星载多通道高分辨率宽测绘带SAR系统运动目标检测方法

吴明宇 杨桃丽 吴顺君 李真芳



星载多通道高分辨率宽测绘带SAR系统运动目标检测方法

吴明宇*杨桃丽 吴顺君 李真芳

(西安电子科技大学雷达信号重点实验室 西安 710071)

该文针对星载多通道高分辨率宽测绘带合成孔径雷达系统，提出一种新的运动目标检测方法。该方法首先利用波束形成方法进行杂波抑制，然后对运动目标的斜距历程进行拟合得到运动目标的运动方向。接着对杂波抑制后的数据进行聚焦处理，得到模糊的运动目标图像，并利用恒虚警检测技术检测得到所有的模糊运动目标。最后根据模糊图像的空间关系和估计出的运动方向检测出真实目标。星载仿真数据验证了该方法的有效性。

合成孔径雷达；运动目标检测(GMTI)；高分辨率宽测绘带(HRWS)；多普勒模糊

1 引言

2 回波特征

其中表示多普勒频谱偏移。当不存在多普勒模糊时，多普勒值与锥角的正弦值在空时平面上表现为一条直线，如图1(a)所示，由于运动目标附加的多普勒分量使其与固定杂波的空时2维谱相分离，图中粗斜直线为固定杂波的回波谱，细斜直线为运动目标的回波谱。由于运动目标沿航向速度与卫星速度相比小得多，其空时2维谱在图1中表现为粗、细直线的斜率相同[11]。在高分辨率宽测绘带SAR系统中，通常发射低脉冲重复频率的信号保证距离不模糊，由此每一个通道接收的回波都发生了多普勒模糊，如图1(b)所示。

3 运动目标检测

3.1 成像特征

在方位多普勒频域构造方位匹配函数为[12,13]

当回波信号的多普勒频谱发生模糊时，成像后的方位位置为

图2 运动目标的成像位置示意图

3.2 目标检测

在进行运动目标检测前首先应进行杂波抑制。采用文献[11]所述的波束形成方法，在理想情况下，阵列主波束指向运动目标谱分量，而在所有杂波谱分量方向形成波束零点。需要说明的是，由于阵列自由度的限制，没有必要也不可能保证取出的运动目标谱也是非模糊的。假设多普勒模糊次数为3，运动目标个数为2，若要保证取出的运动目标谱是无模糊的，则一共需要约束9个方向，而在实际场景中运动目标的个数常常不止2个，而且也无法事先知道运动目标的速度，也就无法准确地对运动目标谱进行约束。实际上，只须保证固定杂波谱分量被抑制即可。为避免运动目标的谱分量落入波束模式的凹口中，可通过阵列搜索来约束运动目标的导向矢量，然而这样会大大地增加运算量。在实际操作中，可以任意假设运动目标的导向矢量，然后再进行杂波抑制，实验证明，对于大多数目标来说，这样操作只会造成一定的能量损失，但并不影响后续的目标检测。当然，如果选取的导向矢量使得运动目标的能量受到较大损失，则后续操作将受到较大影响。

运动目标的瞬时斜距为

3.3处理步骤

下面给出利用本文方法进行运动目标检测的具体处理步骤，如图3所示。

(1)结合各通道回波进行杂波抑制；

(2)对杂波抑制后的数据进行距离压缩；

(4)根据式(8)对目标斜距进行拟合，估计得到其一次项系数，从而得到运动目标的运动方向；

(5)利用式(3)所示的方位匹配函数，对距离压缩后的数据进行方位压缩，得到模糊的SAR图像；

(6)利用恒虚警检测(CFAR)技术[14]检测得到所有目标，包括模糊目标和真实目标，然后根据各目标间的相对位置关系，得到属于同一目标的所有模糊目标，最后结合第(5)步中得到的运动目标运动方向，检测出真实目标。

图3 运动目标检测流程图

4 实验验证

下面通过星载仿真数据来验证本文方法。仿真参数如表1所示，天线沿方位向均匀划分为6个独立接收通道，即每个接收通道的方位向尺寸为2 m，回波信号发生3次多普勒模糊。场景中包含3个运动目标，沿视线方向速度分别为12.8 m/s, 9.6 m/s和-12.8 m/s，信杂噪比为0 dB。以场景中心为坐标原点，雷达运动方向为轴，轴垂直地面向上，与轴构成右手坐标系，运动目标的坐标位置分别为(1478,0,0) m, (0,0,0) m, (-1478,108,0) m，其中，目标1和目标2位于同一距离单元。

表1仿真参数

轨道高度下视角波长天线尺寸通道数卫星速度PRF杂噪比 500 km40°0.03 m12 m×1 m67616.4 m/s2539 Hz30 dB

5 结论

未来合成孔径雷达系统要求同时获取高分辨率宽测绘带SAR图像并进行运动目标检测，在此条件下，若要保证距离无模糊则各个通道的回波均存在多普勒模糊。然而现有的大多数文献均在假设单个通道系统满足最小天线面积的前提下进行运动目标检测，未考虑回波信号的多普勒模糊。本文针对以上情况，利用星载多通道高分辨率宽测绘带SAR系统，在存在多普勒模糊的前提下，提出一种运动目标检测方法。该方法首先利用波束形成进行杂波抑制，再对目标的斜距历程进行拟合得到运动目标的运动方向。然后进行聚焦处理，提高运动目标的相干积累时间，得到模糊的SAR图像。最后根据多普勒模糊关系和运动方向从模糊的运动目标中判断出真实目标。星载仿真实验证明了该方法的有效性。

[1] Freeman A, Johnson W T K, Huneycutt B,.. The “myth” of the minimum SAR antenna area constraint[J]., 2000, 38(1): 320-324.

