CN110456349A - 基于分布式合成孔径雷达的动目标检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于分布式合成孔径雷达的动目标检测系统，包括以合成孔径雷达为有效载荷的至少一个主星和至少一个辅星，该系统还包括设置在主/辅星上的杂波抑制模块和脉冲发射模块，所述主星通过所述脉冲发射模块发射信号，所述杂波抑制模块基于发射信号返回的回波信号信号重构器重构生成虚拟均匀采样信号后最大化输出信号的信杂噪比，并且在获得回波信号中动目标的速度信息后调整所述脉冲发射模块的周期使得生成的杂波等效径向速度落在所述动目标速度预设范围外。本发明能够利用空时自适应处理技术来抑制非平稳杂波的同时设定脉冲重复周期信号的周期以避免动目标信号在空时自适应处理技术抑制杂波的过程中被消除，从而降低检测失败的概率。

Description

基于分布式合成孔径雷达的动目标检测系统
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及基于分布式合成孔径雷达的动目标检测系统。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)地面运动目标监测技术，能够对观测场景高分辨成像，同时完成地面目标的检测与定位，被广泛地应用于城市交通监视与军事侦察预警领域。
目前，针对合成孔径雷达地面运动目标检测技术的研究主要分为幅度监测，相位监测和幅度相位联合检测三类。幅度检测是对自适应杂波抑制后的合成孔径雷达图像利用其幅度信息进行目标检测。相位检测主要是对雷达两个通道的合成孔径雷达图像数据做干涉处理，并在提取其干涉相位后基于信号的干涉相位信息实现地面目标检测。幅度相位联合检测是联合合成孔径激光雷达图像自适应杂波抑制后的幅度信息和合成孔径激光雷达图像的两通道干涉相位共同作为判定准则实现地面动目标检测。
例如，公开号为CN106249219B的中国专利文献公开了一种基于自适应匹配滤波相应的合成孔径雷达动目标检测方法，主要解决现有技术对地面慢速运动目标检测困难和检测性能不稳健的问题。其实现步骤是：(1)生成数据矢量；(2)对每一个像素点进行幅度检测，得到潜在目标；(3)估计每一个潜在目标的径向速度值；(4)估计潜在目标的能量损失；(5)确定能量损失量的检测门限；(6)剔除虚警；(7)确定监测结果，将动目标作为最终的监测结果。但是，该专利没有考虑到在强弱对比明显的非均匀场景中的模糊强杂波的抑制问题。
例如，公开号为CN103217677A的中国专利文献公开了一种基于联合检测量的单通道合成孔径雷达动目标检测方法，它是基于合成孔径雷达图像在方位向频谱的划分获取子图像对应的子孔径，而后结合二维自适应方法对不同子图像间在幅度和相位上的误差进行校正，实现子孔径间的配准；再利用相邻子图像间协方差矩阵获得的第二特征值与独立归一化相位的联合检测时间目标检测。该方法具有良好的杂波抑制能力，稳健性较高，因此可以高效地实现运动目标的检测，并用于单通道合成孔径雷达图像的运动目标检测。但是，实际的监测场景往往无法满足距离平稳性，在地面起伏较剧烈时会导致同一距离环内目标具有不同的距离特性，而该专利提出的联合时间的空时自适应处理方法是以杂波具有较好的距离的平稳性为前提的，该专利提供的杂波抑制方法无法有效的抑制这种非平稳杂波。
例如，公开号为CN104515980A的中国专利文献公开一种基于In合成孔径雷达构型的地面运动目标检测方法和装置，其中，该方法包括：根据场景辐照区接收到的原始回波信号建立滑动聚束合成孔径雷达回波模型，并对模型中的单个雷达的二维滑动聚束初始合成孔径雷达图像；将成像后的多个雷达的初始合成孔径雷达图像组成三维矩阵，对三维矩阵切片进行压缩感知处理，获得合成孔径雷达图像；对合成孔径雷达图像进行配准处理，不同合成孔径雷达图像中的同一像素对应同一地面单元；对配准后的合成孔径雷达图像进行空时自适应处理，对空时自适应处理后的合成孔径雷达图像进行高程相位补偿；利用恒虚警率检测技术对高程相位补偿后的合成孔径雷达图像进行目标检测。该方法采用高程相位补偿的方法可以明显提高测速精度。但是，该专利提供的动目标检测方法没有考虑到分布式小卫星的编队构型实际上无法满足均匀排列的，而且实际的监测场景往往无法满足距离平稳性，因此空时自适应处理难以有效地抑制杂波。此外，该专利公开的方法需要对高程相位进行补偿，但是实际上的分布式小卫星提供的基线都是带有沿航迹基线的混合基线，需要对混合基线进行解耦合。
