CN110109113A - 一种基于级联对消的双基前视sar非平稳杂波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，应用于合成孔径雷达动目标检测中的杂波抑制领域，针对现有的双基前视SAR中，由于双基地杂波具有强非平稳特性，传统的空时自适应方法无法准确估计杂波的协方差矩阵，从而导致杂波抑制性能严重下降的问题，本发明首先采用去斜预滤波器和Keystone变换分别用来去除多普勒模糊和校正距离单元徙动；然后采用时分STAP回波域处理初步抑制双基前视SAR非平稳杂波，提高信杂噪比；最后采用基于BP成像的DPCA图像域处理，缩小杂波单元，充分抑制残余非平稳杂波，进一步提高信杂比，从而实现运动目标的检测。

Description

一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种合成孔径雷达动目标检测中的杂波抑制技术。

背景技术

双基前视合成孔径雷达(Bistatic forward-looking synthetic apertureradar，BFSAR)是一种为了获取雷达正前方信息的采用收发分置的雷达模式。BFSAR最初是用来获取前视高分辨成像，随着对动目标信息获取需求的增加，促使了BFSAR和动目标检测技术相结合，然而，双基前视SAR构型下的动目标回波往往会被强杂波淹没，因此，杂波抑制成为了动目标检测中的关键步骤。

杂波非平稳性是指杂波的角度-多普勒迹随距离单元变化而变化，存在距离依赖性。除了单基SAR侧视阵情况下，杂波是距离平稳的；在其他大多数情况下，杂波都具有不同程度的非平稳性。在双基前视SAR中杂波具有严重的距离非平稳性，给杂波抑制带来了极大的挑战。

目前主要的杂波抑制方法分为单通道杂波抑制方法和多通道杂波抑制方法。单通道方法主要基于运动目标回波与杂波的多普勒调频率、多普勒质心等特性的区别来抑制杂波。见文献“Barbarossa S,Farina A.Detection and imaging of moving objects withsynthetic aperture radar.Part 2:Joint time-frequency analysis by Wigner-Villedistribution[J].IEE Proceedings F Radar and Signal Processing,1992,139(1):89.”和文献“Raney,R.K.Synthetic Aperture Imaging Radar and Moving Targets[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1971,AES-7(3):499-505.”。这种方法虽然实现简单，运算量小，但往往很难检测主瓣杂波中的慢速运动目标，其困难在于平台运动导致杂波谱展宽，使得慢速运动目标在频域淹没在强天线主瓣杂波中。此外，由于需要在主杂波谱外的区域进行检测，这往往需要较高的脉冲重复频率(PRF)，将导致较高的系统数据率，同时减小了雷达成像范围。鉴于单通道方法的局限性，多通道杂波抑制方法被提出。多通道方法主要包括空时自适应处理(STAP)方法和相位中心偏置天线(DPCA)方法等。见文献“Ender,J.H G.Space-time processing for multichannelsynthetic aperture radar[J].Electronics&Communication Engineering Journal,2002,11(1):29-38.”和“Dawidowicz B,Kulpa K S,Malanowski M,et al.DPCADetectionof Moving Targets in Airborne Passive Radar[J].IEEE Transactions on Aerospaceand Electronic Systems,2012,48(2):1347-1357.”。传统的STAP方法假设回波在一个相干处理间隔(CPI)内不存在任何距离徙动和多普勒单元徙动。然而，由于双基前视雷达的长观测时间和高分辨需求，使得该假设在BFSAR中失效。同时，双基前视SAR中严重杂波距离非平稳性将严重地影响杂波抑制效果。DPCA是基于杂波对消的方法来实现杂波抑制；然而，在双基前视SAR中，由于收发分置导致很难满足前一个接收相位和后一个接收相位中心重合，从而导致DPCA杂波抑制性能下降。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，采用STAP回波域处理和DPCA图像域处理相结合，实现对非平稳杂波的有效抑制。

