CN111580106B - 一种高低轨视频sar动目标跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高低轨视频SAR动目标跟踪方法，通过用局部最小熵方法选取速度导致图像的熵在可选速度范围内使得熵达到最小的时候，得到聚焦效果好且混乱度小的图像，从而明确动目标的方位向速度，规避在高低轨异构的双基模式下导致成像发生距离徙动和散焦；通过匹配滤波函数和方位向偏移对聚焦成像结果进行重定位，解决频域成像中运动目标的速度导致目标的成像位置和实际的位置有出入的问题；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，实现检测与跟踪。

Description

一种高低轨视频SAR动目标跟踪方法
技术领域
本发明涉及信号与信息处理技术领域，具体涉及一种高低轨视频SAR动目标跟踪方法。
背景技术
传统合成孔径雷达(Sythetic Aperture Radar，SAR)是一种单帧成像雷达，对观测区域只能生成静止的图片。为了解决传统SAR无法对观测区域实时监测的问题，美国Sandia国家实验室在2003年首次提出视频SAR的概念，可以实现对场景的连续视频成像。
视频SAR是通过对回波的分帧实现连续成像，以达到视频成像的效果。视频SAR的回波分帧方式有两种，一种是无重叠的分帧模式，另一种是帧间有重叠的分帧模式，其中在机载平台下这两种模式都适用。但是在星载平台下，若采用第一种分帧模式，回波的载频需要达到太赫兹频段才能满足视频成像的高帧率要求，然而随着载频的增加发射功率也随之增加，这增加了系统的实现难度。所以星载平台需要依赖后一种模式，根据中心频率、系统的分辨率、帧率和帧间数据的重复率之间的关系来实现视频SAR系统。
相对于单基星载视频SAR，高低轨协同的双基视频SAR可以有效的减少系统的重访时间，增加系统的实时性，提高系统的隐蔽性和抗干扰性能，得到更加全面的场景数据和信息。进行动目标轨迹跟踪时常采用通道系统，其能够有效抑制地面强杂波干扰从而检测出动目标。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(SpaceTime adaptive processing，STAP)技术。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种高低轨视频SAR动目标跟踪方法解决了
一、高低轨异构的双基模式，导致成像发生距离徙动和散焦；
二、频域成像中运动目标的速度导致目标的成像位置和实际的位置有出入的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种高低轨视频SAR动目标跟踪方法，包括以下步骤：
S1、对动目标接收机接收到的回波信号进行回波分帧，得到多帧回波信号；
S2、根据多项式距离模型，对多帧回波信号中每一帧回波信号采用双基RD算法进行成像，得到多帧SAR目标图像；
S3、将经后通道得到的多帧SAR目标图像进行通道配准，得到后通道配准的多帧SAR目标图像；
S4、通过DPCA检测滤除通道配准的多帧SAR目标图像和经前通道得到的多帧SAR目标图像中的静止目标杂波，得到多帧动目标的位置；
S5、将后通道配准的多帧SAR目标图像和经前通道得到的多帧SAR目标图像进行干涉相位计算，得到动目标的距离向速度；
S6、采用局部最小熵方法对多帧动目标的位置进行方位向速度搜索，得到动目标的方位向速度；
S7、根据动目标的方位向速度和动目标的距离向速度，得到动目标的轨迹，实现SAR动目标跟踪。
进一步地，步骤S1包括以下分步骤：
S11、通过高轨道卫星向动目标发射回波信号，低轨道动目标的接收机前后通道接收回波信号；
S12、对回波信号进行下变频和去载波处理，得到中频回波信号；
S13、对中频回波信号采用双基模式下的帧率、方位分辨率和载波频率进行回波信号分帧，得到多帧回波信号。
上述进一步方案的有益效果为：通过对回波信号进行下变频和去载波处理，提取中频回波信号，再在双基模式进行分帧，相比于传统模式，重访时间短，检测范围大。
进一步地，所述步骤S12中接收机前后通道接收到的中频回波信号分别为：
Figure GDA0003363681750000031
Figure GDA0003363681750000032
其中，s1(tr,η)为前通道的中频回波信号，s2(tr,η)为后通道的中频回波信号，fc为载波频率，c为光速，R1(η)为η时刻前通道所在接收阵面与动目标的距离历史，R2(η)为η时刻后通道所在接收阵面与动目标的距离历史，Kr为距离向调频率，tr为距离快时间，η为方位慢时间。