例如，公开号为CN1066842143A的中国专利文献公开本一种基于滤波的雷达目标快速CFAR检测方法，其主要思路为：获取合成孔径雷达雷达成像数据；将所述合成孔径雷达雷达成像数据记为待检测图像的幅度矩阵I，I中包含感兴趣动目标和感兴趣动目标的背景杂波，且I中的感兴趣动目标所占像素个数为然后依次计算待检测图像的X×Y维能量矩阵S和待检测图像的M×N维统计矩阵，并计算待检测图像的维频域待滤波矩阵，进而计算背景杂波滤波处理后的维统计矩阵；依次计算待检测图像的R×G维杂波能量矩阵和感兴趣动目标的R'×G'维判定矩阵；并计算感兴趣动目标的X'×Y'维有效判定矩阵；得到感兴趣动目标的X'×Y'维有效判定矩阵中X'行、Y'列元素对应感兴趣目标中的感兴趣动目标。但是，该方法只能在背景杂波较弱而动目标回波能量较强的情况下使用，当背景回波的能量较强的情况下会淹没动目标的回波能量，导致无法有效地的检测动目标。而且，为了高分辨宽测绘带成像，一般分布式合成孔径雷达系统使用低周期的脉冲重复周期信号进行采样。分布式合成孔径雷达系统的沿航迹基线的间隔决定了一个最大不模糊的径向速度范围。当动目标的径向速度超过了最大不模糊的径向速度范围时，会发生空域模糊。空域模糊不仅会影响到地面动目标速度的估计和定位，也会影响到模糊杂波分量的导向矢量。在发生空域模糊后，当动目标的等效径向速度靠近模糊杂波分量的等效径向速度后，会导致动目标也被抑制。因此需要对脉冲重复周期信号的周期进行设定以避免动目标信号在空时自适应处理技术抑制杂波的过程中被消除。
综上，需要对现有技术进行改进，以在分布式合成孔径雷达成像系统中能够利用空时自适应处理技术来抑制非平稳杂波的同时设定脉冲重复周期信号的周期以避免动目标信号在空时自适应处理技术抑制杂波的过程中被消除，从而降低检测失败的概率，还可以得到动目标的速度信息和位置信息。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供了基于分布式合成孔径雷达的动目标检测系统，本发明基于信号重构的方式使得杂波抑制模块可以利用分布式合成孔径雷达的多自由度特性来抑制杂波，能够最大化的输出信号信杂噪比以提高地面动目标的检测概率，然后根据杂波抑制模块输出的信号反馈至脉冲发射模块以调整脉冲周期，避免动目标信号在空时自适应处理技术抑制杂波的过程中被消除，从而降低检测失败的概率；而且本发明还可以通过基线补偿模块进行基线的解耦合和相位补偿以避免合成孔径雷达图像相干性下降，从而提高所述杂波抑制模块的杂波抑制性能以及提高测速精度。
根据一个优选实施方式，基于分布式合成孔径雷达的动目标检测系统，包括以合成孔径雷达为有效载荷的至少一个主星和至少一个辅星。该系统还包括设置在主/辅星上的杂波抑制模块和脉冲发射模块。所述主星通过所述脉冲发射模块发射信号，所述杂波抑制模块基于发射信号返回的回波信号信号重构器重构生成虚拟均匀采样信号后最大化输出信号的信杂噪比。在获得回波信号中动目标的速度信息后调整所述脉冲发射模块的周期使得生成的杂波等效径向速度落在所述动目标速度预设范围外。
根据一个优选实施方式，所述杂波抑制模块包括信号重构器和空时自适应处理器。所述信号重构器基于方位维、距离维和俯仰维描述回波信号的空间采样信号的坐标。所述信号重构器根据就近原则计算相应维度下的插值矩阵。所述信号重构器从而对空间采样信号进行信号重构得到导向矢量确定的虚拟均匀采样信号。
根据一个优选实施方式，所述空时自适应处理器至少还包括权值生成器和数据训练单元。所述权值生成器基于虚拟均匀采样信号以及数据训练单元学习得到的权值作用于所述虚拟均匀采样信号以使得动目标的信号输出的信杂噪比最大化。所述数据训练单元从回波数据中剔除地面动目标以及与地面动目标相邻单元的数据后进行学习得到权值。
根据一个优选实施方式，所述系统还包括动目标检测模块。所述动目标检测模块被配置为：在回波信号通过所述杂波抑制模块进行杂波抑制处理后基于先验信息对消掉杂波引起的相位差并选取动目标速度预设范围。所述动目标检测模块在选取的动目标速度范围内构造关于动目标的速度矢量函数，并基于所述速度矢量函数和动目标速度预设范围实现动目标检测。
根据一个优选实施方式，所述系统还设置有基线补偿模块。在所述回波信号通过所述动目标检测模块进行检测之前，所述回波信号通过所述基线补偿模块基于所述主星的运动轨迹参数以及所述主星与辅星的空间位置关系，将时变和/或混合基线补偿为固定的沿航迹基线以避免得到的图像的相干性下降。
根据一个优选实施方式，所述基线补偿模块包括时变基线补偿器。所述时变基线补偿器被配置为：在一个合成孔径成像时间段内基于所述主星的航迹构造至少一条与所述主星的航迹平行的新辅星航迹的以时间为变量的多项式方程来补偿因回波的波程差值带来的相位差。从而得到等效于沿新辅星航迹下的呈固定沿航迹基线下的回波信号。
根据一个优选实施方式，所述基线补偿模块还包括解耦合器。所述解耦合器被配置为：基于所述时变基线向所述辅星的航迹方向投影得到有效沿航迹基线的矢量模方程得到所述辅星的速度矢量与所述主星的天线波束中心视线方向单位矢量的几何关系得到的所述主星正侧视下的天线波束中心视线矢量生成时变沿航迹基线以提高测速精度。
根据一个优选实施方式，所述脉冲发射模块基于所述目标检测模块得到的动目标速度信息调整脉冲周期以避免所述动目标速度预设范围内出现盲速。
根据一个优选实施方式，一种基于分布式合成孔径雷达的动目标检测方法，使用以合成孔径雷达为有效载荷的至少一个主星、至少一个辅星以及设置在所述主/辅星上的杂波抑制模块和脉冲发射模块构成的系统进行动目标检测。所述主星通过所述脉冲发射模块发射信号。所述杂波抑制模块基于发射信号返回的回波信号重构生成虚拟均匀采样信号后最大化输出信号的信杂噪比。述杂波抑制模块在获得回波信号中动目标的速度信息后调整所述脉冲发射模块的周期使得生成的杂波等效径向速度落在所述动目标速度预设范围外。
