CN108710117A - 一种合成孔径雷达杂波对消方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种合成孔径雷达杂波对消方法，针对现有的杂波对消方法中不能保留较多运动目标信息的问题，本发明通过在回波域方位向时移，利用BP算法进行成像，而后在图像域补偿相位，消除由于两接收天线水平排布位置不同导致的距离历史误差，从而使得两通道对静止目标的回波完全相同，实现在对消之后静止杂波被对消，而运动目标由于其自身速度和回波域方位向时移的影响在对消后仍有大量剩余；本发明的方法与现有的其它DPCA杂波对消方法相比，动目标剩余量更多。

Description

一种合成孔径雷达杂波对消方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种SAR杂波对消技术。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种全天时、全天候的现代高分辨 率微波遥感成像雷达，它利用雷达天线和目标区域间的相对运动来获得空间的高分辨率。 在地形测绘、植被分析、海洋及水文观测、环境及灾害监视、资源勘探以及地壳微变检测 等领域，SAR发挥了越来越重要的作用。

SAR杂波对消目前主要基于两种方式：单通道方法和多通道方法。单通道方法基于多 普勒滤波和多视干涉原理。多通道方法主要包括偏移相位中心天线(DPCA)、沿航迹干涉(ATI)和空时自适应(STAP)方法。相比于STAP，DPCA方法原理简单且需要满足等效 相位中心重合的条件，系统更易实现，计算量小故而实时性更好，而ATI是通过两个通道 干涉来处理相位信息，对杂波干扰敏感非常敏感，还面临着相位缠绕的问题。

DPCA技术最初是为补偿雷达平台的运动效应而提出来的，其实质是补偿由于雷达平 台运动造成的杂波谱展宽。传统的DPCA方法采用两个移位相位中心，由前置天线发射和接收第一个脉冲，在后置天线到达同一空间位置时，发射和接收下一个脉冲，即前后两个脉冲是在空间同一位置发射和接收的，从而使天线相位中心在相继的发射脉冲里相对于地面静止不动，这样采用两脉冲对消就可以对消杂波。

在文献：“合成孔径雷达运动目标检测和成像研究[D]”郑明洁，中国科学院电子学研 究所，2003中研究了针对单基地的基于DPCA技术的多天线SAR动目标检测方法，通过 时移和相位补偿，使相邻通道的相位中心重合；在文献：A Novel DPCA Technique inAirborne Bistatic SAR with One Transmitter Channel and Two Receiver Channels，LuLu.EUSAR.2018 中提出了一种一发两收两通道DPCA的方法，该方法通过在回波域及图像域的级联相位补 偿处理，使两个接收通道静止杂波的距离历史相同，而运动目标由于其速度的影响在对消 处理后信息得以保留。以上文献都没有提出能保留较多运动目标信息的杂波对消方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种合成孔径雷达杂波对消方法，与现有的其它 DPCA杂波对消方法相比，动目标剩余量更多。

本发明采用的技术方案为：一种合成孔径雷达杂波对消方法，包括：

S1、对其中一个通道的回波方位向进行时移；

S2、采用后向投影算法对两个通道进行成像；

S3、对其中时移过的那个通道图像补偿相位；

S4、将两通道图像相减，实现静止杂波目标的对消。

进一步地，步骤S1之前还包括：对两个通道的回波信号进行距离压缩。

进一步地，步骤S1所述时移距离为：d两通道的通道间隔的一半，V表示飞机的飞行速度。

进一步地，步骤S2具体包括：

S21、对经步骤S1处理后的两个通道的回波信号在快时间频域补零；

S22、求出雷达位置分别到两个通道的成像区域像素点的时间；

S23、根据两个通道各自对应的雷达位置到其成像区域像素点的时间，构建对应的回 波补偿相位因子；

S24、分别对两个通道补偿后的回波进行相干叠加，构建两个通道各自对应的场景目 标函数。

更进一步地，步骤S3所述对其中时移过的那个通道图像补偿相位，采用的相位因子 表达式为：

其中，R*_T,1＝V sinθ_T,R*_r1,1＝V sinθ_R1，R*_T,1为静止目标到发射站的距离历史在波束中 心时刻η＝0泰勒展开后的一次项，R*_r1,1为静止目标到接收站1的距离历史在波束中心时 刻η＝0泰勒展开后的一次项，R₁*(η')为通道1时移后相对于静止目标的距离历史，R₁*(η)为通道1相对于静止目标的距离历史。

