CN112505695A - 基于星载sar系统的空中机动目标检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于星载SAR系统的空中机动目标检测方法，包括对进行地面杂波抑制后的方位向相邻的雷达回波信号进行互相关操作；对进行互相关操作处理后的动目标回波信号进行统一的keystone变换；对keystone变换后的回波信号进行变尺度的WVD变换，使得动目标冲激线性谱平行于时间轴，然后对该冲激线性谱沿着时间轴做FFT变换实现机动目标信号的相干积累等；本发明具有极大的灵活性，更具有实际应用的价值，适用于低信噪比下对空中机动目标的检测等优点。
Description
技术领域
本发明涉及雷达回波数据处理领域，更为具体的，涉及一种基于星载 SAR系统的空中机动目标检测方法。
背景技术
要捕获空中机动目标必须对目标进行检测，发现目标后才能进行有效 的跟踪和成像。因此，对空中运动目标进行检测尤为重要。
目前对空中机动目标的检测主要通过逆合成孔径雷达(Inverse SyntheticAperture Radar,ISAR)系统实现，通过地基或者岸基雷达发射电 磁波照射地面或海面上方的目标获取其后向散射信息，进而实现空中运动 目标的检测。然而，ISAR系统只能部署在陆面等固定场景，其灵活性受到 极大的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于星载SAR系统 的空中机动目标检测方法，具有极大的灵活性，更具有实际应用的价值， 适用于低信噪比下对空中机动目标的检测等优点。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种基于星载SAR系统的空中机动目标检测方法，包括步骤：
对进行地面杂波抑制后的方位向相邻的雷达回波信号进行互相关操作； 对进行互相关操作处理后的动目标回波信号进行统一的keystone变换；对 keystone变换后的回波信号进行变尺度的WVD变换，使得动目标冲激线性 谱平行于时间轴，然后对该冲激线性谱沿着时间轴做FFT变换实现机动目 标信号的相干积累。
进一步地，地面杂波抑制包括步骤：对星载SAR系统的雷达回波数据 进行DPCA相消处理。
进一步地，所述雷达回波数据包括双通道雷达回波数据。
进一步地，在地面杂波抑制前包括对空中机动目标进行建模的步骤， 该步骤中，采用如下公式计算运动目标距离第m个通道的距离Rm(ta)，
其中，卫星沿X轴方向速度为v，飞机初始位置为(0,Rb)，径向速度 vr(ta)＝vr0+arta，横向速度va(ta)＝va0+aata，vr0为目标初始径向速度，ar为目标 径向加速度，va0为目标初始横向速度，aa为目标横向加速度，ta为方位慢 时间，m＝1,2，d1＝-D，d2＝0。
进一步地，实现机动目标信号的相干积累后，在检测平面对SAR机动 目标进行检测。
进一步地，将检测方法的结果用于参数估计和/或成像聚焦操作。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于星载SAR平台实现空中机动目标的检测 方法，相比于ISAR系统实现空中运动目标检测具有极大的灵活性。 同时，本发明充分考虑了空中运动目标(如飞机、导弹等)的机动性， 区别于现有SAR-GMTI方法对空中机动目标进行匀速直线运动的假 设，因此本发明更具有实际应用的价值。具体的，本发明采用相邻互 相关方法对运动目标进行降阶处理，通过keystone方法对动目标进行 统一的走动校正，然后对动目标信号进行变尺度的WVD变换，最后 通过傅里叶变换能够实现对机动目标的有效相干积累，而噪声信号是 非相干的，进行WVD变换后其分布仍然是杂乱的，因而本发明适用 于低信噪比下对空中机动目标的检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对 实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员 来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的 附图。
图1为星载SAR平台运动目标观测在成像几何平面的投影模型示意图；
图2为本发明空中机动目标检测的流程示意图；
图3为利用本发明对空中机动目标检测结果；
图4为图3的检测结果对应的距离剖面图；
图5为图3的检测结果对应的方位剖面图。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征(包括任何附加权利要求、摘 要和附图)，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征 和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1～5所示，一种基于星载SAR系统的空中机动目标检测方法，包 括步骤：
