CN110133646A - 基于nlcs成像的双基前视sar的多通道两脉冲杂波对消方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法，该方法首先利用了keystone变换校正了距离单元徙动，然后通过NLCS算法去除回波的方位空变，从而使得杂波和动目标在二维空时域相互分开，最后，根据杂波回波特性设计杂波对消器抑制杂波，进而提高了回波的信杂比，为提高后续的动目标检测能力打下基础。
Description
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于NLCS(nonlinear chirp scaling，非线性 CS算法)成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法。
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是一种新的雷达体制。通过利用收发分置从而克服单基SAR存在前视成像盲区问题，能够对雷达正前方的区域高分辨成像。随着近年双基前视SAR的发展，对 雷达前方的运动目标的获取需求越来越大，特别是军事领域(前方地面坦克等运动目标的 检测)。但是地面动目标回波在双基前视SAR中由于存在距离徙动导致动目标回波往往被 周围的强杂波淹没，从而造成动目标在双基前视SAR中难以检测。为了提高动目标检测能 力，就必须在动目标检测前进行杂波抑制，从而为动目标检测打下基础。
目前杂波抑制方法主要基于两类：单通道方法和多通道方法。单通道主要基于运动目 标回波与杂波在多普勒调频率、多普勒质心等特性来抑制杂波。见文献“Moreira J,Keydel W.A New MTI-SAR Approach Using the Reflectivity Displacement Method.[J].Geoscience& Remote Sensing IEEE Transactions on,1995,33(5):1238-1244.”和文献“Kirscht M.Detection and velocity estimation of moving objects in asequence of single-look SAR images[C].International Geoscience&Remote SensingSymposium.IEEE,1996.”。虽然这种方 法实现简单，运算量小，但是单通道方法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的杂波谱展宽使得慢速运动目标在时频两域均淹没在强大的天线主瓣 杂波中。同时，由于需要在主杂波谱外的区域进行检测，这往往需要很高的脉冲重复频率 (PRF)，从而导致较高的数据率并减小了雷达成像范围。鉴于单通道方法的局限性，多通 道方法被提出。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-timeprocessing for multichannel synthetic aperture radar[J].Electronics&Communication Engineering Journal,2002,11(1):29-38.”和 “Lightstone L,FaubertD,Rempel G.Multiple phase centre DPCA for airborne radar[C].Radar Conference,1991.Proceedings of the 1991IEEE National.IEEE,1991.”。但是由于双基前视 SAR严重的距离非平稳性导致杂波协方差矩阵估计不精确并且大量的独立同分布距离样本 在实际情况下很难满足。从而使得STAP方法杂波抑制效果不佳。同时，由于雷达发射机 和接收机分置与不同平台，传统的DPCA处理条件很难满足，即在适当的时间间隔后，前 一个接收相位中心和后一个接收相位中心重合。这就限制了DPCA的应用范围。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提出一种基于NLCS成像的双基前视SAR 的多通道两脉冲对消方法，解决了双基前视SAR中动目标淹没在强杂波中的问题，提高了 信杂比，为后续的动目标检测打下基础。
