CN114594478A - 基于星载Ka波段SAR系统的船只目标干涉检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于星载Ka波段SAR系统的船只目标干涉检测方法，包括：利用Ka波段发射天线对成像区域以脉冲重复周期的正交信号进行扫描，实现大幅宽、大多普勒带宽的覆盖；在脉冲发射前，利用Ka波段接收天线对大幅宽、大多普勒带宽的回波信号进行并行接收和数字波束形成恢复，得到干扰信号的方向来源；对Ka波段接收天线的接收数据进行加权处理控制方向函数，在干扰信号的方向使用零陷技术，对干扰信号进行抑制，同时对Ka波段接收天线的旁瓣强目标造成的干扰进行抑制；利用Ka波段SAR交轨基线获得成像区域的干涉SAR图像，并提取高程缠绕分布信息，根据船只目标的高程缠绕分布特征对船只目标进行检测与识别。本发明可提升船只目标的检测与识别性能。

Description

基于星载Ka波段SAR系统的船只目标干涉检测方法

技术领域

本发明涉及目标检测技术领域，尤其涉及一种基于星载Ka波段SAR 系统的船只目标干涉检测方法。

背景技术

与低频段SAR相比，星载Ka波段SAR对目标细节的表征能力强，分辨率高，除高强度降雨外接近全天时全天候探测。同时，Ka波段SAR穿透能力弱，能更好地反映真实的地表高度，获取高精度的成像目标的高度信息。由于波长较短，星载Ka波段SAR交轨干涉基线在十余米即可获得与现有常规星载SAR相当的高程精度，能够实现单星单航过的高程测量。国际上已发展出从Ka波段到W波段的机载SAR系统，随着Ka波段SAR 的理论关键技术及面临的各类风险已在机载平台上获得了充分的验证，并取得了分米级别的超高分辨率。美国和欧洲对Ka波段星载SAR的论证工作均已接近完成，在近几年将实现在轨运行，这必将加速推动国际上星载 Ka SAR系统的发展。

近年来，国家对船只统计、违规出海船只检测提出了新的需求，Ka波段SAR可实现高分辨率、全天时、全天候的海洋船只观测。然而，美国等商业化低轨高密度通信星座等快速建设，如星链、Oneweb等，Ka波段作为该类通信星座的主要工作频段，具有全天时、全天候、全时段的覆盖特性，将会对星载Ka波段SAR 造成同频干扰。未来大部分的海面船只也将装备Ka波段终端，与卫星进行上行通信，同样会造成同频干扰。因此，亟待探索新体制星载Ka波段SAR 技术实现外界同频干扰与高性能干涉成像技术。

专利CN106908793A公开了一种Ka波段沿航迹干涉SAR系统及其工作方法，Ka波段沿航迹干涉SAR系统包括：搭载于卫星的发射天线和同一星上分别位于发射天线两侧的第一接收天线、第二接收天线，距离向接收天线采用多个孔径分别单独接收脉冲信号回波，采用DBF-SCORE技术合成高增益的窄波束实现对回波的接收，解决了对于Ka波段的毫米波SAR系统在大气传播中的损耗大、对系统的功率增益需求更大的问题，实现小尺寸高精度的洋流速度测量，但并未涉及上述问题。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于星载Ka波段SAR系统的船只目标干涉检测方法，可提升船只目标的检测与识别性能。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

本发明提供一种基于星载Ka波段SAR系统的船只目标干涉检测方法，所述星载Ka波段SAR系统包含一个Ka波段发射天线和两个Ka波段接收天线，所述Ka波段发射天线和所述Ka波段接收天线形成Ka波段SAR交轨基线，该方法包括：

