CN115267721B - 一种基于双频sar的地面动目标径向速度估计方法 - Google Patents

一种基于双频sar的地面动目标径向速度估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双频SAR的地面动目标径向速度估计方法，用SAR系统接收两个不同频率的信号，分别杂波抑制，获取不同频率的两幅图像，分别检测运动目标，标识出运动目标的位置，测量运动目标从波束中心时刻到雷达的距离，分别估计径向速度，计算两个模糊速度，计算时域模糊数和空域模糊数，根据方差最小准则，提升速度估计精度，计算真实径向速度，根据真实径向速度及其与方位偏移的关系，计算运动目标的方位向偏移量。

Description

一种基于双频SAR的地面动目标径向速度估计方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种动目标检测技术。
背景技术
合成孔径雷达，简称SAR，能够获得高分辨率二维图像，在各个领域都有广泛的应用。随着侦察环境日益复杂，运动目标是雷达探测的重点。地面运动目标标识，简称GMTI，其中的径向速度估计已经成为现代雷达不可或缺的一个功能。径向速度直接影响运动目标的重定位结果，精确的径向速度估计是实际应用中不可避免的问题。SAR-GMTI系统中沿航迹布设的多通道系统，是目前最常见的SAR-GMTI模式。传统单通道系统，通过多普勒参数检测动目标。多通道SAR-GMTI系统，根据目标运动产生的通道间干涉相位检测动目标。
多通道SAR是一个二维采样系统，时域被脉冲重复频率采样，空域被通道数量采样。目标速度较大、时域模糊大于空域模糊时，可能在时域和空域发生双重模糊。基于干涉相位获得动目标的真实径向速度，必须求解时域和空域两重模糊。目标的后向散射系数，也与电磁波频段相关，不同频段的信号对目标的检测性能有较大影响，电磁波本身的传播特性也会影响运动目标的检测。运动目标在时域模糊后的径向速度，影响其方位位置偏移，精确估计目标径向速度，是目标重定位的基础。
多通道SAR系统的双重模糊，都与发射信号载波波长有关。依据系统性能要求，在同一个系统中，设计多种雷达发射信号载波波长，实现两重模糊的求解。可能存在的模糊数是有限的，设计合适的算法，快速求解双重模糊数，估计运动目标真实径向速度。
发明内容
本发明为了解决现有多通道SAR动目标速度估计技术存在脉冲重复频率和多通道空间采样导致的双重模糊问题，提出了一种基于双频SAR的地面动目标径向速度估计方法，应用双频发射信号，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
步骤一：用SAR系统接收两个不同频率的信号，设
Figure 438054DEST_PATH_IMAGE001
为多通道天线间距，
Figure 366696DEST_PATH_IMAGE002
为雷达 速度，用多通道运动目标检测算法，分别对两个信号的回波数据进行杂波抑制，获取不同盲 速周期的两幅图像，扩大系统盲速范围，将盲速周期扩大为双频回波数据的盲速周期的最 小公倍数。
设
Figure 564459DEST_PATH_IMAGE003
为双频信号的波长，用公式
Figure 908853DEST_PATH_IMAGE004
计算每个频率对应的盲速
Figure 751038DEST_PATH_IMAGE005
，对双 频SAR系统，用
Figure 460368DEST_PATH_IMAGE006
表示最小公倍数，用公式
Figure 270061DEST_PATH_IMAGE007
，计算扩大范围后 的盲速
Figure 418146DEST_PATH_IMAGE008
。
步骤二：分别对不同频率的两幅图像进行运动目标检测，在杂波抑制后的图像中 标识出运动目标的位置，测量运动目标从波束中心到雷达的距离
Figure 239471DEST_PATH_IMAGE009
。
利用不同信号的反射和穿透特性不同、目标对不同频段信号的后向散射系数不同、双频联合检测的概率大于单次检测，提升运动目标的单元平均恒虚警检测概率。
步骤三：用多通道方法，分别对两个频率的图像中标识出的运动目标进行径向速 度估计，分别获取运动目标在两个不同频率的信号中模糊后的速度
Figure 526227DEST_PATH_IMAGE010
，其中i表 示频段序号，数值为1或2。
步骤四：计算时域模糊速度周期
Figure 167424DEST_PATH_IMAGE011
和空域模糊速度周期
Figure 181516DEST_PATH_IMAGE012
，设置最大检测速 度
