CN112946642A - 一种多通道uwb sar运动目标二维速度快速估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法，通过将各通道数据进行距离向对称自相关函数处理，并根据推导的UWB SAR动目标信号模型的特点，利用keystone变换和chirp z变换消除距离频域与慢时间之间的耦合，实现目标能量相参积累，并根据峰值位置估计各目标距离徙动参数；然后，为了适应UWB SAR长孔径时间，距离徙动校正后的方位向信号，采用四阶相位信号的NUCPF处理和多通道干涉处理，共同求解目标的相对运动速度与径向速度。本方案在不进行参数搜索的情况下，实现了长孔径时间下目标能量积累和运动参数估计，完成了数据的快速处理。

Description

一种多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法
技术领域
本发明涉及合成雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种多通道UWB SAR 运动目标二维速度快速估计方法。
背景技术
低频超宽带合成孔径雷达(UWB SAR)具有很强的“透视”能力，可穿透叶簇探测隐蔽于树林的目标，在动目标检测方面有着不可替代的作用。
基于UWB SAR动目标检测和参数估计方法，将SAR成像算法与动目标检测相结合，给出了能使UWB SAR动目标完全聚焦的SAR成像算法的传递函数，该传递函数与目标位置、速度有关，通过逐一搜索离散化的位置、速度参数，最大化输出的信号能量，完成目标的聚焦检测和参数估计。
现有的基于UWB SAR动目标检测和参数估计方法，采用的信号处理技术通常需要对目标的方位向位置、距离位置、归一化相对速度同时进行离散搜索，以实现目标聚焦检测和参数估计，该三维搜索会带来较高的计算复杂度，无法实现目标的快速参数估计，且当场景范围增加和目标速度范围跨度较大时，该方法的计算量显著上升，难以实现实时的信号处理。
UWB SAR中的运动目标，受到长时间孔径的影响，在SAR图像上会出现严重的位移和散焦。传统的SAR DPCA/ATI多通道运动目标检测和参数估计算法，考虑较短的孔径时间，运动目标在SAR处理后仍保持在一个距离-方位分辨单元中，而面对信噪比下降的散焦目标，SAR DPCA/ATI目标检测和参数估计性能下降。
发明内容
本发明提供的一种多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法，主要解决的技术问题是：计算量大，难以实现实时处理。
为解决上述技术问题，本发明提供一种多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法，包括：
对多通道UWB SAR回波数据，分别利用keystone(又称楔石形)变换进行距离弯曲校正，再利用基于距离频域的对称自相关函数、chirp-z变换和IFFT (Invert FastFourier Transformation,反向快速傅里叶变换)处理，完成各运动目标的能量积累，实现运动目标检测和方位向信号提取；
对提取的各运动目标的方位向信号，利用相位差分将高阶相位信号降阶变换至三阶相位信号，再利用NUCPF(Non-uniform cubic phase function，非均匀三次相位函数)估计相位的各阶系数，求解得到运动目标的相对速度；
将多通道的方位向信号变换至多普勒域，计算干涉信号，获取运动目标的干涉相位，基于干涉相位估计运动目标的径向速度；
基于运动目标的相对速度与径向速度，估计该运动目标的二维速度。
可选的，在所述分别利用keystone变换进行距离弯曲校正之前，还包括：对所述多通道UWB SAR回波数据进行解调以及距离压缩处理，得到多通道的距离时域二维信号，然后对距离时域二维信号进行合成孔径时间截取，以及距离向FFT(Fast FourierTransformation,快速傅里叶变换)处理，变换到距离频域。
可选的，所述方位向信号提取包括：
基于运动目标距离徙动参数构建补偿函数：
Figure BDA0002919140300000021
fr为距离频域，n为慢时间，Tr为脉冲重复频率，j表示虚数，a1为展开后的一阶系数；
将该补偿函数与经过所述keystone变换后的信号相乘，并通过IFFT将信号变换至二维时域，以完成运动目标的距离徙动校正，提取
Figure BDA0002919140300000022
处的信号，得到运动目标的方位向信号。
可选的，所述将多通道的方位向信号变换至多普勒域，计算干涉信号，获取运动目标的干涉相位包括：
将方位向信号经过FFT变换到多普勒域，多通道信号两两通道间的信号共轭相乘，获取m*(m-1)/2个干涉信号结果，其中m(m≥2)为通道数，则有第i个通道和第j个通道的干涉信号为：
Figure BDA0002919140300000031
其中AI为变换后信号幅度，Δdij为第i个通道与第j个通道间的间隔，vpl为平台运行速度，对式中的第二个相位进行补偿后，获取干涉信号的相位。
可选的，通过构建补偿函数：