对进行地面杂波抑制后的方位向相邻的雷达回波信号进行互相关操作； 对进行互相关操作处理后的动目标回波信号进行统一的keystone变换；对 keystone变换后的回波信号进行变尺度的WVD变换，使得动目标冲激线性 谱平行于时间轴，然后对该冲激线性谱沿着时间轴做FFT变换实现机动目 标信号的相干积累。
进一步地，地面杂波抑制包括步骤：对星载SAR系统的雷达回波数据 进行DPCA相消处理。
进一步地，所述雷达回波数据包括双通道雷达回波数据。
进一步地，在地面杂波抑制前包括对空中机动目标进行建模的步骤， 该步骤中，采用如下公式计算运动目标距离第m个通道的距离Rm(ta)，
其中，卫星沿X轴方向速度为v，飞机初始位置为(0,Rb)，径向速度 vr(ta)＝vr0+arta，横向速度va(ta)＝va0+aata，vr0为目标初始径向速度，ar为目标 径向加速度，va0为目标初始横向速度，aa为目标横向加速度，ta为方位慢 时间，m＝1,2，d1＝-D，d2＝0。
进一步地，实现机动目标信号的相干积累后，在检测平面对SAR机动 目标进行检测。
进一步地，将检测方法的结果用于参数估计和/或成像聚焦操作。
在本发明的其他实施例中，结合附图对本发明基于星载SAR系统的空 中机动目标检测方法进行详细说明。
图1为星载SAR平台对飞行中的飞机进行观测的工作几何模型在成像 斜距平面的投影，其中卫星沿X轴方向速度为v，飞机初始位置为(0,Rb)， 径向速度vr(ta)＝vr0+arta，横向速度va(ta)＝va0+aata，vr0为目标初始径向速度， ar为目标径向加速度，va0为目标初始横向速度，aa为目标横向加速度，这 里充分考虑了空中运动目标机动特性。运动目标距离第m个通道的距离为
其中，ta为方位慢时间，m＝1,2，d1＝-D,d2＝0。
图2为本发明方法实施例的流程示意图。
参照图2，首先在步骤S102中，为对地面杂波进行有效抑制，对双通 道SAR系统进行DPCA处理。设雷达发射线性调频信号，则对多通道接收 的该动目标的基频回波信号并行进距离脉压后为
式中tr为距离快时间，σn为目标散射系数，c为光速，Ar(·)和Aa(·)分别为 雷达LFM信号的窗函数和方位窗函数，γ是发射的线性调频信号的调频率， λ＝c/fc为中心频率对应的波长。
取前后两个通道进行DPCA相消，可得相消后的结果
在步骤S103中，对方位相邻的回波进行互相关操作，式(3)回波信号的 相邻互相关表达式为
R(τr,tm)＝∫I(tr,tm)I*(tr-τr,tm+1)dt (4)
其中tm为方位离散后的时间，可以表示为tm＝m/PRF(PRF为脉冲重复频 率，m＝1,2,3,…)，公式(3)中的常数相位项并不影响后面的分析，为公式表 达的简洁，这里先将其忽略。公式(3)的距离频域表达式为
根据时域相关等于频域共轭点乘，然后再作IFFT变换的原理可以知道， 式(4)可以进一步表示为
其中
上式中忽略了指数项
由于其相位值大小远小于
式中A为相关匹配量，从式(6)中可以看出，第一个指数项为常数项，在不 同的方位时刻，其对应的值造成的相关函数的包络移动量是一个定值；第 二个指数项为方位时间的一次项，所对应的距离耦合量会产生相关函数峰 值的走动；第三个指数项为方位时间的二次项，所对应的距离耦合量会产 生相关函数峰值的弯曲。
在步骤S104中，将得到的互相关函数变换到距离频域表示式为
对式(7)进行统一keystone变换，令
tm(fc+fr)＝fcτm (8)
经过统一keystone变换后，式(7)变为
其中τm为新的方位时刻，从式(9)可以看出，产生相邻相关函数峰值走 动的耦合量通过统一keystone尺度变换已经消除了。一般情况下，可以忽 略相关函数弯曲量对距离包络的影响，但相位精度要求远高于包络精度， 所以，对方位相位的影响不能忽略。由于fc＞＞fr，则
所以，对式 (9)做距离向的IFFT，并做相应近似得到
从式(10)可以看出，峰值位置沿方位分布时，仍然在相同的距离单元内， 这就为后面沿方位积累在低信噪比情况下检测运动目标提供了前提。
在步骤S105中，对得到的信号进行时频变换分析，这里以魏格纳威利 (WVD)为例。由于式(10)中的窗函数并不影响后续分析，为了方便方 位向的分析，暂时忽略式(10)中的窗函数，故可以简写为
对式(11)进行变尺度的WVD变换，令τm＝μτm′/t，μ为尺度变换常量，τm′ 为新的方位时间变量，t为瞬时偏移量，可以得到
从式(19)中可以看出，在变尺度的WVD时频平面内，其运动目标 信号分布呈现为一条平行于新时间轴的线性谱，线性谱只存在一次项相位 没有二次及以上的高次相位。此时，对该线性谱直接进行傅里叶变换就可 以实现信号的相干积累。对式(22)进行关于τm′的FFT变换得到