Figure 388507DEST_PATH_IMAGE013
，用
Figure 315006DEST_PATH_IMAGE014
计算时域和空域的模糊数范围，根据中国 余数定理，确定时域模糊数
Figure 505816DEST_PATH_IMAGE015
和空域模糊数
Figure 198965DEST_PATH_IMAGE016
的数值。
时域模糊数的取值范围和空域模糊数的取值范围分别用公式
Figure 119517DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 607130DEST_PATH_IMAGE018
表示， 定义一种计算方式：
Figure 363864DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 391863DEST_PATH_IMAGE020
表示向下取整。
步骤五：用公式
Figure 42287DEST_PATH_IMAGE021
表示径向速度的双频估计结果的概率分布， 其中N（）表示正态分布，设加权平均的系数分别为
Figure 825436DEST_PATH_IMAGE022
，用公式
Figure 194100DEST_PATH_IMAGE023
计算加 权平均后的方差，其中W表示频段数量，数值为2，根据方差最小准则，用加权平均公式，提升 速度估计精度，计算运动目标的真实径向速度。
用公式
Figure 104418DEST_PATH_IMAGE024
描述加权系数的关系，则径向速度的双频估计结果的方差用公式
Figure 609349DEST_PATH_IMAGE025
表示，当该方差最 小时，用公式
Figure 501082DEST_PATH_IMAGE026
计算相应的加权系数
Figure 481676DEST_PATH_IMAGE027
。
设
Figure 54740DEST_PATH_IMAGE028
为目标在双频下的信噪比，用公式
Figure 758385DEST_PATH_IMAGE029
计算双频中干涉处理 的两个通道的相关系数
Figure 148915DEST_PATH_IMAGE030
，用公式
Figure 492171DEST_PATH_IMAGE031
计算两个频率的相位误差
Figure 9871DEST_PATH_IMAGE032
，用公 式
Figure 817290DEST_PATH_IMAGE033
计算速度误差
Figure 519667DEST_PATH_IMAGE034
，用公式
Figure 163269DEST_PATH_IMAGE035
计算目标的真实径向速度。
步骤六：考虑到方位偏移与真实径向速度经过时域模糊后的结果有关，根据真实 径向速度及其与方位偏移的关系，计算运动目标的方位向偏移量
Figure 202770DEST_PATH_IMAGE036
。
用公式
Figure 67957DEST_PATH_IMAGE037
计算运动目标在两个不同频率的信号回波中经 多普勒频率模糊后的速度
Figure 551022DEST_PATH_IMAGE038
，用公式
Figure 603292DEST_PATH_IMAGE039
计算方位向偏移量
Figure 180904DEST_PATH_IMAGE040
。
本发明的有益效果包括：
根据不同频段电磁波的传播性质、目标对不同频段电磁波的反射性质、不同目标在双频信号杂波抑制后的信噪比不同，利用双频SAR信号联合检测，提升检测概率，应用场景广阔。
根据不同频段下、多通道杂波抑制方法的盲速不同，设计双频信号，利用双频段检测图像互补，扩大了检测盲速范围，对目标进行重定位，有利于运动目标的检测。
根据地面运动目标速度在一个较小的区间内、双重模糊数范围不会太大，利用双重模糊形成原理，设计双频系统，列举所有可能的双重模糊数，在计算过程中，同时考虑双重模糊的影响，一一验证计算，获得准确的双重模糊数，可稳定快速地同时求解双重模糊。
利用双频的两个图像，分别估计运动目标径向速度，根据最小误差准则，双频图像两次估计，加权取算数平均计算，降低了噪声的影响，减小了误差，提升了速度估计精度。
仅设计多频发射信号，对多通道系统的其它信号处理过程影响较小，无需借助额外的系统参数，可以和传统的多通道运动目标标识方法较好的结合，适用范围广。
附图说明
图1是速度估计结果的概率分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。
本方法的流程具体步骤如下：
步骤一：设计一个系统性能要求的最大可确定速度
