，显著提升SAR图像产品的应用水平。
附图说明
图1为本发明提供的一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法的流程图；
图2为本发明提供的高轨SAR回波信号录取过程示意图；
图3为本发明提供的高轨SAR回波信号录取过程等效模型示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，该图为本实施例提供的一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法的流程图。一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法，包括以下步骤：
S1：对高轨SAR回波数据进行子孔径分割，得到原始子孔径数据。
需要说明的是，所述原始子孔径数据的方位向分辨率相等，同时相邻原始子孔径数据之间的时间间隔tf为(1-α)Ts，其中α为相邻原始子孔径数据的重叠率，Ts为原始子孔径数据的合成孔径时间。
S2：根据初始相位补偿函数，基于BP算法获取各原始子孔径数据的原始子孔径图像；其中，所述初始相位补偿函数为静止场景下的相位补偿函数。
需要说明的是，相位补偿函数的计算公式为exp(jKrcR(Xn；xp,yp))，其中
Figure BDA0001647413860000051
R(Xn；xp,yp)为静止场景中对应目标点的瞬时斜距。
参见图2，该图为本实施例提供的高轨SAR回波信号录取过程示意图。X轴为雷达平台飞行轨迹。xoy为成像场景坐标轴，x轴为场景中心线，与X轴平行；y轴为最近斜距轴，O点为孔径中心。雷达飞行平台沿X轴以脉冲重复频率PRF发射脉冲并接收回波信号，若雷达飞行平台以匀速V直线飞行，则发射第n个脉冲时雷达飞行平台在xoy坐标系中的位置为(Xn,R0)，其中Xn＝Vtn，tn＝n/PRF为发射第n个脉冲的方位时间，R0为发射第n个脉冲时雷达飞行平台在xoy坐标系中的高度。Pm为成像场景中匀速直线运动的运动目标，其坐标位置为(xp,yp)，运动速度为v，v沿径向和横向分解的径向速度vr和横向速度va，那么根据上述模型，雷达飞行平台到运动目标瞬时斜距可以表示为：
Figure BDA0001647413860000052
对式(1)进行变换可以得到
Figure BDA0001647413860000061
其中，γr＝vr/V，γa＝va/V，xpe＝((1-γa)xp-γr(R0+yp))/γp，
Figure BDA0001647413860000062
Figure BDA0001647413860000063
可以看出，运动目标信号的斜距模型可以等效为另一个静止点的斜距模型，如图3所示。
需要说明的是，静止场景中所有目标的速度均为0，则静止场景下的相位补偿函数的方位向速度和径向速度也均为0。
需要说明的是，对原始子孔径数据进行BP(BackProjection，后向投影)处理即可得到原始子孔径图像，而BP处理为通过积累回波脉冲投影到像素点上的能量实现成像，则基于BP算法获取各原始子孔径数据的原始子孔径图像f(x,y)，其积累过程可以为：
Figure BDA0001647413860000064
其中，s(r,Xn)为脉冲压缩处理后的回波信号，exp(jKrcR(Xn；x,y))为BP处理中的静止场景的原始相位补偿函数，ΔXn为方位向的采样间隔。由以上的运动目标等效模型可以看出，BP处理后，动目标最终会聚焦在位置(xpe,ype)处，并且由于BP处理中原始相位补偿函数与动目标失配，则动目标会发生散焦，因此，步骤S2中根据初始相位补偿函数，基于BP算法获取各原始子孔径数据的原始子孔径图像，只是对高轨SAR动目标进行粗成像。
S3：基于恒虚警率法CFAR，获取各原始子孔径图像中的疑似动目标。
基于恒虚警率法CFAR(ConstantF alse－A larm Rate，恒虚警率)，获取疑似动目标具体为：
分别获取各子孔径图像中能量密度大于第一设定阈值的像素点，如果该像素点的邻域像素点的平均能量密度，比背景杂波的平均能量密度高出第二设定阈值时，该像素点为疑似动目标，否则为非疑似动目标。
