CN110133654B - 一种高轨卫星sar动目标检测方法 - Google Patents

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CN110133654B CN201910472758.8A CN201910472758A CN110133654B CN 110133654 B CN110133654 B CN 110133654B CN 201910472758 A CN201910472758 A CN 201910472758A CN 110133654 B CN110133654 B CN 110133654B
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Abstract

本发明公开了高轨卫星SAR动目标检测方法，考虑到了在高轨模式下的两个主要误差，一是传统机载SAR的“走‑停”假设不成立，二是由于地球自转和轨道轨迹带来的非线性变化。本发明将DPCA方法应用于高轨卫星SAR系统中，能够在抑制杂波的同时保留淹没于杂波区的慢速运动目标，并同时考虑到高轨模型下的非线性斜距变化，构造频域匹配函数对目标的距离走动和多普勒走动进行补偿，相比于传统的仅仅最多考虑到二阶项有更好的运动目标检测与成像效果。

Description

一种高轨卫星SAR动目标检测方法
技术领域
本发明属于信号与信息处理技术领域，具体涉及一种高轨卫星SAR动目标检测方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种主动式微波传感器，利用合成孔径原理能够对大范围的观测区域进行成像，随着需求的扩展，对SAR提出了进行地面运动目标指示(Ground Moving Target Indication,GMTI)的要求，并且近年来SAR-GMTI理论及应用都得到了较大的发展。
机载SAR的相关技术理论已经十分成熟，相比之下，高轨卫星SAR具有独特的优势：重访周期短、观测时间长、轨道相对稳定。利用高轨卫星SAR对地球表面观测可以得到更加全面的场景数据和信息。但是高轨卫星SAR同样面临着许多问题：地球自转及轨道带来的非线性斜距变化、长回波距离带来的信号能量损失。并且考虑到地杂波的影响，多通道系统相比单通道系统具备更强的杂波抑制能力，首选利用多通道系统进行运动目标检测。常用的多通道处理方法有偏置相位中心天线(Displaced Phase Center Antenna,DPCA)技术、沿航迹干涉(Along Track Interference,ATI)技术、空时自适应处理(Space Time adaptiveprocessing,STAP)技术。由于考虑到高轨SAR需要处理的数据量较大，为了提高实时性以及数据处理效率，更偏向于采用双通道系统进行信号处理。在杂波抑制效果上，DPCA方法要优于ATI方法，因此这里采用双通道DPCA系统进行杂波抑制，并保留运动目标。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明解决了高轨卫星SAR模型带来的斜距影响，并同时实现运动目标检测与成像，提供了一种更为准确的“非走-停”模式下基于DPCA和频率匹配函数的高轨卫星SAR动目标检测方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种高轨卫星SAR动目标检测方法，包括以下步骤：
S1、通过高轨卫星SAR中的第一通道发射线性调频信号；
S2、通过地面目标接收第一通道发射的线性调频信号并返回回波信号被高轨卫星SAR中的第一通道和第二通道同时接收；
S3、对第一通道和第二通道接收到的回波信号进行脉冲压缩；
S4、对第一通道和第二通道中的脉冲压缩后的信号进行双通道DPCA对消，得到运动目标回波信号；
S5、构造频率域匹配函数，对运动目标回波信号进行补偿，并做逆傅里叶变换，得到二维时域信号；
S6、对二维时域信号沿慢时间维进行傅里叶变换，并进行CFAR检测，当CFAR检测时的峰值大于设定阈值，则判定检测到动目标，实现动目标的检测。
进一步地，所述步骤S2中动目标接收到雷达发射的线性调频信号并返回回波信号被高轨卫星SAR的第一通道和第二通道接收时，线性调频信号与回波信号传输总距离Rn(t)为：
Figure GDA0002676915420000021
式中，c为光速；
