合成孔径雷达地面动目标检测方法研究
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预警雷达中抑制强杂波和多种干扰, 目前, STA P 理 论已逐步应用于其它体制的雷达, 如 SA R、星载雷 达、舰载雷达等, 但是由于在实际工程实现时相当困 难, 使其应用也受到了一定的限制, 在星载 SA R 中 更是难以应用。D PCA 〔1〕是多通道 SA R 动目标检测 的一个典型的方法, 近年来随着新技术的不断发展, 该方法也不断得到更新、完善, 使用范围进一步扩 展。A T I〔2〕方法最早应用在海洋表面速度的测量, 近 几年来 A T I 技术使用越来越广泛, 在星载 SA R 中 也得到了很好的应用, 比如美国的 Shu ttle R ada r Topog rap hy M ission (SR TM ) , T erra SA R 2X 以及 加拿大的 R ada rSa t22 等都是采用A T I 方法。
在 SA R 复图像域检测动目标时, 通过对图像插
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第 1 期 郑明洁等: 合成孔径雷达地面动目标检测方法研究 2 13
(中国科学院电子学研究所, 北京 100080)
摘要: 分析了合成孔径雷达 (SA R ) 地面动目标检测的特点, 研究了几种动目标检测方法, 包括: 移 位相位中心天线 (D PCA ) 方法、沿迹干涉 (A T I) 方法、空时自适应 (STA P ) 方法以及解卷积方法, 画 出了部分方法的检测流程图, 分析了每种方法的特点, 最后给出了采用 A T I 方法检测时动目标参 数计算方法。 关 键 词: 动目标检测; D PCA ; A T I; 解卷积 中图分类号: TN 958 文献标识码: A 文章编号: 100420323 (2005) 0120211204
了一个距离单元的地物场景, 图中深色条带代表了 地杂波回波, 浅色方块代表动目标, 该矩阵是我们希 望得到的信息。中间的图是天线增益方向图, 图中最 黑的部分表示天线主瓣位置。 最左边的图是右边两 个矩阵相乘的结果, 从该图中可以看出目标回波出 现在接收信号中。 要想得到这些目标的位置和多普 勒移动, 首先计算增益方向图矩阵的逆, 然后用它去 解卷积功率谱, 就能给出真实的地面场景, 只要目标 的频移超过了杂波谱宽, 目标信号将会从杂波信号 中完全分离出来。解卷积后, 影响检测效果的主要是 噪声, 目标检测能力由信噪比来决定。
(1) 盲速 无论是采用D PCA 还是A T I 的方法, 本质上都 是两脉冲对消器, 因此性能也要受到与两脉冲对消
∃ Υ= 2ΚΠ·2v rΣa= n·2Π
(7)
其中: Σa = B v a, n 是不等于零的整数, B 是基线长
度。这时无法检测到动目标, 其对应的目标速度就是
盲速, 所以运动目标距离向地速的盲速为:
经典的 D PCA 方法往往采用两个相位中心, 在 相位中心间距、脉冲重复频率和载机速度之间满足
一定的关系基础上进行动目标检测。 目前该方法已
经逐渐发展到采用 3 个甚至更多的相位中心, 使其 不仅能够检测, 还能够对动目标聚焦成像。本文给出 了该方法在 SA R 复图像域检测动目标和在距离— 多普勒域检测动目标的过程, 分别如图 2 和图 3 所 示。
1 引 言
运动目标检测和成像是合成孔径雷达 (SA R ) 要完成的基本功能和难点之一, 如何高效的检测出 运动目标、确定目标运动速度及其位置并对这些动 目标成像是 SA R 运动目标检测和成像的主要任务。