本发明的有益效果：本发明的方法通过在回波域方位向时移，利用BP算法进行成像， 而后在图像域补偿相位，消除由于两接收天线水平排布位置不同导致的距离历史误差，从 而使得两通道对静止目标的回波完全相同，所以在对消之后静止杂波被对消，而运动目标 由于其自身速度和回波域方位向时移的影响在对消后仍有大量剩余；本发明的方法与现有 的其它DPCA杂波对消方法相比，动目标剩余量更多；本发明可以应用于SAR动目标检 测等领域。

附图说明

图1是本发明提供的一种SAR杂波对消新方法的流程框图。

图2是本发明具体实施方中采用的SAR空间几何结构。

图3是本发明具体实施方式采用的SAR系统参数表。

图4是本发明具体实施方式中对消处理前静止目标与运动目标的成像结果。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐 释。

如图1所示为本发明的方案流程图，本发明的技术方案为：一种合成孔径雷达杂波对 消方法，包括：

S1、对其中一个通道的回波方位向进行时移；

S2、采用后向投影算法对两个通道进行成像；

S3、对其中时移过的那个通道图像补偿相位；

S4、将两通道图像相减，实现静止杂波目标的对消。

步骤S1之前还包括：

A1、建立机载SAR两通道的空间几何结构，并完成参数初始化；

在直角坐标系中，场景中心设为坐标原点O，设P(x,y,0)为地面任意目标，其中， x为该地面目标的X轴坐标，y为该地面目标的Y轴坐标；发射站位置坐标为 (x_T,y_T,H_T)，其中，x_T为发射站的X轴坐标，y_T为发射站的Y轴坐标，H_T为发射 站的Z轴坐标；通道2的接收站位置坐标为(x_R2,y_R2,H_R2)，其中，x_R2为通道2接收 站的X轴坐标，H_R2为通道2接收站的Z轴坐标，y_R2为通道2接收站的Y轴坐标； 通道1的接收站位置为(x_R1,y_R1,H_R1)，其中，x_R1为通道1接收站的X轴坐标，H_R1为 通道1接收站的Z轴坐标，y_R1为通道1接收站的Y轴坐标，并且x_R1＝x_R2＝x_T，y_R1+2d＝y_R2＝y_T，H_R1＝H_R2＝H_T，2d为两通道的通道间隔；飞机的飞行速度为V， 飞行方向与Y轴平行；θ_R1为接收天线1的斜视角，θ_R2为接收天线2的斜视角，θ_T为 发射天线的斜视角；R_T,0为发射天线在波束中心时刻到目标的斜距，R_R1,0为接收天线1在 波束中心时刻到目标的斜距，R_R2,0为接收天线2在波束中心时刻到目标的斜距。

如图2所示，本实施例中，设发射站的位置坐标为(-8km,-10km,8km)；接收站2的坐标为(-8km,-10km,8km)，则接收站1的坐标为(-8km,-10km-2d,8km)；飞机的飞行速度 为200m/s，飞行方向与Y轴平行；接收站通道间距为0.4m。具体参数如表1所示。

表1采用的几何结构参数

参数	符号	数值
			波长	λ	3.13cm
发射信号脉冲宽度	Tp	1.5μs
			带宽	B	150MHz
脉冲重复频率	PRF	1000Hz
			合成孔径时间	Ts	0.5s
发射天线位置坐标	(xT,yT,HT)	(-8km,-10km,8km)
			接收天线通道间距	2d	0.4m
接收天线2位置坐标	(xR2,yR2,HR2)	(-8km,-10km,8km)
			接收天线1位置坐标	(xR1,yR1,HR1)	(-8km,-10km-2d,8km)
飞机平台飞行速度	V	200m/s

A2、设置两个仿真点，一个为静止目标，一个为运动目标。其中，静止目标位置为(0m,0m,0m)，运动目标位置为(100m,-40m,0m)，运动目标距离向速度为V_x＝1m/s，方 位向速度为V_y＝1m/s。对两通道回波分别进行距离向脉冲压缩，可表示为：

其中：τ为快时间，η表示慢时间。T_p距离向信号时宽，K_r为距离向调频率，f_c为载波频率，c为光速，R₁(η)表示为不同时刻目标到接收站1的单基距离和，R₂(η) 表示为不同时刻目标到接收站2的单基距离和。

A3、将单基距离历史在波束中心时刻η＝0泰勒展开，则两通道距离压缩后的回波信号可以表示为：

R_T,1＝(V sinθ_T+v_r),R_r1,1＝(V sinθ_R1+v_r),R_r2,1＝(V sinθ_R2+v_r)