根据一个优选实施方式，所述杂波抑制模块包括信号重构器和空时自适应处理器。所述信号重构器基于方位维、距离维和俯仰维描述回波信号的空间采样信号的坐标。所述信号重构器根据就近原则计算相应维度下的插值矩阵，从而对空间采样信号进行信号重构得到导向矢量确定的虚拟均匀采样信号。
本发明的有益技术效果包括以下一项或多项：
1.由于空时自适应技术对需要从相邻的距离单元内获取训练样本来估计协方差矩阵实现杂波的有效抑制，当分布式合成孔径雷达系统为非均匀空间构型时，会产生非均匀采样信号，信号的频谱会产生非常强烈的旁瓣，导致非均匀空间构型的分布式合成孔径雷达系统无法通过空时自适应技术有效地抑制地面杂波，而本发明通过信号重构器，将非均匀采样的回波信号分别在距离向、方位向、俯仰向重构为虚拟的均匀采样信号，从而得到虚拟均匀采样信号，该虚拟均匀采样信号不仅保留了真实信号中必要的信息，而且满足了空时自适应处理器对构型的要求，而且空时自适应处理器能够充分利用非均匀空间构型的俯仰向和距离向的空间自由度，能够有效地抑制非平稳杂波，并且最大化输出信号的信杂噪比以提高动目标的检测概率；
2.通过得到的虚拟均匀采样信号能够与空时自适应技术相结合来抑制杂波，能够有效的利用俯仰向的空间自由度来抑制非平稳杂波，从而提高动目标的检测概率；
3.数据训练单元从回波数据中剔除地面动目标以及与地面动目标相邻单元的数据后进行学习得到权值，能够避免权值因为性能损失导致得到的权值无法分辨杂波和动目标；
4.动目标检测模块分别通过对动目标的速度矢量函数的最大值和动目标的复幅度的平方进行门限检测，能够大大降低检测失败的概率，并且还还可得到动目标的速度信息和位置信息；
5.在合成孔径雷达高分辨、宽测绘带成像需要低方位的脉冲重复周期信号进行采样时，脉冲发射模块通过动目标检测模块反馈的动目标速度信息设置脉冲重复周期信号的周期以避免动目标信号在空时自适应处理技术抑制杂波的过程中被消除，从而降低检测失败的概率。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施方式的简化模块示意图；和
图2是本发明的一个优选分布式合成孔径雷达沿航迹基线的几何示意图。
附图标记列表
100：主星 200：辅星
210：新辅星 300：基线补偿模块
310：时变基线补偿器 320：解耦合器
400：杂波抑制模块 410：信号重构器
420：空时自适应处理器 421：权值生成器
422：数据训练单元 500：动目标检测模块
600：脉冲发射模块 O1：主星100的空间位置点
O22：辅星200运动后的空间位置点 P：主星100照射的区域
N1：主星100航迹 N2：主星辅星200航迹
θ：主星100天线斜视角 F：N1与b1构成的平面
O2：辅星200的空间位置点
A：主星100的空间位置点O1在辅星200航迹N2上的投影点
辅星200航迹N2向平面F投影得到的航迹
b1：主星100天线波束中心视线方向单位矢量
b2：辅星200天线波束中心视线方向单位矢量
b3：主星100正侧视情况下的波束中心视线方向的单位矢量
O2在上对应的投影点
O22在上对应的投影点
A在上对应的投影点
具体实施方式
下面结合附图1和附图2进行说明。
实施例1
本发明公开了基于分布式合成孔径雷达的动目标检测系统，根据一个优选实施方式，基于分布式合成孔径雷达的动目标检测系统，包括以合成孔径雷达为有效载荷的至少一个主星100和至少一个辅星200。该系统还包括设置在主/辅星上的杂波抑制模块400和脉冲发射模块600。主星100通过脉冲发射模块600发射信号，杂波抑制模块400基于发射信号返回的回波信号信号重构器重构生成虚拟均匀采样信号后最大化输出信号的信杂噪比。在获得回波信号中动目标的速度信息后调整脉冲发射模块600的周期使得生成的杂波等效径向速度落在动目标速度预设范围外。优选地，本发明的分布式合成孔径雷达系统可以是非均匀空间构型。非均匀空间构型指的是各主/辅星间的位置不是均匀的线阵和/或面阵。例如，干涉Cartwheel构型、Helix构型、Pendulum构型等均是非均匀空间构型。非均匀空间构型会导致各主/辅星之间的基线(即主/辅星上天线之间的连线)长度不等，并且随着主星和辅星的相对位置变化会导致各主/辅星之间的基线具有时变和混合特性。优选地，时变特性指的是基线的方向和长度随时间变化。混合特性指的是基线的方向不是单纯的沿卫星的航行方向(即沿航迹基线)或沿垂直于卫星航行的方向(即切航迹基线)，而是混合有沿航迹基线分量和切航迹基线分量。沿航迹基线携带有地面动目标的速度信息。切航迹基线携带有地面高程信息。