需要说明的是，原始子孔径图像中可能还有较强的静止目标像素点，这些静止目标像素点的平均能量密度，也比背景杂波的平均能量密度高出第二设定阈值。因此，步骤S3中基于恒虚警率法CFAR，获取各原始子孔径图像中的疑似动目标有可能会出现误检，将静止目标像素点误认为动目标，则需要后续步骤对疑似动目标进行确认。
S4：获取各疑似动目标在相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量，如果疑似动目标在任意相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量均大于0，则该疑似动目标为待选动目标。
需要说明的是，如果疑似动目标在任意相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量不全大于0，则该疑似动目标为静止强散射目标。由于静止强散射目标在各原始子孔径图像中是不发生移动的，而待选动目标由于一直在运动，在不同原始子孔径图像的位置是不同的。由此可见，即使在原始子孔径图像中的动目标检测受到静止强散射目标以及斑点噪声的干扰，本实施例通过动目标和静止强散射点在原始子孔径图像中不同的运动特性，也能准确地将静止强散射目标从疑似动目标中排除。
S5：提取各原始子孔径图像中的待选动目标图像，并将各待选动目标图像反变换为回波数据。
S6：获取各原始子孔径图像中的待选动目标的径向速度和方位向速度。
需要说明的是，传统的单通道动目标径向速度估计可以通过动目标信号距离包络的走动斜率进行估计。然而对于高轨SAR而言，长合成孔径时间造成的距离弯曲较大，这必然给走动斜率估计造成影响。径向速度造成距离走动的同时，其在方位相位的作用也会造成动目标回波信号的方位频谱偏移。本实施例通过动目标检测获取待选动目标以及原始子孔径图像中位置固定不变的静止强散射目标后，在每一幅子图像中可以通过对比两者(待选动目标、静止强散射目标)多普勒中心差异，能够准确获取待选动目标的径向速度。通过待选动目标的位移矢量以及两幅原始子孔径图像之间的时间间隔，能够准确获取待选动目标的方位向速度。
下面介绍获取各原始子孔径图像中的待选动目标的径向速度和方位向速度的一种实现方式，具体包括以下步骤：
S601：对所有相邻原始子孔径图像之间的同一个待选动目标进行位置差分，得到待选动目标的位移矢量。
S602：将各位移矢量对时间进行微分，得到待选动目标的方位向速度估计值。
S603：取待选动目标在所有原始子孔径图像中的方位向速度估计值的平均值作为该待选动目标的方位向速度。
S604：根据各原始子孔径图像中待选动目标相对于任意一个静止强散射目标的多普勒中心偏移，获取待选动目标的径向速度估计值；其中，所述静止强散射目标为在任意相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量不全大于0的疑似动目标。
径向速度估计值
Figure BDA0001647413860000081
其中fPD为待选动目标相对于静止强散射目标的多普勒中心偏移。
S605：取待选动目标在所有原始子孔径图像中的径向速度估计值的平均值作为该待选动目标的径向速度。
S7：根据所述径向速度和方位向速度重新获取相位补偿函数后，根据重新获取的相位补偿函数，基于BP算法对待选动目标图像的回波数据进行成像，获取待选动目标子孔径图像。
S8：获取待选动目标子孔径图像中待选动目标的径向速度和方位向速度。
下面介绍获取待选动目标子孔径图像中待选动目标的径向速度和方位向速度的一种实现方式，具体包括以下步骤：
S801：对所有相邻待选动目标子孔径图像之间的同一个待选动目标进行位置差分，得到待选动目标的位移矢量。
S802：将各位移矢量对时间进行微分，得到待选动目标的方位向速度估计值。
S803：取待选动目标在所有待选动目标子孔径图像中的方位向速度估计值的平均值作为该待选动目标的方位向速度。
S804：根据各待选动目标子孔径图像中待选动目标，与该待选动目标子孔径图像所在的原始子孔径图像中任意一个静止强散射目标的多普勒中心偏移，获取待选动目标的径向速度估计值；其中，所述静止强散射目标为在任意相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量不全大于0的疑似动目标。