进一步地，所述步骤S13中多帧回波信号为：
Figure GDA0003363681750000033
Figure GDA0003363681750000034
其中，
Figure GDA0003363681750000035
为前通道中第k帧的回波信号，
Figure GDA0003363681750000036
为后通道中第k帧的回波信号，tr为距离快时间，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间，Δη为变化时间，fc为载波频率，c为光速，R1(ηk+Δη)为ηk+Δη时刻前通道所在接收阵面与动目标的距离历史，R2(ηk)为ηk时刻后通道所在接收阵面与动目标的距离历史，Kr为距离向调频率，tr为距离快时间，η为方位慢时间。
进一步地，所述步骤S2中多帧SAR目标图像包括前通道的多帧SAR目标图像和后通道的多帧SAR目标图像；所述前通道的多帧SAR目标图像和后通道的多帧SAR目标图像为：
Figure GDA0003363681750000041
Figure GDA0003363681750000042
其中，
Figure GDA0003363681750000043
为前通道的第k帧SAR目标图像，
Figure GDA0003363681750000044
为后通道的第k帧SAR目标图像，C为常数项系数，λ为波长，
Figure GDA0003363681750000045
为第k帧的距离向速度，Δη为变化时间，c为光速，Kr为距离向调频率，Tr为脉冲持续时间，tr为距离快时间，R0为低轨参考斜距，RG0为高轨参考斜距，Ts为第k帧的孔径时间，VL为低轨接收机的速度，VG为高轨发射机的速度，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间。
上述进一步方案的有益效果为：通过双基RD算法进行运动目标成像，滤波杂波干扰，解决运动目标成像散焦和方位向位置偏移的问题，使检测和跟踪定位更精确。
进一步地，所述步骤S5中进行干涉相位计算的方程组为：
Figure GDA0003363681750000051
Figure GDA0003363681750000052
其中，i(ηk)为第k帧干涉图像，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间，C为常数项系数，Ts为第k帧的长度，c为光速，Br为信号带宽，tr为距离快时间，R0为低轨参考距离，RG0为高轨参考距离，VL为低轨接收机的速度，VG为高轨发射机的速度，λ为波长，Δη为变化时间，Δφ为干涉相位，fc为载波频率，
Figure GDA0003363681750000053
为第k帧的距离向速度。
进一步地，所述步骤S7包括以下分步骤：
S71、采用匹配滤波函数对动目标每一帧的方位向速度进行方位向聚焦成像；
S72、根据动目标每一帧的距离向速度计算动目标的方位向偏移量；
S73、根据动目标的方位向偏移，对聚焦成像结果进行CFAR检测，得到多帧动目标的准确位置；
S74、根据多帧动目标的准确位置和其位置坐标，得到动目标的轨迹，实现SAR动目标跟踪。
上述进一步方案的有益效果为：对每一帧的回波数据使用运动目标的方匹配滤波函数，补偿了每一帧的运动目标的方位向速度造成的散焦，实现方位向的聚焦处理，每一帧的方位向位置的校正解决了距离向速度在不同帧中造成的方位位置不准确的问题，方便后期位置跟踪。
进一步地，所述步骤S71中匹配滤波函数的公式为：
Figure GDA0003363681750000061
其中，
Figure GDA0003363681750000062
第k帧的匹配滤波函数，VL为低轨接收机的速度，VG为高轨发射机的速度，λ为波长，R0为低轨参考距离，RG0为高轨参考距离，
Figure GDA0003363681750000063
为第k帧的方位向速度，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间。
进一步地，所述步骤S72中方位向偏移量的公式为：
Figure GDA0003363681750000064
其中，Δxk为第k帧的方位向偏移量，R0为低轨参考距离，
Figure GDA0003363681750000065
为第k帧的距离向速度，VL为低轨接收机的速度。
综上，本发明的有益效果为：
(1)、通过用局部最小熵方法选取速度导致图像的熵在可选速度范围内使得熵达到最小的时候，得到聚焦效果好且混乱度小的图像，从而明确动目标的方位向速度，规避在高低轨异构的双基模式下导致成像发生距离徙动和散焦。