优选地，主星100上的合成孔径雷达系统对地发送用于成像的雷达信号。发送的雷达信号可以是脉冲重复周期信号，例如，线性调频脉冲重复信号。优选地，主星100、辅星200上的合成孔径雷达系统对基于接收的地面回波信号生成两幅合成孔径雷达复图像，并对两幅合成孔径雷达复图像进行干涉成像处理。地面回波信号包括由发射主星与接收辅星之间的基线带来的相位信息。优选地，由于回波信号中的地面杂波会掩没地面动目标的回波信号，因此现有技术一般采用空时自适应处理技术抑制地面杂波回波信号避免慢速运动目标的信号被杂波信号掩埋。空时自适应技术是将回波信号进行采样形成时间相关、距离相关和卫星个数相关的三维矩阵形式，并在时间维度上，即在三维矩阵中的二维矩阵(距离×卫星个数)的信号中通过冲击响应滤掉杂波来检测是否存在动目标。本发明采用将回波信号重构为虚拟均匀采样信号至少能够实现以下有益技术效果：第一，由于空时自适应技术对需要从相邻的距离单元内获取训练样本来估计协方差矩阵实现杂波的有效抑制，当分布式合成孔径雷达系统为非均匀空间构型时，会产生非均匀采样信号，信号的频谱会产生非常强烈的旁瓣，导致非均匀空间构型的分布式合成孔径雷达系统无法通过空时自适应技术有效地抑制地面杂波，而本发明通过信号重构器410，将非均匀采样的回波信号分别在距离向、方位向、俯仰向重构为虚拟的均匀采样信号，从而得到虚拟均匀采样信号，该虚拟均匀采样信号不仅保留了真实信号中必要的信息，而且满足了空时自适应处理器420对构型的要求；第二，空时自适应处理器420能够充分利用非均匀空间构型的俯仰向和距离向的空间自由度，能够有效地抑制非平稳杂波，并且最大化输出信号的信杂噪比以提高动目标的检测概率。
优选地，脉冲发射模块600发射的是脉冲重复周期信号。如图1所示，脉冲发射模块600通过动目标检测模块500能够获得动目标的速度信息而调整脉冲周期。优选地，在合成孔径雷达系统高分辨、宽测绘带成像的时间段内，经过脉冲重复周期信号重复采样后的回波信号通过杂波抑制模块400抑制杂波的过程中，基于脉冲重复周期信号的周期生成的等效径向速度落在动目标速度预设范围外，从而避免动目标速度预设范围内的动目标信号在杂波抑制模块400抑制杂波的过程中被消除。
根据一个优选实施方式，杂波抑制模块400包括信号重构器410和空时自适应处理器420。信号重构器410基于方位维、距离维和俯仰维描述回波信号的空间采样信号的坐标。信号重构器410根据就近原则计算相应维度下的插值矩阵。信号重构器410从而对空间采样信号进行信号重构得到导向矢量确定的虚拟均匀采样信号。优选地，信号重构器410被配置为：基于方位维、距离维和俯仰维描述空间采样信号的坐标，并根据就近原则计算空间采样信号与虚拟均匀采样信号的每个信号间的距离；在分别以方位维、距离维和俯仰维为基准面的情况下，计算得到相应维度下的方位向插值矩阵、距离向插值矩阵和俯仰向插值矩阵；基于方位向插值矩阵、距离向插值矩阵和俯仰向插值矩阵对空间采样信号进行信号重构得到导向矢量确定的虚拟均匀采样信号。优选地，分布式合成孔径雷达系统由于具有不同方向的基线分量和不同长度的基线组合，能够为雷达提供对地探测的多项功能。在大多数情况下，分布式合成孔径雷达系统无论是在沿卫星的运动方向还是在天线的俯仰方向，都无法满足卫星的均匀分布。但是，空时自适应技术需要卫星在空间上必须严格按照均匀的间隔分布，否则会由于卫星的非均匀构型导致对回波信号的非均匀采样。非均匀采样会使得采样信号的频谱产生非常强烈的旁瓣，从而导致抑制杂波的能力的下降。因此，非均匀空间构型的分布式合成孔径雷达系统无法直接使用空时自适应技术。通过该方式，信号重构器410能够将非均匀空间构型的非均匀采样信号重构成虚拟的均匀采样信号，克服空间欠采样问题，使得非均匀空间构型的分布式合成孔径雷达系统满足空时自适应处理技术的要求。
优选地，由于地面杂波的能量分布不但随着时间多普勒频率和空间多普勒频率分布，而且，由于天线俯仰角的不同，导致了位于同一距离带的两个杂波点的距离特性也不同，产生了杂波的非平稳性。优选地，分布式合成孔径雷达系统存在沿俯仰向分布的卫星天线，可以提供回波信号俯仰向的频率信息。而非均匀空间构型的分布式合成孔径雷达系统具有俯仰向的空间自由度，为抑制非平稳杂波提供了条件。
优选地，由于回波信号的非均匀采样相比于均匀采样，卫星间的间隔各不相同，因此造成了回波信号的空间欠采样，也降低了各采样信号间的相关性。信号重构器410根据阵列插值将实际的非均匀信号重构为虚拟的均匀采样信号。优选地，非均匀空间采样信号可以基于方位维、距离维和俯仰维来描述，即通过方位维、距离维和俯仰维作为回波空间采样信号的坐标。实际的存在N个接收合成孔径雷达天线的非均匀采样信号的坐标为[x1,y1,z1]…[xN,yN,zN]，重构后存在M个虚拟的均匀采样信号的坐标为[x‘1,y’1,‘z1]…[x’M,y‘M,z’M]。根据坐标可以计算信号重构前后的距离为：
其中，n＝1,2,··N以及m＝1,2,…M。首选固定m，测试非均匀采样信号中那个采样信号的空间位置与第m个虚拟的均匀采样信号空间位置最近。测试后将距离最短的采样信号xn与x’m相对应。然后再依此方法确定其他采样信号的位置关系。建立对应关系后求取非均匀采样信号的导向矢量E以及虚拟的均匀采样信号的导向矢量从而求得插值矩阵B对信号进行重构。由于坐标有三个变量，因此需要分别计算方位维、距离维和俯仰维相对应的插值矩阵。得到插值矩阵后就可以对非均匀采样信号进行重构，得到虚拟的均匀采样信号。通过该方式，重构后的虚拟的均匀采样信号不仅保留了非均匀采样信号中的必要信息，而且满足了空时自适应杂波抑制技术对均匀构型的要求。