利用Ka波段发射天线对成像区域以脉冲重复周期的正交信号进行扫描，实现大幅宽、大多普勒带宽的覆盖；

在脉冲发射前，利用Ka波段接收天线对大幅宽、大多普勒带宽的回波信号进行并行接收和数字波束形成恢复，得到干扰信号的方向来源；

对Ka波段接收天线的接收数据进行加权处理控制方向函数，在干扰信号的方向使用零陷技术，对干扰信号进行抑制，同时对Ka波段接收天线的旁瓣强目标造成的干扰进行抑制；

利用所述Ka波段SAR交轨基线获得成像区域的干涉SAR图像，并提取所述干涉SAR图像的高程缠绕分布信息，根据船只目标的高程缠绕分布特征对船只目标进行检测与识别。

根据本发明的一个方面，所述Ka波段发射天线采用有源相控阵天线，所述Ka波段接收天线具有多个通道。

根据本发明的一个方面，将两个所述Ka波段接收天线分置于卫星两侧，并与所述Ka波段发射天线形成用于对SAR图像进行干涉测量的Ka波段 SAR交轨基线。

根据本发明的一个方面，所述利用Ka波段发射天线对成像区域以脉冲重复周期进行扫描，实现大幅宽、大多普勒带宽的覆盖，获得SAR图像的过程包括：

利用所述Ka波段发射天线在方位向根据所述星载Ka波段SAR系统所需的成像分辨率，在一个合成孔径时间内扫描对应的波束个数，在距离向根据所述星载Ka波段SAR系统所需的幅宽，在数字域进行波束形成，恢复出指向不同距离的窄波束，从而获得各个子测绘带的SAR成像，最后拼接成大幅宽、高分辨率的SAR图像。

根据本发明的一个方面，所述在脉冲发射前，利用Ka波段接收天线对大幅宽、大多普勒带宽的回波信号进行并行接收和数字波束形成恢复，得到干扰信号的方向来源的过程包括：

在脉冲重复周期内，在没有主动发射脉冲的情况下，利用所述Ka波段接收天线数字波束形成的窄波束扫描整个接收角度，接收非合作信号获取成像区域的干扰信息；

根据所述干扰信息的强度、变化规律的特征，判断所述干扰信息的类别；

根据所述干扰信息所在的窄波束，确定所述干扰信息相对所述星载Ka 波段SAR系统的角度。

根据本发明的一个方面，所述干扰信号和旁瓣强目标深度零陷抑制的过程包括：

利用恒虚警检测方法对每个子测绘带的强散射目标进行检测，初步确定强散射目标的位置；

根据获取的干扰目标和每个子测绘带强散射目标的天线指向信息，建立多目标优化模型，采用天线方向图优化算法，在期望信号方向上产生高增益窄波束，在干扰信号方向使用零陷技术，对强散射目标的位置进行深度零陷，抑制强散射目标对弱散射目标的干扰，从而提高SAR图像的成像质量。

根据本发明的一个方面，所述对船只目标进行检测与识别的过程包括：

利用单航过的Ka波段SAR交轨基线对海洋区域进行干涉成像，获得干涉SAR图像；

利用干涉SAR图像的高程缠绕分布信息分析船只目标与其他目标的特征；

在SAR图像船只目标识别的基础上，根据船只目标与其他目标的高程缠绕分布特征对非船只目标进行剔除；

利用干涉SAR图像的高程缠绕分布信息分析各类船只目标的特征，根据不同船只的高程缠绕分布信息特征对船只进行分类。

根据本发明的一个方面，所述利用干涉SAR图像的高程缠绕分布信息分析各类船只目标的特征时，根据目标的高程突变量大小和数量、目标平面大小和平面度对不同船只目标及海岛、海杂波的特征进行提取。

根据本发明的一个方面，所述星载Ka波段SAR系统还包括SAR电子学系统。

有益效果：

根据本发明的方案，星载Ka波段SAR系统包含三幅天线，一幅为采用相控阵天线实现扫描发射的发射天线，另两幅为具有多个通道、实现宽幅回波接收与频谱感知的接收天线，具备单航过干涉能力。采用三天线体制获取干涉SAR图像，为了降低同频干扰，采用两个多通道接收天线获取成像区域的电磁频谱信息，精准估计干扰信号的来波方向，对空间同频干扰信号进行智能感知与抑制。同时，利用两个多通道接收天线的波束零陷技术，大幅抑制干扰信号的能量，进而提升干涉SAR图像的信杂噪比，为船只目标的干涉缠绕信息提取提供基础。

