CN112230220B - 基于Radon变换的Deramp-STAP动目标检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Radon变换的Deramp‑STAP动目标检测方法，该方法通过在Deramp‑STAP方法的基础上引入Radon变换获得动目标的等效相对速度，利用已得到的等效相对速度，校正动目标的线性距离走动，并且缩小在杂波抑制过程中所需处理的CFT多普勒频率范围，最后利用STAP方法实现对动目标的准确检测。本发明不仅克服了传统SAR‑GMTI检测方法要求雷达成像系统的通道数必须大于两倍方位多普勒模糊数的限制，还解决了以往基于Deramp‑STAP动目标检测方法运算量较大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，特别是一种基于Radon变换的Deramp-STAP动目标检测方法。
背景技术
雷达合成孔径技术作为雷达发展的一个重要里程碑，具有全天时、全天候和高分辨率的优点，自提出至今一直受到雷达和遥感领域研究学者的广泛关注并已取得了飞速的发展。近几年，随着SAR系统应用领域的不断拓展，常规的工作体制和成像模式无法满足不断深化的应用需求，为此不得不寻求进一步的创新，多通道SAR就是为了应对HRWS成像场景所提出的一种新的成像体制。
对于传统的SAR系统而言，为了获得大的测绘场景而不发生距离模糊则需要发射低的脉冲重复频率信号，而在实际应用场景中，高方位分辨所要求的多普勒带宽往往大于最大距离不模糊频率。为了解决此问题，MC-SAR应运而生。通过将MC与SAR相结合，利用方位的多个空域自由度实现了模糊方位多普勒谱的重构，进而解决了大测绘带宽与高方位分辨率之间的矛盾。
传统的杂波抑制算法主要包括相位中心偏置技术(Displaced Phase CenterAntenna,DPCA)和空时自适应处理技术(Space-Time Adaptive Processing,STAP)。对于DPCA技术而言，只有在系统的阵元基线长度和脉冲重复频率PRF满足严格的时空耦合关系才可较好地实现杂波抑制效果，然而在实际应用中往往很难满足此条件。STAP技术主要通过自适应调整空时滤波器，对回波信号进行空时自适应处理以达到最大输出SCNR。虽然STAP技术相较于较于DPCA技术具有更好的适应性与稳健性，但也要求系统的通道数必须大于多普勒模糊数的两倍。
在文献“Zhang,S.,et al.,Robust Clutter Suppression and Moving TargetImaging Approach for Multichannel in Azimuth High-Resolution and Wide-SwathSynthetic Aperture Radar”(IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2015.53(2):p.687-70.)中：为了解决通道数对雷达系统的负担问题，作者引入了CFT操作来对方位多普勒谱进行压缩。通过把回波变换到RC(Range Compression)-CFT域，每个通道的回波可以形成相应的粗聚焦图像，使目标频谱仅仅分布在少数相邻的几个点上。通过引入CFT操作后，系统的通道数只需要大于多普勒模糊数就可以实现杂波抑制与动目标检测，突破了“系统的通道数必须大于多普勒模糊数的两倍”的限制。然而，为了提取出动目标需要对所有的频谱区域都进行多次的空域滤波操作，运算复杂度高。同时对于中高速目标来说，距离走动通常会超过一个距离单元，因此若不进行距离走动校正，目标的信号能量会弥散在多个距离单元上，导致成像结果恶化。
在文献“Sun,G.,et al.,Robust Ground Moving-Target Imaging UsingDeramp–Keystone Processing”(IEEE Transactions on Geoscience and RemoteSensing,2013.51(2):p.966-982.)中:在对每个通道信号进行CFT操作后，为了改善成像质量，获得更好的动目标聚焦结果，作者选用了Keystone(KT)算法对距离徙动进行了校正。