CN110187343A - 机载三通道cssar动目标多普勒参数估计和ati相位测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机载三通道CSSAR动目标多普勒参数估计和ATI相位测量方法,机载三通道CSSAR‑GMTI系统得到杂波抑制后的图像后,相乘得到干涉图,测量干涉图中幅度最大点的相位,得到目标的干涉相位,计算相干叠加后的图像,估计目标的多普勒模糊数并补偿目标的残余距离徙动,估计目标的多普勒调频率,利用多普勒模糊数和多普勒调频率,分别对目标进行重聚焦,获得更为精确的目标ATI相位测量结果。本发明对杂波抑制后的数据进行相干积累,提高了目标的信噪比,从而提高了多普勒参数估计精度,目标的信噪比达到了最大,有利于提高ATI相位的估计精度。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号处理领域,尤其是一种多普勒参数估计和干涉相位测量方法。
背景技术
机载圆轨迹条带合成孔径雷达(Circular Stripmap Synthetic ApertureRadar,CSSAR)-地面运动目标指示(Ground Moving Target Indication,GMTI)系统具有覆盖范围广和重访周期短的特点,适合用于空对地广域侦察和时敏目标(如地面运动目标)监视。与单通道系统相比,多通道系统由于具有空域自由度,可以有效的抑制杂波,GMTI性能更加优异,在实际中使用的也更加广泛。特别的,三通道系统由于很好的平衡了成本与性能,而成为实际中非常受欢迎的一种系统。
对于常规的机载直线轨迹三通道SAR-GMTI系统,人们已经进行了较多的研究。但由于机载CSSAR是近几年才出现的一种新的机载SAR,人们对机载三通道CSSAR下地面运动目标多普勒参数估计和沿方向干涉(Along-Track interferometry,ATI)相位测量问题的研究的还很少。目标运动和位置参数估计是GMTI的主要内容之一,而要准确估计出目标的运动和位置参数,通常需要精确估计出目标的多普勒参数和ATI相位。因此,研究目标多普勒参数估计和ATI相位测量方法,对机载三通道
CSSAR-GMTI在实际中的应用具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明为机载三通道CSSAR-GMTI系统提供一种精确的多普勒参数估计和ATI相位测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤为:
步骤1,机载三通道CSSAR-GMTI系统的每个通道分别输出一幅SAR图像,对三个通道输出的三幅SAR图像进行配准,第一个通道配准后的图像减去第二个通道配准后的图像,得到杂波抑制后的图像I12;第二个通道配准后的图像减去第三个通道配准后的图像,得到杂波抑制后的图像I23;
步骤2,图像I12的复共轭与图像I23进行相乘得到干涉图IATI,测量干涉图IATI中幅度最大点的相位,得到目标的干涉相位
步骤3,图像I12与相乘之后再与图像I23相加,得到相干叠加后的图像Iadd;
步骤4,基于步骤3中相干叠加后的数据,估计目标的多普勒模糊数并补偿目标的残余距离徙动,详细步骤如下:
a)目标多普勒模糊数估计公式为:
其中,Mest表示估计得到的目标多普勒模糊数,z(m,tr)为用多普勒模糊数m进行残余距离徙动校正后的信号,表示沿距离快时间维取最大值,表示求函数f(m)取得最大值时的m,c为光速,PRF为脉冲重复频率,m为多普勒模糊数,l0为位于观测距离条带中心处的静止目标的距离方程的二次项系数,fc为载频,fa为方位频率,fr为距离频率,ta为方位慢时间,tr为距离快时间,sadd(tr,ta)为相干叠加后的目标信号,DFT2表示二维傅里叶变换,表示距离向傅里叶逆变换,表示沿方位频率维求和;
b)利用估计得到的多普勒模糊数Mest采用如下公式进行残余距离徙动校正:
其中Sadd,rcmc(tr,fa)残余距离徙动校正后的目标信号;
步骤5,基于步骤4中残余距离徙动校正后的目标信号,估计目标的多普勒调频率,估计方法如下:
其中,ka,est表示估计得到的目标多普勒调频率,k2表示用来对目标进行重聚焦时使用的调频率,Contrast[·]表示图像的对比度,表示求函数f(k2)取得最大值时的k2,ka0为与动目标处于相同距离门的静止目标的多普调频率,表示方位傅里叶逆变换,E{·}表示取空间平均;
步骤6,利用步骤3中估计得到的多普勒模糊数和步骤4中估计得到的多普勒调频率,分别对I12和I23中的目标进行重聚焦,详细方法如下:
其中,s12(tr,ta)表示图像I12中的目标信号,s12,refoc(tr,ta)图像I12中的目标信号的重聚焦结果,s23(tr,ta)表示图像I23中的目标信号,s23,refoc(tr,ta)图像I23中的目标信号的重聚焦结果;
步骤7,基于重聚焦后的目标图像,获得更为精确的目标ATI相位测量结果,具体步骤如下:
其中,重聚焦后测量的目标ATI相位,(·)*表示取复共轭,arg{·}表示取相位。
本发明的有益效果在于针对三通道CSSAR-GMTI系统,在进行目标多普勒参数估计之前,对杂波抑制后的数据进行相干积累,提高了目标的信噪比,从而提高了多普勒参数估计精度。本发明在重聚焦后进行ATI相位估计,此时目标的信噪比达到了最大,有利于提高ATI相位的估计精度。本发明能为机载三通道CSSAR-GMTI系统的实际应用奠定方法基础。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明多普勒模糊数估计结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明的流程示意图,本发明的实施例的具体步骤如下:
步骤1,机载三通道CSSAR-GMTI系统的每个通道分别输出一幅SAR图像,对三个通道输出的三幅SAR图像进行配准,第一个通道配准后的图像减去第二个通道配准后的图像,得到杂波抑制后的图像I12;第二个通道配准后的图像减去第三个通道配准后的图像,得到杂波抑制后的图像I23;
距离多普勒域,第i(i=1,2,3)个通道配准后的目标信号可表示为:
其中,tr为距离快时间,fa为方位频率(多普勒频率),Wa,i(·)为方位频率包络,pr,i(·)为距离包络,c为光速,Rb为目标位于雷达正侧视方向时目标到雷达的距离,vtr目标的径向速度,数M为目标多普勒模糊数,PRF为脉冲重复频率,fc为载频,tb为目标位于雷达正侧视方向的方位时刻,d为基线长度,λ为波长,ka为目标的多普勒调频率,ka0为与动目标处于相同距离门的静止目标的多普调频率。l2为目标距离方程的二次项系,它的表达式为α为一个中间变量,它的表达式为α=(vta-rbω)/Rb,vta为目标的沿航向速度,rb为目标位于雷达正侧视方向时目标到坐标原点的距离,ω为雷达平台的运动角频率。
图像I12目标信号s12(tr,ta)和图像I23中的目标信号s23(tr,ta)可表示为:
其中,ta为方位慢时间,IDFTfa[·]表示方位向傅里叶逆变换。
步骤2,图像I12的复共轭与图像I23进行相乘得到干涉图IATI,测量干涉图IATI中幅度最大点的相位,得到目标的干涉相位
根据式(10)-(12),目标的干涉相位表示为:
其中,[·]*表示复共轭。
步骤3,图像I12与相乘之后再与图像I23相加,得到相干叠加后的图像Iadd;
相干叠加后的目标信号sadd(tr,ta)表示为:
步骤4,基于步骤3中相干叠加后的数据,估计目标的多普勒模糊数并补偿目标的残余距离徙动,从式(10)中目标的距离包络可以看到,当存在多普勒模糊时,目标会存在一个残余距离走动,且改距离走动的斜率与多普勒模糊数成正比。本发明利用这一点来估计目标的多普勒模糊数。
可以通过距离频率域的线性相位方程来校正目标的距离走动,而且,在目标的距离走动被完全校正后,目标的轨迹在距离多普勒域会平行于多普勒轴,此时对目标信号进行一个沿距离向的非相干积累就能获得最大值。基于这些发现,本发明采用如下步骤估计目标的多普勒模糊数:
a)目标多普勒模糊数估计公式为:
其中,Mest表示估计得到的目标多普勒模糊数,z(m,tr)为用多普勒模糊数m进行残余距离徙动校正后的信号,表示沿距离快时间维取最大值,表示求函数f(m)取得最大值时的m,c为光速,PRF为脉冲重复频率,m为多普勒模糊数,l0为位于观测距离条带中心处的静止目标的距离方程的二次项系数,fc为载频,fa为方位频率,fr为距离频率,ta为方位慢时间,tr为距离快时间,sadd(tr,ta)为相干叠加后的目标信号,DFT2表示二维傅里叶变换,表示距离向傅里叶逆变换,表示沿方位频率维求和;
b)利用估计得到的多普勒模糊数Mest采用如下公式进行残余距离徙动校正:
其中Sadd,rcmc(tr,fa)残余距离徙动校正后的目标信号。
步骤5,基于步骤4中残余距离徙动校正后的目标信号,估计目标的多普勒调频率,从式(17)可以看出,残余距离徙动校正后,可以通过补偿残余方位调制(见式17的最后一个指数项)来实现目标重聚焦。因此,采用如下基于最大对比度的估计方法来估计目标多普勒调频率。估计步骤如下:
其中,ka,est表示估计得到的目标多普勒调频率,k2表示用来对目标进行重聚焦时使用的调频率,Contrast[·]表示图像的对比度,表示求函数f(k2)取得最大值时的k2,ka0为与动目标处于相同距离门的静止目标的多普调频率,表示方位傅里叶逆变换,E{·}表示取空间平均;
步骤6,利用步骤3中估计得到的多普勒模糊数和步骤4中估计得到的多普勒调频率,分别对I12和I23中的目标进行重聚焦,详细方法如下:
其中,s12(tr,ta)表示图像I12中的目标信号,s12,refoc(tr,ta)图像I12中的目标信号的重聚焦结果,s23(tr,ta)表示图像I23中的目标信号,s23,refoc(tr,ta)图像I23中的目标信号的重聚焦结果;
步骤7,基于重聚焦后的目标图像,获得更为精确的目标ATI相位测量结果,具体步骤如下:
其中,重聚焦后测量的目标ATI相位,(·)*表示取复共轭,arg{·}表示取相位。
