CN109143235A - 一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，针对BFSAR配置下地面动目标存在的问题，本发明提供的解决方案为：S1、对各通道的原始回波信号进行预滤波处理；S2、对步骤S1各通道的滤波结果进行一阶Keystone变换；S3、采用时分自适应抑制地面静物杂波；S4、采用改进的Wigner‑Ville分布方法将目标能量相干积累；本发明利用去斜预滤波器和Keystone变换来抑制多普勒模糊和校正跨距离单元徙动，通过时分自适应对消处理消除跨多普勒单元徙动的影响，有效抑制了地面静物杂波；并利用改进的Wigner‑Ville分布方法将目标能量相干积累，提高了信杂噪比。

Description

一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种双基前视SAR地面运动目标检测技术。

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，合成孔径雷达发挥了越来越重要的作用。

双基前视SAR(BFSAR)是一种新的雷达体制，系统发射站和接收站分置于不同平台上。随着最近几年雷达合成孔径雷达的发展，BFSAR在动目标检测方面起着越来越重要的作用，特别是在军事领域。但是地面动目标回波往往会被周围具有多普勒模糊、跨距离单元徙动、跨多普勒单元徙动等特点的杂波所淹没，这增加了BFSAR对地面动目标检测的难度。

BFSAR地面目标检测(GMTD)目前主要基于两种方式：单通道方法和多通道方法。单通道方法主要基于多普勒滤波和多视干涉原理，见文献“Chen,H.C.,Mcgillem,C.D.:'Target motion compensation by sqectrum shifting in synthetic aperture radar',IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2002,28,(3),pp.895-901”和文献“Ouchi,K.:'On the multilook images of moving targets by syntheticaperture radars',IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2003,33,(8),pp.823-827”。虽然单通道SAR系统对硬件需求较低，运算量相对较小，但它要求慢速运动目标回波能量强于地物回波，这在实际应用中是很难满足的。并且，在机载平台下地物杂波谱会展宽导致单通道SAR系统对成像于主瓣内的运动目标更加难于检测。多通道方法主要包括相位中心偏置天线(DPCA)、沿航迹干涉(ATI)和空时自适应(STAP)方法；STAP方法见文献“Ender,J.H.G.:'Space-time processing for multichannel synthetic apertureradar',Electronics and Communication Engineering Journal,2002,11,(1),pp.29-38”和Barbarossa,S.,Farina,A.:'Space-time-frequency processing of syntheticaperture radar signals',IEEE Transactions on Aerospace and ElectronicSystems,1994,30,(2),pp.341-258；虽然STAP在一定程度上抑制了雷达回波中的杂波能量，提高了SCNR，但是在BFSAR回波中：距离徙动导致回波能量分散在多个距离单元，多普勒频谱展宽导致多普勒模糊，并且多普勒单元徙动导致多普勒频谱信号会占据多个距离单元；从而增加了在传统的STAP方法下检测BFSAR配置下地面动目标的难度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，采用三步式方法来检测BFSAR配置下的动目标信号，改进了检测信号的SCNR，提高了检测性能。

本发明采用的技术方案为：一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，包括：

S1、对各通道的原始回波信号进行预滤波处理；

S2、对步骤S1各通道的滤波结果进行一阶Keystone变换；

S3、采用时分自适应抑制地面静物杂波；

S4、采用改进的Wigner-Ville分布方法将目标能量相干积累。

进一步地，所述步骤S1之前还包括：

A1、初始化系统参数，包括：发射信号中心频率f_c,带宽B，脉冲重复频率PRF，发射机平台速度V_T，发射机平台位置(X_T,Y_T,H_T)，接收机平台速度V_R，接收机平台位置(0,0,H_R)，接收机通道数M，通道间隔d，合成孔径时间T_s，运动目标P的速度V，运动目标位置(X_P,Y_P,0)；