本发明采用的技术方案为：一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，包括：

S1、接收N个通道回波，并进行预处理；

S2、将经步骤S1预处理后的N个通道分为两组分别进行时分STAP处理，得到新的两个通道的回波信号；

S3、通过BP成像缩小杂波单元，并计算方位向各时刻雷达到成像区域每个像素点的时间；

S4、对步骤S2得到的新的两个通道的回波信号进行相位补偿；

S5、根据各时刻雷达到成像区域每个像素点的时间，进行回波域到图像域的反投影，对相位补偿后的两个通道的信号进行相干叠加，得到两个通道的图像信号；

S6、对步骤S5得到的相邻两通道图像信号进行相减处理，得到双基前视SAR非平稳杂波抑制后的图像。

进一步地，步骤S1具体包括以下分步骤：

S11、系统参数初始化，包括：脉冲重复频率，距离向采样率，方位向采样率，接收阵元数；

S12、回波录取，具体的：对雷达观察时间内回波录取并解调到基带，得到各通道的基带回波信号；

S13、对各通道的回波距离历史在波束中心时刻进行泰勒展开；

S14、根据步骤S13泰勒展开后的回波距离历史，对回波进行距离向傅里叶变换；

S15、采用去斜滤波器去除步骤S14所得回波的多普勒模糊；

S16、采用Keystone变换校正步骤S15所得回波的距离单元徙动，并对Keystone变换后的回波进行距离向逆傅里叶变换，得到预处理后的各通道回波。

更进一步地，步骤S16所述采用Keystone变换校正步骤S15所得回波的距离单元徙动，变量变换为：

其中，η表示慢时间，f_c为雷达杂波频率，f表示距离频率，η₁为新的慢时间变量。

进一步地，步骤S2将N个通道划分为两组，划分方式为：每组各自包括N-1个通道，且两组的N-1个通道中有N-2个通道相同。

进一步地，步骤S2所述时分STAP处理，具体为：

首先，采用慢时间向滑窗的方式，将处理时间划分为多个子时间段，每个子时间段的长度为ΔT，得到新的两通道的回波信号，表示为S₂(η₂,τ,n^*；x,y)∈C^ΔT×1，其中n^*＝1,2，η₂表示子时间段；

其次，计算快时间为τ对应的距离单元的STAP杂波抑制权向量

最后，根据对回波S₂(η₂,τ,n^*；x,y)进行时分空时自适应滤波，得到回波域杂波抑制后的信号：

更进一步地，每个子时间段的长度ΔT满足以下条件：

||ΔT×K_a||≤Δδ_a

其中，K_a是方位多普勒调频率，Δδ_a表示方位分辨率。

进一步地，步骤S3所述方位向各时刻雷达到成像区域每个像素点的时间，计算式为：

其中，为Keystone变换后目标点所对应的距离信息，c为光速。

进一步地，步骤S4中采用以下相位补偿函数：

其中，(x′,y′)为运动目标成像后在图像域中的位置，V表示接收站的飞行速度，表示图像域中第n^*个通道接收天线的斜视角，cos[θ_T(x′,y′)]表示图像域中第n^*个通道发射天线的斜视角。

进一步地，步骤S5所述图像信号表达式为：

其中，D[Δt(η₂)；x,y]表示雷达信号各时刻到成像点的距离信息，表示为反投影成像后与目标多普勒频率相关的相位，η₂表示子时间段。

本发明的有益效果：本发明采用STAP回波域处理和DPCA图像域处理相结合的思想，有效解决了双基前视SAR中严重距离非平稳性带来的杂波难抑制问题；本发明首先通过去斜预滤波器和Keystone变换去除了回波信号的多普勒模糊和校正了距离单元徙动；再依此通过时分STAP和图像域DPCA充分抑制杂波；本发明的优点：

本发明在时分STAP回波域初步抑制杂波的基础上，采用基于Keystone变换-BP成像的图像域DPCA处理，通过回波域与图像域的联合杂波抑制处理，有效地消除了双基前视SAR中杂波的严重距离非平稳性和发射站引入的相位对杂波抑制带来的影响，实现了双基前视SAR非平稳杂波的抑制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的方案流程图；

图2为本发明实施例提供的BFSAR几何结构图；

图3为本发明实施例提供的获取BFSAR的地面回波图像；

图4为本发明实施例提供的STAP处理后的回波图像；

图5为本发明实施例提供的双基前视SAR非平稳杂波抑制后的图像。

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，本实施例中以三个通道的回波数据处理为例进行说明，即N＝3。本发明的一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，包括：

S1、接收3个通道回波，并进行预处理；包括以下分步骤：

S11、建立BFSAR空间几何结构，并完成参数初始化；

本发明实施例采用的BFSAR几何结构如图2所示，所采用的系统参数表如表1所示，其中，零时刻发射站位置坐标为(X_T,Y_T,H_T)；接收机每个通道间隔d，接收站第n个通道在零时刻的位置坐标(X_R,Y_R+(n-1)d,H_R)；接收站的飞行速度V，飞行方向与Y轴平行；发射信号的中心频率为f_c，光速为c。

表1本发明雷达构型参数表

参数	数值
		雷达发射频率	10GHz
发射信号带宽	200MHZ
		脉冲重复频率	1000Hz
雷达观测时间	0.5s
		平台速度	200m/s
发射机位置	(-3000,-3000,3000)m
		接收机位置	(0,-2000,2000)m
阵元间隔	0.4m