利用同平台上述三个天线形成的交轨基线，在获取一对高质量Ka波段 SAR图像的基础上，形成船只目标的干涉图像，提取船只目标的高程缠绕分布信息，利用船只高程缠绕特征与海杂波、岛屿等其他强散射目标的高程缠绕量大小和数量、目标平面大小和平面度等差异，进行特征提取和船只检测，降低虚警率。进一步可利用不同船只目标高程缠绕信息特征，进行船只目标识别，可提升船只目标的检测与识别性能。相比于利用传统SAR 系统实现的船只目标检测方法，本发明具有频谱感知抗干扰、增强图像质量、降低船只检测虚警率的优势。

附图说明

图1示意性表示本发明实施例提供的基于星载Ka波段SAR系统的船只目标干涉检测方法的整体流程图；

图2示意性表示本发明实施例提供的星载Ka波段SAR系统的总体架构图；

图3示意性表示本发明实施例提供的接收扫描示意图；

图4示意性表示本发明实施例提供的脉冲发射时序图；

图5示意性表示本发明实施例提供的数字波束形成干扰强目标零陷技术的原理图；

图6示意性表示本发明实施例提供的数字波束形成处理波束零陷仿真结果；

图7示意性表示本发明实施例提供的船只干涉检测与识别的方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

在本发明的以下示例性实施例中，对基于星载Ka波段SAR系统的船只目标干涉检测方法进行描述。

如图1中01框图的三天线星载Ka波段SAR系统的总体架构，星载 Ka波段SAR系统主要包括1个Ka波段发射天线、2个Ka波段接收天线和1个SAR电子学系统等四个部分。2个Ka波段接收天线分置于卫星两侧，并与1个Ka波段发射天线形成用于对SAR图像进行干涉测量的Ka 波段SAR交轨基线。其中，Ka波段发射天线采用有源相控阵天线，Ka波段接收天线为二维多通道接收天线。

如图2所示，采用两幅伸缩支撑杆，将2个Ka波段接收天线向两边各支出D，如采用D＝6m，在常规干涉条件下可实现1m的高程反演精度。

相控阵发射天线负责对成像的二维空域以脉冲重复周期的正交信号进行扫描，实现大幅宽、大多普勒带宽的覆盖。

二维多通道接收天线负责对大幅宽、大多普勒带宽的回波信号进行并行接收与数字波束形成恢复，可实现最高100公里，最高0.5米分辨率的探测能力，并接收非合作信号实现对成像区域的频谱感知。

上述三幅Ka波段天线的口径相同，均为L×W。此处采用L＝3.88m， W＝0.32m，可设计为每幅接收天线沿飞行方向具有4通道，垂直接收方向具有16通道，卫星飞行方向沿杆状天线的长度向一致，如图2所示。

如图1和图2所示，基于星载Ka波段SAR系统的船只目标干涉检测方法包括：

a、利用Ka波段发射天线对成像区域以脉冲重复周期的正交信号进行扫描，实现大幅宽、大多普勒带宽的覆盖；b、在脉冲发射前，利用Ka波段接收天线对大幅宽、大多普勒带宽的回波信号进行并行接收和数字波束形成恢复，得到干扰信号的方向来源；c、对Ka波段接收天线的接收数据进行加权处理控制方向函数，在干扰信号的方向使用零陷技术，对干扰信号进行抑制，同时对Ka波段接收天线的旁瓣强目标造成的干扰进行抑制； d、利用Ka波段SAR交轨基线获得成像区域的干涉SAR图像，并提取干涉SAR图像的高程缠绕分布信息，根据船只目标的高程缠绕分布特征对船只目标进行检测与识别。