τ1为在慢时间t时刻，第一通道发射线性调频信号到达动目标时所用的时间，t＝nT，n为雷达发射信号的脉冲序号，T为线性调频信号的重复周期；
τ2为动目标反射的回波信号被第一通道或第二通道接收到的时间；
Figure GDA0002676915420000022
为t＝nT时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；
Figure GDA0002676915420000031
是t1＝nT+τ1时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；
Figure GDA0002676915420000032
是t2＝nT+τ1+τ2时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量。
进一步地，所述S3具体为：
对第一通道和第二通道中的回波信号进行下变频得到对应的回波基带信号S11(t+mT,τ)和S12(t,τ)，再对其沿快时间维进行傅里叶变换，并与距离向参考函数进行匹配实现，实现脉冲压缩；
式中，τ为快时间；
m为满足DPCA条件的正整数。
进一步地，所述步骤S4具体为：
对第二通道中的回波基带信号进行相位差补偿，然后与第一通道中的回波基带信号相减，得到对消后的残余信号，对其进行变换处理后得到运动目标回波信号。
进一步地，所述第二通道中的进行相位差补偿时的相位补偿函数为：
Figure GDA0002676915420000033
式中，exp(·)为指数函数；
j为虚数单位；
π为弧度单位；
γ为调频率；
τ为快时间；
d为通道间距；
R0为高轨卫星SAR与地面目标的初始斜距；
c为光速；
τtotal为回波时延；
λ为波长；
v为高轨卫星SAR的速度；
所述步骤后S4中，运动目标回波信号S(t,fτ)为：
Figure GDA0002676915420000041
式中，σ0为信号的常数系数；
rect(·)为矩形窗函数；
fτ为信号的快时间维频率；
B为信号带宽；
fc为载频；
Requal(t)＝R0+v0t+a1t2+a2t3，R0为高轨卫星SAR与地面动目标的初始斜距，v0、a1和a2分别为动目标与高轨卫星SAR之间的相对速度、加速度和第二加速度。
进一步地，所述步骤S5具体为：
S51、对运动目标回波信号S(t,fτ)做一阶Keystone变换，消除多普勒频率项引起的线性距离走动；
其中，对运动目标回波信号S(t,fτ)做一阶Keystone变换的公式为：
Figure GDA0002676915420000042
式中，SKT(tn,fτ)为一阶Keystone变换后的运动目标回波信号；
tn为一阶Keystone变换后的慢时间；
fτ为信号的快时间维频率；
σ1为中间参数；
exp(·)为指数函数；
famb为折叠后的多普勒频率；
fc为载频；
k为多普勒模糊数；
PRF为脉冲重复频率；
a1和a2分别为动目标与高轨卫星SAR之间的加速度和第二加速度。
S52、构造关于多普勒模糊数、加速度和第二加速度的频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)；
其中，频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)为：
Figure GDA0002676915420000051
式中，K,A1,A2分别为多普勒模糊数、加速度和第二加速度的值；
S53、将一阶Keystone变换后的信号SKT(tn,fτ)与频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)相乘，得到慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)；
其中，慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)为：
Figure GDA0002676915420000052
S54、对慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)沿距离频率维域做逆傅里叶变换，得到二维时域信号S1(tn,τ)；
其中，二维时域信号S1(tn,τ)为:
S1(tn,τ)＝D1sinc[B(τ-2R0/c)]exp(j2πfambtn)
