基于正交64相编码信号的SAR－GMTI算法研究

李红虎，洪 伟

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

目前多通道系统地面运动目标检测方法主要有相位中心偏置天线（DPCA）［1］、空时自适应处理（STAP）［2］、沿迹干涉（ATI）［3］等。传统的星载雷达地面低速运动目标检测系统中，发射信号多为线性调频（LFM）信号，各个卫星得到多幅合成孔径雷达（SAR）图像或是多通道STAP之后进行动目标检测［4］。多发单收体制下的系统要求发射信号正交，便于多个回波信号分离［5－7］。这就要求不同天线发射的信号正交，即互相关峰值为零，旁瓣积分电平尽可能低。

本文采用优化设计得到正交64相码信号，其具有很好的自相关峰值旁瓣电平和正交性，将其用于二发一收体制下地面运动目标检测系统，即两颗卫星分别发射2个相互正交的多相编码信号，然后在其中一颗卫星上接收这2颗卫星的回波，并在这颗卫星上进行合成孔径雷达－地面运动目标检测处理。利用基于图像域的多通道、多像素二维联合自适应处理算法（多点消一点方法）进行地面低速运动目标检测，得到了所需的动目标检测效果。同时进行了计算机仿真验证，并作出了性能分析，最后给出结论。

1 正交64相编码信号

（1）正交64相编码信号

对于该星载系统的多发射波形优化来讲，由于正交64相码主副比、主瓣宽度之间存在矛盾，要综合考虑多个波形的自相关和互相关最大旁瓣电平等多个约束。这里主要考虑2个正交波形的自相关最大主副比和隔离度。在此，假定其中64相码信号1为A＝ ｛a0，a2，…aN－1｝，64相码信号2为B＝ ｛b0，b2，…，bN－1｝，则信号1的非周期自相关函数为：

信号1和信号2的非周期互相关函数为：

隔离度定义为自相关最大主峰值与互相关主峰值之差，可以表示为：

式中：I为2个信号的隔离度，表征2个信号的正交性。

（2）正交64相码的性能分析

仿真参数：λ＝0.0 3m，Br＝2 0MH z，T＝10μs。信号个数N＝2，由Br×T＝200得多相编码信号码长为L＝200，子脉冲长度δ＝T／L＝0.05μs。64相码信号序列集的性能如表1所示。

表1 正交64相码的性能参数

2 正交64相码的SAR－地面运动目标检测（GMTI）算法

系统的几何模型如图1所示。

图1 两通道SAR几何关系图

图1 中，观测条带中心斜距为Rc，卫星之间间距为d，卫星速度为Va。动目标到2个卫星的距离分别为R1（t）、R2（t），沿运动平台飞行方向速度为Vx，在斜距平面内沿距离向的速度为Vr。

采用2颗卫星分别发射正交64相码信号，卫星1接收2个卫星的信号回波（即两发一收体制）。图2给出了基于两发射正交波形和多点消一点杂波相消方法的SAR－GMTI实现框图。

图2 两发一收体制的SAR－GMTI实现框图

在卫星1上进行地面低速运动目标检测，其步骤如下：

（1）分别用各卫星的发射信号对回波信号进行距离上的脉冲压缩，采用传统的正侧视SAR成像方式，用R－D算法得到2幅SAR图像。

（2）采用多点消一点方法进行杂波相消，此方法的基本思路是：两幅SAR图像经过图像粗配准后（像素级），任取其中一幅SAR图像的待检测像素点，在另一幅SAR图像中对应像素点位置以其为中心取一个窗（窗的尺寸一般可以选方位像素个数×距离像素个数，通常为3×3，3×5，5×5等）得到其周围相邻单元的复数据，再利用两幅SAR图像中得到的像素点数据来联合构造多点消一点矢量和协方差矩阵；然后再对自适应估计得到的采样协方差矩阵进行矩阵求逆，并约束权的第1个元素为1来求最优权，故去除第1个元素所得的权矢量为自适应维纳（Weiner）权，因此它是在目标导向矢量未知的情况下以最小均方误差为准则的最优权；最后用此最优权来进行杂波相消。下面给出多点消一点方法的具体内容：