具体地，步骤a包括：利用Ka波段发射天线在方位向根据星载Ka波段SAR系统所需的成像分辨率，在一个合成孔径时间内扫描对应的波束个数，在距离向根据星载Ka波段SAR系统所需的幅宽，在数字域进行波束形成，恢复出指向不同距离的窄波束，从而获得各个子测绘带(成像子带) 的SAR图像，最后拼接成大幅宽、高分辨率的SAR图像。

步骤b包括：在脉冲重复周期内，在没有主动发射脉冲的情况下，利用Ka波段接收天线数字波束形成的窄波束扫描整个接收角度，接收非合作信号获取成像区域的干扰信息；根据干扰信息的强度、变化规律的特征，判断干扰信息的类别；根据干扰信息所在的窄波束，确定干扰信息相对所述星载Ka波段SAR系统的角度。

如图1中02框图所示，该部分为成像区域主动干扰信息获取方式的流程图，图3为主动干扰信息获取方式的示意图，图4为脉冲发射和信号接收时序图。如图1至图4所示，脉冲发射前，利用二维多通道天线数字波束形成的窄波束扫描整个接收角度，实现S×R个区域的覆盖，探测非合作干扰信号。接收时可进行扫描接收，接收区域在方位向能够达到在±30°，远大于成像的合成角度，因此在一次接收后可进行多个脉冲重复周期的发射。完成一次接收区域干扰探测的覆盖区域成像后再重复上述过程。

针对干扰目标来源方向或强散射地物对弱散射地物干扰来源方向，采用数字波束形成，其处理流程如图5所示，主要分为以下四步：

第一，采用传统数字波束形成方法对俯仰向进行波束合成，形成K个高增益窄波束，即对应K个子测绘带，提升每个子测绘回波信号的信杂噪比SCNR；

第二，采用方位向相参积累或子孔径处理技术，进一步提升每个子测绘带的信杂噪比SCNR；

第三，利用恒虚警方法对每个子测绘带进行强散射目标检测，初步确定强散射目标的位置；

第四，根据获得的强散射目标或干扰信号的角度信息、天线指向信息等，建立多目标优化模型，采用天线方向图优化算法，例如采用模拟退火或粒子群优化算法，对强散射目标或干扰信号所在角度进行深度零陷，在期望信号方向上重新形成K个高增益窄波束，从而抑制强散射目标对弱散射目标的干扰，进而提高SAR图像的成像质量。

图6给出了自适应数字波束形成SAR处理的仿真结果，如图6所示，数字波束形成的波束指向为10°，而波束方向为-17.5°～-6°之间存在强散射目标(如海岛、其他大型船只)，基于二维多通道天线的优化能力，对该范围指向的零陷深度为40dB，即可以使SAR俯仰向具备强散射干扰 40dB的抑制能力，大幅提升SAR成像质量。实线为常规数字波束形成的波束合成结果，虚线为自适应数字波束形成的波束合成结果，圆点连线为干扰抑制方向图需求。

如图7所示，基于该系统获得的包含船只目标的高质量图像，步骤d 中对船只目标进行检测、识别的主要步骤为：

利用单航过的Ka波段SAR交轨基线对海洋区域进行干涉成像，获得 SAR图像A和B。在得到图像A、图像B的基础上，利用干涉技术得到成像区域的干涉SAR图像，同时用图像B(或图像A)对船只目标进行初步检测；

为实现船只目标与波浪、海岛的有效区分，高程模糊设置在60m，相应的高程精度约为2m。利用干涉图像的高程缠绕分布信息分析船只目标与其他目标(波浪、海岛等)的特征，依据目标的高程突变量大小和数量，目标平面大小和平面度对不同船只目标及海岛、海杂波特征进行提取；