式中，D1为常数项系数。
进一步地，所述步骤S52中，构造频率匹配函数的方法具体为：
采用多普勒模糊数、加速度和第二加速度进行三维联合搜索，将每一组多普勒模糊数、加速度和第二加速度参数代入一阶Keystone变换后回波信号进行相参累积，对相参累积后的累积能量进行比较并选取使累积能量最大的一组参数值，将不适用的参数值去除，以此得到多普勒模糊数的估计值
Figure GDA0002676915420000061
加速度的估计值
Figure GDA0002676915420000062
和第二加速度的估计值
Figure GDA0002676915420000063
关系式为：
Figure GDA0002676915420000064
式中，
Figure GDA0002676915420000065
为对搜索多普勒模糊数、加速度和第二加速度进行搜索时取最大值时对应的三个参数；
Figure GDA0002676915420000066
为对慢时间做傅里叶变换；
Figure GDA0002676915420000067
为对快时间做逆傅里叶变换；
S1(·)为搜索三个参数时的匹配函数；
tn为一阶Keystone变换后的慢时间；
fτ为信号的快时间维频率；
K＝k，A1＝a1，A2＝a2。
进一步地，所述步骤S6中对二维时域信号沿慢时间进行傅里叶变换得到的信号为：
Figure GDA0002676915420000068
式中，D2为常数项系数；
Figure GDA0002676915420000069
为慢时间频率域；
Tc为合成孔径时间。
进一步地，所述步骤S6中CFAR检测的方法具体为：
在控制虚警率一定的情况下，遍历所有经过慢时间维傅里叶变换的二维时域信号据，对于每个数据点，设置一个保护单元和参考单元，与周围的数据点进行比较，如果设定的位置，则判定为检测到动目标，实现动目标的检测。
本发明的有益效果为：本发明提供的高轨卫星SAR动目标检测方法，考虑到了在高轨模式下的两个主要误差，一是传统机载SAR的“走-停”假设不成立，由于高轨卫星SAR和地球目标之间的斜距较大，导致信号传输会有较大的时延，在这个时延中，目标和雷达都会发生相对的位置变动，实际得到的回波并不是理想中的“走-停”假设下的回波；二是由于地球自转和轨道轨迹带来的非线性变化，导致斜距不再是简单的线性关系，出现了二次以上的距离走动和多普勒走动，在长时间观测的过程中，必须进行校正以提高检测与成像效果。同时，本发明考虑到了慢速目标可能淹没于静止杂波的频谱中，利用双通道DPCA可以保留这些淹没于杂波区的运动目标并同时抑制杂波，结合构造的频域匹配函数，对于目标的距离走动和多普勒走动进行校正，实现检测与成像。
附图说明
图1为本发明提供的高轨卫星SAR动目标检测方法流程图。
图2为本发明中高轨卫星SAR回波模型结构示意图。
图3为本发明中双通道DPAC回波模型示意图。
图4为本发明中双通道回波距离关系图。
图5为本发明提供的实施例中脉冲压缩后的回波图。
图6为本发明提供的实施例中DPAC对消后的回波图。
图7为本发明提供的实施例中经过频域匹配函数处理后的回波图。
图8为本发明提供的实施例中运动目标成像图。
图9为本发明提供的实施例中运动目标距离向剖面图。
图10为本发明提供的实施例中运动目标方位向剖面图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种高轨卫星SAR动目标检测方法，包括以下步骤：
S1、通过高轨卫星SAR中的第一通道发射线性调频信号；
S2、通过地面目标接收第一通道发射的线性调频信号并返回回波信号被高轨卫星SAR中的第一通道和第二通道同时接收；
S3、对第一通道和第二通道接收到的回波信号进行脉冲压缩；
S4、对第一通道和第二通道中的脉冲压缩后的信号进行双通道DPCA对消，得到运动目标回波信号；
S5、构造频率域匹配函数，对运动目标回波信号进行补偿，并做逆傅里叶变换，得到二维时域信号；
S6、对二维时域信号沿慢时间维进行傅里叶变换，并进行CFAR检测，当CFAR检测时的峰值大于设定阈值，则判定检测到动目标，实现动目标的检测。