S805：取待选动目标在所有待选动目标子孔径图像中的径向速度估计值的平均值作为该待选动目标的径向速度。
S9：判断步骤S8的径向速度和方位向速度是否满足设定条件，如果满足，则步骤S8的径向速度和方位向速度为动目标的径向速度和方位向速度，如果不满足，则根据步骤S8中的径向速度和方位向速度重新执行步骤S7和S8，直到满足设定条件。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对高轨SAR回波数据进行子孔径分割，得到原始子孔径数据；
S2：根据初始相位补偿函数，基于BP算法获取各原始子孔径数据的原始子孔径图像；其中，所述初始相位补偿函数为静止场景下的相位补偿函数；
S3：基于恒虚警率法CFAR，获取各原始子孔径图像中的疑似动目标；
S4：获取各疑似动目标在相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量，如果疑似动目标在任意相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量均大于0，则该疑似动目标为待选动目标；
S5：提取各原始子孔径图像中的待选动目标图像，并将各待选动目标图像反变换为回波数据；
S6：获取各原始子孔径图像中的待选动目标的径向速度和方位向速度，具体为：
对所有相邻原始子孔径图像之间的同一个待选动目标进行位置差分，得到待选动目标的位移矢量；
将各位移矢量对时间进行微分，得到待选动目标的方位向速度估计值；
取待选动目标在所有原始子孔径图像中的方位向速度估计值的平均值作为该待选动目标的方位向速度；
根据各原始子孔径图像中待选动目标相对于任意一个静止强散射目标的多普勒中心偏移，获取待选动目标的径向速度估计值；其中，所述静止强散射目标为在任意相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量不全大于0的疑似动目标；
取待选动目标在所有原始子孔径图像中的径向速度估计值的平均值作为该待选动目标的径向速度；
S7：根据所述径向速度和方位向速度重新获取相位补偿函数后，根据重新获取的相位补偿函数，基于BP算法对待选动目标图像的回波数据进行成像，获取待选动目标子孔径图像；
S8：获取待选动目标子孔径图像中待选动目标的径向速度和方位向速度，具体为：
对所有相邻待选动目标子孔径图像之间的同一个待选动目标进行位置差分，得到待选动目标的位移矢量；
将各位移矢量对时间进行微分，得到待选动目标的方位向速度估计值；
取待选动目标在所有待选动目标子孔径图像中的方位向速度估计值的平均值作为该待选动目标的方位向速度；
根据各待选动目标子孔径图像中待选动目标与该待选动目标子孔径图像所在的原始子孔径图像中任意一个静止强散射目标的多普勒中心偏移，获取待选动目标的径向速度估计值；其中，所述静止强散射目标为在任意相邻原始子孔径图像之间的位置偏移量不全大于0的疑似动目标；
取待选动目标在所有待选动目标子孔径图像中的径向速度估计值的平均值作为该待选动目标的径向速度；
S9：判断步骤S8的径向速度和方位向速度是否满足设定条件，如果满足，则步骤S8的径向速度和方位向速度为动目标的径向速度和方位向速度，如果不满足，则根据步骤S8中的径向速度和方位向速度重新执行步骤S7和S8，直到满足设定条件。
2.如权利要求1所述的一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法，其特征在于，相邻原始子孔径数据之间的时间间隔tf为(1-α)Ts，其中α为相邻原始子孔径数据的重叠率，Ts为原始子孔径数据的合成孔径时间。
3.如权利要求1所述的一种高轨合成孔径雷达动目标速度检测方法，其特征在于，所述基于恒虚警率法CFAR，获取各原始子孔径图像中的疑似动目标具体为：
分别获取各原始子孔径图像中能量密度大于第一设定阈值的像素点，如果该像素点的邻域像素点的平均能量密度比背景杂波的平均能量密度高出第二设定阈值时，该像素点为疑似动目标，否则为非疑似动目标。
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