根据一个优选实施方式，空时自适应处理器420至少还包括权值生成器421和数据训练单元422。权值生成器421基于虚拟均匀采样信号以及数据训练单元422学习得到的权值作用于虚拟均匀采样信号以使得动目标的信号输出的信杂噪比最大化。数据训练单元422从回波数据中剔除地面动目标以及与地面动目标相邻单元的数据后进行学习得到权值。优选地，在空间采样信号重构为虚拟均匀采样信号后，权值生成器421基于虚拟均匀采样信号以及数据训练单元422学习得到权值，并将权值作用于虚拟均匀采样信号以使得动目标的信号输出的信杂噪比最大化。所述数据训练单元422从回波数据中剔除地面动目标以及与地面动目标相邻单元的数据后进行学习得到权值。优选地，分布式合成孔径雷达系统的杂波在杂波源满足独立同分布条件的情况下，可以表示为杂波源点的关于归一化多普勒频率的时间导向矢量与关于空间频率的空间导向矢量的Kronecker积。分布式合成孔径雷达系统下的归一化多普勒频率和空间频率之间存在耦合关系，而这种耦合关系准确地描述了杂波的能量分布。明确了杂波的分布，设置相应的权值生成器421就可以有效地抑制掉杂波。归一化多普勒频率和空间频率之间的耦合关系可以用β表示。β的物理意义是在一个相干积累时间内，辅星200或主星100飞过半个基线长度的次数。在正侧视的情况下，杂波的大部分能量都集中在以β为斜率的直线上，可以以此规律来设置权值生成器421的权值。在杂波源满足独立同分布条件的情况下，权值生成器421的权值作用于虚拟均匀采样信号，使得相对于辅星200和/或主星100位于斜视角θ，且具有径向速度矢量的动目标的输出信杂噪比最大化。权值生成器421的权值与杂波的协方差矩阵的估计值有关协方差矩阵的估计值可以通过待检测的虚拟均匀采样信号得到外，还可以通过数据训练单元422得到。数据训练单元422与的关系如下式所示：
其中，P为训练数据量。sm为训练数据，即除了待检测外的虚拟均匀采样信号。为sm的共轭转置。优选地，由于估计的协方差矩阵与实际的协方差矩阵会有差异，导致权值生成器421会有性能损失。性能损失会随着数据训练单元422的学习不断累加。为了避免性能损失导致得到的权值无法分辨杂波和动目标，所述数据训练单元422需要从回波数据中剔除地面动目标以及与地面动目标相邻单元的数据后进行学习得到权值。本发明采用此技术方案至少能够得到以下有益技术效果：第一，通过得到的虚拟均匀采样信号能够与空时自适应技术相结合来抑制杂波，能够有效的利用俯仰向的空间自由度来抑制非平稳杂波，从而提高动目标的检测概率；第二，数据训练单元422从回波数据中剔除地面动目标以及与地面动目标相邻单元的数据后进行学习得到权值，能够避免权值因为性能损失导致得到的权值无法分辨杂波和动目标。
根据一个优选实施方式，系统还包括动目标检测模块500。动目标检测模块500被配置为：在回波信号通过杂波抑制模块400进行杂波抑制处理后基于先验信息对消掉杂波引起的相位差并选取动目标速度预设范围。动目标检测模块500在选取的动目标速度范围内构造关于动目标的速度矢量函数，并基于速度矢量函数和动目标速度预设范围实现动目标检测。优选地，动目标检测模块500被配置为：在回波信号通过杂波抑制模块400进行杂波抑制处理以及通过基线补偿模块300进行相位补偿之后，动目标检测模块500基于先验信息对消掉杂波引起的相位差以使得回波信号中只剩下动目标引起的相位差；基于先验信息选取动目标速度预设范围，并在目标速度范围内选取足够的样品观测值构造关于动目标的速度矢量函数；当动目标的速度矢量函数的最大值超过预设门限值且动目标的速度矢量的估计值在动目标速度预设范围内时，通过计算得到动目标的幅度信息进行门限检测，从而实现动目标的检测；当动目标的速度矢量函数的最大值小于预设门限和/或动目标的速度矢量不在动目标速度预设范围内时，基于先验信息选取另一个动目标速度预设范围来构造关于动目标的速度矢量函数，并重复上述步骤。优选地，目标检测模块500基于辅星200关于主星100形成的基线、辅星200的飞行速度矢量等先验信息，针对杂波频率项的向量构建一个该向量的逆矩阵，该逆矩阵与杂波频率项的向量相乘之后得到元素均为1的矩阵，从而消除了由杂波引起的频率变化。优选地，通过对消掉杂波频率引起的相位差，使得回波信号中只剩下动目标引起的相位差。优选地，在实际情况中动目标相关的信息全是未知的。但是可以根据现有的先验信息知道不同类型的运动目标的运动速度范围。例如坦克的行进速度大概是在48～72km/h范围内，军用吉普车的行进速度大概在70～120km/h之间。因此可以在这些速度范围选取足够的样品观测值，通过合适的估计算法，例如最大似然法来得到需要的速度矢量函数。速度矢量函数的意义在于在求取使得速度矢量函数到达最大值时，求解得到最接近动目标的真实速度值的速度矢量估计值。优选地，当动目标的速度矢量函数的最大值超过预设门限值且动目标的速度矢量的估计值在动目标速度预设范围内时，通过例如最小二乘法等算法来确定动目标的幅度信息。优选地，预设门限值可以根据动目标的运动速度范围来设置。优选地，基于得到的动目标的复幅度的平方来进行恒虚警门限检测。优选地，恒虚警门限的值由虚警概率决定，其中Th为门限值。当动目标的复幅度的平方大于Th时，动目标存在。当动目标的复幅度的平方小于Th时，动目标不存在。通过该方式，动目标检测模块500分别通过对动目标的速度矢量函数的最大值和动目标的复幅度的平方进行门限检测，能够大大降低检测失败的概率，并且还还可得到动目标的速度信息和位置信息。