在常规SAR图像船只目标识别检测的基础上，根据船只目标与其他目标的高程缠绕分布特征对非船只目标进行剔除，降低船只目标识别的虚警率；

利用干涉SAR图像的高程缠绕分布信息分析各种类船只目标的特征，根据不同船只的高程缠绕分布信息特征对船只进行分类。

对于本发明的方法所涉及的上述各个步骤的序号并不意味着方法执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明的实施方式的实施过程构成任何限定。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于星载Ka波段SAR系统的船只目标干涉检测方法，其特征在于，所述星载Ka波段SAR系统包含一个Ka波段发射天线和两个Ka波段接收天线，所述Ka波段发射天线和所述Ka波段接收天线形成Ka波段SAR交轨基线，该方法包括：

利用Ka波段发射天线对成像区域以脉冲重复周期的正交信号进行扫描，实现大幅宽、大多普勒带宽的覆盖；

在脉冲发射前，利用Ka波段接收天线对大幅宽、大多普勒带宽的回波信号进行并行接收和数字波束形成恢复，得到干扰信号的方向来源；

对Ka波段接收天线的接收数据进行加权处理控制方向函数，在干扰信号的方向使用零陷技术，对干扰信号进行抑制，同时对Ka波段接收天线的旁瓣强目标造成的干扰进行抑制；

利用所述Ka波段SAR交轨基线获得成像区域的干涉SAR图像，并提取所述干涉SAR图像的高程缠绕分布信息，根据船只目标的高程缠绕分布特征对船只目标进行检测与识别。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Ka波段发射天线采用有源相控阵天线，所述Ka波段接收天线具有多个通道。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将两个所述Ka波段接收天线分置于卫星两侧，并与所述Ka波段发射天线形成用于对SAR图像进行干涉测量的Ka波段SAR交轨基线。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用Ka波段发射天线对成像区域以脉冲重复周期进行扫描，实现大幅宽、大多普勒带宽的覆盖的过程包括：

利用所述Ka波段发射天线在方位向根据所述星载Ka波段SAR系统所需的成像分辨率，在一个合成孔径时间内扫描对应的波束个数，在距离向根据所述星载Ka波段SAR系统所需的幅宽，在数字域进行波束形成，恢复出指向不同距离的窄波束，从而获得各个子测绘带的SAR图像，最后拼接成大幅宽、高分辨率的SAR图像。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在脉冲发射前，利用Ka波段接收天线对大幅宽、大多普勒带宽的回波信号进行并行接收和数字波束形成恢复，得到干扰信号的方向来源的过程包括：

在脉冲重复周期内，在没有主动发射脉冲的情况下，利用所述Ka波段接收天线数字波束形成的窄波束扫描整个接收角度，接收非合作信号获取成像区域的干扰信息；

根据所述干扰信息的强度、变化规律的特征，判断所述干扰信息的类别；

根据所述干扰信息所在的窄波束，确定所述干扰信息相对所述星载Ka波段SAR系统的角度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干扰信号和旁瓣强目标深度零陷抑制的过程包括：

利用恒虚警检测方法对每个子测绘带的强散射目标进行检测，初步确定强散射目标的位置；

根据获取的干扰信号和每个子测绘带强散射目标的天线指向信息，建立多目标优化模型，采用天线方向图优化算法，在期望信号方向上产生高增益窄波束，对强散射目标的位置进行深度零陷，抑制强散射目标对弱散射目标的干扰。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对船只目标进行检测与识别的过程包括：

利用单航过的Ka波段SAR交轨基线对海洋区域进行干涉成像，获得SAR图像和干涉SAR图像；

利用SAR图像的高程缠绕分布信息分析船只目标与其他目标的特征；

在SAR图像船只目标识别的基础上，根据船只目标与其他目标的高程缠绕分布特征对非船只目标进行剔除；

利用干涉SAR图像的高程缠绕分布信息分析各类船只目标的特征，根据不同船只的高程缠绕分布信息特征对船只进行分类。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用干涉SAR图像的高程缠绕分布信息分析各类船只目标的特征时，根据目标的高程突变量大小和数量、目标平面大小和平面度对不同船只目标及海岛、海杂波的特征进行提取。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述星载Ka波段SAR系统还包括SAR电子学系统。

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