專利名稱：一種基于單通道sar多子孔徑的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及單通道合成孔徑雷達(dá)(簡(jiǎn)稱SAR)多子孔 的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
基于合成孔徑雷達(dá)的地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(SAR/GMTI)在軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，已成為現(xiàn)代雷達(dá)要完成的重要任務(wù)之一。目前有多種雷達(dá)系統(tǒng)包含有 SAR-GMTI功能裝備于E-8飛機(jī)上的APY-3 (JSTARS)系統(tǒng)；加拿大的XWEAR、法國(guó)的RAMSES、 瑞典的Ericsson、以色列的EL/M-2060P、美國(guó)的TUSAR、ASARS-2/2A、PodSAR等。這些裝置 均側(cè)重于多天線系統(tǒng)，主要采用空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)(STAP)，沿軌跡干涉(ATI)和偏置相 位中心天線(DPCA)雜波對(duì)消等技術(shù)。多天線系統(tǒng)增加了雷達(dá)裝備的復(fù)雜度，如何有效的利 用單通道實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)逐漸成為雷達(dá)研究的一個(gè)重點(diǎn)。現(xiàn)有單通道檢測(cè)方法主要基于目標(biāo)的頻率特性，不僅雜波抑制性能低而且受到系 統(tǒng)參數(shù)的限制，硬件系統(tǒng)復(fù)雜。如何在現(xiàn)有單通道SAR/GMTI的基礎(chǔ)上提高檢測(cè)性能已成為 一個(gè)重要而現(xiàn)實(shí)的問題。已有單通道檢測(cè)方法主要基于多普勒濾波、相位誤差估計(jì)、時(shí)頻分 析以及基于SAR空間的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)等?，F(xiàn)有技術(shù)均是以一個(gè)完成的合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)作為研究對(duì)象，對(duì)信息的利用 不夠充分，難以直接消除雜波，在雜波抑制性能和目標(biāo)檢測(cè)上均有所欠缺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有單通道SAR系統(tǒng)受通道數(shù)限制，為突破雜波抑制上的瓶 頸，提供了 一種適用于單通道SAR圖像的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法。該方法充分考慮了單通道SAR 的特點(diǎn)，利用全合成孔徑的回波信息，劃分出多子孔徑作為處理對(duì)象，不僅可以克服單通道 數(shù)目上的局限，而且能夠很好的抑制雜波，因此該方法可高效的實(shí)現(xiàn)SAR動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。包括 以下步驟步驟一、單通道中圖像序列的生成首先將SAR圖像變換到方位向頻域，在多普勒頻域中將頻帶分成相互重疊大小相 同的子頻帶，再將頻域子塊變換回時(shí)域以獲得相應(yīng)的子圖像。頻域劃分后等效于將單天線 方位波束寬度分為幾個(gè)子孔徑，每個(gè)子孔徑近似于多通道中單個(gè)天線數(shù)據(jù)并分別以不同視 角對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。步驟二、圖像序列間的誤差校正為構(gòu)造類似多通道的配置，以上通過單通道在方位頻域的劃分獲得了不同的子圖 像，初步實(shí)現(xiàn)了多個(gè)子孔徑的提取。但基于頻域劃分的處理過程，不僅引起上節(jié)所述相位上 的差異，由于方向天線圖的影響在幅度上也存在差別。針對(duì)這些失配，基于最小二乘準(zhǔn)則的 二維自適應(yīng)校準(zhǔn)方法，無(wú)需天線參數(shù)、載機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)等先驗(yàn)信息，只需對(duì)已有的SAR圖 像進(jìn)行1-3次迭代即可同時(shí)校準(zhǔn)幅度和相位誤差，適合于在圖像域的處理背景，使子圖像的幅度特性和相位特性在最小二乘準(zhǔn)則下匹配。步驟三、多子孔徑空時(shí)二維信號(hào)模型的建立假設(shè)第二個(gè)子孔徑在方位向的時(shí)域回波信號(hào)由S2 (t)表示，其中-Tsub ( t ( Tsub (t 為子孔徑在方位向的時(shí)間，2Tsub為子孔徑的合成時(shí)間)。S2 (t)在頻域的表達(dá)式為G2 (f)，頻 率所在的范圍為_fsub ^ f ^ fsub，2fsub即為子孔徑在方位頻域的帶寬。若單天線在方位向 頻域進(jìn)行頻帶劃分后得到的三個(gè)子孔徑的方位頻域信號(hào)分別用式(1)中的Gjf)，G2(f)， G3 (f)表示