图2给出了高轨SAR回波模型，将地面目标和高轨卫星SAR通过一系列坐标系转换首先转换到地固坐标系中，以进行回波信号的分析。由于高轨卫星SAR和地面目标之间的距离较远，传统机载SAR以及低轨卫星SAR中的“走-停”假设不再成立，需要考虑到在回波传输过程中目标和高轨卫星SAR的运动变化，因此在上述步骤S1-S2过程中，假设在慢时间t＝nT时刻，高轨卫星SAR雷达(天线)发射线性调频信号，经过τ1时间后目标接收到回波并且反射回波，再经过τ2时刻回波信号回到雷达，这是一个完整的脉冲收发过程，由于高轨SAR和目标之间的距离较远，传输时延较长，目标和雷达在这个收发过程中都发生了位置的变化，线性调频信号与回波信号传输的实际总距离Rn(t)为：
Figure GDA0002676915420000091
式中，c为光速；
τ1为在慢时间t时刻，第一通道发射线性调频信号到达动目标时所用的时间，t＝nT，n为雷达发射信号的脉冲序号，T为线性调频信号的重复周期；
τ2为动目标反射的回波信号被第一通道或第二通道接收到的时间；
Figure GDA0002676915420000092
为t＝nT时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；
Figure GDA0002676915420000093
是t1＝nT+τ1时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；
Figure GDA0002676915420000094
是t2＝nT+τ1+τ2时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量。
上述所述S3具体为：
对第一通道和第二通道中的回波信号进行下变频得到对应的回波基带信号S11(t+mT,τ)和S12(t,τ)，再对其沿快时间维进行傅里叶变换，并与距离向参考函数进行匹配实现，实现脉冲压缩；
式中，τ为快时间；
m为满足DPCA条件的正整数。
上述步骤S4具体为：
对第二通道中的回波基带信号进行相位差补偿，然后与第一通道中的回波基带信号相减，得到对消后的残余信号，对其进行变换处理后得到运动目标回波信号。
图3给出了双通道DPCA的对消原理，假设雷达系统由通道1发射信号，通道1和通道2共同接收回波信号，在t＝nT时刻由通道1发射并且由通道2接收的信号为S12(t)(图示中实圆位置)，在t＝nT+mT时刻由通道1发射并且由通道1自身接收的信号为S11(t+mT)(图示中虚圆位置)，其中T是脉冲重复周期，m是满足DPCA条件的正整数，可以发现，如果此时通道1恰好落在零时刻时通道1和通道2的中间位置，也就是等效相位中心的位置，此时对于静止目标来说，S12(t)和S11(t+mT)近似相等，可以通过对消来抑制；而对于运动目标来说，由于目标运动导致了斜距再次发生变化，因此无法对消，对消之后得到保留。
对两个通道的回波信号进行DPCA对消时，在“非走-停”模式下得到第二通道的回波基带信号S12(t,τ)和经过mT时延后的通道1的回波基带信号S11(t+mT,τ)分别为：
Figure GDA0002676915420000101
Figure GDA0002676915420000102
式中，G为信号幅度，且第一通道和第二通道中的信号幅度相同；
exp(·)为指数函数；
j为虚数单位；
π为弧度单位；
fc为载频；
R2n(t)为第一通道发射并由(静止目标反射)第二通道接收的第n个脉冲的传输距离；
c为光速；
γ为调频率；
τ为快时间；
R1n(t)为第一通道发射由其自身接收的第n+m个脉冲信号的传输距离；
进而对两个通道的信号进行距离向脉冲压缩，得到双通道的信号：
Figure GDA0002676915420000103
Figure GDA0002676915420000111
sinc(·)为辛格函数；
由于sinc(·)函数在峰值的位置变化较小，可以认为双通道的sinc(·)函数峰值近似对齐。
因此，两个通道中回波信号的相位差为：
Figure GDA0002676915420000112
如图4所示，在考虑了“非走-停”模型的影响下，在场景中心时刻的R2n和R1n的表达式为：
Figure GDA0002676915420000113
Figure GDA0002676915420000114
式中，R0为高轨卫星与地面目标的初始斜距；
d为通道间距；
τtotal为该场景下的回波时延；
v为卫星雷达的速度；
考虑到(τtotalv)＜＜R0并且(d/2)＜＜R0利用泰勒公式进行展开后，得到：
Figure GDA0002676915420000115
Figure GDA0002676915420000116
