CN110146882B - 一种基于星载视频sar的运动目标检测与参数估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于星载视频SAR的运动目标检测与参数估计方法，具体过程为：首先，根据待检测目标的速度范围选择合理的帧周期对回波数据进行处理得到SAR视频图像；其次，基于SAR视频图像实现运动目标的检测，估计运动目标像的运动参数；再次，基于运动目标像的运动参数与实际运动参数之间的定量关系，实现基于视频SAR的运动目标检测与参数估计。该方法可以快速实现对运动目标的检测与参数估计。

Description

一种基于星载视频SAR的运动目标检测与参数估计方法

技术领域

本发明属于卫星微波遥感技术领域，具体涉及一种基于星载视频SAR的运动目标检测与参数估计方法。

背景技术

运动目标检测作为现代雷达的重要功能之一，在军事与民用领域都有着广阔的应用前景，由于SAR成像的特殊性，用常规的成像方法对运动目标成像会由于多普勒参数失配造成散焦和偏移，因此SAR动目标检测技术就是由静止场景中检测动目标，并进行运动参数估计与定位，最终能够在SAR图像中显示动目标。

SAR运动目标检测方法主要分为单通道与多通道动目标检测方法，单通道动目标检测方法主要是利用运动目标与静止场景多普勒中心频率、多普勒调频率与时频特性的不同来检测动目标。但是对于单通道系统而言，杂波抑制能力有限，使得动目标淹没在强杂波中难以检测，特别是对于慢速目标的检测更加困难。多通道动目标检测方法充分利用时间与空间自由度，可以更有效地实现杂波抑制以检测动目标。目前常用的杂波抑制方法有DPCA技术、ATI技术和空时自适应(STAP)等技术，多通道动目标检测方法由于利用空间与时间自由度，能够更好地实现杂波抑制，获得较高的检测性能，但是系统复杂度与运算量将大幅增加。

视频SAR系统是一种新的星载微波遥感体制，是对传统卫星静态遥感的升级，通过短时间内多次快速成像，获取观测场景的SAR图像码流，在传统成像的基础上拓展了信息获取的时间维度，使星载SAR从传统的“照片”式静态遥感向新型的“视频”式动态遥感转变，使得微波遥感系统具备了更强的动态信息获取能力，更加适用于运动目标和时变场景的观测，星载视频SAR在军事中应用广泛，可以用于跟踪监测重要军事行动的武器、人员部署情况，提供机场跑道、导弹发射井、武器试验场和防御设施等目标的动态信息。同时视频SAR系统能够提供热点地区威胁目标的运动参数信息(位置、速度等)，为己方打击力量提供目标指示等。

基于星载视频SAR进行动目标检测，系统为单通道系统，可以有效降低系统复杂度与运算量，并且能够充分利用时间维的信息实现杂波抑制，提高检测信噪比，同时基于图像域的动目标检测方法能够解决最小检测速度的问题，对慢速目标的检测性能更优。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于星载视频SAR的运动目标检测与参数估计方法，该方法中卫星通过方位向的大角度波束扫描实现视频成像，首先根据待检测目标的速度范围选择合理的帧周期对回波数据进行处理得到SAR视频图像，然后基于SAR视频图像实现运动目标的检测并估计运动目标像的位置及速度矢量，最后SAR动目标成像理论推导运动目标像的运动参数与实际运动参数之间的定量关系，实现基于视频SAR的运动目标检测、定位及运动速度估计。

本发明的技术解决方案是：

一种基于星载视频SAR的运动目标检测与参数估计方法，具体过程为：

首先，根据待检测目标的速度范围选择合理的帧周期对回波数据进行处理得到SAR视频图像；

其次，基于SAR视频图像实现运动目标的检测，估计运动目标像的运动参数；

再次，基于运动目标像的运动参数与实际运动参数之间的定量关系，实现基于视频SAR的运动目标检测与参数估计。

进一步地，本发明当目标只有方位向速度时，所述帧周期需保证两帧图像之间的运动目标的像不发生重叠；当运动目标既有方位向速度也有距离向速度时，所述帧周期需保证一个帧周期内运动目标的像至少要在方位向移动一个分辨单元。

进一步地，本发明所述运动目标的检测为采用检测前跟踪算法来实现。

进一步地，本发明所述目标实际方位向运动速度为：

其中，v_x为目标实际方位向速度，v_a为雷达运动速度，v_fx为运动目标像的方位向速度。

进一步地，本发明所述目标距离向的速度根据图像域的距离向速度进行估计，所述的目标实际距离向速度为：

v_y＝v_fy

其中，v_y为目标实际方位向速度，v_fy为运动目标像的方位向速度。

进一步地，本发明所述距离向位置由运动目标的像的距离向位置直接进行估计，所述的目标实际距离向位置为：

y_r＝y_f

其中，y_r为目标实际距离向位置，y_f为运动目标像的距离向位置。

进一步地，本发明所述目标实际方位向位置为：

其中，x_r为目标实际距离向位置，x_f为运动目标像的距离向位置，y₀为目标初始距离向位置，v_y为目标实际方位向速度，v_a为雷达运动速度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基于单通道的运动目标检测方法，相对于多通道运动目标检测系统而言，本发明利用视频帧间的信息变化实现运动目标的检测及参数估计，即利用时间维的信息代替了空间维的信息，系统的硬件成本和复杂度将进一步降低，同时可靠性也进一步提升。