(2)、通过匹配滤波函数和方位向偏移对聚焦成像结果进行重定位，解决频域成像中运动目标的速度导致目标的成像位置和实际的位置有出入的问题。
(3)、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，实现检测与跟踪。
附图说明
图1为一种高低轨视频SAR动目标跟踪方法的流程图；
图2为实施例中前通道六帧三点成像；
图3为实施例中后通道六帧三点成像；
图4为实施例中前三帧DPCA对消后的回波图；
图5为实施例中后三帧DPCA对消后的回波图；
图6为实施例中单帧最小熵步长为2搜索结果；
图7为实施例中单帧最小熵步长为0.01搜索结果；
图8为实施例中单帧聚焦成像图；
图9为实施例中15帧轨迹跟踪图。
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，一种高低轨视频SAR动目标跟踪方法，包括以下步骤：
S1、对动目标接收机接收到的回波信号进行回波分帧，得到多帧回波信号；
步骤S1包括以下分步骤：
S11、通过高轨道卫星向动目标发射回波信号，低轨道动目标的接收机前后通道接收回波信号；
S12、对回波信号进行下变频和去载波处理，得到中频回波信号；
所述步骤S12中接收机前后通道接收到的中频回波信号分别为：
Figure GDA0003363681750000071
Figure GDA0003363681750000081
其中，s1(tr,η)为前通道的中频回波信号，s2(tr,η)为后通道的中频回波信号，fc为载波频率，c为光速，R1(η)为η时刻前通道所在接收阵面与动目标的距离历史，R2(η)为η时刻后通道所在接收阵面与动目标的距离历史，Kr为距离向调频率，tr为距离快时间，η为方位慢时间。
S13、对中频回波信号采用双基模式下的帧率、方位分辨率和载波频率进行回波信号分帧，得到多帧回波信号。
所述步骤S13中多帧回波信号为：
Figure GDA0003363681750000082
Figure GDA0003363681750000083
其中，
Figure GDA0003363681750000084
为前通道中第k帧的回波信号，
Figure GDA0003363681750000085
为后通道中第k帧的回波信号，tr为距离快时间，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间，Δη为变化时间，fc为载波频率，c为光速，R1(ηk+Δη)为ηk+Δη时刻前通道所在接收阵面与动目标的距离历史，R2(ηk)为ηk时刻后通道所在接收阵面与动目标的距离历史，Kr为距离向调频率，tr为距离快时间，η为方位慢时间。
S2、根据多项式距离模型，对多帧回波信号中每一帧回波信号采用双基RD算法进行成像，得到多帧SAR目标图像；
所述步骤S2中多帧SAR目标图像包括前通道的多帧SAR目标图像和后通道的多帧SAR目标图像；所述前通道的多帧SAR目标图像和后通道的多帧SAR目标图像为：
Figure GDA0003363681750000091
Figure GDA0003363681750000092
其中，
Figure GDA0003363681750000093
为前通道的第k帧SAR目标图像，
Figure GDA0003363681750000094
为后通道的第k帧SAR目标图像，C为常数项系数，λ为波长，
Figure GDA0003363681750000095
为第k帧的距离向速度，Δη为变化时间，c为光速，Kr为距离向调频率，Tr为脉冲持续时间，tr为距离快时间，R0为低轨参考斜距，RG0为高轨参考斜距，Ts为第k帧的孔径时间，VL为低轨接收机的速度，VG为高轨发射机的速度，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间。
S3、将经后通道得到的多帧SAR目标图像进行通道配准，得到后通道配准的多帧SAR目标图像；
S4、通过DPCA检测滤除通道配准的多帧SAR目标图像和经前通道得到的多帧SAR目标图像中的静止目标杂波，得到多帧动目标的位置；
S5、将后通道配准的多帧SAR目标图像和经前通道得到的多帧SAR目标图像进行干涉相位计算，得到动目标的距离向速度；
所述步骤S5中进行干涉相位计算的方程组为：
Figure GDA0003363681750000101
Figure GDA0003363681750000102