根据一个优选实施方式，脉冲发射模块600基于目标检测模块500得到的动目标速度信息调整脉冲周期以避免动目标速度预设范围内出现盲速。优选地，在合成孔径雷达系统通过主星100以及辅星200接收回波信号并在方位向以脉冲重复周期信号进行采样形成高分辨、宽测绘带图像时，脉冲重复周期信号的频率与工作波长的一半的乘积大于动目标速度预设范围的最大值，从而避免动目标速度预设范围内出现盲速。优选地，地面动目标因多普勒中心模糊与静止杂波有相同的多通道导向矢量，因此在杂波抑制的过程中也将地面动目标返回的回波抑制。相应地，会在速度响应曲线上出现凹口，即盲速。靠近盲速的动目标的输出信杂比也将大幅度降低，极大的影响可检测速度范围。优选地，为了高分辨宽测绘带成像，使用低周期的脉冲重复周期信号进行采样。但脉冲重复周期信号的周期越小，动目标速度预设范围内盲速出现越频繁。为了避免在动目标速度预设范围内出现盲速，脉冲重复周期信号的频率需要满足其中，vmax表示最大动目标预设速度。vPRF表示脉冲重复周期信号的速度。PRF表示脉冲重复周期信号的频率。λ表示雷达工作的波长。优选地，方位多卫星平台的沿沿航迹基线的间隔决定了一个最大不模糊的径向速度范围。当动目标的径向速度超过了最大不模糊的径向速度范围时，会发生空域模糊。空域模糊不仅会影响到地面动目标径速度的估计和定位，也会影响到模糊杂波分量的导向矢量。由于权值生成器421使得杂波抑制模块400具有类似带通带阻特性。杂波抑制模块400的带阻对准每个模糊杂波分量的等效径向速度。在发生空域模糊后，当动目标的等效径向速度靠近模糊杂波分量的等效径向速度后，会导致动目标也被抑制。因此脉冲重复周期信号的周期生成的等效径向速度落在动目标速度预设范围外，从而避免动目标速度预设范围内的动目标信号在杂波抑制模块400抑制杂波的过程中被消除。通过该方式，在合成孔径雷达高分辨、宽测绘带成像需要低方位的脉冲重复周期信号进行采样时，通过设置脉冲重复周期信号的频率满足并且脉冲重复周期信号生成的等效径向速度落入动目标速度预设范围外，能够避免动目标速度预设范围内出现盲速以及避免回波信号在杂波抑制模块400抑制杂波的过程中被消除。
实施例2
本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。
根据一个优选实施方式，系统还设置有基线补偿模块300。在回波信号通过动目标检测模块500进行检测之前，回波信号通过基线补偿模块300基于主星100的运动轨迹参数以及主星100与辅星200的空间位置关系，将时变和/或混合基线补偿为固定的沿航迹基线以避免得到的图像的相干性下降。优选地，基线补偿模块300在合成孔径雷达系统成像时间段内基于星历数据以及主/辅星的空间位置关系，将在时变、混合的基线下接收的回波信号补偿为在固定沿航迹基线下接受的回波信号。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：第一，由于非均匀空间构型会导致星间基线在各个线性调频脉冲重复信号的发射时刻不停改变，使得合成孔径雷达图像对干涉成像时的相位信息增加了一个高阶变动因子，而采用本发明后，基线补偿模块300通过将时变的基线重构为固定基线，并基于时变基线和固定基线之间的波程差值进行补偿以对消掉高阶变动因子，避免合成孔径雷达图象对的相干性下降，从而提高杂波抑制模块400的杂波抑制性能；第二，由于混合基线具有切航迹基线切航迹基线分量和沿航迹基线分量，导致相位信息混杂有切航迹基线切航迹基线的地面高程信息，直接根据混合基线计算有效沿航迹基线有较大的近似误差，影响地面动目标测速的精度，而本发明的基线补偿模块300能够将混合基线补偿为沿航迹基线，减少计算有效沿航迹基线的误差，从而提高地面动目标测速的精度。
根据一个优选实施方式，基线补偿模块300包括时变基线补偿器310。时变基线补偿器310被配置为：在一个合成孔径成像时间段内基于主星100的航迹构造至少一条与主星100的航迹平行的新辅星210航迹的以时间为变量的多项式方程来补偿因回波的波程差值带来的相位差。从而得到等效于沿新辅星210航迹下的呈固定沿航迹基线下的回波信号。优选地，时变基线补偿器310被配置为：在一个合成孔径成像时间段内根据主星100的航迹生成以时间为变量的多项式近似方程；基于生成的多项式近似方程的拟合结果构造至少一条与主星100的航迹平行的新辅星210航迹的以时间为变量的多项式方程；基于辅星200和新辅星210的航迹的关于时间变量的多项式方程以方位脉冲的重复周期对时间取值，获得每个方位脉冲发射时刻辅星200航迹和新辅星210航迹上的回波的波程差值；基于回波的波程差值，对每个方位脉冲接收时刻的辅星200的回波信号补偿因回波的波程差值带来的相位差，从而得到等效于沿新辅星210航迹下的呈固定沿航迹基线下的回波信号。优选地，通过主星100、辅星200的位置测量数据进行参数估计来拟合主星100、辅星200的航迹方程。根据高斯-马尔克夫定理，使用例如最小二乘法、总体最小二乘法来作为拟合算法。优选地，在成像时间段内以方位脉冲的重复周期对时间取值，并带入辅星200和新辅星210的航迹方程，可以得到辅星200和新辅星210航迹上每一个方位脉冲发射时刻的位置坐标。通过位置坐标可以用于计算每个方位脉冲发射时刻辅星200和新辅星210航迹的上回波的波程差值。优选地，根据位置坐标可以得到回波的波程差为新辅星210与星下点连线与波束视线的夹角的余弦值与辅星200与新辅星210对应点连线的长度。