Figure BDA0002919140300000032
将该补偿函数与干涉信号相乘，进行补偿。
任意两个通道都是对第二个相位：
Figure BDA0002919140300000033
进行补偿，对于不同的两通道Δdij可能不同。
可选的，所述基于干涉相位估计运动目标的径向速度包括：
Figure BDA0002919140300000034
其中，λ为波长，
Figure BDA0002919140300000035
为最短通道间隔的干涉相位，Δdi为最短通道间隔。
本发明的有益效果是：
根据本发明提供的一种多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法，通过将各通道数据进行距离向对称自相关函数处理，并根据推导的UWB SAR 动目标信号模型的特点，利用keystone变换和chirp z变换消除距离频域与慢时间之间的耦合，实现目标能量相参积累，并根据峰值位置估计各目标距离徙动参数；然后，为了适应UWB SAR长孔径时间，距离徙动校正后的方位向信号，采用四阶相位信号的NUCPF处理和多通道干涉处理，共同求解目标的相对运动速度与径向速度。本方案在不进行参数搜索的情况下，实现了长孔径时间下目标能量积累和运动参数估计，完成了数据的快速处理。
附图说明
图1为本发明的多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法流程示意图；
图2为本发明的多通道UWB SAR观测运动目标几何示意图；
图3为本发明的双通道UWB SAR系统，不同信噪比下运动目标回波信号距离压缩后结果和对称自相关函数处理后信号相参积累结果：
(a)无噪声下距离压缩结果；
(b)-10dB信噪比下距离压缩结果；
(c)-20dB信噪比下距离压缩结果；
(d)-30dB信噪比下距离压缩结果；
(e)无噪声下目标相参积累结果；
(f)-10dB信噪比下目标相参积累结果；
(g)-20dB信噪比下目标相参积累结果；
(h)-30dB信噪比下目标相参积累结果；
图4为本发明的五通道UWB SAR系统，运动目标回波信号距离压缩后结果和对称自相关函数处理后信号相参积累结果：
(a)-20dB信噪比下距离压缩结果；
(b)-20dB信噪比下目标相参积累结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
为了解决目前动目标的聚焦检测和参数估计计算量大，难以实现实时处理的问题，本实施例提供一种多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法，请参见图1，主要包括如下步骤：
步骤一：对多通道UWB SAR回波数据，分别利用keystone变换进行距离弯曲校正，再利用基于距离频域的对称自相关函数、chirp-z变换和IFFT处理，完成各运动目标的能量积累，实现运动目标检测和方位向信号提取。
本实施例中，多通道UWB SAR系统参数如下表1所示：
表1：UWB SAR系统参数
参数 值 参数 值
工作频率 400MHz 带宽 120MHz
脉冲宽度 10μs 采样率 140MHz
脉冲重复频率 333.3Hz 最短斜距 13050.8m
平台速度 104m/s 平台高度 5400m
观测时间 12s 通道间隔 0.6m
利用多通道UWB SAR采集回波数据，并进行解调、距离压缩处理，得到多通道的距离-时域二维信号，并截取合适长度的合成孔径时间，使斜距历程能用四阶泰勒展开精确表示，且二阶泰勒展开误差不超过一个距离分辨率，即信号截取后，斜距历程可表示为：
Rm(nTr)＝rm+a1(nTr)+a2(nTr)2+a3(nTr)3+a4(nTr)4 (1)
其中下标m表示第m个通道，rm为最短斜距，a1～a4为展开后的各阶系数，n 为慢时间，Tr为脉冲重复频率，截取的孔径长度Ta满足：
Figure BDA0002919140300000051
其中a5为展开后的第五阶系数，ρr为距离向分辨率，λ为波长。距离-时域二维信号进行距离向FFT，变换到距离频域，信号表示为：
Figure BDA0002919140300000052
其中σt表征目标的散射特性，fr为距离频域，Br为带宽，Ta为合成孔径时间， c为光速，fc为工作频率，Rm(·)为目标的斜距历程。利用二阶keystone变换，令
Figure BDA0002919140300000061
以消除二阶耦合项的影响，变换后经过整理后得到：
Figure BDA0002919140300000062
然后，计算基于距离频域的对称自相关函数，其表达式为：
Figure BDA0002919140300000063
其中*表示共轭，A表示计算对称自相关函数后的信号幅度，j表示虚数，fn为变换后的距离向频率。fn与n′(keystone变换后的慢时间)仅有线性耦合，因此可以利用chirp-z变换来消除该耦合影响，即得到：
Figure BDA0002919140300000064
其中k＝0,1,2,...,N1-1，N1为方位向单元数目，Ap表示chirp-z变换后的信号幅度。再进行fn方向的IFFT，得到：