近年来, 随着空间技术的发展, 星载合成孔径雷 达发展迅速。由于星载 SA R 的脉冲重复频率 (PR F ) 接近于多普勒杂波谱, 许多单天线 SA R 系统动目标 检测方法已经不再适用于星载 SA R 中, 因此多天线 SA R 系统动目标检测方法就逐步发展起来。多天线 SA R 系统能够有效地抑制或者消除杂波, 保留动目 标信息。目前多天线 SA R 系统动目标检测和成像方 法 主 要 有 移 位 相 位 中 心 天 线 (D isp laced Pha se Cen ter A n tenna, 简称 D PCA ) 技术、空时自适应处 理 (Sp ace2T im e A dap t ive P rocessing, 简称 STA P )、 沿 迹干涉 (A long2t rack In terferom et ry, 简称 A T I) 处理以及相位补偿干涉处理等。 本文首先分析了动 目标回波信号的特点, 然后对以上几种方法进行了 分析, 并给出了部分方法的检测流程图。
其中: Ηinc是天线入射角, 由上式可见, B 越长, v g rblind 越小, 速度周期也就越小。盲速还与波长及平台速度 有关, 都成正比关系。
(2) 最大可检测速度 两幅图像的相位差 ∃5 以 2Π为周期, 因此需要 对 ∃5 进行相位解缠, 而对动目标相位解缠需要一 个速度确知的地面参考点, 但这几乎是不可能的, 因 此应该避开相位解缠问题, 这就要求实际相位差处 于[ - Π, Π] 之间, 即所检测的目标距离向速度应该 处于[ - v , rmax v rmax ] 之间, 得到可检测的目标距离向 地速的最大速度为:
首先对两路回波信号分别进行 SA R 成像, 即分 别进行距离向和方位向压缩, 然后对两幅复图像进 行插值和配准。 图像配准后, 对二者进行时间校准, 然后将两幅复图像数据共轭相乘, 由于静止目标的 乘积相位为零, 而动目标不为零, 通过设置一定的门 限相位, 对干涉相位进行检测, 就能确定动目标存在 与否。 3. 3 解卷积
图 5 解卷积过程
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3. 4 参数计算
器相同的限制, 即盲速问题。如果两个子孔径接收的
动目标的距离向速度在检测的同时就可以得 目标信号相位相等或者相差 2Π倍, 就会产生盲速,
到, 但是检测中另外一些参数比如盲速、最大可检测 此时干涉相位为:
速度、最小可检测速度、测速精度等就需要仔细分 析, 这些参数决定了系统性能的好坏。不同的检测方 法, 参数的计算也不同, 下面以 A T I 方法为例详细 分析这些参数。
是发射脉冲宽度, T 是发射脉冲重复周期。
由式 (2) 中相位可见, 由雷达运动产生的多普勒
频率为:
f
r=
1 ΚR
0
(2x
0v
a
-
2v a2nT )
(3)
由目标运动产生的多普勒频率为:
f
t=
ΚR
1
0
(
2x
0
v
x
+
2y 0v y +
2
(v
2 x
+
v
2 y
+
x 0ax + y 0ay - 2v av x ) nT )
S r (n, Σ) = Ρ(x 0) ·T 0·exp (- j 2ΚΠ(2R 0+
1 R0
(
-
2x 0v anT +
v
2 a
n
2T
2+
(2x 0v x + 2y 0v y ) nT +
(
v
2 x
-
2v av x +
v
2 y
+
x 0ax + y 0ay ) n2T 2) ) )
(2)
其中: Ρ(x 0) 是与目标后向散射系数有关的参数, T 0
为了充分利用分布式小卫星雷达系统孔径的空 间多样性, 美国M IT 空间系统实验室提出了一种针 对 扫 描 模 式 干 涉 雷 达 的 GM T I 方 法 即 解 卷 积 方 法〔5〕, 该方法利用了稀疏阵列脉冲响应函数 (PSF ) 高的角度变化性来收集足够的回波数据, 即使没有
杂波的先验统计假设, 杂波和目标也能够分离开来。 图 5 画出了解卷积方法的示意图, 最右边表示
v v
r y
=
y R
0 c
ar ay
=
y0 Rc
(1)
在 t= nT 时刻目标运动到 (x t, y t, 0) , 到平台斜 距 R (t) = R (nT ) , 回波信号经过检波和距离向压缩 后, 在 t= Σ时, 整理后得到:
收稿日期: 2004209222; 修订日期: 2004212206 作者简介: 郑明洁 (1974- ) , 女, 助研, 主要从事合成孔径雷达监测控制、运动目标检测方面的研究。
路信号进行干涉处理, 估计出目标运动参数, 并对动 目标聚焦成像。 3. 2 AT I
采用 A T I 方法检测时, 需要沿飞行轨迹放置两 路相位中心, 同时接收回波信号。A T I 不是对两个 通道的数据差进行处理, 而是通过计算同一场景的 两幅图像的干涉相位进行动目标检测, 检测流程图 如图 4。
近几年来分布式星载雷达系统逐渐发展起来, 采用“分布式卫星技术”不仅可完成传统单颗卫星
的任务, 而且还能实现许多传统单一卫星很难实现 的功能。 目前世界各国都在发展自己的分布式星载 雷达系统, 尤其以美国的 T ech sa t21〔3〕和法国 CN ES 的 Ca rtw heel〔4〕为代表。目前分布式卫星地面动目标 检测技术还处于仿真验证阶段, 针对 T ech sa t21 系 统, 美国提出了一种解卷积的动目标检测方法, 该方 法通过波束合成能够有效抑制杂波, 检测动目标。 3. 1 D PCA
2 动目标回波信号特点
运动目标的回波特性不同于静止目标, 不考虑 地球自转和弯曲, 画出运动目标的 SA R 几何特性, 如图 1 所示, 以地面坐标系 (x - y - z ) 为参考坐标 系。
SA R 平台飞行速度为 v a, 在 t= 0 时刻, 坐标为 (0, 0, h ) , 地面运动目标 P 位于 (x 0, y 0, 0) , 定义 t= 0 时 刻目标的位置为其真实位置。 P 点到平台飞行航迹 的距离为 R c, 斜距为 R 0。 目标方位向地面速度和加 速度分别为 v x 和 ax , 距离向地面速度和加速度分别 为 v y 和 ay , 在斜距平面内距离向速度和加速度分别 为 v r 和 a r, 由图中几何关系可得:
(4)
所以目标运动产生的多普勒中心频率和调频率
分别为:
f
tc =
ΚR
1
0
(
2x
0
v
x
+
2y 0v y )
(5)
f
tr=
ΚR
2
0
(
v
2 x
+
v
2 y
+
x 0ax +
y 0ay -
2v av x )
(6)
由上述分析可见, 动目标回波信号距离向的压
缩处理与静止目标没有区别, 但是由于目标运动, 其
多普勒中心频率和调频率不同于静止目标的多普勒
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2 12 遥 感 技 术 与 应 用 第 20 卷
第 20 卷 第 1 期 2005 年 2 月
遥 感 技 术 与 应 用
REM O TE SEN S IN G TECHNOLO GY AND A PPL ICA T ION
V ol. 20 N o. 1 F eb. 2005
合成孔径雷达地面动目标检测方法研究
郑明洁, 张焕胜, 牛晓锋, 杨汝良
值和配准可消去杂波, 所以相位中心间距、脉冲重复 频率及载机速度之间不必满足上述严格的关系, 扩 大了D PCA 在实际中的应用范围。但是仅仅通过两 个通道进行动目标检测并不能全面的描述动目标位 置信息和速度信息, 如果增加一个或者多个接收通 道就能够对目标进行全面的描述。 采用 3 个相位中 心时, 首先用 D PCA 两两对消 3 个天线的杂波信 号, 获得两路杂波对消后的动目标信号, 然后对这两
中心频率和调频率, 因此在静止目标雷达图像上, 动 目标不仅在方位向会发生移位, 而且图像也将散焦, 幅度下降, 不能再用静止目标的多普勒参数对动目 标进行方位向压缩处理。
3 SA R 动目标检测方法
在众多的动目标检测方法中, 目前比较常用的 有: D PCA , STA P 和 A T I。 STA P 主要应用于机载
= v g rblind
nΚ va 2 B ·sin (Ηinc)
(8)
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2 14 遥 感 技 术 与 应 用 第 20 卷