Δ f為相鄰子頻帶中心間的頻率差。假設(shè)λ為發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)，Rtl為天線與目標(biāo) 間的最短距離，\為載機(jī)的速度，相鄰子頻帶間Δι的頻率間隔等效于相鄰子孔徑相位中心 間的距離1如下 由此可知相鄰子孔徑在對(duì)目標(biāo)掃描時(shí)的延遲時(shí)間Δ T為 基于時(shí)間和頻率間的線性關(guān)系，可將信號(hào)在頻域的表達(dá)式轉(zhuǎn)化到時(shí)域，結(jié)合式(1) 與式⑶可知 其中S1 (t)、S3(t)分別為第一個(gè)子孔徑和第三個(gè)子孔徑在時(shí)域方位向回波信號(hào)的 表達(dá)式。以下詳細(xì)分析多子孔徑在方位向回波信號(hào)等效成多通道在方位向回波信號(hào)的理論 ■石出。由式(1)到式(4)可知，在頻帶劃分的三個(gè)子頻帶所對(duì)應(yīng)的三個(gè)子孔徑分別在中 心時(shí)刻為-Δ T，0，Δ Τ，合成時(shí)間為-Tsub ^ t ^ Tsub的情況下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三次不同的觀測(cè)，由 此可知三個(gè)子孔徑的孔徑中心與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之間的斜距表達(dá)式，第一個(gè)子孔徑的斜距R1 (t) 為 其中Xtl為目標(biāo)初始時(shí)刻方位向位置，Vx和Vy分別為目標(biāo)在方位向和距離向的速 度。第二個(gè)子孔徑的斜距R2 (t)為 第三個(gè)子孔徑的斜距R3 (t)為 不同的子孔徑由于時(shí)延的不同對(duì)斜距帶來(lái)了影響，而多通道配置由于天線方位位 置的差異也對(duì)斜距帶來(lái)了影響，對(duì)比這兩種不同原因在斜距變化中產(chǎn)生的影響后，可知不 同子孔徑間由于時(shí)延在斜距上引起的差異與不同通道間由于空間位置而引起的斜距差異 在實(shí)質(zhì)上是一致的。子孔徑的處理方法通過在時(shí)間上的延時(shí)可劃分出不同的三個(gè)孔徑，利 用各自不同的合成時(shí)間獲得不同的動(dòng)目標(biāo)信息。再將這些通過不同合成中心時(shí)刻的子孔 徑序列所獲得的回波信號(hào)等效成同一時(shí)刻不同空間位置所獲得的回波信號(hào)，即d = L = (Vx-Va)T，便獲得了空域信息。結(jié)合每個(gè)子孔徑在合成時(shí)間t e [-Tsub，Tsub]內(nèi)通過發(fā)射相 干脈沖收集到的方位向時(shí)域信息，便得到了空時(shí)二維信號(hào)，由此建立起空時(shí)自適應(yīng)處理的 信號(hào)模型。步驟四、多子孔徑空頻自適應(yīng)處理的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)空頻域自適應(yīng)技術(shù)的處理思路是在每一個(gè)多普勒通道中應(yīng)用濾波器進(jìn)行空間雜 波的抑止。多子孔徑的天線隨著載機(jī)的運(yùn)動(dòng)接收條帶場(chǎng)景的回波過程，類似于將場(chǎng)景方位 向散射特性P(t)通過一個(gè)多維線性時(shí)不變?yōu)V波器?？芍獔?chǎng)景的系統(tǒng)響應(yīng)c(t)可由p(t) 和就靜止目標(biāo)SO (t)間的卷積得到 將式⑶作如下的傅立葉變換 系統(tǒng)傳遞函數(shù)Stl (t)的傅立葉變換如下所示 由于導(dǎo)向向量u(f)是慢變化的，S0(f)的不同系數(shù)體現(xiàn)了方位向線性調(diào)頻信號(hào)傅 立葉變換的結(jié)果。如果方位向信號(hào)的時(shí)間帶寬積足夠大，則在頻率f處的傅立葉變換可由 調(diào)頻信號(hào)選擇原理給出 其中Y (f)為隨頻率變化的復(fù)數(shù)項(xiàng)，u(f)為瞬時(shí)多普勒頻率f所對(duì)應(yīng)的方向矢量， 由于方向矢量對(duì)多普勒頻率的依賴性，通過多普勒濾波器就可以對(duì)方向做出選擇。對(duì)多子 孔徑系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的頻域響應(yīng)由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)ξ和多普勒頻率f決定，而所有的靜止目 標(biāo)具有相同的頻域響應(yīng)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)頻域響應(yīng)由其運(yùn)動(dòng)參數(shù)決定的特性使其區(qū)別于靜止目標(biāo) 的頻域響應(yīng)，這一區(qū)別是后續(xù)頻域處理的理論基礎(chǔ)。