CN110824473B - 一种基于子空间的高分辨宽测绘带sar-gmti杂波抑制方法 - Google Patents

一种基于子空间的高分辨宽测绘带sar-gmti杂波抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于子空间的高分辨宽测绘带SAR‑GMTI杂波抑制方法，对获取的多通道雷达系统的第k个通道回波信号进行FFT处理，取每一行点乘参考信号向量的共轭，再点乘通道参考信号向量的共轭，再点乘参考信号向量的共轭，最后进行IFFT处理，构造多通道系统回波矢量，取出矢量对协方差矩阵进行估计，对协方差矩阵进行特征值分解得到杂波对应的零空间，对零空间进行杂波抑制。本发明解决了星载沿方位多通道高分辨宽测绘带SAR‑GMTI系统存在通道误差情况下进行杂波抑制问题，实现最大程度地消除地物场景杂波对运动目标检测影响，以达到对地面及海面运动目标进行广域高分辨探测的目的。

Description

一种基于子空间的高分辨宽测绘带SAR-GMTI杂波抑制方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及一种基于子空间的星载多通道高分辨宽测绘带SAR-GMTI杂波抑制算法，适用于星载方位多通道高分辨宽测绘带SAR-GMTI雷达在通道误差存在情况下对地面杂波进行抑制。
背景技术
星载方位多通道高分辨宽测绘带合成孔径雷达地面运动目标检测(SyntheticAperture Radar-ground moving target indication，SAR-GMTI)系统可以有效地解决距离宽测绘带方位高分辨率之间矛盾，进而达到对地面场景进行高分辨宽测绘带观测。该系统利用低重复频率发射脉冲信号，可以获取宽的场景测绘带。为了避免脉冲低重复频率引起方位低采样率，进而带来的方位多普勒频谱模糊问题，利用沿方位向的多通道系统对回波沿方位向进行空域采样，并对多普勒频谱进行无模糊重构。本质上，该系统利用方位空域采样来替代时间采样进而获取无模糊的多普勒频谱。该系统具有冗余的通道自由度，具备对地面杂波及海洋杂波进行有效抑制能力，进而达到对地面运动目标、海上军舰及大批军事调动进行探测。同时该系统可以对敏感和高危目标进行检测、跟踪和定位，并实现引导预警机和战斗机对目标进行有效监视及精确打击。
对于地面运动及海面目标进行探测时，首先面临的问题是杂波抑制问题。由于星载多通道高分辨宽测绘带SAR-GMTI系统不可避免存在通道误差问题，直接利用已有机载SAR-GMTI杂波抑制技术，如相位中心偏置、空时自适应处理等，将无法有效的对地杂波及海杂波进行抑制。
发明内容
要解决的技术问题
针对现有杂波抑制技术无法有效解决通道误差存在情况星载多通道高分辨宽测绘带SAR-GMTI杂波抑制的不足，本发明提出一种基于子空间的星载多通道高分辨宽测绘带合成雷达地面运动目标杂波抑制方法，该方法可以在相位误差及天线位置测量误差存在情况对杂波进行有效抑制。
技术方案
一种基于子空间的高分辨宽测绘带SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：获取的多通道雷达系统的第k个通道回波信号是二维矩阵Sk(n,m)，所述的Sk(n,m)为nrn×nan维矩阵，k＝1,2，…,K，多通道系统共有K个通道；对矩阵Sk(n,m)列进行FFT处理，将结果保存在矩阵Sk(n,m)中；其中，nrn表示距离向点数，nan表示方位向点数；
步骤2：根据已知的雷达参数，构造参考信号向量
Figure BDA0002241207550000021
S_ref(n)为nrn×1向量；其中，γ表示调频率，γ＝B/Tp，B表示发射信号带宽，Tp表示发射脉冲宽度，fn表示为距离向频域坐标，
Figure BDA0002241207550000022
B为发射信号带宽，Δf为距离频域间隔，
Figure BDA0002241207550000023
n＝0,1,...,nrn-1；
步骤3：取出步骤1得到Sk(n,m)的每一列，均点乘参考信号向量S_ref(n)的共轭，得到距离脉压后的第k通道数据矩阵Sk(fn,xm)；xm表示方位向时域坐标，