优选地，通过计算天线波束中心视线方向单位矢量以获取辅星200和新辅星210上的波程差，对辅星200回波信号进行补偿。优选地，波程差可以近似的表示为与参数方程相同阶数的多项式。其中，常数项不影响成像结果，时间变量的一次项会造成回波信号的方位谱产生偏移，对小幅成像影响不大。时间变量的高阶次项会导致回波的方位响应与匹配滤波的参考信号失配，导致辅星成像的相干性下降。优选地，对辅星200回波信号进行补偿后，能够避免时间变量的高阶次项的影响。通过该方式，经时变基线补偿后的回波信号的谱域能够更集中，并且干涉相位的标准差变小，能够有效提高合成孔径雷达图像对的相干性，尤其是在干涉相位靠近杂波的区域改善较为明显，能够提高杂波抑制模块400的杂波抑制性能。
根据一个优选实施方式，基线补偿模块300还包括解耦合器320。解耦合器320被配置为：基于时变基线向辅星200的航迹方向投影得到有效沿航迹基线的矢量模方程得到辅星200的速度矢量与主星100的天线波束中心视线方向单位矢量的几何关系得到的主星100正侧视下的天线波束中心视线矢量生成时变沿航迹基线以提高测速精度。优选地，解耦合器320被配置为：在时变基线为混合有沿航迹基线分量和切航迹基线切航迹基线分量的情况下，时变基线向辅星200的航迹方向投影得到有效沿航迹基线的矢量模方程；有效沿航迹基线的矢量模方程基于星历测量数据得到时变基线、辅星200的速度矢量、主星100的天线波束中心视线方向单位矢量，并基于辅星200的速度矢量与主星100的天线波束中心视线方向单位矢量的几何关系得到的主星100正侧视下的天线波束中心视线矢量生成时变沿航迹基线以提高测速精度。优选地，如图2所示，N1、N2分别为主星100和辅星200的航迹。O1和O2分别为同一时刻主星100和辅星200的空间位置点。b1、b2分别为主星100和辅星200的天线波束中心视线方向单位矢量。N1与b1构成了F平面。P为主星100照射的区域。当辅星200沿N2运动到O22位置时，能以与主星相同的波束指向观察到P区域。因此，辅星200关于主星100形成的混合基线的沿航迹基线为A是主星100的空间位置点O1在辅星200航迹N2上的投影点。θ为主星100的b1与其运动方向的夹角，即主星100天线斜视角。当辅星200航迹N2向平面F投影得到航迹和分别是O2、O22和A在上对应的投影点。b3是F平面内主星100正侧视情况下的波束中心视线方向的单位矢量。b3与上相交于点。当O2以b2照射到区域P时，能够同时以b1照射到区域P。沿航迹基线D可以为如下形式：
由于为在上的投影，并且为在上的投影，由此根据辅星200的运动矢量可以得到式(1)又可以表示为：
优选地，考虑到天线安装的误差可能导致波位参数中的斜视角相比真实斜视角有一定的误差，可以根据对回波信号的多普勒中心频率作精确估值从而计算出斜视角θ。以及可以根据星历或者安装在卫星上的测量装置测量得到。优选地，根据图2所示的几何关系可以得到求解b3的方程组。方程组如下所示：
优选地，上述方程组具有唯一解。优选的，根据求解得到的斜视角θ和b3能够得到沿航迹基线的值。通过该方式，与直接将辅星200关于主星100形成的混合的空间基线投影到辅星200航迹的近似方法相比，在主星100和辅星200的航迹与天线的波束视线不在同一平面的情况下，能够将包含有地面动目标的速度信息的沿航迹基线分解出来，避免基线补偿模块300中处理基线混合有包含地面高程信息的切航迹基线切航迹基线。而且采用该方式分解混合基线不受分布式合成孔径雷达系统的构型和雷达天线视角的影响。
优选地，在辅星200关于主星100形成的时变基线通过时变基线补偿器310进行补偿之前，时变基线通过解耦合器320得到独立的时变沿航迹基线，从而避免混合有沿航迹基线分量和切航迹基线切航迹基线分量的时变基线为时变基线补偿器310的相位补偿带来近似误差。
实施例3
本实施例还公开了一种动目标检测方法，也可以是一种星载合成孔径雷达动目标检测方法，也可以是一种分布式合成孔径雷达动目标检测方法，也可以是一种分布式星载合成孔径雷达系动目标检测方法，该方法可以由本发明的系统和/或其他可替代的零部件实现。比如，通过使用本发明的系统中的各个零部件实现本发明的方法。本实施例可以是对实施例1和实施例2的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。
根据一个优选实施方式，使用以合成孔径雷达为有效载荷的至少一个主星100、至少一个辅星200以及设置在主/辅星上的杂波抑制模块400和脉冲发射模块600构成的系统进行动目标检测。主星100通过脉冲发射模块600发射信号。杂波抑制模块400基于发射信号返回的回波信号重构生成虚拟均匀采样信号后最大化输出信号的信杂噪比。述杂波抑制模块400在获得回波信号中动目标的速度信息后调整脉冲发射模块600的周期使得生成的杂波等效径向速度落在动目标速度预设范围外。
根据一个优选实施方式，杂波抑制模块400包括信号重构器410和空时自适应处理器420。信号重构器410基于方位维、距离维和俯仰维描述回波信号的空间采样信号的坐标。信号重构器410根据就近原则计算相应维度下的插值矩阵，从而对空间采样信号进行信号重构得到导向矢量确定的虚拟均匀采样信号。