于是可以得到双通道的距离差为：
Figure GDA0002676915420000117
重新得到相位差的表达式为：
Figure GDA0002676915420000121
因此，针对相位差ΔΦ需要进行补偿；
补偿函数为：
Figure GDA0002676915420000122
式中，exp(·)为指数函数；
j为虚数单位；
π为弧度单位；
γ为调频率；
τ为快时间；
d为通道间距；
R0为高轨卫星SAR与地面目标的初始斜距；
c为光速；
τtotal为回波时延；
λ为波长；
v为高轨卫星SAR的速度；
S12(t,τ)通过C1进行相位补偿之后可与S11(t+mT,τ)相减实现静止目标对消，从而有效抑制了静止目标干扰(即DPCA处理)。
由于运动目标在具有速度，考虑目标在斜平面内的斜距向速度vr，动目标在第n个脉冲与第n+m个脉冲之间移动了vrmT的距离，因此经过对消后的残余信号为：
Figure GDA0002676915420000131
显然如果斜距向速度vr≠0则残余信号不为零运动目标得以保留；如果斜距向速度vr＝0则退化为静止目标，其残余信号几乎为零目标的回波被抑制了。
考虑到式(1)的信号发射到接收的距离历史关系较为复杂，可将上述双程距离R1n(t)等效为一虚拟等效单程距离Requal(t)的两倍，即令R1n(t)＝2Requal(t)，这样形式上就可以采用“走-停”模式下类似的处理方式。对Requal(t)进行泰勒展开得到运动目标的距离历史表达式为：
Requal(t)＝R0+v0t+a1t2+a2t3 (15)
其中，v0、a1和a2是分别表示目标和雷达之间的相对速度、加速度和第二加速度。
目标回波信号在快时间维经过傅里叶变换之后的表达式为：
Figure GDA0002676915420000132
式中，σ0为信号的常数系数；
rect(·)为矩形窗函数；
fτ为信号的快时间维频率；
B为信号带宽；
fc为载频；
Requal(t)＝R0+v0t+a1t2+a2t3，R0为高轨卫星SAR与地面动目标的初始斜距，v0、a1和a2分别为动目标与高轨卫星SAR之间的相对速度、加速度和第二加速度。
将式(15)的距离历史关系带入式(16)，可得：
Figure GDA0002676915420000141
其中σ0是信号的常数系数，B是信号的带宽，fτ是信号的快时间维频率。可以看到，相对运动参数决定了回波信号的具体形式。
由于目标多普勒频率fd和目标速度v之间存在一下关系：
fd＝2v/λ (18)
其中λ为波长，当雷达脉冲重复频率偏小而目标速度又较大时，会导致回波在方位向出现欠采样，此时目标真实多普勒频率为：
fd＝k·PRF+famb (19)
其中k为多普勒模糊数，且有|fd|＜PRF/2，famb为折叠后的多普勒频率，PRF为脉冲重复频率。
所述步骤S5具体为：
S51、对运动目标回波信号S(t,fτ)做一阶Keystone变换，消除多普勒频率项引起的线性距离走动；
其中，将式(18)和式(19)代入到式(17)中，并进行一阶Keystone变换，得到：
Figure GDA0002676915420000142
式中，SKT(tn,fτ)为一阶Keystone变换后的运动目标回波信号；
tn为一阶Keystone变换后的慢时间；
fτ为信号的快时间维频率；
σ1为中间参数，
Figure GDA0002676915420000143
exp(·)为指数函数；
famb为折叠后的多普勒频率；
fc为载频；
k为多普勒模糊数；
PRF为脉冲重复频率；
a1和a2分别为动目标与高轨卫星SAR之间的加速度和第二加速度。
S52、构造关于多普勒模糊数、加速度和第二加速度的频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)；
其中，频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)为：
Figure GDA0002676915420000151
式中，K,A1,A2分别为多普勒模糊数、加速度和第二加速度的值；
S53、将一阶Keystone变换后的信号SKT(tn,fτ)与频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)相乘，得到慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)；