然而，这种方法需要考虑到KT不适用于多普勒模糊的情况，所以作者又采用基于最小熵的多普勒中心模糊数估计的方法对模糊数进行估计进而实现线性距离走动校正，但是数据处理流程繁琐，运算量较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Radon变换的Deramp-STAP动目标检测方法，克服传统SAR-GMTI Synthetic Aperture Radar-Ground Moving Target Indication)检测方法要求雷达成像系统通道数必须大于两倍方位多普勒模糊数的限制，还解决了以往基于Deramp-STAP算法运算量较大的问题，从而能实现MC-SAR模式下动目标的检测与成像。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于Radon变换的Deramp-STAP动目标检测方法，包括如下步骤：
步骤1，成像系统参数初始化；
步骤2，雷达接收到回波信号后，对各通道回波信号分别进行距离向脉冲压缩；
步骤3，对脉压后的回波信号方位向慢时间域进行CFT；
步骤4，对第0个模糊区域进行STAP杂波抑制；
步骤5，Radon变换；
步骤6，线性距离走动校正；
步骤7，对所有的搜索模糊数分别进行STAP杂波抑制；
步骤8，对动目标进行成像并根据恒虚警准则对动目标进行检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明首先在对p0情况下进行STAP-杂波抑制；然后对杂波抑制后的信号进行Radon变换，估计出动目标的等效相对速度并对利用该速度对动目标线性距离走动进行校正；接着，根据已估计得到的等效相对速度确定动目标在频域的分布位置，缩小了杂波抑制所需的数据处理范围，并在此范围内对已校正后的信号进行杂波抑制和动目标检测。本发明的优点是可以大大降低运算的复杂度，提高运算效率。同时与校正前相比，校正后的信号能够实现更好的聚焦。
附图说明
图1是本发明提供方法的流程框图。
图2是本发明具体实施方式采用的MC-SAR系统结构模型图。
图3是本发明具体实施方式采用的MC-SAR系统阵元分布位置示意图。
图4是本发明具体实施方式中采用的场景目标位置分布示意图，图中的实心圆点为布置于地面上的12个静止点目标，空心圆点为动目标。
图5是回波信号经过距离脉压后的距离时域方位多普勒谱图。
图6是未进行线性距离走动校正p＝0时的STAP杂波抑制结果图。
图7(a)～图7(b)是线性距离走动校正前后，动目标的距离时域方位多普勒域局部放大对比图。
图8是Radon变换结果图。
图9(a)～图9(c)是线性距离走动校正后的杂波抑制结果图，其中图9(a)：p＝-1，图9(a)：p＝0，图9(c)：p＝1。
图10(a)～图10(b)是校正前后的STAP-杂波抑制结果图。
具体实施方式
本发明涉及高分辨宽测绘带(High Resolution and Wide Swath,HRWS)场景下多通道合成孔径雷达(Multiple-Channel SAR，MC-SAR)的动目标检测方法。
本发明在Deramp的基础上进行Radon变换，该变换能够实现对动目标等效相对速度的估计，从而利用该速度对动目标线性距离走动进行校正，并且有效缩小了在杂波抑制过程中所需处理的CFT(Chirp Fourier Transform)频率范围。而且与距离走动校正前相比，校正后的信号能够更好地聚焦，动目标峰值积累增益也有了较大的增幅。
为了方便描述本发明的内容，首先对以下术语进行解释：
术语1：STAP
空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing,),通过空域和时域二维联合自适应滤波的方式，在杂波方向形成零点以实现杂波抑制，同时在假设的动目标模糊方向上进行波束形成保持动目标的能量，实现杂波抑制与动目标提取。
本发明提供的一种MC-SAR动目标检测方法，它包括：
步骤一：成像系统参数初始化
在正侧视模式下，平台初始坐标位置为(0,0,H)并以速度v沿着X轴正方向飞行，Y轴指向X轴的垂直右侧方向，Z轴指向背离地面方向,平台飞行高度为H。把整个天线沿飞行方向分割成N个子阵元，即除了中间位置的子阵元同时用于发射和接收信号外，其余通道只用于接收回波信号，相邻的两个子阵元之间沿方位向的距离均为d。补偿等效相位中心误差后，每一组分开的发射子阵元和接收子阵元可以等效为一个阵元中心位于等效相位中心位置的子阵元通道自发自收，第n个等效阵元通道与参考通道的距离为dn＝(n-(N+1)/2))d/2，n＝1,2,...,N。