[2] Currie A, and Brown M A. Wide-swath SAR[J].-, 1992, 139(2): 122-135.

[3] Gebert N, Krieger G, and Moreira A. Digital beamforming on receive: techniques and optimization strategies for high- resolution wide-swath SAR imaging[J]., 2009, 45(2): 564-592.

[4] Ender J. Detection and estimation of moving target signals by multi-channel SAR[J].-, 1996, 50(2): 150-156.

[5] Guo B, Vu D, Xu L,.. Ground moving target indication via multichannel airborne SAR[J]., 2011, 49(10): 3753-3764.

[6] 张佳佳, 周芳, 孙光才, 等. 基于前向阵雷达的三通道地面快速动目标检测与成像方法[J]. 电子与信息学报, 2013, 35(1): 8-14.

Zhang J J, Zhou F, Sun G C,.. Approach for ground fast-moving target Detection and imaging based on the three-channel forward-looking radar[J].&, 2013, 35(1): 8-14.

[7] Zhu S, Liao G, and Tao H. Ground moving targets detection and relocation in heterogeneous environment for airborne radar based on tri-channel real data[C]. IEEE CIE International Conference on Radar, Chengdu, 2011: 719-722.

[8] Delphine C M. A generalization of DPCA processing for Multichannel SAR/GMTI Radars[J].,2013, 51(1): 560-572.

[9] LüG, Wang J, and Liu X. Ground moving target indication in SAR images by symmetric defocusing[J]., 2013, 10(2): 241-245.

[10] Sun G, Xing M, Xia X,.. Robust ground moving-target imaging using deramp-keystone processing[J]., 2013, 51(2): 966-982.

[11] 李真芳, 保铮, 王彤. 分布式小卫星SAR系统地面运动目标检测方法[J]. 电子学报, 2005, 33(9): 1664-1666.

Li Z F, Bao Z, and Wang T. Ground moving target indication for distributed small satellite SAR systems[J]., 2005, 33(9): 1664-1666.

[12] 李真芳. 分布式小卫星SAR-InSAR-GMTI的处理方法[D]. [博士论文], 西安电子科技大学, 2006.

Li Z F. Approaches to SAR-InSAR-GMTI for distributed small satellite SAR systems[D]. [Ph.D. dissertation], Xidian University, 2006.

[13] Li F and Johnson W T K. Ambiguities in spaceborne synthetic aperture radar data[J]., 1983, 19(3): 389-397.

[14] 何友, 关键, 彭应宁, 等. 雷达自动检测与恒虚警处理[M]. 北京: 清华大学出版社, 1999: 32-51.

He Y, Guan J, Peng Y N,.. Radar Automatic Detection and Constant False Alarm Processing[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1999: 32-51.

吴明宇： 男，1976年生，博士生，研究方向为阵列信号处理、SAR成像及地面动目标检测.

杨桃丽： 女，1987年生，博士生，研究方向为干涉合成孔径雷达成像.

吴顺君： 男，1942年生，教授，博士生导师，研究方向为自适应信号处理、高速数字信号处理、电子系统建模与仿真.

李真芳： 男，1977年生，教授，博士生导师，研究方向为干涉合成孔径雷达成像及地面动目标检测.

Ground Moving Target Indication for Spaceborne Multi-channelHigh Resolution Wide Swath SAR System

Wu Ming-yu Yang Tao-li Wu Shun-jun Li Zhen-fang

(,,710071,)

A method of Ground Moving Target Indication (GMTI) for spaceborne multi-channel High Resolution Wide Swath (HRWS) Synthetic Aperture Radar (SAR) system is presented. Firstly, the method utilizes beamforming for clutter suppression, then estimates moving target direction by fitting for the slant range of the moving target. Secondly, focusing for the clutter suppressed data is performed to obtain ambiguous images of the moving target, then all ambiguous moving targets are obtained by Constant False Alarm Rate (CFAR) detection technology. Finally, this method detects real targets according to the spatial relationships of fuzzy images and motion direction estimated. The spaceborne HRWS simulation data verifies the validity of the proposed method.

Synthetic Aperture Radar (SAR); Ground Moving Target Indication (GMTI); High Resolution Wide Swath (HRWS); Doppler ambiguity

TN957.72

A

1009-5896(2014)02-0441-04

10.3724/SP.J.1146.2013.00465

吴明宇 inhurry@163.com

2013-04-08收到，2013-11-15改回

国家自然科学基金(41001282, 40871205)资助课题