(2)本发明所公开的检测方法中，当运动目标速度较小时，方位向的散焦与位移相对较小，运动目标像的能量更集中，所以对于运动速度较小的目标其信杂噪比反而比较大，具有更高的检测性能，更适用于慢速目标的检测，一定程度上突破了传统单通道动目标检测方法最小可检测速度的限制。

(3)本发明公开的方法能够实现对雷达探测区域的连续视频显示，基于视频成像结果的运动目标检测技术具有最直观的呈现效果，相比传统的微波探测手段，视频SAR给出的视频成像结果可以直观反映出目标位置、速度、运动趋势等各种运动参数信息，可以显著提升SAR图像产品的应用水平。

附图说明

图1为运动目标的成像几何示意图；

图2为星载视频SAR成像系统示意图；

图3为基于星载视频SAR的运动目标检测与参数估计流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

运动目标成像原理的推导：

运动目标在静止场景中利用静止场景多普勒参数进行成像造成散焦与移位的机理，得到散焦、移位与运动目标运动特性的定量关系。

具体如下：

如图1所示为运动目标的成像几何示意图，在t＝0时刻，雷达坐标为(0,0,h)，目标P点距雷达的最近距离为

y₀为距离向初始位置，雷达运动速度为v_a，目标作匀速直线运动，距离向速度为v_y，方位向速度为v_x。

在方位时刻t_a，目标匀速直线运动到了(x_t,y_t,0)的位置，雷达距目标的斜距为R(t_a)根据运动特性表达式为：

对上式进行泰勒展开，忽略三次以上的项有瞬时斜距的表示为：

其中

R₀表示最短斜距，v_r为斜距方向的速度，

为径向速度引起的多普勒偏移，λ为载波波长，

为相对于运动目标的多普勒调频率，

为静止场景的多普勒调频率。

利用静止场景的多普勒参数对运动目标进行成像，进行方位向和距离向压缩后的表达式为：

其中，t_r为快时间，t_a为慢时间，σ为后向散射系数，T_P为脉冲宽度，B_r为信号带宽，c为光速，T_LP为运动目标的合成孔径时间，由上式可以看出方位向的中心时刻移动到了

移动的位移为

即由于目标运动造成目标在方位向的偏移为

方位向的时间展宽为：

其中T_s为静止目标的合成孔径时间，则方位向成像的宽度为：

方位向的展宽与合成孔径时间成正比，方位向仍为线性调频信号，多普勒时频关系为：

其中f_d为多普勒频率。

基于上述推导，本发明实施例提供一种基于星载视频SAR的运动目标检测与参数估计方法，该方法中卫星通过方位向的大角度波束扫描实现视频成像，其成像系统示意图如图2所示，利用运动目标帧间变化信息实现运动目标的检测与运动参数估计。其流程如图3所示，具体过程为：

首先，根据待检测目标的速度范围选择合理的帧周期对回波数据进行处理得到SAR视频图像，然后基于SAR视频图像实现运动目标的检测并估计运动目标像的运动参数(包括位置及速度矢量)，最后，SAR动目标成像理论推导运动目标像的运动参数与实际运动参数之间的定量关系，实现基于视频SAR的运动目标检测、定位及运动速度估计。具体如下：

一、视频成像帧频的选择

由于运动目标在静止场景中发生了散焦，所以在每帧图像中运动目标的像对应的是一个区域，区域的大小由目标方位向的展宽决定。

当目标只有方位向速度时，为了保证两帧图像之间运动目标的像不发生重叠，要求：

即运动目标的像在方位向移动的位移大于方位向的展宽量，上式中T_f为帧周期。

当运动目标既有方位向速度也有距离向速度时，运动目标的像在视频SAR图像帧杂波对消后不会发生重叠。但是要保证运动目标可检测，则一个帧周期内运动目标的像至少要在方位向移动一个分辨单元。

该过程可根据被检测目标类型与运动特性提出实现最优检测性能的帧频，通过帧间数据重叠率实现相应的帧频的SAR视频。

二、运动目标检测

由于运动目标在静止场景中发生了散焦，目标的信杂比下降，采用检测前跟踪的方法能够有效提高检测性能，检测前跟踪算法对多帧图像可能的轨迹进行跟踪，逐步删除虚假轨迹并保留真实轨迹，当通过某一门限时，做出航迹判决，由于运动目标在方位向上出现了散焦，出现了跨分辨单元的情况，即每一帧中目标并不是只在一个分辨单元中，所以每一帧对与累积函数的贡献不再是单个分辨单元的贡献，而是某一个范围内分辨单元。但在匀速运动的假设下，散焦结果的分辨单元个数是一定的，检测前跟踪算法用于视频SAR的流程如下：