其中，v_r为运动目标径向速度。

步骤S1具体为：

将通道1的回波信号进行方位时间移动，为了使接收站1的天线等效相位中心时移后与接收站2的天线等效相位中心重合，本实施例中通道1的回波信号方位时间大 小为通道1的回波时移后可表示为：

其中，η'＝η+Δη。

步骤S2具体为：

S21、对通道1时移后的回波信号和通道2距离压缩后的回波信号在快时间频域补零(即 插值)。

S22、选择场景采样间隔，求出雷达位置到各个通道的成像区域像素点的时间为：

R_T'(η)为发射站到成像区像素点距离，R′_R1(η)为通道1的接收站到成像区像素点距离， R′_R2(η)为通道2的接收站到成像区像素点距离。

其中，R′_T(η)＝R′_T,0+R′_T,1·η,R′_R1(η)＝R′_r1,0+R′_r1,1·η，R′_R2(η)＝R′_r2,0+R′_r2,1·η R′_T,1＝R_T,1,R′_r1,1＝R_r1,1,R′_r2,1＝R_r2,1

S23、对通道1插值后的回波补偿相位因子exp{-j2πf_ct_ij1}，通道2插值后的回波补偿相 位因子exp{-j2πf_ct_ij2}，补偿后回波分别表示为：

S24、分别对每个雷达位置对应的各个通道回波相干叠加，构建场景目标函数：

通道1的场景目标函数：f₁(x_i,y_j)＝∫_ηS₁(t_ij1(η'),η')dη

通道2的场景目标函数：f₂(x_i,y_j)＝∫_ηS₂(t_ij2(η),η)dη

步骤S3具体为：

对通道1的图像进行相位补偿，相位因子为：

其中，R*_T,1＝V sinθ_T,R*_r1,1＝V sinθ_R1，R*_T,1为静止目标到发射站的距离历史在波束中 心时刻η＝0泰勒展开后的一次项,R*_r1,1为静止目标到接收站1的距离历史在波束中心时 刻η＝0泰勒展开后的一次项，R₁*(η')为通道1时移后相对于静止目标的距离历史，R₁*(η)为通道1相对于静止目标的距离历史。

通道2图像相位补偿后的结果如下：

步骤S4具体为：

将通道1补偿相位后的图像与通道2的图像相减，可以得到：

由于

如图3所示为对消处理前运动目标与静止目标的成像结果，图4为对消处理后运动目标 与静止目标的成像结果，从图中可以看出，在对消处理前，静止目标与运动目标的成像结 果无法分辨，经过对消处理后，静止目标被消除，动目标很好的被保留。

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。对于本领域的 技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种合成孔径雷达杂波对消方法，其特征在于，对其中一个通道在回波域方位向时移，使两个通道的天线等效相位中心重合，通过两通道图像相减，实现静止杂波目标的对消。

2.根据权利要求1所述的一种合成孔径雷达杂波对消方法，其特征在于，还包括在图像域对其中时移过的这个通道图像补偿相位。

3.根据权利要求2所述的一种合成孔径雷达杂波对消方法，其特征在于，对其中一个通道在回波域方位向时移之前还包括：对两个通道的回波信号进行距离压缩。

4.根据权利要求3所述的一种合成孔径雷达杂波对消方法，其特征在于，具体的时移距离为：d两通道的通道间隔的一半，V表示飞机的飞行速度。

5.根据权利要求4所述的一种合成孔径雷达杂波对消方法，其特征在于，对其中一个通道在回波域方位向时移后，还包括采用后向投影算法对两个通道进行成像，具体包括以下分步骤：

A1、对两个通道的回波信号在快时间频域补零；

A2、求出雷达位置分别到两个通道的成像区域像素点的时间；

A3、根据两个通道各自对应的雷达位置到其成像区域像素点的时间，构建对应的回波补偿相位因子；

A4、分别对两个通道补偿后的回波进行相干叠加，构建两个通道各自对应的场景目标函数。

6.根据权利要求5所述的一种合成孔径雷达杂波对消方法，其特征在于，所述对其中时移过的那个通道图像补偿相位，采用的相位因子表达式为：

其中，R*_T,1＝Vsinθ_T,R*_r1,1＝Vsinθ_R1，R*_T,1为静止目标到发射站的距离历史在波束中心时刻η＝0泰勒展开后的一次项，R*_r1,1为静止目标到接收站1的距离历史在波束中心时刻η＝0泰勒展开后的一次项，R₁*(η')为通道1时移后相对于静止目标的距离历史，R₁*(η)为通道1相对于静止目标的距离历史。