在步骤S106中，在检测平面对空中机动目标进行检测，在式(13)生成 的整个检测平面内，对目标进行检测，目标信号的能量通过相干完成积累， 而噪声信号是非相干的，在检测平面内仍然是杂乱的，目标积累能量最大 值的位置位于面内为(2N1/λ,4μN2/λ)处，因此，通过本发明提出的方法可以很 好的在低信噪比情况下对空中机动目标进行检测。基于本发明提出的空中 机动目标检测方法，后续可以完成运动目标的参数估计与成像聚焦操作。
图3为空中机动目标的在检测平面的检测结果，为验证本发明提出的 方法在低信噪比下机动目标检测的性能，在进行DPCA后，对回波数据加 入SNR为-20dB的高斯噪声，从得到的动目标检测结果我们可以看到动目 标在检测的二维平面中形成了一个尖峰，这说明利用本发明所提方法动目 标得到了有效的相干积累，而噪声信号是非相干的，进行WVD变换后其分 布仍然是杂乱的，因而本发明适用于低信噪比下对空中机动目标的检测， 图中X轴为距离采样单元，Y轴为方位采样单元，Z轴为归一化幅度(单位： dB)。
图4为动目标检测结果在距离向剖面图，图中横轴为距离采样单元， 纵轴为归一化幅度(单位：dB)。
图5为动目标检测结果在方位向剖面图，图中横轴为方位采样单元， 纵轴为归一化幅度(单位：dB)。从图4和图5中可以看到噪声在-20dB的 水平，这组实验充分验证了本发明所提方法对空中机动目标检测的有效性。
本发明提出了一种基于星载SAR平台实现空中机动目标的检测方法， 相比于ISAR系统实现空中运动目标检测具有极大的灵活性。同时，本发明 充分考虑了空中运动目标(如飞机、导弹等)的机动性，区别于现有 SAR-GMTI方法对空中机动目标进行匀速直线运动的假设，因此本发明更 具有实际应用的价值。具体的，本发明采用相邻互相关方法对运动目标进 行降阶处理，通过keystone方法对动目标进行统一的走动校正，然后对动 目标信号进行变尺度的WVD变换，最后通过傅里叶变换能够实现对机动目 标的有效相干积累，而噪声信号是非相干的，进行WVD变换后其分布仍然 是杂乱的，因而本发明适用于低信噪比下对空中机动目标的检测。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或 使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发 明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的 部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储 介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备 等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。 而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序 代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器 (Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。
Claims (6)
1.一种基于星载SAR系统的空中机动目标检测方法，其特征在于，包括步骤：
对进行地面杂波抑制后的方位向相邻的雷达回波信号进行互相关操作；对进行互相关操作处理后的动目标回波信号进行统一的keystone变换；对keystone变换后的回波信号进行变尺度的WVD变换，使得动目标冲激线性谱平行于时间轴，然后对该冲激线性谱沿着时间轴做FFT变换实现机动目标信号的相干积累。
2.根据权利要求1所述的基于星载SAR系统的空中机动目标检测方法，其特征在于，地面杂波抑制包括步骤：对星载SAR系统的雷达回波数据进行DPCA相消处理。
3.根据权利要求1或2所述的基于星载SAR系统的空中机动目标检测方法，其特征在于，所述雷达回波数据包括双通道雷达回波数据。
4.根据权利要求1所述的基于星载SAR系统的空中机动目标检测方法，其特征在于，在地面杂波抑制前包括对空中机动目标进行建模的步骤，该步骤中，采用如下公式计算运动目标距离第m个通道的距离Rm(ta)，
其中，卫星沿X轴方向速度为v，飞机初始位置为(0,Rb)，径向速度vr(ta)＝vr0+arta，横向速度va(ta)＝va0+aata，vr0为目标初始径向速度，ar为目标径向加速度，va0为目标初始横向速度，aa为目标横向加速度，ta为方位慢时间，m＝1,2，d1＝-D，d2＝0。
5.根据权利要求1所述的基于星载SAR系统的空中机动目标检测方法，其特征在于，实现机动目标信号的相干积累后，在检测平面对SAR机动目标进行检测。
6.根据权利要求1～5任一所述的基于星载SAR系统的空中机动目标检测方法，其特征在于，将检测方法的结果用于参数估计和/或成像聚焦操作。
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