Figure BDA0002241207550000024
L表示为合成孔径长度，m＝0,1,...,nan-1；
步骤4：根据已知的雷达参数，构造第k个通道参考信号向量
Figure BDA0002241207550000025
S_refk(m)为1×nan向量；其中，fc表示雷达发射信号的载频，c为电磁波的传播速度，V为卫星速度，θ为卫星的斜视角,dk为第k通道与参考通道沿卫星速度方向的距离，tm为方位慢时间；
步骤5：取出步骤3得到的Sk(fn,xm)的每一行，均点乘参考信号向量S_refk(m)的共轭，得到距离走动校正之后的第k通道数据矩阵Sk′(fn,xm)；
步骤6：根据已知的雷达参数，构造第k个通道chirp傅里叶变换参考信号
Figure BDA0002241207550000031
其中，R为卫星平台到场景中心斜距；
步骤7：取出步骤5得到的S′k(fn,xm)点乘参考信号向量S_Chirpk(n,m)的共轭，并对相乘结果行进行FFT处理，得到chirp傅里叶变换之后的第k通道数据矩阵S″k(fn,fm)；其中，fm表示为方位向频域坐标，
Figure BDA0002241207550000032
PRF为方位采用频率，Δfa为方位频域间隔，
Figure BDA0002241207550000033
m＝0,1,...,nan-1；
步骤8：取出步骤7得到S″k(fn,fm)，沿fn方向进行IFFT处理，得到S″k(n,fm)，同时构造多通道系统回波矢量S(n,fm)＝[S″1(n,fm) S″2(n,fm) … S″k(n,fm) … S″K(n,fm)]T；其中[·]T表示矩阵转置；
步骤9：取出步骤8得到的矢量对协方差矩阵进行估计，协方差矩阵
Figure BDA0002241207550000034
步骤10：取出步骤9得到协方差矩阵
Figure BDA0002241207550000035
进行特征值分解，得到最新特征为λmin，其对应的特征向量为杂波对应的零空间Vmin；
步骤11：取出步骤10得到杂波对应的零空间Vmin，并进行杂波抑制，杂波抑制过程及输出可以表示为
Figure BDA0002241207550000036
有益效果
本发明提出的一种基于子空间的高分辨宽测绘带SAR-GMTI杂波抑制方法，解决星载沿方位多通道高分辨宽测绘带SAR-GMTI系统存在通道误差情况下进行杂波抑制问题，实现最大程度地消除地物场景杂波对运动目标检测影响，以达到对地面及海面运动目标进行广域高分辨探测的目的。
附图说明
图1实测数据处理结果：(a)录取的在距离脉压方位chirp傅里叶变换域单通道回波数据；(b)利用本发明进行杂波抑制之后在距离脉压方位chirp傅里叶变换域运动目标信号；(c)对Line A位置所示的信号在杂波抑制前和杂波抑制之后的信号进行比较；(d)对Line B位置所示的信号在杂波抑制前和杂波抑制之后的信号进行比较；(e)对Line B位置所示的信号在杂波抑制前和杂波抑制之后的信号进行比较。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种基于子空间的星载多通道高分辨宽测绘带SAR-GMTI杂波抑制算法，包括以下步骤：
步骤1，获取的多通道雷达系统的第k个通道回波信号是二维矩阵Sk(n,m)，Sk(n,m)为nrn×nan维矩阵及k＝1,2，…,K，多通道系统共有K个通道。对矩阵Sk(n,m)列进行FFT处理，将结果保存在矩阵Sk(n,m)中；
其中，nrn表示距离向点数，nan表示方位向点数；
步骤2，根据已知的雷达参数，构造参考信号向量S_ref(n)，S_ref(n)为nrn×1向量；
其中，nrn表示距离向点数；
步骤3，取出步骤1得到Sk(n,m)的每一列，均点乘参考信号向量S_ref(n)的共轭，得到距离脉压后的第k通道数据矩阵Sk(fn,xm)；
其中，fn表示为距离向频域坐标，
Figure BDA0002241207550000041
B为发射信号带宽，Δf为距离频域间隔，
Figure BDA0002241207550000042
n＝0,1,...,nrn-1，nrn表示距离向点数，xm表示方位向时域坐标，