Figure BDA0002919140300000065
其中tr为快时间，Aq表示进行fn方向的IFFT后的信号幅度。
至此，目标的能量完成了相参积累，可实现目标检测，且峰值出现在位置为
Figure BDA0002919140300000066
由此可估计得到目标的距离徙动参数，该参数可用于构造距离徙动补偿的函数：
Figure BDA0002919140300000071
将该补偿函数与信号相乘，并通过IFFT将信号变换至二维时域，以完成目 标的距离徙动校正，提取
Figure RE-GDA0003055229610000071
处的信号，得到目标的方位向信号sa_m(nTr)。
步骤二：对提取的各运动目标的方位向信号，利用相位差分将高阶相位信号降阶变换至三阶相位信号，再利用非均匀三次相位函数NUCPF估计相位的各阶系数，求解得到运动目标的相对速度。
对提取的各目标方位向信号，所截取的合成孔径时间内信号可由四次相位信号近似，为了将其转换为三次相位信号，以实现后续处理，首先，利用相位差分进行降阶处理，得到：
Figure BDA0002919140300000073
其中Apd表示相位差分进行降阶处理后的信号幅度，p为延时量。然后，对第一个通道，计算信号的NUCPF，得到：
Figure BDA0002919140300000074
其中Ω为变换后的慢时间频域，C为常数，k为整数。选择两个不同的时间切片，即n1、n2，分别对它们的|NUCPF(n,Ω)|进行峰值检测，得到峰值所在位置
Figure BDA0002919140300000075
Figure BDA0002919140300000076
从而获得了关于a3、a4的方程组，求解得到：
Figure BDA0002919140300000077
Figure BDA0002919140300000078
利用求解得到的
Figure BDA0002919140300000079
对信号PD1[n；p]进行解调，用于解调的参考信号为：
Figure BDA0002919140300000081
解调后的信号sPD_de(nTr)的频谱会在
Figure BDA0002919140300000082
处出现峰值，则可以估算得到：
Figure BDA0002919140300000083
根据估计得到的参数
Figure BDA0002919140300000084
可以计算得到目标的相对速度：
Figure BDA0002919140300000085
步骤三：将多通道的方位向信号变换至多普勒域，计算干涉信号，获取运动目标的干涉相位，基于干涉相位估计运动目标的径向速度。
单个通道无法估计目标的二维速度，因此，采用多通道数据获取目标的相对径向速度。首先，将方位向信号经过FFT变换到多普勒域，多通道信号两两通道间的信号共轭相乘，获取m*(m-1)/2个干涉信号结果，其中m为通道数，则有第i个通道和第j个通道的干涉信号为：
Figure BDA0002919140300000086
其中AI为变换后信号幅度，Δdij为第i个通道与第j个通道间间隔，vpl为平台 运行速度，对中的第二个相位进行补偿后，可获取干涉信号的相位。
可选的，通过构建补偿函数：
Figure BDA0002919140300000087
将该补偿函数与干涉信号相乘，进行补偿。
任意两个通道都是对第二个相位：
Figure BDA0002919140300000088
进行补偿，对于不同的两通道Δdij可能不同。
随着通道数增加，通道间隔增大，可能会出现相位缠绕(干涉相位大于2π) 的问题，于是利用短通道间隔估计得到的速度用于长通道间隔的相位解缠。最短通道间隔为Δdi，且最短两通道间的干涉相位若为
Figure BDA0002919140300000091
则由该干涉相位估计得到的目标径向速度为：
Figure BDA0002919140300000092
则当第j个干涉相位为
Figure BDA0002919140300000093
对应的通道间隔为Δdj时，模糊数为：
Figure BDA0002919140300000094
其中round(·)表示四舍五入。解缠后的相位可写为
Figure BDA0002919140300000095
将解缠后的干涉相位排列为矢量形式即
Figure BDA0002919140300000096
其与目标径向速度的解析表达式可写为：
Figure BDA0002919140300000097
其中Δd表示为所有Δdij排列成的矢量形式，利用最小二乘法，可以计算得到目标的径向速度为：
Figure BDA0002919140300000098
以双通道为例，获取目标的相对径向速度包括：
首先，将方位向信号经过FFT变换到多普勒域，两个通道间的信号共轭相乘，则有：
Figure BDA0002919140300000099
其中AI为经过FFT变换后的信号幅度，Δd为通道间间隔，vpl为平台运行速度，对式(22)中的第二个相位进行补偿后，干涉信号的相位
Figure BDA00029191403000000910
即可用于估计目标的径向速度：
Figure BDA00029191403000000911