假设在成像场景区域内有一运动目标P，坐标位置为(xt,yt,0)，沿X轴方向速度为va，径向速度vr；用τ表示距离快时间，ta表示方位慢时间，tac＝xt/(v-va)为参考通道波束中心穿越目标的时刻，R0表示tac时刻的斜距，RT,n(ta)表示在ta时刻第n个等效通道到动目标的瞬时斜距
步骤二：距离向脉冲压缩
雷达接收到回波信号后，对各通道回波信号分别进行距离向脉冲压缩，脉压后的第n个通道动目标回波在距离频域-方位时域的表达式为
其中，wa(ta)表示方位时间域的窗函数，λ表示发射信号得波长，Wr(fr)表示距离频率域的窗函数，c为光速。fr为距离频率，fc为发射信号的载频。
步骤三：方位向CFT
对脉压后的回波信号方位慢时间域进行CFT，即令式(2)与一个相位补偿函数相乘，此相位补偿函数为
经过CFT后的信号为
此处，我们定义等效初始距离Requ和等效相对速度vequ分别为
步骤四：对第0个模糊区域进行STAP杂波抑制
在HRWS场景下，系统的脉冲重复频率PRF往往小于信号的方位多普勒带宽Ba,并满足2L＜Ba/PRF≤2L+1，L为正整数。将多普勒中心模糊数定义为 表示四舍五入操作，则目标的多普勒中心可以表示为fdc＝fdc_b+KdcPRF，fdc_b∈[-PRF/2,PRF/2]。那么，经过CFT后动目标信号在Nyquist带宽内可以表示为
此处
σ为经过CFT后的信号增益。根据式(7)可以构造出动目标多通道地导向矢量为
此处我们将定义搜索模糊数为p＝l+Kdc，p∈[-P,P]。杂波可以看作是速度均为0的运动目标，因此杂波的导向矢量矩阵为
在CFT频率域通过在杂波方向形成零点以实现杂波抑制，同时在假设的动目标模糊方向上进行波束形成保持动目标的能量，提取出动目标，杂波的最优准则如下
C＝[aT,p,aC,-P,…,aC,p,…aC,P] (12)
其中，RX(fa)为输出信号的协方差矩阵，[.]H为共轭转置。
步骤五：Radon变换
运动目标的等效初始距离Requ和等效相对速度vequ均处于可预先确定的范围内，因此可以利用Radon算法估计出它们各自的数值。此处，将Radon变换定义为
其中，s(x,y)表示运动目标在二维平面上位于坐标(x,y)处的数值，|.|表示取模操作，δ(.)表示冲激函数，SR(k,b)为当搜索轨迹为斜率为k，截距为b的直线时的运动目标信号幅度的Radon变换。通过二维搜索预设范围内所有可能的k和b，使得式(13)值最大的一组k和b即可认为是运动目标轨迹的斜率和截距。
步骤六：线性距离走动校正
对CFT后的信号作距离向逆FT，可得
其中，Br为发射信号带宽。对上式(15)进行Radon变换，即可估计出Requ和vequ的大小，将估计值分别记为Requ_est和vequ_est。用已估计出的vequ_est对式(4)进行线性距离走动校正，可得
其中，为校正后的残余等效相对速度。
由于很小，此处可以将之近似为0，则对上式进行方位频域变换可得
同时，由上式(17)可以发现，通过Radon变换得到的vequ可以确定动目标的方位多普勒位置，即fa＝-2vequ/λ。
步骤七：对所有的搜索模糊数分别进行STAP杂波抑制
根据步骤六得到的目标方位多普勒位置，可缩小杂波抑制过程中所需处理的范围。仿照步骤四，在已缩小的方位多普勒频率区间上对线性距离走动校正后的信号进行STAP杂波抑制。
步骤八：动目标检测
杂波抑制后，对动目标进行成像并根据恒虚警准则对动目标进行检测。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明主要采用仿真实验的方式进行验证，信号处理流程图如图1所示，仿真所需的参数如表1所示，MC-SAR系统结构模型如图2所示，目标场景如图3所示，所有步骤、结论都在Matlab2010上验证正确。
表1正侧视MC-SAR系统仿真参数表
| 波长 | 0.03m | 斜距 | 70km |
| 平台高度 | 30km | 平台速度 | 2000 |
| 脉冲重复频率 | 2900Hz | 多普勒带宽 | 6928Hz |
| 脉宽 | 10us | 信号带宽 | 200MHz |
| 采样频率 | 230MHz | 阵元间距 | 0.5m |
下面就具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