假设天线1接收的回波的SAR图像是f1（x，y），天线2接收的回波的SAR图像是f2（x，y），则：

式中：＊＊代表二维卷积；fe（x，y）为运动目标在2幅复图像中引起的差异；h（x，y）为2幅图像相对平移、旋转的冲积响应。

式（4）表明了f2（x，y）和f1（x，y）的一种线性关系，其中h（x，y）和fe（x，y）是未知的。则由式（4）可得：

在文献［7］中，h（x，y）也就是f1（x，y）中多个点的信号子空间，用f2（x，y）向其投影得到y）。然后由式（5）就可以得到fe（x，y），然后就可以进行动目标检测。由于此方法用到了像素的扩散信息，所以杂波抑制效果较好。

（3）对杂波相消后的图像采用恒虚警率（CFAR）技术检测出动目标。

3 正交64相码的SAR－GMTI算法仿真试验

本文采用仿真生成的杂波数据，静止杂波由均匀散布在观测条带内的静止点目标组成，SAR采用正侧视工作方式。

雷达平台参数如表2所示，相邻孔径中心等间距d＝120m（此孔径中心间距在进行脉冲压缩前已经补偿掉），动目标仿真参数如表3所示。

表2 雷达平台参数

表3 动目标运动参数

当2颗卫星分别发射64相码序列集时，卫星1接收2个卫星的信号回波，在卫星1上对回波用发射波形的权值进行脉冲压缩分别成像，所得2幅SAR图像如图3、图4所示，多点消一点方法杂波相消后的图像如图5所示（横向为方位向，纵向为距离向）。图6是动目标检测的改善因子曲线。

图3 卫星1发射信号的SAR图像

图4 卫星2发射信号的SAR图像

图5 杂波相消后的图像

图6 改善因子

从图5可以看出杂波相消的结果较理想，运动目标已经从大量杂波中检测出来。从图6的动目标改善因子图得知，最大改善因子达到19.526dB。

4 结束语

本文针对两发一收体制下的星载雷达系统，分析了基于正交64相码信号的SAR－GMTI算法。首先介绍了正交64相码信号及其性能特征，然后采用多点消一点方法来抑制杂波，得到较好的运动目标检测效果。该方法对星载雷达系统的SAR－GMTI的在多发射波形方面的应用有一定的意义。最后，进行仿真实验和性能分析，验证了该方法的有效性。

［1］Lightstone L，Faubert D，Rempel G.Multiple phase center DPCA for airborne radar［A］.Proceedings of the 1991IEEE National Radar Conference［C］.Los Angeles，CA，1991：36－40.

［2］王永良，彭应宁.空时自适应信号处理［M］.北京：清华大学出版社，2000.

［3］Richard E Carnade.Dual baseline and frequency alongtrack interferometry［A］.Geoscience and Remote Sensing Symposium，1991IGARSS＇92International（Volume：2）IEEE ［C］.Houston，TX＇，1992：1585－1588.

［4］李景文.何峻湘.周荫清.基于时空二维信号处理的合成孔径雷达动目标检测［J］.电子学报.1995，23（9）：88－91.

［5］黎薇萍，洪伟，陶海红，廖桂生.用于分布式天基SAR系统低速运动目标检测的空时波形优化设计［J］.电子学报，2008，36（12）：2383－2388.

［6］陶海红，黎薇萍，洪伟，廖桂生.分布式卫星多发射波形——地面运动目标检测系统研究［J］.电子学报，2009，37（12）：2803－2809.

［7］Mehrdad Soumekh.Signal subspace fusion of uncalibrated sensors with application in SAR［A］.Diagnostic Medicine and Video Processing.IEEE［C］.Santa Barbara.CA，1997：280－283.