对于双通道不同信噪比下二维速度估计结果和误差，请参见如下表2所示：
表2
Figure BDA0002919140300000101
同理，对五通道UWB SAR系统，得到不同信噪比下二维速度估计结果和误差，请参见如下表3所示：
表3
Figure BDA0002919140300000102
本实施例中，利用UWB SAR的仿真数据进行实验，该方法在低信噪比情况下仍然有效的，当回波信噪比为-30dB时，相对速度误差和径向速度误差均明显增大，但当信噪比不小于-20dB时，误差不超过0.15m/s。可见本发明在不进行参数搜索的情况下，提供了一种有效的运动目标检测和二维参数估计的方法。实验结果表明，该参数估计方法可以适应于低信噪比的情况。
步骤四：基于运动目标的相对速度与径向速度，估计该运动目标的二维速度。
二维速度，即径向速度和方位向速度。方位向速度的计算方法为：
Figure BDA0002919140300000103
其中，θ为入射角。
对于双通道不同信噪比下二维速度估计结果和误差，请参见如下表4所示：
表4
Figure BDA0002919140300000111
同理，对五通道UWB SAR系统，得到不同信噪比下二维速度估计结果和误差，请参见如下表5所示：
表5
Figure BDA0002919140300000112
通常没有对运动目标进行聚焦处理，目标在图像上仍然是散焦的，因此目标的信噪比较低，对于RCS较低的中小目标，可能会无法检测。而本方案利用一系列方法(Keystone变换、chirp z变换以及NUCPF处理等)实现了孔径时间内运动目标相参积累，获取了较高的信噪比，有利于目标检测，同时也估计了运动目标的速度参数。本发明相较于之前的方案，本方法通过利用信号自相关函数，以及基于高阶相位信号的NUCPF处理，在不进行参数搜索的情况下实现运动目标的聚焦和目标相对速度估计，并利用输出的方位信号进行多通道的干涉处理，完成径向速度的估计，实现了UWB SAR长孔径时间下运动目标的快速检测和二维参数估计。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法，其特征在于，包括：
对多通道UWB SAR回波数据，分别利用keystone变换进行距离弯曲校正，再利用基于距离频域的对称自相关函数、chirp-z变换和IFFT处理，完成各运动目标的能量积累，实现运动目标检测和方位向信号提取；
对提取的各运动目标的方位向信号，利用相位差分将高阶相位信号降阶变换至三阶相位信号，再利用非均匀三次相位函数NUCPF估计相位的各阶系数，求解得到运动目标的相对速度；
将多通道的方位向信号变换至多普勒域，计算干涉信号，获取运动目标的干涉相位，基于干涉相位估计运动目标的径向速度；
基于运动目标的相对速度与径向速度，估计该运动目标的二维速度。
2.如权利要求1所述的多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法，其特征在于，在所述分别利用keystone变换进行距离弯曲校正之前，还包括：对所述多通道UWB SAR回波数据进行解调以及距离压缩处理，得到多通道的距离时域二维信号，然后对距离时域二维信号进行合成孔径时间截取，以及距离向FFT处理，变换到距离频域。
3.如权利要求2所述的多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法，其特征在于，所述方位向信号提取包括：
基于运动目标距离徙动参数构建补偿函数：
Figure FDA0002919140290000011
fr为距离频域，n为慢时间，Tr为脉冲重复频率，a1为展开后的一阶系数；
将该补偿函数与经过所述keystone变换后的信号相乘，并通过IFFT将信号变换至二维时域，以完成运动目标的距离徙动校正，提取
Figure FDA0002919140290000012
处的信号，得到运动目标的方位向信号。
4.如权利要求1所述的多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法，其特征在于，所述将多通道的方位向信号变换至多普勒域，计算干涉信号，获取运动目标的干涉相位包括：
将方位向信号经过FFT变换到多普勒域，多通道信号两两通道间的信号共轭相乘，获取M(M-1)/2个干涉信号结果，其中M为通道数，则有第i个通道和第j个通道的干涉信号为：
Figure FDA0002919140290000021
其中AI为变换后信号幅度，Δdij为第i个通道与第j个通道间间隔，vpl为平台运行速度，对式中的第二个相位进行补偿后，获取干涉信号的相位。
5.如权利要求4所述的多通道UWB SAR运动目标二维速度快速估计方法，其特征在于，所述基于干涉相位估计运动目标的径向速度包括：
Figure FDA0002919140290000022
λ为波长，
Figure FDA0002919140290000023
为最短两通道间的干涉相位，Δdi为最短通道间隔。
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