步骤一：距离向脉冲压缩。对成像区域任意一点目标，计算各接收站距离历程和发射站距离，产生MC-SAR点目标仿真回波矩阵,场景中目标的位置分布示意图如图4所示。将第n个通道的回波信号记为sn(τ,ta)，其大小为6000×3686。根据仿真参数构造距离向脉冲压缩参考函数refer(τ)＝exp(jπkrτ2)，其中kr＝20MHz/μs，-5μs≤τ≤5μs，将仿真回波沿距离向做傅里叶变换，并与距离向参考函数傅里叶变换的共轭refer*(fr)相乘，记距离压缩后第n个通道的数据为Sn(fr，ta)。
步骤二：CFT变换。对脉压后的回波信号进行方位慢时间域的CFT，将距离压缩后的信号Sn(fr，ta)与相位补偿函数H(fr,ta)相乘，记经过CFT后的信号为Sn_CFT(fr，ta)，Sn_CFT(fr，ta)＝Sn(fr，ta).H(fr,ta)。将相乘后的结果经距离向傅里叶逆变换到时域、方位傅里叶变换到频域，变换结果记为Sn_CFT(τ，fa)。此时目标方位多普勒谱分布在少数几个多普勒单元上，实现了目标信号的粗聚焦，如附图5所示。
步骤三：对第0个模糊区域进行STAP杂波抑制。对于每一个fa，在距离向上对Sn_CFT(τ，fa)求取平均值，结果记为Sn_CFT(fa)，并令SCFT(fa)＝[S1_CFT(fa)S2_CFT(fa)…SN_CFT(fa)]T。然后，在第0个模糊区域对SCFT(fa)进行STAP杂波抑制。在CFT频率域通过在杂波方向形成零点以实现杂波抑制，同时在假设的动目标模糊方向上进行波束形成保持动目标的能量，提取出动目标在CFT频率域通过在杂波方向形成零点以实现杂波抑制，同时在假设的动目标模糊方向上进行波束形成保持动目标的能量，提取出动目标。结合动目标的实际速度大小范围和脉冲重复频率，此处P＝1。根据杂波最优准则(式(10)(11)(12))求解得到权重向量Wp(fa)，其中信号互相关矩阵为
RX(fa)＝E[SCFT(fa)SCFT(fa)H]
则经过杂波抑制后的信号为Sp,CS(τ，fa)＝Wp(fa)HSCFT(fa),p＝0，仿真结果如附图6所示。
步骤四：Radon变换。对S0,CS(τ，fa)作方位向逆傅里叶变换，得到S0,CS(τ，ta)，并对该信号实施Radon变换，仿真结果如附图8所示。通过二维搜索预设范围内所有可能的k和b，使得式(13)值最大的一组k和b即可认为是运动目标轨迹的斜率和截距。因此，可以得到运动目标轨迹的斜率k＝4.90m/s和截距b＝69.90km，则目标斜率和截距估计出运动目标的等效初始距离Requ_est＝b＝69.90km和等效相对速度vequ_est＝k＝4.90m/s。
步骤五：线性距离走动校正。利用步骤四已估计出的vequ_est构造线性距离走动校正函数
将CFT后的信号Sn_CFT(fr，ta)与校正函数HLRMC(fr，ta)相乘，得到校正后的信号ST,n_LRMC(fr，ta)。对上式进行方位频域变换得到ST,n_LRMC(τ，fa)，校正前后结果如图7(a)、图7(b)所示。而且，通过Radon变换得到的vequ可以确定动目标的方位多普勒位置，即fa≈-326.7Hz。
步骤六：对所有的模糊区域进行STAP杂波抑制。根据步骤五得到的目标方位多普勒位置，可缩小杂波抑制过程中所需处理的多普勒区间，在本文仿真中将处理区间设置为[vequ-Δ,vequ+Δ].(-2)/λ，Δ＝1m/s。仿照步骤四，对于其余所有的搜索模糊数，在已缩小的区间上对距离走动校正后的信号进行STAP杂波抑制，仿真处理结果如图10(a)、图10(b)所示。
步骤七：根据恒虚警准则对动目标进行检测。预先设置好虚警概率的大小PFA,然后对待检单元周围的临近单元的干扰功率进行平均获得干扰功率β2，根据T＝-β2InPFA,获得恒虚警检测门限值T。若峰值能量大于门限值T，则被判定为存在动目标。
附图7(a)、图7(b)为线性距离走动校正前后，动目标的距离时域方位多普勒域局部放大对比图，图9(a)～图9(c)为p＝0时LFM校正前后的杂波抑制结果。可以发现，与距离走动校正前相比，校正后的动目标分布在更少的距离和多普勒单元上，而且目标的峰值幅度也比校正前提高了约9.3dB，聚焦结果得到改善，在低信噪比的条件下更有利于动目标的检测，具有良好的应用价值。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于Radon变换的Deramp-STAP动目标检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，成像系统参数初始化；具体为：