Figure GDA0002676915420000152
当搜索K＝k、A1＝a1和A2＝a2时：
慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)为：
Figure GDA0002676915420000153
经过上述处理后，回波信号中各个指数项已经不存在慢时间tn与距离频率fτ的耦合，说明回波包络不存在距离走动问题，所有回波包络峰值均处在同一距离单元内。同时，与加速度有关的二阶相位项也被消除，回波信号也不存在多普勒扩散问题。
S54、对慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)沿距离频率维域做逆傅里叶变换，得到二维时域信号S1(tn,τ)；
其中，二维时域信号S1(tn,τ)为:
S1(tn,τ)＝D1sinc[B(τ-2R0/c)]exp(j2πfambtn) (24)
式中，D1为常数项系数。
上述步骤S52中，构造频率匹配函数的方法具体为：
采用多普勒模糊数、加速度和第二加速度进行三维联合搜索，将每一组多普勒模糊数、加速度和第二加速度读参数代入一阶Keystone变换后回波信号进行相参累积，对相参累积后的累积能量进行比较并选取使累积能量最大的一组参数值，将不适用的参数值去除，以此得到多普勒模糊数的估计值
Figure GDA0002676915420000161
加速度的估计值
Figure GDA0002676915420000162
和第二加速度的估计值
Figure GDA0002676915420000163
关系式为：
Figure GDA0002676915420000164
式中，
Figure GDA0002676915420000165
为对搜索多普勒模糊数、加速度和第二加速度进行搜索时取最大值时对应的三个参数；
Figure GDA0002676915420000166
为对慢时间做傅里叶变换；
Figure GDA0002676915420000167
为对快时间做逆傅里叶变换；
S1(·)为搜索三个参数时的匹配函数；
tn为一阶Keystone变换后的慢时间；
fτ为信号的快时间维频率；
K＝k，A1＝a1，A2＝a2。
由于以上方式是采用相参积累的方法进行回波距离走动和高阶相位的补偿，则适用于极低信噪比的场景下，通过以上方法，就能够取得多普勒模糊数估计值
Figure GDA0002676915420000171
加速度估计值
Figure GDA0002676915420000172
和第二加速度
Figure GDA0002676915420000173
其中，参数搜索区间的选择，可以根据先验信息获得一个经验值，对于一定运动参数范围内的运动目标进行检测。
上述步骤S6中对二维时域信号沿慢时间进行傅里叶变换得到的信号为：
Figure GDA0002676915420000174
式中，D2为常数项系数；
Figure GDA0002676915420000175
为慢时间频率域；
Tc为合成孔径时间。
上述步骤S6中CFAR检测的方法具体为：
在控制虚警率一定的情况下，遍历所有经过慢时间维傅里叶变换的二维时域信号据，对于每个数据点，设置一个保护单元和参考单元，与周围的数据点进行比较，如果设定的位置，则判定为检测到动目标，实现动目标的检测。
通过上述内容可知，本发明方案主要包括以下五个部分：脉冲压缩、相位补偿、杂波对消、频域匹配函数匹配和动目标检测。脉冲压缩是为了对回波数据用参考函数进行脉冲压缩；相位补偿是为了对双通道的系统平台误差进行补偿校正，包括线性调频特性项补偿和杂波相消预补偿；频域匹配函数匹配是为了对其中的动目标参数进行搜索估计；动目标检测则是为了得到动目标的检测结果。
在本发明的一个实施例中，提供了对高轨卫星SAR动目标检测的仿真实例，在仿真实验中，在场景中设置了一个运动目标和一个静止目标，运动目标的速度为5m/s,加速度为3m/s,第二加速度为1m/s。首先对双通道信号进行脉冲压缩，得到图5所示的结果，斜线代表着静止目标的回波，由于高轨模型存在着和雷达的相对速度，因此其回波包络是条斜线，而运动目标具备加速度和第二加速度，因此其回波包络是条曲线。