(1)起始状态确定

由方位向的散焦长度确定检测区域大小，设置门限确定初始目标的位置，确定状态为x₁，然后求出散焦目标的正在第一帧图像中的质心位置为：

将目标的状态更改为

能量累积函数为

然后定义H₁＝x₁，S1为第一帧图像中的检测区域，(m,n)为区域内分辨单元的坐标，z₁(m,n)为该分辨单元的能量。

(2)循环递推

对于2≤k≤K，能量累积函数为：

其中F_k为第k-1帧到第k帧转移后的搜索范围，有最大检测速度等先验知识可以缩小搜索范围，其中

即第k帧的检测区域为使得

取得最大值时S_k的取值，同时计算第k帧中S_k的质心：

状态更改为

令H_k＝x_k为轨迹状态记录。

(3)终止条件

当能量累积函数I(S_k)≥V_T时终止，计算得到此刻的状态x_K，其中V_T为多帧图像积累后的门限。

(4)航迹回溯

根据之前记录的状态得到目标轨迹为

至此即完成了运动目标的像的检测前跟踪，得到了航迹，为运动参数的估计提供了基础。

上述过程通过视频帧之间的变化信息提取实现运动目标检测，进一步通过场景辅助与关联跟踪实现运动目标的确认。

三、运动目标参数估计

完成运动目标检测以后，根据目标的航迹，得到在两帧图像之间运动目标的像的运动矢量D＝(D_x,D_y)，则可以得出该“伪目标”的速度矢量为

由运动目标成像原理的推导的分析可得，运动目标成像后方位向仍为线性调频信号，其时频关系为：

相对于第一帧的多普勒中心频率，第二帧的多普勒中心频率改变量为：Δf＝K_AT_f，则第二帧方位像的中心时刻为

其中

则第二帧图像中方位像中心的位置为：

第一帧的方位像中心位置为：

两帧图像间的方位向位移矢量为：

目标像的方位向速度矢量为

代入得目标实际方位向运动速度为：

其中v_x为目标实际方位向速度，v_a为雷达运动速度，v_fx为运动目标像的方位向速度。

对于距离向的速度，由于多普勒成像后残余的距离徙动小于距离向分辨单元的大小，故距离向的速度可直接根据图像域的距离向速度进行估计。目标实际距离向速度为：

v_y＝v_fy

其中v_y为目标实际方位向速度，v_fy为运动目标像的方位向速度。

运动目标的实际距离向位置为：

y_r＝y_f

其中y_r为目标实际距离向位置，y_f为运动目标像的距离向位置。

目标实际方位向位置为其真实位置减去其由于多普勒中心频率误差引起的偏移，

其中x_r为目标实际距离向位置，x_f为运动目标像的距离向位置，y₀为目标初始距离向位置，v_y为目标实际方位向速度，v_a为雷达运动速度。

上述过程通过对动目标的像在视频帧之间的位置差分，利用位置移动关系实现运动目标像的速度估计。根据参数估计得到的运动目标真实速度与位置偏移信息，实现运动目标在静止场景中的重定位，实现了基于视频SAR的运动目标检测与运动参数估计。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于星载视频SAR的运动目标检测与参数估计方法，其特征在于，具体过程为：

首先，根据待检测目标的速度范围选择合理的帧周期对回波数据进行处理得到SAR视频图像；

其次，基于SAR视频图像实现运动目标的检测，估计运动目标像的运动参数；

再次，基于运动目标像的运动参数与实际运动参数之间的定量关系，实现基于视频SAR的运动目标检测与参数估计；

当目标只有方位向速度时，所述帧周期需保证两帧图像之间的运动目标的像不发生重叠；当运动目标既有方位向速度也有距离向速度时，所述帧周期需保证一个帧周期内运动目标的像至少要在方位向移动一个分辨单元；

所述目标实际方位向运动速度为：

其中v_x为目标实际方位向速度，v_a为雷达运动速度，v_fx为运动目标像的方位向速度；

所述目标距离向的速度根据图像域的距离向速度进行估计，所述的目标实际距离向速度为：

v_y＝v_fy

其中v_y为目标实际方位向速度，v_fy为运动目标像的方位向速度；

所述距离向位置由运动目标的像的距离向位置直接进行估计，所述的目标实际距离向位置为：

y_r＝y_f

其中y_r为目标实际距离向位置，y_f为运动目标像的距离向位置；

所述目标实际方位向位置为：

其中x_r为目标实际距离向位置，x_f为运动目标像的距离向位置，y₀为目标初始距离向位置，v_y为目标实际方位向速度，v_a为雷达运动速度。

2.根据权利要求1所述基于星载视频SAR的运动目标检测与参数估计方法，其特征在于，所述运动目标的检测为采用检测前跟踪算法来实现。

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