本发明的技术方案是：一种基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方 法，包括以下步骤：
S1、建立双基前视SAR空间几何构型，对系统参数进行初始化；
S2、对雷达观察时间内回波录取并解调到基带，再进行距离傅里叶变换得到基带回波 信号s(fτ,η,i)；
S3、对回波距离历史R(η,i)在方位零时刻对慢时间和通道数进行二元泰勒展开；
S4、利用步骤S3中二元泰勒展开项对步骤S2中基带回波信号s(fτ,η,i)进行补偿，得到 新的回波信号s1(fτ,η,i)；
S5、对步骤S4中回波信号s1(fτ,η,i)进行一阶keystone变换，得到s1(fτ,ηm,i)；
S6、对步骤S4中回波信号s1(fτ,η,i)相位对fτ进行泰勒级数展开并进行距离向高阶距 离徙动校正和距离向压缩，并进行傅里叶逆变换得到新的回波信号s2(τ,ηm,i)；
S7、对keystone变换后的每个距离单元的杂波多普勒质心fdc和多普勒调频率fdr分别进 行一次和二次函数拟合，并对每个距离单元补偿补偿方位零时刻多普勒频率相位；
S8、对回波信号s2(τ,ηm,i)进行方位向傅里叶变换，再经过HNLCS1和HNLCS2相位补偿函数， 得到杂波信号s3(τ,ηm,i)；
S9、通过补偿函数H1(fηm)对回波补偿，并进行方位傅里叶逆变换得到新的回波信号 s4(τ,ηm,i)，再进行方位压缩得到s5(τ,ηm,i)；
S10、在距离-方位时域中，对每个距离单元的第k个方位时刻回波进行矩阵化处理；
S11、利用权矩阵对杂波进行多通道两脉冲对消，得到杂波抑制后的回波信号。
进一步地，所述步骤S1中，初始化的系统参数具体包括：脉冲重复频率，距离向采样 率，方位向采样率，接收阵元数。
进一步地，所述步骤S2中，基带回波信号s(fτ,η,i)具体表示为
其中，σ表示信号回波的幅度，fτ表示距离向频域，η表示慢时间，i表示通道数，Kr表示雷达发射信号的调频率，fc表示载波频率，c表示光速，R(η,i)表示回波距离历史。
进一步地，所述步骤S3中，对回波距离历史R(η,i)在方位零时刻对慢时间η和通道数i 进行二元泰勒展开，具体表示为
其中，Rt(0,0)和Rr(0,0)分别表示初始时刻发射机和接收机到目标点的距离，A1，A2，B1， B2，B3，C1分别表示与地面目标点速度无关的相应泰勒展开项；A1′，B1′，B3′分别表示与地 面速度相关的相应泰勒展开项。
进一步地，所述步骤S7中，对keystone变换后的每个距离单元的杂波多普勒质心fdc和 多普勒调频率fdr分别进行一次和二次函数拟合得到结果分别表示为
fdc＝fdc0+aηm
其中，fdc0表示参考目标点的多普勒质心，a表示多普勒质心fdc关于ηm的一阶拟合系数， b表示多普勒调频率fdr关于ηm的一次拟合系数，c表示多普勒调频率fdr关于ηm的二次拟合 系数，ηm表示新的慢时间。
进一步地，所述步骤S7中，补偿函数具体表示为
其中，λ表示信号波长。
进一步地，所述步骤S10中，矩阵化处理结果具体表示为
s5(k)＝ADkσ
σ＝(σ0(1) σ0(2) … σ0(P))T
其中，(·)T表示求向量转置，N表示接收机通道数，P表示每个距离单元每个方位时刻 模拟的地面杂波点个数，an(p)和d(p)分别表示第n个通道第p个杂波点的空间频率和多普 勒频率，σ0(p)表示第p个杂波点的幅度。
进一步地，所述步骤S11中，杂波抑制后的回波信号具体表示为
s6(k)out＝Ws5(k)-s5(k+1)
其中，W为权矩阵。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用了基于图像域的杂波抑制方法，有效解决了STAP杂波抑制方法在双 基前视SAR中杂波的强非平稳带来杂波难抑制问题；
(2)本发明采用非自适应方法，相对于STAP方法降低了计算复杂度；
(3)本发明相比于DPCA杂波抑制方法，扩展了DPCA方法的适用范围，将适用条件从单基正侧视构型扩展到双基构型，同时也提高了杂波抑制效果。