Figure BDA0002241207550000051
L表示为合成孔径长度，m＝0,1,...,nan-1，nan表示方位向点数；
步骤4，根据已知的雷达参数，构造第k个通道参考信号向量S_refk(m)，S_refk(m)为1×nan向量；
其中，nan表示方位向点数；
步骤5，取出步骤3得到的Sk(fn,xm)的每一行，均点乘参考信号向量S_refk(m)的共轭，得到距离走动校正之后的第k通道数据矩阵S′k(fn,xm)；
步骤6，根据已知的雷达参数，构造第k个通道chirp傅里叶变换参考信号S_Chirpk(n,m)；
其中，nrn表示距离向点数，nan表示方位向点数；
步骤7，取出步骤5得到的S′k(fn,xm)点乘参考信号向量S_Chirpk(n,m)的共轭，并对相乘结果行进行FFT处理，得到chirp傅里叶变换之后的第k通道数据矩阵S″k(fn,fm)；
其中，fm表示为方位向频域坐标，
Figure BDA0002241207550000052
PRF为方位采用频率，Δfa为方位频域间隔，
Figure BDA0002241207550000053
m＝0,1,...,nan-1，nan表示方位向点数。
步骤8，取出步骤7得到S″k(fn,fm)，沿fn方向进行IFFT处理，得到S″k(n,fm)，同时构造多通道系统回波矢量S(n,fm)＝[S″1(n,fm) S″2(n,fm) … S″k(n,fm) … S″K(n,fm)]T；
其中[·]T表示矩阵转置。
步骤9，取出步骤8得到的矢量对协方差矩阵进行估计，协方差矩阵
Figure BDA0002241207550000054
其中[·]H表示矩阵共轭转置。
步骤10，取出步骤9得到协方差矩阵
Figure BDA0002241207550000055
进行特征值分解，得到最新特征为λmin，其对应的特征向量为杂波对应的零空间Vmin；
步骤11，取出步骤10得到杂波对应的零空间Vmin，并进行杂波抑制，杂波抑制过程及输出可以表示为
Figure BDA0002241207550000061
上述技术方案的特点和进一步改进在于：
步骤2具体操作如下：
根据已知的雷达参数，参考信号向量
Figure BDA0002241207550000062
其中，γ表示调频率，γ＝B/Tp，B表示发射信号带宽，Tp表示发射脉冲宽度，fn表示为距离向频域坐标，
Figure BDA0002241207550000063
B为发射信号带宽，Δf为距离频域间隔，
Figure BDA0002241207550000064
n＝0,1,...,nrn-1，nrn表示距离向点数。
步骤4具体操作如下：
根据已知的雷达参数，第k个通道参考信号向量
Figure BDA0002241207550000065
其中，fc表示雷达发射信号的载频，c为电磁波的传播速度，V为卫星速度，θ为卫星的斜视角，dk为第k通道与参考通道沿卫星速度方向的距离，
Figure BDA0002241207550000066
B为发射信号带宽，Δf为距离频域间隔，
Figure BDA0002241207550000067
n＝0,1,...,nrn-1，nrn表示距离向点数，tm为方位慢时间。
步骤6具体操作如下：
根据已知的雷达参数，第k个通道参考信号向量
Figure BDA0002241207550000068
其中，fc表示雷达发射信号的载频，R为卫星平台到场景中心斜距，c为电磁波的传播速度，V为卫星速度，θ为低轨道卫星的斜视角，dk为第k通道与参考通道沿卫星速度方向的距离，
Figure BDA0002241207550000071
B为信号带宽，Δf为距离频域间隔，
Figure BDA0002241207550000072
n＝0,1,...,nrn-1，nrn表示距离向点数，tm为方位慢时间。
至此，一种基于子空间的星载沿方位多通道高分辨宽测绘带SAR-GMTI杂波抑制算法基本完成。
以下通过实测实验数据来进一步验证本发明的有效性。
(一)实测实验
1.实测参数
为了验证本发明方法的有效性，此处给出了表1中的实测数据参数。
表1实测数据参数
载频 5.0GHz 通道数 6