A2、收取各个通道的原始回波信号；将第m个通道的回波表示为S_m(η,τ)，τ为快时间，η表示慢时间；

A3、对步骤A2收取的每个通道的原始回波信号进行距离向快速傅里叶变换，第m个通道距离向快速傅里叶变换的结果表示为S_m(η,f)＝FFT_rg{S_m(η,τ)}，FFT_rg表示距离向快速傅里叶变换运算，f表示距离向频率。

进一步地，步骤S1所述预滤波采用去斜预滤波函数。

更进一步地，去斜预滤波函数表达式为：

其中，f_dc表示多普勒质心。

进一步地，步骤S3具体包括以下分步骤：

S31、对步骤S2得到的回波信号进行距离向反傅里叶变换，同时对步骤S2得到的回波信号每一行进行距离压缩；

S32、对步骤S31得到的回波信号每个距离单元进行列矢量化处理；

S33、对经步骤S32处理后的回波信号方位向进行时间分段，并计算各个时间片段回波信号的最佳权向量；

S34、将每个时间片段回波信号与最佳权向量相乘，得到抑制地面静物杂波后的回波信号。

进一步地，步骤S33所述最佳权向量为：

其中，δ表示时间序列，R^-1(δ)表示杂波协方差的逆，S(δ)表示空时二维导向矢量。

更进一步地，杂波协方差R(δ)的计算式为：

其中，χ_frag(i)表示第i个距离单元的采用时间分段方法得到的子向量。N表示选取的杂波距离单元个数。

进一步地，步骤S4具体为：

S41、根据步骤S3抑制地面静物杂波后的回波信号，得到回波数据在动目标点的方位向回波；

S42、对步骤S41的方位向回波进行WVD变换；

S43、对步骤S42得到的变换结果进行逆傅里叶变换；

S44、对步骤S43得到的变换结果进行二维傅里叶变换。

本发明的有益效果：本发明的方法，首先利用去斜预滤波器和Keystone变换来抑制多普勒模糊和校正跨距离单元徙动，然后通过时分自适应对消处理消除跨多普勒单元徙动的影响，有效抑制了地面静物杂波；最后，利用改进的Wigner-Ville分布方法(MWVD)将目标能量相干积累，进一步提高信杂噪比(SCNR)，从而实现BFSAR地面目标运动目标检测。

附图说明

图1为本发明的方案流程图；

图2为本发明实施例提供的BFSAR空间几何构型；

图3为本发明实施例提供的通过时分自适应对消处理的目标处方位向回波；

图4为本发明实施例提供的经过MWVD后的目标处方位向回波。

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，本发明的一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，包括：

S1、对各通道的原始回波信号进行预滤波处理；

S2、对步骤S1各通道的滤波结果进行一阶Keystone变换；

S3、采用时分自适应抑制地面静物杂波；

S4、采用改进的Wigner-Ville分布方法将目标能量相干积累。

步骤S1之前还包括：

A1、初始化系统参数，如图2所示为本实施例采用的BFSAR空间几何构型，初始化参数具体包括：发射信号中心频率f_c,带宽B，脉冲重复频率PRF，发射机平台速度V_T，发射机平台位置(X_T,Y_T,H_T)，接收机平台速度V_R，接收机平台位置(0,0,H_R)，接收机通道数M，通道间隔d，合成孔径时间T_s，运动目标P的速度V，运动目标位置(X_P,Y_P,0)；

A2、收取各个通道的原始回波信号；将第m个通道的回波表示为S_m(η,τ)，τ为快时间，η表示慢时间；各个通道的原始回波信号表示为：

其中，τ为快时间，η表示慢时间，ω_r和ω_a为距离向和方位向包络。T_s为合成孔径时间，K_r为距离向调频率，f_c为发射信号中心频率，c为光速，η_R为相对于零时刻时目标位于发射波束中心的时间差，R_m(η)表示不同时刻目标点到发射机和接收机的距离和。

R_m(η)＝R_T(η)+R_R-m(η)