對(duì)固定的頻率f，選取最優(yōu)權(quán)向量，使輸 出信噪比最大?；诰S納-霍夫方程可知頻域的最優(yōu)加權(quán)為 式(12)中R－1Q(f)為雜波與干擾的譜密度，S(f，ξ)為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)。由式(12)可 知，最優(yōu)加權(quán)可分為雜波協(xié)方差的逆矩陣和目標(biāo)矢量這兩個(gè)部分，第一部分可濾除雜波，第 二部分完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的匹配，相當(dāng)于維納最優(yōu)匹配濾波器。采用最優(yōu)加權(quán)的濾波器在雜 波分布的區(qū)域形成了二維凹口，從而實(shí)現(xiàn)雜波的抑制。該凹口越窄，在接近雜波分布的運(yùn)動(dòng) 目標(biāo)越能有效的保留。同理，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)偏離雜波軌跡越遠(yuǎn)，濾波對(duì)動(dòng)目標(biāo)的損耗越小，所 得信雜噪比越大，越有利于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是利用單通道SAR圖像在方位頻域的劃分以獲得多個(gè)子圖像，從 而得到各子圖像對(duì)應(yīng)的子孔徑，構(gòu)造出類似于多通道中的多個(gè)天線。利用多通道的思想，將 不同子孔徑在時(shí)延上的差異轉(zhuǎn)化為空間位置上的差異，獲得基于多子孔徑的空時(shí)二維信號(hào)模型，在此基礎(chǔ)上采用空頻自適應(yīng)處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。本發(fā)明的有益效果充分利用了單通道SAR的特點(diǎn)，通過劃分獲得了類似于多通 道的多個(gè)子孔徑；利用多子孔徑的空時(shí)特性，采用多子孔徑的空頻自適應(yīng)處理算法檢測(cè)運(yùn) 動(dòng)目標(biāo)，突破了單通道受通道數(shù)的制約，有利于對(duì)微弱目標(biāo)的檢測(cè)。采用空頻自適應(yīng)的處理 方法比空時(shí)處理方法在運(yùn)算量上大大降低，提高了檢測(cè)算法的運(yùn)算效率并有效的抑制了雜 波對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響，使該檢測(cè)方法兼具較高的檢測(cè)性能和運(yùn)算效率。本發(fā)明主要采用仿真實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，所有步驟、結(jié)論都在MATLAB7.0上驗(yàn) 證正確。


圖1是本發(fā)明的工作流程框圖；圖2是單通道SAR系統(tǒng)成像后的示意圖；其中，橫軸表示方位向，縱軸表示距離向，讀取真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)作為雜波背景，建立 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波模型，圖中包含了兩個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；圖3為經(jīng)過步驟二至步驟四處理后獲得的目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果；其中，橫軸表示距離向，縱軸表示方位向。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例采用機(jī)載雷達(dá)的方式，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)帶寬為200MHz，脈沖重復(fù)頻率為 500Hz。載機(jī)的飛行速度為200m/s。仿真成像場(chǎng)景內(nèi)包含兩個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，雜波譜帶寬為 200MHz。步驟一、單通道中圖像序列的生成在合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)中，通常是將全合成孔徑在時(shí)域或者頻域分成兩個(gè)或多個(gè)視 數(shù)。通過在時(shí)域?qū)AR圖像進(jìn)行處理獲得子圖像，是對(duì)時(shí)域回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，這相當(dāng)于把 全合成孔徑劃分為一些子孔徑，再對(duì)各子孔徑進(jìn)行處理。