附图说明
图1是本发明的基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法流程示意 图；
图2是本发明实施例中采用的双基前视SAR几何结构示意图；
图3是本发明实施例中方位压缩后的双基前视SAR图像；
图4是本发明实施例中杂波抑制后的双基前视SAR图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本 发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
如图1所示，是本发明的基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法流程示意图；一种基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法，包括以下 步骤：
S1、建立双基前视SAR空间几何构型，对系统参数进行初始化；
S2、对雷达观察时间内回波录取并解调到基带，再进行距离傅里叶变换得到基带回波 信号s(fτ,η,i)；
S3、对回波距离历史R(η,i)在方位零时刻对慢时间和通道数进行二元泰勒展开；
S4、利用步骤S3中二元泰勒展开项对步骤S2中基带回波信号s(fτ,η,i)进行补偿，得到 新的回波信号s1(fτ,η,i)；
S5、对步骤S4中回波信号s1(fτ,η,i)进行一阶keystone变换，得到s1(fτ,ηm,i)；
S6、对步骤S4中回波信号s1(fτ,η,i)相位对fτ进行泰勒级数展开并进行距离向高阶距 离徙动校正和距离向压缩，并进行傅里叶逆变换得到新的回波信号s2(τ,ηm,i)；
S7、对keystone变换后的每个距离单元的杂波多普勒质心fdc和多普勒调频率fdr分别进 行一次和二次函数拟合，并对每个距离单元补偿补偿方位零时刻多普勒频率相位；
S8、对回波信号s2(τ,ηm,i)进行方位向傅里叶变换，再经过HNLCS1和HNLCS2相位补偿函数， 得到杂波信号s3(τ,ηm,i)；
S9、通过补偿函数H1(fηm)对回波补偿，并进行方位傅里叶逆变换得到新的回波信号 s4(τ,ηm,i)，再进行方位压缩得到s5(τ,ηm,i)；
S10、在距离-方位时域中，对每个距离单元的第k个方位时刻回波进行矩阵化处理；
S11、利用权矩阵对杂波进行多通道两脉冲对消，得到杂波抑制后的回波信号。
在步骤S1中，本发明进行初始化的系统参数具体包括：脉冲重复频率，距离向采样率， 方位向采样率，接收阵元数。
本发明在实例具体采用的双基前视SAR几何结构如图2所示，所采用的系统参数表如 表1所示，
表1系统参数表
其中，在初始时刻发射机位于(Xt,Yt,Ht)，接收机位于(0,Yr,Hr)，场景中心位于坐标原 点O，发射机和接收机沿着y轴方向匀速飞行，速度分别为vt和vr。发射机平台设置了一个 发射通道，接收机平台设置了N个接收通道。第n个接收通道的坐标为(0,Yr+(n-1)d,Hr)。设地面一目标点为P，位于(Xp,Yp,0)。地面目标的运动速度为(vpx,vpy,0)。
在步骤S2中，本发明进行回波录取，对雷达观察时间内回波录取并解调到基带再进行 距离傅里叶变换得到基带回波信号，具体表示为
其中，σ表示信号回波的幅度，fτ表示距离向频域，η表示慢时间，i表示通道数，Kr表示雷达发射信号的调频率，fc表示载波频率，c表示光速，R(η,i)表示回波距离历史，
其中，Rt(η,i)和Rr(η,i)分别表示地面目标点到发射机和接收机的距离。
在步骤S3中，本发明对回波距离历史R(η,i)在方位零时刻对慢时间η和通道数i进行二 元泰勒展开，具体表示为
其中，Rt(0,0)和Rr(0,0)分别表示初始时刻发射机和接收机到目标点的距离，A1，A2，B1， B2，B3，C1分别表示与地面目标点速度无关的相应泰勒展开项；A1′，B1′，B3′分别表示与地 面速度相关的相应泰勒展开项，
在步骤S4中，本发明利用步骤S3中二元泰勒展开项对步骤S2中基带回波信号s(fτ,η,i) 进行补偿，具体为对基带回波信号s(fτ,η,i)进行补偿二元泰勒展开项中的B2项和B3项，得到 新的回波信号s1(fτ,η,i)，具体表示为