其中，i(ηk)为第k帧干涉图像，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间，C为常数项系数，Ts为第k帧的长度，c为光速，Br为信号带宽，tr为距离快时间，R0为低轨参考距离，RG0为高轨参考距离，VL为低轨接收机的速度，VG为高轨发射机的速度，λ为波长，Δη为变化时间，Δφ为干涉相位，fc为载波频率，
Figure GDA0003363681750000103
为第k帧的距离向速度。
S6、采用局部最小熵方法对多帧动目标的位置进行方位向速度搜索，得到动目标的方位向速度；
S7、根据动目标的方位向速度和动目标的距离向速度，得到动目标的轨迹，实现SAR动目标跟踪。
所述步骤S7包括以下分步骤：
S71、采用匹配滤波函数对动目标每一帧的方位向速度进行方位向聚焦成像；
所述步骤S71中匹配滤波函数的公式为：
Figure GDA0003363681750000104
其中，
Figure GDA0003363681750000105
第k帧的匹配滤波函数，VL为低轨接收机的速度，VG为高轨发射机的速度，λ为波长，R0为低轨参考距离，RG0为高轨参考距离，
Figure GDA0003363681750000106
为第k帧的方位向速度，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间。
S72、根据动目标每一帧的距离向速度计算动目标的方位向偏移量；
所述步骤S72中方位向偏移量的公式为：
Figure GDA0003363681750000111
其中，Δxk为第k帧的方位向偏移量，R0为低轨参考距离，
Figure GDA0003363681750000112
为第k帧的距离向速度，VL为低轨接收机的速度。
S73、根据动目标的方位向偏移，对聚焦成像结果进行CFAR检测，得到多帧动目标的准确位置；
S74、根据多帧动目标的准确位置和其位置坐标，得到动目标的轨迹，实现SAR动目标跟踪。
在本实施例中，在场景中设置了一个运动目标和两个静止目标，目标的距离向速度为10m/s，方位向速度为10m/s。首先对双通道信号进行分帧处理，帧率为5Hz，帧间重复率为86.67％，每一帧的合成孔径时间为0.75s，将回波首先分为6帧，图2和图3为两个通道的多帧成像图，黑色箭头所指为运动目标，图4和图5为多帧杂波对消后的三维结果图，静止杂波被对消，验证了DPCA的杂波对消效果。图6和图7给出了单帧最小熵两次方位向速度搜索的结果，第一次搜索范围为[0,20]步长为2，第二次根据第一次的搜索范围缩小为[9,11]，步长为0.01。得到的方位向速度为10.31m/s。将方位向速度带入运动目标匹配滤波函数中，图8为单帧聚焦成像结果。
按照同样的帧率将回波分为15帧，对15帧数据进行轨迹跟踪实验。目标的距离向速度为10m/s，方位向速度为10m/s，对15帧数据进行轨迹跟踪，跟踪结果如图9所示。以每三帧为间隔计算一次斜率，图9的跟踪轨迹计算平均斜率。由图9中的数据计算出实际轨迹平局斜率和轨迹平均斜率之差为Δk1＝0.0640，平均斜率误差很小，15帧的数据在方位向和距离向平均位置误差，图9的距离向平均误差为
Figure GDA0003363681750000121
方位向平均误差为
Figure GDA0003363681750000122
从以上的数据可以联合多帧的双通道跟踪的定位误差很小。

Claims (1)

1.一种高低轨视频SAR动目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对动目标接收机接收到的回波信号进行回波分帧，得到多帧回波信号；
S2、根据多项式距离模型，对多帧回波信号中每一帧回波信号采用双基RD算法进行成像，得到多帧SAR目标图像；
S3、将经后通道得到的多帧SAR目标图像进行通道配准，得到后通道配准的多帧SAR目标图像；
S4、通过DPCA检测滤除通道配准的多帧SAR目标图像和经前通道得到的多帧SAR目标图像中的静止目标杂波，得到多帧动目标的位置；
S5、将后通道配准的多帧SAR目标图像和经前通道得到的多帧SAR目标图像进行干涉相位计算，得到动目标的距离向速度；
S6、采用局部最小熵方法对多帧动目标的位置进行方位向速度搜索，得到动目标的方位向速度；
S7、根据动目标的方位向速度和动目标的距离向速度，得到动目标的轨迹，实现SAR动目标跟踪；
所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、通过高轨道卫星向动目标发射回波信号，低轨道动目标的接收机前后通道接收回波信号；