其中，R_T(η)表示在η时刻发射机到目标点的距离，R_R-m(η)表示在η时刻第m个接收机到目标点的距离。

A3、对步骤A2收取的每个通道的原始回波信号进行距离向快速傅里叶变换，第m个通道距离向快速傅里叶变换的结果表示为S_m(η,f)＝FFT_rg{S_m(η,τ)}，FFT_rg表示距离向快速傅里叶变换运算，f表示距离向频率。

对每个通道的回波信号进行距离向快速傅里叶变换得到距离频域-方位时间域，并对R_m(η)进行泰勒展开：

其中，f表示距离频域，R_b0为η₀时刻的双基距离和，R'_b0和R”_b0分别表示R_m(η)在η＝η₀处泰勒展开式的一阶导数和二阶导数在η＝η₀的值R'_m(η₀)和R'_m(η₀)。

步骤S1具体为：

去除回波多普勒模糊得到S'_m(η,f)，去斜预滤波器函数为：

其中，f_dc表示多普勒质心。

然后让S_m(η,f)每一行通过去斜预滤波器：

步骤S2具体为：

对步骤S1中的结果进行一阶Keystone变换。即对上一步滤波后的回波进行变量变换η₁＝(f+f_c)η/f_c得到S'_m(η₁,f)：

其中，η₁是变换后新的方位时间，λ为载波波长。这样回波中的线性距离徙动分量就被矫正；高阶距离徙动分量依然保留，但是在BFSAR中可以忽略。

步骤S3具体包括以下分步骤：

S31、对步骤S2得到的回波信号进行距离向反傅里叶变换，同时对步骤S2得到的回波信号每一行进行距离压缩；

对S'_m(η₁,f)进行距离向反傅里叶变换得到S'_m(η₁,τ₁)，同时对回波信号每一行进行距离压缩，压缩函数为：

h(t)＝s^*(-t)

其中，s(t)为雷达发射机发射信号，

从而得到压缩后的回波为新的S'_m(η₁,τ₁)。τ₁为变换后新的距离向时间。

S32、对步骤S31得到的回拨信号每个距离单元进行列矢量化处理；

设经过步骤六得到的S'_m(η₁,τ₁)的阶数维L×K维，则回波距离向点数为L，方位向点数为K。同时对回波进行距离压缩。则建立第l(0＜l＜L)个距离单元的数据矩阵为

其中，S_ijl表示第i个方位时间，第j个接收阵元，第l个距离单元的回波采样值。对每个距离单元的回波数据为了后续步骤进行如下处理得到χ(l)：

χ(l)＝vec(X_l)＝[x_1,l；x_2,l；…；x_K,l]

其中，vec(·)表示对矩阵进行列矢量化处理。对应得l距离的空时导向矢量为：χ(l)

S33、对经步骤S32处理后的回波信号方位向进行时间分段，并计算各个时间片段回波信号的最佳权向量；

根据表1数据对方位向进行时间分段并计算各个时间片段的最佳权向量w_opt，

表1BFSAR的参数表

参数	数值
		中心频率	10GHz
带宽	300MHz
		PRF	1500Hz
合成孔径时间	0.5s
		平台速度	(0,200,0)m/s
接收机通道数	3
		通道间隔	1m
发射机位置	(8000,-2000,8000)m
		运动目标位置	(0,0,0)m
运动目标速度	(3,-3,0)m/s

即：

其中，δ表示时间序列，R^-1(δ)表示杂波协方差的逆，S(δ)表示空时二维导向矢量。

其中，χ_frag(i)表示第i个距离单元的采用时间分段方法得到的子向量。N表示选取的杂波距离单元个数。

S34、将每个时间片段回波信号与最佳权向量相乘w_opt(δ)'*χ_frag(i)，得到目标所在单元抑制地面静物杂波后的回波信号如图3所示。从图3可以看出，虚线表示的原始回波信号中目标信号淹没在杂波信号中，无法实现动目标检测；实线为杂波抑制后的回波信号，可以看出信号的幅值明显高于周围杂波，SCNR大大提高。