平台速度 110m/s 平台高度 5.5km
场景中心斜距 15km 多普勒模糊数 5
脉冲重复频率 200Hz 发射信号带宽 150MHz
2.实验内容
图1示意了利用本发明提出的基于子空间的方位多通道高分辨宽测绘带SAR-GMTI地面杂波抑制算法获得的实测数据处理结果。从图中可以看出本发明方法的杂波抑制效果，但是采用本发明方法的可以有效解决在通道误差存在情况的方位多通道高分辨宽测绘带SAR-GMTI地面杂波抑制问题。
综上所述，实测数据实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

Claims (1)

1.一种基于子空间的高分辨宽测绘带SAR-GMTI杂波抑制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：获取的多通道雷达系统的第k个通道回波信号是二维矩阵Sk(n,m)，所述的Sk(n,m)为nrn×nan维矩阵，k＝1,2，…,K，多通道系统共有K个通道；对矩阵Sk(n,m)列进行FFT处理，将结果保存在矩阵Sk(n,m)中；其中，nrn表示距离向点数，nan表示方位向点数；
步骤2：根据已知的雷达参数，构造参考信号向量
Figure FDA0002241207540000011
S_ref(n)为nrn×1向量；其中，γ表示调频率，γ＝B/Tp，B表示发射信号带宽，Tp表示发射脉冲宽度，fn表示为距离向频域坐标，
Figure FDA0002241207540000012
B为发射信号带宽，Δf为距离频域间隔，
Figure FDA0002241207540000016
步骤3：取出步骤1得到Sk(n,m)的每一列，均点乘参考信号向量S_ref(n)的共轭，得到距离脉压后的第k通道数据矩阵Sk(fn,xm)；xm表示方位向时域坐标，
Figure FDA0002241207540000014
L表示为合成孔径长度，m＝0,1,...,nan-1；
步骤4：根据已知的雷达参数，构造第k个通道参考信号向量
Figure FDA0002241207540000015
S_refk(m)为1×nan向量；其中，fc表示雷达发射信号的载频，c为电磁波的传播速度，V为卫星速度，θ为卫星的斜视角,dk为第k通道与参考通道沿卫星速度方向的距离，tm为方位慢时间；
步骤5：取出步骤3得到的Sk(fn,xm)的每一行，均点乘参考信号向量S_refk(m)的共轭，得到距离走动校正之后的第k通道数据矩阵S′k(fn,xm)；
步骤6：根据已知的雷达参数，构造第k个通道chirp傅里叶变换参考信号
Figure FDA0002241207540000021
其中，R为卫星平台到场景中心斜距；
步骤7：取出步骤5得到的S′k(fn,xm)点乘参考信号向量S_Chirpk(n,m)的共轭，并对相乘结果行进行FFT处理，得到chirp傅里叶变换之后的第k通道数据矩阵S″k(fn,fm)；其中，fm表示为方位向频域坐标，
Figure FDA0002241207540000022
PRF为方位采用频率，Δfa为方位频域间隔，
Figure FDA0002241207540000027
步骤8：取出步骤7得到S″k(fn,fm)，沿fn方向进行IFFT处理，得到Sk″(n,fm)，同时构造多通道系统回波矢量S(n,fm)＝[S″1(n,fm) S″2(n,fm) … S″k(n,fm) … S″K(n,fm)]T；其中[·]T表示矩阵转置；
步骤9：取出步骤8得到的矢量对协方差矩阵进行估计，协方差矩阵
Figure FDA0002241207540000024
步骤10：取出步骤9得到协方差矩阵
Figure FDA0002241207540000025
进行特征值分解，得到最新特征为λmin，其对应的特征向量为杂波对应的零空间Vmin；
步骤11：取出步骤10得到杂波对应的零空间Vmin，并进行杂波抑制，杂波抑制过程及输出可以表示为
Figure FDA0002241207540000026
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