由于在同一時(shí)刻接收到的回波信 號(hào)，為場(chǎng)景中不同位置處目標(biāo)信號(hào)的總和，單純地將時(shí)域數(shù)據(jù)分段處理，每一時(shí)間段內(nèi)將包 含有不同角度下不同成像區(qū)域的混疊信號(hào)，難以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)子孔徑的劃分。因此，在實(shí)際處 理中，對(duì)合成孔徑的劃分一般在頻域進(jìn)行。單通道SAR成像后的數(shù)據(jù)以一個(gè)400行512列矩陣形式存放，圖2為仿真獲得的 SAR圖像。其中每列數(shù)據(jù)存放方位向的信息；每行數(shù)據(jù)是存放距離向的信息。將SAR圖像 的結(jié)果作方位向傅立葉變換，將成像結(jié)果沿方位向頻域選取三個(gè)子頻帶，所對(duì)應(yīng)的相鄰兩 個(gè)子孔徑圖像間重疊度為45%。再將頻域子塊變換回方位向時(shí)域以獲得相應(yīng)的子圖像。步驟二、圖像序列間的誤差校正假設(shè)所需處理的信號(hào)在距離向和方位向的傳遞函數(shù)是可分離的，H(n’m) (Ω)為兩子 孔徑在距離頻域傳遞函數(shù)之比，D(n’m) (ω)為兩子孔徑在多普勒域傳遞函數(shù)之比(其中Ω和 ω分別表示距離向和方位向頻域，)。在滿足最優(yōu)二乘準(zhǔn)則的條件下，計(jì)算出兩子孔徑間的 傳遞函數(shù)之比Η(ηι’η)(Ω)和D(m’n)( )。則第η個(gè)與第m個(gè)子孔徑信號(hào)Sn(Q，ω)與5111(0， ω)之間的關(guān)系如下所示Sm(Q, ω) = H(n'm) ( Ω ) Sn( Ω , W)D(n'm)(o)式(13)
為得到準(zhǔn)確的信號(hào)通過以下的迭代過程進(jìn)行校正
14)其中《，(仏份)的上標(biāo)k = 0，1，2，...，表示第k次迭代。一般經(jīng)過1 3次迭代
后，可使校正誤差逼近于Sm(Q，ω)，實(shí)現(xiàn)不同子孔徑間的配準(zhǔn)。步驟三、多子孔徑空時(shí)二維信號(hào)的建立與空頻自適應(yīng)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)將校準(zhǔn)后的子 圖像序列所對(duì)應(yīng)的子孔徑作空時(shí)等效處理。根據(jù)不同子孔徑各自的合成時(shí)間獲得不同的動(dòng) 目標(biāo)信息，再結(jié)合式(5)到式(7)中所給出的時(shí)延在斜距上的影響，將這些通過不同合成中 心時(shí)刻的子孔徑序列所獲得的回波信號(hào)等效成同一時(shí)刻不同空間位置所獲得的回波信號(hào)， 即d = L = (Vx-Va)T,便獲得了空域信息。結(jié)合每個(gè)子孔徑在合成時(shí)間t e [-Tsub，Tsub]內(nèi) 通過發(fā)射相干脈沖收集到的方位向時(shí)域信息，便得到了空時(shí)二維信號(hào)，由此建立起空時(shí)自 適應(yīng)處理的信號(hào)模型。在此基礎(chǔ)上，采用空頻自適應(yīng)處理方法，經(jīng)過式(8)到式(12)的處 理，濾除雜波，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。
權(quán)利要求
一種基于單通道SAR多子孔徑的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法，其特征在于具體步驟如下步驟一、單通道中圖像序列的生成在SAR圖像中提取子圖像時(shí)，首先將SAR圖像變換到方位向頻域，在多普勒頻域中將頻帶分成相互重疊大小相同的子頻帶，再將頻域子塊變換回時(shí)域以獲得相應(yīng)的子圖像；子頻帶的大小要兼顧方位向分辨率和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)散焦所帶來(lái)的影響，當(dāng)所選頻帶太小會(huì)引起分辨率的嚴(yán)重降低，太大則會(huì)加劇動(dòng)目標(biāo)的散焦現(xiàn)象；子頻帶之間重疊50％，既保證了靜止目標(biāo)在圖像序列間的相關(guān)性，又給出了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在圖像序列間的位移差；在頻域的劃分等效于將單天線方位波束寬度分為幾個(gè)子孔徑，每個(gè)子孔徑近似于多通道中單個(gè)天線數(shù)據(jù)；步驟二、圖像序列間的誤差校正針對(duì)不同子孔徑間的失配，采用基于最小二乘準(zhǔn)則的二維自適應(yīng)校準(zhǔn)方法進(jìn)行校正，該方法無(wú)需天線參數(shù)、載機