Figure 431757DEST_PATH_IMAGE041
=120m/s，即该系统可实 现[-60,60）m/s速度范围内的无模糊速度估计。
设计2个波长分别为0.05m和0.06m的信号，可以使其无模糊速度范围达到要求，两 种波长对应的时域盲速、空域盲速分别为
Figure 210357DEST_PATH_IMAGE042
。
SAR系统接收到的两个频率的信号，分别利用多通道运动目标检测进行杂波抑制，在波长0.05m信号下，杂波抑制后五个动目标的信噪比分别为 17.5、14.3、11.7、10.9和13.4dB，在波长0.06m信号下，杂波抑制后五个动目标的信噪比分别为17.7、13.1、10.4、17.1和12.6dB。
步骤二：将两幅图像分别进行运动目标检测，在两幅杂波抑制后的图像中标识出运动目标的位置。
步骤三：五个仿真运动目标T1、T2、T3、T4、T5的径向速度分别为8.36、13.46、17.01、-11.03和-16.87 m/s，接收到两个频率对应的回波数据后，利用传统的VSAR方法进行径向速度估计，每个目标的对应不同频率的模糊速度，如下所示
Figure 625289DEST_PATH_IMAGE043
步骤四，计算两个频率下所有可能的双重模糊数为：
Figure 881958DEST_PATH_IMAGE044
得到该系统可能的时域和空域多普勒模糊数分别为
Figure 315213DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 61452DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure 822735DEST_PATH_IMAGE047
，应用搜索解法，应用中国余数定理，确定 模糊数
Figure 758461DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 921589DEST_PATH_IMAGE049
。
步骤五：通过公式
Figure 166626DEST_PATH_IMAGE050
获得目标真实的 径向速度，计算结果如下所示：
Figure 477521DEST_PATH_IMAGE051
步骤六：根据径向速度估计结果，计算运动目标方位偏移，运动目标T1、T2、T3、T4、T5在双频下的偏移量分别为-697、546、249、-754、-261m和-697、879、582、913、-594m。
动目标检测位置减去偏移量即可得到原始位置，所有目标都被精确定位到道路上，为了进一步证明此方法在速度估计上的优势，进行蒙特卡洛实验，双频估计结果加权平均后的速度估计结果和单频速度估计结果的概率分布如图1所示，虚线表示单频一的速度估计结果概率密度分布曲线，点虚线表示单频二的速度估计结果概率密度分布曲线，实线表示双频加权平均速度估计结果概率密度分布曲线，加权平均后的估计方差明显小于单频估计方差。
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双频SAR的地面动目标径向速度估计方法，其特征在于，包括：
步骤一：用SAR系统接收两个不同频率的信号，设
Figure 311722DEST_PATH_IMAGE001
为多通道天线间距，
Figure 16504DEST_PATH_IMAGE002
为雷达速度， 用多通道运动目标检测算法，分别对两个信号的回波数据进行杂波抑制，获取不同盲速周 期的两幅图像，扩大系统盲速范围，将盲速周期扩大为双频回波数据的盲速周期的最小公 倍数；
步骤二：分别对不同频率的两幅图像进行运动目标检测，在杂波抑制后的图像中标识 出运动目标的位置，测量运动目标从波束中心到雷达的距离
Figure 606886DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤三：用多通道方法，分别对两个频率的图像中标识出的运动目标进行径向速度估 计，分别获取运动目标在两个不同频率的信号中模糊后的速度
Figure 570163DEST_PATH_IMAGE004
，其中i表示频段 序号，数值为1或2；
步骤四：计算时域模糊速度周期
Figure 726337DEST_PATH_IMAGE005
和空域模糊速度周期
Figure 992234DEST_PATH_IMAGE006
，设置最大检测速度
Figure 679698DEST_PATH_IMAGE007
，用
Figure 322032DEST_PATH_IMAGE008
计算时域和空域的模糊数范围，根据中国余数定理，确定 时域模糊数