S12、对回波信号进行下变频和去载波处理，得到中频回波信号；
S13、对中频回波信号采用双基模式下的帧率、方位分辨率和载波频率进行回波信号分帧，得到多帧回波信号；
所述步骤S12中接收机前后通道接收到的中频回波信号分别为：
Figure FDA0003363681740000021
Figure FDA0003363681740000022
其中，s1(tr,η)为前通道的中频回波信号，s2(tr,η)为后通道的中频回波信号，fc为载波频率，c为光速，R1(η)为η时刻前通道所在接收阵面与动目标的距离历史，R2(η)为η时刻后通道所在接收阵面与动目标的距离历史，Kr为距离向调频率，tr为距离快时间，η为方位慢时间；
所述步骤S13中多帧回波信号为：
Figure FDA0003363681740000023
Figure FDA0003363681740000024
其中，
Figure FDA0003363681740000025
为前通道中第k帧的回波信号，
Figure FDA0003363681740000026
为后通道中第k帧的回波信号，tr为距离快时间，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间，Δη为变化时间，fc为载波频率，c为光速，R1(ηk+Δη)为ηk+Δη时刻前通道所在接收阵面与动目标的距离历史，R2(ηk)为ηk时刻后通道所在接收阵面与动目标的距离历史，Kr为距离向调频率，tr为距离快时间，η为方位慢时间；
所述步骤S2中多帧SAR目标图像包括前通道的多帧SAR目标图像和后通道的多帧SAR目标图像；所述前通道的多帧SAR目标图像和后通道的多帧SAR目标图像为：
Figure FDA0003363681740000031
Figure FDA0003363681740000032
其中，
Figure FDA0003363681740000033
为前通道的第k帧SAR目标图像，
Figure FDA0003363681740000034
为后通道的第k帧SAR目标图像，C为常数项系数，λ为波长，
Figure FDA0003363681740000035
为第k帧的距离向速度，Δη为变化时间，c为光速，Kr为距离向调频率，Tr为脉冲持续时间，tr为距离快时间，R0为低轨参考斜距，RG0为高轨参考斜距，Ts为第k帧的孔径时间，VL为低轨接收机的速度，VG为高轨发射机的速度，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间；
所述步骤S5中进行干涉相位计算的方程组为：
Figure FDA0003363681740000036
Figure FDA0003363681740000037
其中，i(ηk)为第k帧干涉图像，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间，C为常数项系数，Ts为第k帧的长度，c为光速，Br为信号带宽，tr为距离快时间，R0为低轨参考距离，RG0为高轨参考距离，VL为低轨接收机的速度，VG为高轨发射机的速度，λ为波长，Δη为变化时间，Δφ为干涉相位，fc为载波频率，
Figure FDA0003363681740000041
为第k帧的距离向速度；
所述步骤S7包括以下分步骤：
S71、采用匹配滤波函数对动目标每一帧的方位向速度进行方位向聚焦成像；
S72、根据动目标每一帧的距离向速度计算动目标的方位向偏移量；
S73、根据动目标的方位向偏移，对聚焦成像结果进行CFAR检测，得到多帧动目标的准确位置；
S74、根据多帧动目标的准确位置和其位置坐标，得到动目标的轨迹，实现SAR动目标跟踪；
所述步骤S71中匹配滤波函数的公式为：
Figure FDA0003363681740000042
其中，
Figure FDA0003363681740000043
第k帧的匹配滤波函数，VL为低轨接收机的速度，VG为高轨发射机的速度，λ为波长，R0为低轨参考距离，RG0为高轨参考距离，
Figure FDA0003363681740000044
为第k帧的方位向速度，ηk为第k帧回波信号的方位慢时间；
所述步骤S72中方位向偏移量的公式为：
Figure FDA0003363681740000045
其中，Δxk为第k帧的方位向偏移量，R0为低轨参考距离，
Figure FDA0003363681740000046
为第k帧的距离向速度，VL为低轨接收机的速度。
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