S12、获取BFSAR的地面回波，所述获取的图像如图3所示，假定目标点p的坐标为(x,y)，则p点在第n个通道(n＝1,2,3)的回波信号可以表示为

其中，R_n(η；x,y)＝R_T(η；x,y)+R_Rn(η；x,y)为p点的双基距离历史，R_Rn表示第n个通道到目标点p的距离。ω_r(·)和ω_a(·)分别为距离向与方位向的包络，K_r为距离向调频率，T_s为合成孔径时间，η_R表示波束中心时刻。

S13、对回波距离历史R_n(η；x,y)在波束中心时刻进行泰勒展开得到：

其中，R_n′和R_n″分别表示R_n对η的一阶和二阶导数。

S14、对第n个通道的回波S(η,τ,n；x,y)进行距离向傅里叶变换并带入R_n(η；x,y)的泰勒展开式得到S(η,f,n；x,y)：

其中，f为距离频率。

S15、用去斜预滤波器去除回波的多普勒模糊，去斜预滤波函数为

其中，f_dc表示参考点的多普勒质心。将S(η,f,n；x,y)与H₁相乘可得

S16、用Keystone变换校正回波的距离单元徙动。变量变换为

其中，η₁为新的慢时间变量。Keystone变换后的回波进行距离向逆傅里叶变换得到S₂(η₁,τ,n；x,y)如下式：

S2、对经步骤S1预处理后的N个通道分为两组分别进行时分STAP处理，得到新的两个通道的回波信号；

步骤S2将N个通道划分为两组，本发明中划分方式为：每组各自包括N-1个通道，且两组的N-1个通道中有N-2个通道相同。本实施例中的3个通道，这里给出其中一种划分结果：通道1与通道2一组，通道2与通道3一组；然后对通道1与通道2，通道2与通道3分别进行时分STAP处理。考虑到BFSAR中长观测时间导致多普勒展宽，从而无法直接应用传统的STAP方法，本发明采用慢时间向滑窗的方式，将处理时间划分为多个子时间段，子时间段编号依次定义为η₂＝1,2,3,…，每个子时间段的长度为ΔT，列向量化后的三通道数据将转换为新的两通道的回波信号，表示为S₂(η₂,τ,n^*；x,y)∈C^ΔT×1，其中n^*＝1,2，n^*表示新的两个通道序号。每个子时间段的长度ΔT应满足：

||ΔT×K_a||≤Δδ_a

其中，K_a是方位多普勒调频率，Δδ_a表示方位分辨率。

计算快时间为τ对应的距离单元的STAP杂波抑制权向量

其中，C(η₂,τ)表示杂波协方差矩阵，υ(η₂,τ)表示该子时间段内目标的空时导向矢量。

杂波协方差矩阵C(η₂,τ)可表示为

Λ(η₂,τ)＝[X₁(η₂,τ),,X_n(η₂,τ),…,X_N(η₂,τ)]

其中，Q表示估计待检测单元单元协方差矩阵所选取的邻近距离单元个数，X_n(η₂,τ)表示快时间为τ对应的距离单元，第η₂个子时间段，第n个通道的回波数据。

最后对回波S₂(η₂,τ,n^*；x,y)进行时分空时自适应滤波，可得到回波域杂波抑制后的信号：

经本步骤STAP处理后的回波图像如图4所示。

S3、通过BP成像缩小杂波单元，并计算方位向各时刻雷达到成像区域每个像素点的时间；

在时分STAP的基础上，通过BP成像缩小杂波单元，进一步实现残余杂波非平稳杂波的抑制，计算方位向各时刻雷达到成像区域每个像素点的时间：

其中，为Keystone变换后目标点所对应的距离信息。

S4、对步骤S2处理后的新的两个通道的回波信号进行相位补偿；

首先对经过时分STAP处理后回波信号可以近似表示为：

其中，B表示信号带宽，在0时刻的泰勒展开可以表示为

其中，和v_T分别表示相对于目标运动的第n^*个通道接收天线和发射天线的相对径向速度。和cos[θ_T(x,y)]分别表示第n^*个通道接收天线和发射天线的斜视角。