图6给出了经过DPCA杂波对消后的回波图，可以看到，静止目标得到了有效的对消，仅仅剩下了运动目标的回波信号。在此基础上，利用频域匹配函数匹配的方法，通过搜索得到与运动目标相匹配的参数，对运动目标的回波进行匹配，得到图7所示的回波信号，可以看到，运动目标的回波已经校正到同一个距离单元，此时通过沿着方位向进行积累，可以对运动目标进行成像，图8给出了成像结果示意图。
图9和图10分别是运动目标的距离向剖面图和方位向剖面图，其中距离向旁瓣值为-13.2dB，方位向旁瓣值为-11.64dB。
本发明的有益效果为：本发明提供的高轨卫星SAR动目标检测方法，考虑到了在高轨模式下的两个主要误差，一是传统机载SAR的“走-停”假设不成立，由于高轨卫星SAR和地球目标之间的斜距较大，导致信号传输会有较大的时延，在这个时延中，目标和雷达都会发生相对的位置变动，实际得到的回波并不是理想中的“走-停”假设下的回波；二是由于地球自转和轨道轨迹带来的非线性变化，导致斜距不再是简单的线性关系，出现了二次以上的距离走动和多普勒走动，在长时间观测的过程中，必须进行校正以提高检测与成像效果。同时，本发明考虑到了慢速目标可能淹没于静止杂波的频谱中，利用双通道DPCA可以保留这些淹没于杂波区的运动目标并同时抑制杂波，结合构造的频域匹配函数，对于目标的距离走动和多普勒走动进行校正，实现检测与成像。

Claims (4)

1.一种高轨卫星SAR动目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过高轨卫星SAR中的第一通道发射线性调频信号；
S2、通过地面目标接收第一通道发射的线性调频信号并返回回波信号被高轨卫星SAR中的第一通道和第二通道同时接收；
S3、对第一通道和第二通道接收到的回波信号进行脉冲压缩；
S4、对第一通道和第二通道中的脉冲压缩后的信号进行双通道DPCA对消，得到运动目标回波信号；
S5、构造频率域匹配函数，对运动目标回波信号进行补偿，并做逆傅里叶变换，得到二维时域信号；
S6、对二维时域信号沿慢时间维进行傅里叶变换，并进行CFAR检测，当CFAR检测时的峰值大于设定阈值，则判定检测到动目标，实现动目标的检测；
所述步骤S2中动目标接收到雷达发射的线性调频信号并返回回波信号被高轨卫星SAR的第一通道和第二通道接收时，线性调频信号与回波信号传输总距离Rn(t)为：
Figure FDA0002676915410000011
式中，c为光速；
τ1为在慢时间t时刻，第一通道发射线性调频信号到达动目标时所用的时间，t＝nT，n为雷达发射信号的脉冲序号，T为线性调频信号的重复周期；
τ2为动目标反射的回波信号被第一通道或第二通道接收到的时间；
Figure FDA0002676915410000012
为t＝nT时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；
Figure FDA0002676915410000013
是t1＝nT+τ1时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；
Figure FDA0002676915410000014
是t2＝nT+τ1+τ2时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；
所述S3具体为：
对第一通道和第二通道中的回波信号进行下变频得到对应的回波基带信号S11(t+mT,τ)和S12(t,τ)，再对其沿快时间维进行傅里叶变换，并与距离向参考函数进行匹配实现，实现脉冲压缩；
式中，τ为快时间；
m为满足DPCA条件的正整数；
所述步骤S4具体为：
对第二通道中的回波基带信号进行相位差补偿，然后与第一通道中的回波基带信号相减，得到对消后的残余信号，对其进行变换处理后得到运动目标回波信号；
所述第二通道中的进行相位差补偿时的相位补偿函数为：
Figure FDA0002676915410000021
式中，exp(·)为指数函数；
j为虚数单位；
π为弧度单位；
d为通道间距；
R0为高轨卫星SAR与地面动目标的初始斜距；
c为光速；
τtotal为回波时延；
λ为波长；
v为高轨卫星SAR的速度；
所述步骤后S4中，运动目标回波信号S(t,fτ)为：
Figure FDA0002676915410000022
式中，σ0为信号的常数系数；
rect(·)为矩形窗函数；
fτ为信号的快时间维频率；
B为信号带宽；
fc为载频；
Requal(t)＝R0+v0t+a1t2+a2t3，R0为高轨卫星SAR与地面动目标的初始斜距，v0、a1和a2分别为地面动目标与高轨卫星SAR之间的相对速度、加速度和第二加速度；