在步骤S5中，本发明对步骤S4中回波信号s1(fτ,η,i)进行一阶keystone变换 η＝fcηm/(fτ+fc)，得到s1(fτ,ηm,i)，具体表示为
其中，ηm表示新的慢时间。
在步骤S6中，本发明对步骤S4中回波信号s1(fτ,η,i)相位对fτ进行泰勒级数展开并进 行距离向高阶距离徙动校正和距离向压缩，相位泰勒展开后表示为：
其中，
高阶距离徙动校正函数为：
距离压缩函数为：
压缩后并进行距离向反傅里叶变换得到新的回波信号s2(τ,ηm,i)：
其中，
在步骤S7中，本发明对keystone变换后的每个距离单元的杂波多普勒质心fdc和多普勒 调频率fdr分别进行一次和二次函数拟合得到
fdc＝fdc0+aηm
其中，fdc0表示参考目标点的多普勒质心，a表示多普勒质心fdc关于ηm的一阶拟合系数， b表示多普勒调频率fdr关于ηm的一次拟合系数，c表示多普勒调频率fdr关于ηm的二次拟合 系数，ηm表示新的慢时间。
并对每个距离单元补偿补偿方位零时刻多普勒频率相位，补偿函数为
其中，λ表示信号波长。
在步骤S8中，本发明对回波信号s2(τ,ηm,i)进行方位向傅里叶变换，再经过HNLCS1和HNLCS2相位补偿函数，得到杂波信号s3(τ,ηm,i)；杂波信号s3(τ,ηm,i)的相位为：
其中，ηmR表示波束中心时刻，
q2＝-2aβ+(2β-1)fdr0
β＝1/2
N＝b(2q2+a+fdr0)-fd3(a+q2)
L＝-c[c(q2+fdr0)2-b2(q2+fdr0)]-3fd3b(a+q2)-3q3b(q2-2fdr0+3a) +3Q3q2bfdr0(3fdr0q2-2aq2+fdr0a)
在步骤S9中，本发明通过补偿函数对回波补偿项和项并进行方位傅里叶 逆变换得到新的回波信号s4(τ,ηm,i)，其相位为φ4(ηm)，补偿函数为：
φ4(ηm)＝exp{jπ(q2+fdr0)(ηm-ηmR)2}
对相位φ4(ηm)进行方位压缩得到φ5(ηm)
φ5(ηm)＝exp{-j2π(q2+fdr0)ηmRηm}
此时的新的杂波信号为：
在步骤S10中，由于在距离-方位时域中，每个距离单元的单一方位时刻由P个杂波点 回波相互叠加而成，因此本发明对每个距离单元的第k个方位时刻回波进行矩阵化处理，具 体表示为
s5(k)＝ADkσ
σ＝(σ0(1) σ0(2) … σ0(P))T
其中，(·)T表示求向量转置，N表示接收机通道数，P表示每个距离单元每个方位时刻 模拟的地面杂波点个数，an(p)和d(p)分别表示第n个通道第p个杂波点的空间频率和多普 勒频率，σ0(p)表示第p个杂波点的幅度。
在步骤S11中，本发明利用权矩阵W对杂波进行多通道两脉冲对消，得到杂波抑制后 的回波信号，具体表示为
s6(k)out＝Ws5(k)-s5(k+1)
其中，权矩阵W＝ADAH(AAH)-1。
由于动目标和杂波具有不同的多普勒频率，从而经过两脉冲对消后，会有动目标能量 残余，提高了输出信号信杂比。
本发明基于非线性CS(NLCS)成像的多通道两脉冲杂波对消方法，有效解决了由双基前视SAR构型下回波强非平稳性带来的杂波难抑制问题，首先利用了keystone变换校正了距离单元徙动，然后通过NLCS算法去除回波的方位空变，从而使得杂波和动目标在二 维空时域相互分开，最后，根据杂波回波特性设计杂波对消器抑制杂波，进而提高了回波 的信杂比，为提高后续的动目标检测能力打下基础。
如图3所示，是本发明实施例中方位压缩后的双基前视SAR图像；如图4所示，是本发明实施例中杂波抑制后的双基前视SAR图像。从图中可以看出，本发明解决了双基前视SAR中的杂波抑制问题，从而为后续的动目标检测打下基础。
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 (8)
1.一种基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立双基前视SAR空间几何构型，对系统参数进行初始化；
S2、对雷达观察时间内回波录取并解调到基带，再进行距离傅里叶变换得到基带回波信号s(fτ,η,i)；
S3、对回波距离历史R(η,i)在方位零时刻对慢时间和通道数进行二元泰勒展开；