假定成像后动目标位置从(x,y)偏移到了(x′,y′)，因此，方位相位补偿函数为

补偿后的信号表示为：

S₄(η₂,τ,n^*；x,y)＝S₃(η₂,τ,n^*；x,y)×H₂

S5、根据各时刻雷达到成像区域每个像素点的时间，进行回波域到图像域的反投影，对相位补偿后的两个通道的信号进行相干叠加，得到两个通道的图像信号；

对相位补偿后的信号S₄(η₂,τ,n^*；x,y)进行相干叠加，得到图像信号

其中，

S6、对步骤S5得到的相邻两通道图像信号进行相减处理，得到双基前视SAR非平稳杂波抑制后的图像。

基于本实施例步骤S5中的反投影成像结果，将两通道图像和进行相减处理，可得到双基前视SAR非平稳杂波抑制后的图像f_*，具体图像如图5所示：

对于杂波而言，理论上f_*＝0；而对于动目标而言，由于则因此非平稳杂波抑制后的图像信号f_*≠0。最后，图像域中仅保留动目标信号。

通过上述实施例可以看出，本发明解决了双基前视SAR中由距离强非平稳带来的杂波难抑制问题，从而可实现双基前视SAR构型下的动目标检测。

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)

1.一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，其特征在于，包括：

S1、接收N个通道回波，并进行预处理；

S2、将经步骤S1预处理后的N个通道分为两组分别进行时分STAP处理，得到新的两个通道的回波信号；

S3、通过BP成像缩小杂波单元，并计算方位向各时刻雷达到成像区域每个像素点的时间；

S4、对步骤S2得到的新的两个通道的回波信号进行相位补偿；

S5、根据各时刻雷达到成像区域每个像素点的时间，进行回波域到图像域的反投影，对相位补偿后的两个通道的信号进行相干叠加，得到两个通道的图像信号；

S6、对步骤S5得到的相邻两通道图像信号进行相减处理，得到双基前视SAR非平稳杂波抑制后的图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下分步骤：

S11、系统参数初始化，包括：脉冲重复频率，距离向采样率，方位向采样率，接收阵元数；

S12、回波录取，具体的：对雷达观察时间内回波录取并解调到基带，得到各通道的基带回波信号；

S13、对各通道的回波距离历史在波束中心时刻进行泰勒展开；

S14、根据步骤S13泰勒展开后的回波距离历史，对回波进行距离向傅里叶变换；

S15、采用去斜滤波器去除步骤S14所得回波的多普勒模糊；

S16、采用Keystone变换校正步骤S15所得回波的距离单元徙动，并对Keystone变换后的回波进行距离向逆傅里叶变换，得到预处理后的各通道回波。

3.根据权利要求2所述的一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，其特征在于，步骤S16所述采用Keystone变换校正步骤S15所得回波的距离单元徙动，变量变换为：

其中，η表示慢时间，f_c为雷达杂波频率，f表示距离频率，η₁为新的慢时间变量。

4.根据权利要求3所述的一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，其特征在于，步骤S2将N个通道划分为两组，划分方式为：每组各自包括N-1个通道，且两组的N-1个通道中有N-2个通道相同。

5.根据权利要求4所述的一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，其特征在于，步骤S2所述时分STAP处理，具体为：

首先，采用慢时间向滑窗的方式，将处理时间划分为多个子时间段，每个子时间段的长度为ΔT，得到新的两通道的回波信号，表示为S₂(η₂,τ,n^*；x,y)∈C^ΔT×1，其中n^*＝1,2，η₂表示子时间段；

其次，计算快时间为τ对应的距离单元的STAP杂波抑制权向量

最后，根据对回波S₂(η₂,τ,n^*；x,y)进行时分空时自适应滤波，得到回波域杂波抑制后的信号：

6.根据权利要求5所述的一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，其特征在于，每个子时间段的长度ΔT满足以下条件：

||ΔT×K_a||≤Δδ_a

其中，K_a是方位多普勒调频率，Δδ_a表示方位分辨率。

7.根据权利要求6所述的一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，其特征在于，步骤S3所述方位向各时刻雷达到成像区域每个像素点的时间，计算式为：

其中，为Keystone变换后目标点所对应的距离信息，c为光速。

8.根据权利要求7所述的一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，其特征在于，步骤S4中采用以下相位补偿函数：

其中，(x′,y′)为运动目标成像后在图像域中的位置，V表示接收站的飞行速度，表示图像域中第n^*个通道接收天线的斜视角，cos[θ_T(x′,y′)]表示图像域中第n^*个通道发射天线的斜视角。

9.根据权利要求8所述的一种基于级联对消的双基前视SAR非平稳杂波抑制方法，其特征在于，步骤S5所述图像信号表达式为：

其中，D[Δt(η₂)；x,y]表示雷达信号各时刻到成像点的距离信息，表示为反投影成像后与目标多普勒频率相关的相位，η₂表示子时间段。