所述步骤S5具体为：
S51、对运动目标回波信号S(t,fτ)做一阶Keystone变换，消除多普勒频率项引起的线性距离走动；
其中，对运动目标回波信号S(t,fτ)做一阶Keystone变换的公式为：
Figure FDA0002676915410000031
式中，SKT(tn,fτ)为一阶Keystone变换后的运动目标回波信号；
tn为一阶Keystone变换后的慢时间；
fτ为信号的快时间维频率；
σ1为中间参数；
exp(·)为指数函数；
famb为折叠后的多普勒频率；
fc为载频；
k为多普勒模糊数；
PRF为脉冲重复频率；
a1和a2分别为动目标与高轨卫星SAR之间的加速度和第二加速度；
S52、构造关于多普勒模糊数、加速度和第二加速度的频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)；
其中，频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)为：
Figure FDA0002676915410000041
式中，K,A1,A2分别为多普勒模糊数、加速度和第二加速度的值；
S53、将一阶Keystone变换后的信号SKT(tn,fτ)与频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)相乘，得到慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)；
其中，慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)为：
Figure FDA0002676915410000042
S54、对慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)沿距离频率维域做逆傅里叶变换，得到二维时域信号S1(tn,τ)；
其中，二维时域信号S1(tn,τ)为:
S1(tn,τ)＝D1sinc[B(τ-2R0/c)]exp(j2πfambtn)
式中，D1为常数项系数。
2.根据权利要求1所述的高轨卫星SAR动目标检测方法，其特征在于，所述步骤S52中，构造频率匹配函数的方法具体为：
采用多普勒模糊数、加速度和第二加速度进行三维联合搜索，将每一组多普勒模糊数、加速度和第二加速度读参数代入一阶Keystone变换后回波信号进行相参累积，对相参累积后的累积能量进行比较并选取使累积能量最大的一组参数值，将不适用的参数值去除，以此得到多普勒模糊数的估计值
Figure FDA0002676915410000043
加速度的估计值
Figure FDA0002676915410000044
和第二加速度的估计值
Figure FDA0002676915410000045
关系式为：
Figure FDA0002676915410000051
式中，
Figure FDA0002676915410000052
为对搜索多普勒模糊数、加速度和第二加速度进行搜索时取最大值时对应的三个参数；
Figure FDA0002676915410000053
为对慢时间做傅里叶变换；
Figure FDA0002676915410000054
为对快时间做逆傅里叶变换；
S1(·)为搜索三个参数时的匹配函数；
tn为一阶Keystone变换后的慢时间；
fτ为信号的快时间维频率；
K＝k，A1＝a1，A2＝a2。
3.根据权利要求1所述的高轨卫星SAR动目标检测方法，其特征在于，所述步骤S6中对二维时域信号沿慢时间进行傅里叶变换得到的信号为：
Figure FDA0002676915410000055
式中，D2为常数项系数；
Figure FDA0002676915410000056
为慢时间频率；
Tc为合成孔径时间。
4.根据权利要求3所述的高轨卫星SAR动目标检测方法，其特征在于，所述步骤S6中CFAR检测的方法具体为：
在控制虚警率一定的情况下，遍历所有经过慢时间维傅里叶变换的二维时域信号据，对于每个数据点，设置一个保护单元和参考单元，与周围的数据点进行比较，如果设定的位置，则判定为检测到动目标，实现动目标的检测。
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