S4、利用步骤S3中二元泰勒展开项对步骤S2中基带回波信号s(fτ,η,i)进行补偿，得到新的回波信号s1(fτ,η,i)；
S5、对步骤S4中回波信号s1(fτ,η,i)进行一阶keystone变换，得到s1(fτ,ηm,i)；
S6、对步骤S4中回波信号s1(fτ,η,i)相位对fτ进行泰勒级数展开并进行距离向高阶距离徙动校正和距离向压缩，并进行傅里叶逆变换得到新的回波信号s2(τ,ηm,i)；
S7、对keystone变换后的每个距离单元的杂波多普勒质心fdc和多普勒调频率fdr分别进行一次和二次函数拟合，并对每个距离单元补偿补偿方位零时刻多普勒频率相位；
S8、对回波信号s2(τ,ηm,i)进行方位向傅里叶变换，再经过HNLCS1和HNLCS2相位补偿函数，得到杂波信号s3(τ,ηm,i)；
S9、通过补偿函数对回波补偿，并进行方位傅里叶逆变换得到新的回波信号s4(τ,ηm,i)，再进行方位压缩得到s5(τ,ηm,i)；
S10、在距离-方位时域中，对每个距离单元的第k个方位时刻回波进行矩阵化处理；
S11、利用权矩阵对杂波进行多通道两脉冲对消，得到杂波抑制后的回波信号。
2.如权利要求1所述的基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法，其特征在于，所述步骤S1中，初始化的系统参数具体包括：脉冲重复频率，距离向采样率，方位向采样率，接收阵元数。
3.如权利要求2所述的基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法，其特征在于，所述步骤S2中，基带回波信号s(fτ,η,i)具体表示为
其中，σ表示信号回波的幅度，fτ表示距离向频域，η表示慢时间，i表示通道数，Kr表示雷达发射信号的调频率，fc表示载波频率，c表示光速，R(η,i)表示回波距离历史。
4.如权利要求3所述的基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法，其特征在于，所述步骤S3中，对回波距离历史R(η,i)在方位零时刻对慢时间η和通道数i进行二元泰勒展开，具体表示为
其中，Rt(0,0)和Rr(0,0)分别表示初始时刻发射机和接收机到目标点的距离，A1，A2，B1，B2，B3，C1分别表示与地面目标点速度无关的相应泰勒展开项；A1′，B1′，B3′分别表示与地面速度相关的相应泰勒展开项。
5.如权利要求4所述的基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法，其特征在于，所述步骤S7中，对keystone变换后的每个距离单元的杂波多普勒质心fdc和多普勒调频率fdr分别进行一次和二次函数拟合得到结果分别表示为
fdc＝fdc0+aηm
其中，fdc0表示参考目标点的多普勒质心，a表示多普勒质心fdc关于ηm的一阶拟合系数，b表示多普勒调频率fdr关于ηm的一次拟合系数，c表示多普勒调频率fdr关于ηm的二次拟合系数，ηm表示新的慢时间。
6.如权利要求5所述的基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法，其特征在于，所述步骤S7中，补偿函数具体表示为
其中，λ表示信号波长。
7.如权利要求6所述的基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法，其特征在于，所述步骤S10中，矩阵化处理结果具体表示为
s5(k)＝ADkσ
σ＝(σ0(1) σ0(2) … σ0(P))T
其中，(·)T表示求向量转置，N表示接收机通道数，P表示每个距离单元每个方位时刻模拟的地面杂波点个数，an(p)和d(p)分别表示第n个通道第p个杂波点的空间频率和多普勒频率，σ0(p)表示第p个杂波点的幅度。
8.如权利要求7所述的基于NLCS成像的双基前视SAR多通道两脉冲杂波对消方法，其特征在于，所述步骤S11中，杂波抑制后的回波信号具体表示为
s6(k)out＝Ws5(k)-s5(k+1)
其中，W为权矩阵。
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