步骤S4具体为：

滤波后的回波数据在动目标点的方位向回波为：

其中，α、β无具体的物理含义，本申请为便于计算所采用的中间变量，α＝-λf_dc，β＝-λd_dr，f_dc和f_dr分别表示动目标的多普勒质心和多普勒调频率，G表示信号的幅度。

接着对信号S_filtered(η₁)进行WVD变换，得到：

其中，t表示滞后时间，(．)^*表示共轭变换。

然后对信号进行逆傅里叶变换(IFFT)并进行变量替换η'₁＝η₁t，得到：

对MWVD_s(η'₁,t)进行二维傅里叶变换得到

此时，如图4所示目标能量在域中完成相干积累。表示调频率域，f_t表示质心域。

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。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 (9)

1.一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，其特征在于，包括：

S1、对各通道的原始回波信号进行预滤波处理；

S2、对步骤S1各通道的滤波结果进行一阶Keystone变换；

S3、采用时分自适应抑制地面静物杂波；

S4、采用改进的Wigner-Ville分布方法将目标能量相干积累。

2.根据权利要求1所述的一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：

A1、初始化系统参数，包括：发射信号中心频率f_c,带宽B，脉冲重复频率PRF，发射机平台速度V_T，发射机平台位置(X_T,Y_T,H_T)，接收机平台速度V_R，接收机平台位置(0,0,H_R)，接收机通道数M，通道间隔d，合成孔径时间T_s，运动目标P的速度V，运动目标位置(X_P,Y_P,0)；

A2、收取各个通道的原始回波信号；将第m个通道的回波表示为S_m(η,τ)，τ为快时间，η表示慢时间；

A3、对步骤A2收取的每个通道的原始回波信号进行距离向快速傅里叶变换，第m个通道距离向快速傅里叶变换的结果表示为S_m(η,f)＝FFT_rg{S_m(η,τ)}，FFT_rg表示距离向快速傅里叶变换运算，f表示距离向频率。

3.根据权利要求2所述的一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，其特征在于，步骤S1所述预滤波采用去斜预滤波函数。

4.根据权利要求3所述的一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，其特征在于，去斜预滤波函数表达式为：

其中，f_dc表示多普勒质心，f_c为发射信号中心频率。

5.根据权利要求4所述的一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下分步骤：

S31、对步骤S2得到的回波信号进行距离向反傅里叶变换，同时对步骤S2得到的回波信号每一行进行距离压缩；

S32、对步骤S31得到的回波信号每个距离单元进行列矢量化处理；

S33、对经步骤S32处理后的回波信号方位向进行时间分段，并计算各个时间片段回波信号的最佳权向量；

S34、将每个时间片段回波信号与最佳权向量相乘，得到抑制地面静物杂波后的回波信号。

6.根据权利要求5所述的一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，其特征在于，步骤S33所述最佳权向量为：

其中，δ表示时间序列，R^-1(δ)表示杂波协方差的逆，S(δ)表示空时二维导向矢量。

7.根据权利要求6所述的一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，其特征在于，杂波协方差R(δ)的计算式为：

其中，χ_frag(i)表示第i个距离单元的采用时间分段方法得到的子向量，N表示选取的杂波距离单元个数。

8.根据权利要求7所述的一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，其特征在于，步骤S4具体为：

S41、根据步骤S3抑制地面静物杂波后的回波信号，得到回波数据在动目标点的方位向回波；

S42、对步骤S41的方位向回波进行WVD变换；

S43、对步骤S42得到的变换结果进行逆傅里叶变换；

S44、对步骤S43得到的变换结果进行二维傅里叶变换。

9.根据权利要求8所述的一种双基前视合成孔径雷达地面运动目标检测方法，其特征在于，步骤A42采用改进的MWVD对步骤S41的方位向回波进行变换，MWVD变换后的回波表达式为：

其中，t表示滞后时间，η₁是步骤S2变换后新的方位时间，λ为载波波长。