在正侧视模式下，平台初始坐标位置为(0,0,H)并以速度v沿着X轴正方向飞行，Y轴指向X轴的垂直右侧方向，Z轴指向背离地面方向，平台飞行高度为H；
把整个天线沿飞行方向分割成N个子阵元，即除了中间位置的子阵元同时用于发射和接收信号外，其余通道只用于接收回波信号，相邻的两个子阵元之间沿方位向的距离为d；补偿等效相位中心误差后，每一组分开的发射子阵元和接收子阵元等效为一个阵元中心位于等效相位中心位置的子阵元通道自发自收，第n个等效阵元通道与参考通道的距离为dn-(n-(N+1)/2))d/2，n＝1,2,...,N；
假设在成像场景区域内有一运动目标，坐标位置为(xt,yt,0)，沿X轴方向速度为va，径向速度vr；用τ表示距离快时间，ta表示方位慢时间，tac＝xt/(v-va)为参考通道波束中心穿越目标的时刻，R0表示tac时刻的斜距，RT,n(ta)表示在ta时刻第n个等效通道到动目标的瞬时斜距：
步骤2，雷达接收到回波信号后，对各通道回波信号分别进行距离向脉冲压缩，具体为：
雷达接收到回波信号后，对各通道回波信号分别进行距离向脉冲压缩，脉压后的第n个通道动目标回波在距离频域-方位时域的表达式为
其中，wa(ta)表示方位时间域的窗函数，λ表示发射信号的波长，Wr(fr)表示距离频率域的窗函数，c为光速，fr为距离频率，fc为发射信号的载频；
步骤3，对脉压后的回波信号方位向慢时间域进行CFT；具体为：
对脉压后的回波信号方位慢时间域进行CFT，即令式(2)与一个相位补偿函数相乘，此相位补偿函数为
经过CFT后的信号为
此处，定义等效初始距离Requ和等效相对速度vequ分别为
步骤4，对第0个模糊区域进行STAP杂波抑制，具体为：
在HRWS场景下，系统的脉冲重复频率PRF小于信号的方位多普勒带宽Ba,并满足2L＜Ba/PRF≤2L+1，L为正整数；将多普勒中心模糊数定义为 表示四舍五入操作，则目标的多普勒中心可以表示为fdc＝fdc_b+KdcPRF，fdc_b∈[-PRF/2,PRF/2]；那么，经过CFT后动目标信号在Nyquist带宽内可以表示为
此处
σ为经过CFT后的信号增益；
根据式(7)可构造出动目标多通道地导向矢量为
定义搜索模糊数为p＝l+Kdc，p∈[-P,P]；杂波看作是速度均为0的运动目标，因此杂波的导向矢量矩阵为
在CFT频率域通过在杂波方向形成零点以实现杂波抑制，同时在假设的动目标模糊方向上进行波束形成保持动目标的能量，提取出动目标，杂波的最优准则如下
C＝[aT,p,aC,-P,…,aC,p,…aC,P] (12)
其中，RX(fa)为输出信号的协方差矩阵，[.]H为共轭转置；
步骤5，Radon变换；具体为：
运动目标的等效初始距离Requ和等效相对速度vequ均处于可预先确定的范围内，因此可利用Radon算法估计出它们各自的数值；此处，将Radon变换定义为
其中，s(x,y)表示运动目标在二维平面上位于坐标(x,y)处的数值，|.|表示取模操作，δ(.)表示冲激函数，SR(k,b)为当搜索轨迹为斜率为k，截距为b的直线时的运动目标信号幅度的Radon变换；通过二维搜索预设范围内所有可能的k和b，使得式(13)值最大的一组k和b即可认为是运动目标轨迹的斜率和截距；
步骤6，线性距离走动校正；具体为：
对CFT后的信号作距离向逆FT，可得
其中，Br为发射信号带宽；对上式(15)进行Radon变换，即可估计出Requ和vequ的大小，将估计值分别记为Requ_est和vequ_est；用已估计出的vequ_est对式(4)进行线性距离走动校正，可得
其中，为校正后的残余等效相对速度；
由于很小，此处将之近似为0，则对上式进行方位频域变换可得
同时，由上式(17)可以发现，通过Radon变换得到的vequ可确定动目标的方位多普勒位置，即fa＝-2vequ/λ；
步骤7，对所有的搜索模糊数分别进行STAP杂波抑制；在已缩小的方位多普勒频率区间上对线性距离走动校正后的信号进行STAP杂波抑制；
步骤8，对动目标进行成像并根据恒虚警准则对动目标进行检测。
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