目标的信杂噪比越高,ATI相位的测量精度就越高,而重聚焦能提高目标的信杂噪比。因此,重聚焦后的ATI相位的测量精度会高很多。
本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明。
机载三通道CSSAR-GMTI系统参数见表1,目标参数见表2。图2给出了多普勒模糊数估计结果,可以看到目标的多普勒模糊数被本发明的方法准确估计出了。表4给出了调频率估计结果。
表1机载三通道CSSAR-GMTI系统参数
雷达平台速度 | 125m/s |
飞行半径 | 2.3km |
雷达平台高度 | 8km |
载频 | 10GHz |
发射信号带宽 | 75MHz |
采样频率 | 100MHz |
脉冲重复频率 | 1000Hz |
场景中心距离 | 16km |
基线长度 | 0.12m |
表2目标参数
v<sub>ta</sub>(m/s) | v<sub>tr</sub>(m/s) | R<sub>b</sub>(km) | l<sub>2</sub> | m | |
目标1 | 11.57 | 18.31 | 15.7853 | 3.3394 | 1 |
目标2 | 16.22 | 18.92 | 16.0342 | 3.164 | -1 |
目标3 | 3.85 | 12.99 | 15.8671 | 3.3977 | -1 |
表3调频率估计结果
目标1 | 目标2 | 目标3 | |
k<sub>a</sub>(m/s<sup>2</sup>) | 445.25 | 442.19 | 453.03 |
k<sub>a,est</sub>(m/s<sup>2</sup>) | 445.36 | 442.13 | 452.91 |
估计误差(m/s<sup>2</sup>) | 0.11 | 0.06 | 0.12 |
表4 ATI相位测量结果
从表3可以看出,本发明的调频率估计精度很高,估计误差小于0.15。表4给出ATI相位的测量结果。从表3可以看出,重聚焦后,ATI相位测量精度明显提高。
Claims (1)
1.一种机载三通道CSSAR动目标多普勒参数估计和ATI相位测量方法,其特征在于包括下述步骤:
步骤1,机载三通道CSSAR-GMTI系统的每个通道分别输出一幅SAR图像,对三个通道输出的三幅SAR图像进行配准,第一个通道配准后的图像减去第二个通道配准后的图像,得到杂波抑制后的图像I12;第二个通道配准后的图像减去第三个通道配准后的图像,得到杂波抑制后的图像I23;
步骤2,图像I12的复共轭与图像I23进行相乘得到干涉图IATI,测量干涉图IATI中幅度最大点的相位,得到目标的干涉相位
步骤3,图像I12与相乘之后再与图像I23相加,得到相干叠加后的图像Iadd;
步骤4,基于步骤3中相干叠加后的数据,估计目标的多普勒模糊数并补偿目标的残余距离徙动,详细步骤如下:
a)目标多普勒模糊数估计公式为:
其中,Mest表示估计得到的目标多普勒模糊数,z(m,tr)为用多普勒模糊数m进行残余距离徙动校正后的信号,表示沿距离快时间维取最大值,表示求函数f(m)取得最大值时的m,c为光速,PRF为脉冲重复频率,m为多普勒模糊数,l0为位于观测距离条带中心处的静止目标的距离方程的二次项系数,fc为载频,fa为方位频率,fr为距离频率,ta为方位慢时间,tr为距离快时间,sadd(tr,ta)为相干叠加后的目标信号,DFT2表示二维傅里叶变换,IDFTfr表示距离向傅里叶逆变换,表示沿方位频率维求和;
b)利用估计得到的多普勒模糊数Mest采用如下公式进行残余距离徙动校正:
其中Sadd,rcmc(tr,fa)残余距离徙动校正后的目标信号;
步骤5,基于步骤4中残余距离徙动校正后的目标信号,估计目标的多普勒调频率,估计方法如下:
其中,ka,est表示估计得到的目标多普勒调频率,k2表示用来对目标进行重聚焦时使用的调频率,Contrast[·]表示图像的对比度,表示求函数f(k2)取得最大值时的k2,ka0为与动目标处于相同距离门的静止目标的多普调频率,表示方位傅里叶逆变换,E{·}表示取空间平均;
步骤6,利用步骤3中估计得到的多普勒模糊数和步骤4中估计得到的多普勒调频率,分别对I12和I23中的目标进行重聚焦,详细方法如下:
其中,s12(tr,ta)表示图像I12中的目标信号,s12,refoc(tr,ta)图像I12中的目标信号的重聚焦结果,s23(tr,ta)表示图像I23中的目标信号,s23,refoc(tr,ta)图像I23中的目标信号的重聚焦结果;
步骤7,基于重聚焦后的目标图像,获得更为精确的目标ATI相位测量结果,具体步骤如下:
其中,重聚焦后测量的目标ATI相位,(·)*表示取复共轭,arg{·}表示取相位。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190830 |
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