Figure 926189DEST_PATH_IMAGE009
和空域模糊数
Figure 159724DEST_PATH_IMAGE010
的数值；
步骤五：用公式
Figure 724697DEST_PATH_IMAGE011
表示径向速度的双频估计结果的概率分布，其中N（） 表示正态分布，设加权平均的系数分别为
Figure 780509DEST_PATH_IMAGE012
，用公式
Figure 848959DEST_PATH_IMAGE013
计算加权平均后的方 差，其中W表示频段数量，数值为2，根据方差最小准则，用加权平均公式，提升速度估计精 度，计算运动目标的真实径向速度；
步骤六：根据真实径向速度及其与方位偏移的关系，计算运动目标的方位向偏移量
Figure 253396DEST_PATH_IMAGE014
。
2.根据权利要求1所述的基于双频SAR的地面动目标径向速度估计方法，其特征在于， 所述步骤一包括：设
Figure 430299DEST_PATH_IMAGE015
为双频信号的波长，用公式
Figure 883277DEST_PATH_IMAGE016
计算每个频率对应的盲速
Figure 212759DEST_PATH_IMAGE017
，对双频SAR系统，用
Figure 788097DEST_PATH_IMAGE018
表示最小公倍数，用公式
Figure 62083DEST_PATH_IMAGE019
，计算扩大 范围后的盲速
Figure 708965DEST_PATH_IMAGE020
。
3.根据权利要求1所述的基于双频SAR的地面动目标径向速度估计方法，其特征在于，所述步骤二包括：利用不同信号的反射和穿透特性不同、目标对不同频段信号的后向散射系数不同、双频联合检测的概率大于单次检测，提升运动目标的单元平均恒虚警检测概率。
4.根据权利要求1所述的基于双频SAR的地面动目标径向速度估计方法，其特征在于， 所述步骤四包括：时域模糊数的取值范围和空域模糊数的取值范围分别用公式
Figure 814324DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 763826DEST_PATH_IMAGE022
表示,定义一种计 算方式：
Figure 123177DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 449116DEST_PATH_IMAGE024
表示向下取整。
5.根据权利要求1所述的基于双频SAR的地面动目标径向速度估计方法，其特征在于， 所述步骤五包括：用公式
Figure 408982DEST_PATH_IMAGE025
描述加权系数的关系，则径向速度的双频估计结果的方差 用公式
Figure 388439DEST_PATH_IMAGE026
表示，当该方差最小时，用公式
Figure 902597DEST_PATH_IMAGE027
计算相应的加权系数
Figure 563385DEST_PATH_IMAGE028
。
6.根据权利要求5所述的基于双频SAR的地面动目标径向速度估计方法，其特征在于， 所述步骤五包括：设
Figure 190807DEST_PATH_IMAGE029
为目标在双频下的信噪比，用公式
Figure 747690DEST_PATH_IMAGE030
计算双频中干涉处 理的两个通道的相关系数
Figure 280303DEST_PATH_IMAGE031
，用公式
Figure 72678DEST_PATH_IMAGE032
计算两个频率的相位误差
Figure 679240DEST_PATH_IMAGE033
，用公式
Figure 203762DEST_PATH_IMAGE034
计算速度误差
Figure 302299DEST_PATH_IMAGE035
，用公式
Figure 242573DEST_PATH_IMAGE036
计算目标 的真实径向速度。
7.根据权利要求6所述的基于双频SAR的地面动目标径向速度估计方法，其特征在于， 所述步骤六包括：用公式
Figure 359434DEST_PATH_IMAGE037
计算运动目标在两个不同频率的信号回波 中经多普勒频率模糊后的速度
Figure 54858DEST_PATH_IMAGE038
，用公式
Figure 499745DEST_PATH_IMAGE039
计算方位向偏移量
Figure 119077DEST_PATH_IMAGE040
。
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