如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.基于分布式合成孔径雷达的动目标检测系统，包括以合成孔径雷达为有效载荷的至少一个主星(100)和至少一个辅星(200)，其特征在于，该系统还包括设置在主/辅星上的杂波抑制模块(400)和脉冲发射模块(600)，其中，
所述主星(100)通过所述脉冲发射模块(600)发射信号，所述杂波抑制模块(400)基于发射信号返回的回波信号重构生成虚拟均匀采样信号后最大化输出信号的信杂噪比，并且在获得回波信号中动目标的速度信息后调整所述脉冲发射模块(600)的周期使得生成的杂波等效径向速度落在所述动目标速度预设范围外。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述杂波抑制模块(400)包括信号重构器(410)和空时自适应处理器(420)，其中，
所述信号重构器(410)基于方位维、距离维和俯仰维描述回波信号的空间采样信号的坐标，并根据就近原则计算相应维度下的插值矩阵，从而对空间采样信号进行信号重构得到导向矢量确定的虚拟均匀采样信号。
3.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述空时自适应处理器(420)至少还包括权值生成器(421)和数据训练单元(422)，其中，
所述权值生成器(421)基于虚拟均匀采样信号以及数据训练单元(422)学习得到的权值作用于所述虚拟均匀采样信号以使得动目标的信号输出的信杂噪比最大化，其中，
所述数据训练单元(422)从回波数据中剔除地面动目标以及与地面动目标相邻单元的数据后进行学习得到权值。
4.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述系统还包括动目标检测模块(500)，所述动目标检测模块(500)被配置为：
在回波信号通过所述杂波抑制模块(400)进行杂波抑制处理后基于先验信息对消掉杂波引起的相位差并选取动目标速度预设范围，在选取的动目标速度范围内构造关于动目标的速度矢量函数，并基于所述速度矢量函数和动目标速度预设范围实现动目标检测。
5.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述系统还设置有基线补偿模块(300)，在所述回波信号通过所述动目标检测模块(500)进行检测之前，所述回波信号通过所述基线补偿模块(300)基于所述主星(100)的运动轨迹参数以及所述主星(100)与辅星(200)的空间位置关系，将时变和/或混合基线补偿为固定的沿航迹基线以避免得到的图像的相干性下降。
6.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述基线补偿模块(300)包括时变基线补偿器(310)，所述时变基线补偿器(310)被配置为：在一个合成孔径成像时间段内基于所述主星(100)的航迹构造至少一条与所述主星(100)的航迹平行的新辅星(210)航迹的以时间为变量的多项式方程来补偿因回波的波程差值带来的相位差，从而得到等效于沿新辅星(210)航迹下的呈固定沿航迹基线下的回波信号。
7.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述基线补偿模块(300)还包括解耦合器(320)，所述解耦合器(320)被配置为：基于所述时变基线向所述辅星(200)的航迹方向投影得到有效沿航迹基线的矢量模方程得到所述辅星(200)的速度矢量与所述主星(100)的天线波束中心视线方向单位矢量的几何关系得到的所述主星(100)正侧视下的天线波束中心视线矢量生成时变沿航迹基线以提高测速精度。
8.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述脉冲发射模块(600)基于所述目标检测模块(500)得到的动目标速度信息调整脉冲周期以避免所述动目标速度预设范围内出现盲速。
9.一种基于分布式合成孔径雷达的动目标检测方法，其特征在于，使用以合成孔径雷达为有效载荷的至少一个主星(100)、至少一个辅星(200)以及设置在所述主/辅星上的杂波抑制模块(400)和脉冲发射模块(600)构成的系统进行动目标检测，其中，
所述主星(100)通过所述脉冲发射模块(600)发射信号，所述杂波抑制模块(400)基于发射信号返回的回波信号重构生成虚拟均匀采样信号后最大化输出信号的信杂噪比，并且在获得回波信号中动目标的速度信息后调整所述脉冲发射模块(600)的周期使得生成的杂波等效径向速度落在所述动目标速度预设范围外。
10.如权利要求9所述的动目标检测方法，其特征在于，所述杂波抑制模块(400)包括信号重构器(410)和空时自适应处理器(420)，其中，
所述信号重构器(410)基于方位维、距离维和俯仰维描述回波信号的空间采样信号的坐标，并根据就近原则计算相应维度下的插值矩阵，从而对空间采样信号进行信号重构得到导向矢量确定的虚拟均匀采样信号。
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