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)先驗(yàn)信息；基于所處理信號(hào)在距離向和方位向傳遞函數(shù)的可分離性，在滿足最優(yōu)二乘準(zhǔn)則的條件下，計(jì)算出兩子孔徑間距離頻域傳遞函數(shù)之比與多普勒域傳遞函數(shù)之比；則不同子孔徑信號(hào)之間經(jīng)過傳遞函數(shù)在距離向和方位向的1-3次迭代即可同時(shí)校準(zhǔn)幅度和相位誤差，適合于本文在圖像域的處理背景，使子圖像的幅度特性和相位特性在最小二乘準(zhǔn)則下匹配；步驟三、多子孔徑空時(shí)二維信號(hào)模型的建立經(jīng)過校正處理后的子孔徑可類似于多通道的配置，不同的子孔徑對(duì)應(yīng)著不同的合成孔徑中心時(shí)刻，這些時(shí)間上的延遲均會(huì)引起不同子孔徑所對(duì)應(yīng)的子孔徑中心到目標(biāo)之間的斜距存在一定的差異；這種因?yàn)闀r(shí)間延遲所產(chǎn)生的斜距差異與采用不同通道由于空間位置而引起的斜距差異在實(shí)質(zhì)上是一致的；基于單通道多子孔徑的處理方法，正是通過在時(shí)間上的延遲劃分出不同的多子孔徑，利用各自不同的合成時(shí)間獲得不同的動(dòng)目標(biāo)信息，再將這些不同合成中心時(shí)刻的子孔徑序列所獲得的回波信號(hào)等效成同一時(shí)刻不同空間位置所獲得的回波信號(hào)，便得到空域信息；結(jié)合每個(gè)子孔徑在合成時(shí)間內(nèi)通過發(fā)射相干脈沖收集到的方位向時(shí)域信息，便得到了空時(shí)二維信號(hào)，由此建立起空時(shí)自適應(yīng)處理的信號(hào)模型；步驟四、多子孔徑空頻自適應(yīng)處理的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)空頻域自適應(yīng)技術(shù)的處理思路是在信號(hào)的方位頻域即多普勒通道中應(yīng)用濾波器進(jìn)行空間雜波的抑制；首先將獲得多子孔徑空時(shí)信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，由于所有的景致目標(biāo)具有相同的頻域響應(yīng)，采用最大似然法估計(jì)出雜波加干擾的譜密度矩陣；而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的頻域響應(yīng)由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自身參數(shù)和多普勒頻率決定，因此對(duì)固定的頻率，選取最優(yōu)權(quán)向量使輸出信噪比最大，加權(quán)的過程不僅濾除了雜波，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)信號(hào)的匹配，檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的存在。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于單通道SAR多子孔徑的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法，屬于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域。它是基于SAR圖像在方位頻譜的劃分獲取子圖像對(duì)應(yīng)的子孔徑的，而后結(jié)合二維自適應(yīng)方法對(duì)不同子圖像間在幅度和相位上的誤差進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)子孔徑間的配準(zhǔn)；再將多子孔徑的時(shí)間延遲對(duì)應(yīng)于斜距的變化等效為同一時(shí)刻不同方位向的位置差異，獲得子孔徑在方位向的空間信息，再結(jié)合子孔徑本身在時(shí)域積累的脈沖數(shù)據(jù)，得到空時(shí)二維信息量；在此基礎(chǔ)上采用空時(shí)自適應(yīng)處理算法實(shí)現(xiàn)雜波抑制與目標(biāo)檢測(cè)；能夠克服單通道雜波抑制性能不足的特點(diǎn)，避免了多通道SAR運(yùn)算量大和復(fù)雜度高等問題，因此該方法可以高效地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)，可用于單通道SAR圖像的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01S7/41GK101858976SQ20101018116
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者何偉, 劉書君, 胡小平 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)