FMCW-SAR体制下快速运动目标检测与成像方法

王金伟 周 峰 吴玉峰 孙光才 张子敬



FMCW-SAR体制下快速运动目标检测与成像方法

王金伟 周 峰*吴玉峰 孙光才 张子敬

(西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室 西安 710071)

针对调频连续波合成孔径雷达(FMCW-SAR)体制下的快速运动目标检测与成像问题，该文提出一种双通道FMCW-SAR动目标检测和成像新方法。该方法考虑到调频连续波固有的特点，将多普勒频移补偿和偏置相位天线(DPCA)技术结合，进行杂波抑制，检测动目标。并针对快速运动目标的散焦和多普勒谱分裂等问题，采用Keystone变换、方位去斜等方法实现快速运动目标的重聚焦。最后，仿真实验验证了所提方法的有效性和可行性。

合成孔径雷达；调频连续波；地面动目标检测与成像

1 引言

针对上述问题并且考虑到FMCW-SAR发展的需求，本文提出一种FMCW-SAR体制下快速运动目标检测与成像新方法。该方法利用方位去斜等技术，在2维频域对目标进行粗成像，将多普勒频移补偿和偏置相位天线(DPCA)技术结合，进行杂波抑制，并检测动目标。将检测到的动目标反变换到原始数据域，并结合多普勒频移补偿、方位去斜、Keystone变换和模糊数估计等方法实现快速运动目标成像。该方法避免了多普勒谱分裂，有效解决了连续波体制下运动参数未知时的快速动目标成像问题，极大地提高了信杂噪比和目标检测概率，且该方法具有对场景中模糊数相同的多目标同时成像的优点。

2 信号模型

将斜距展开式(2)代入调频连续波接收的回波中，近似后得到

3 信号处理方法

3.1 杂波抑制

3.2 去除视频相位项和方位去斜处理

信号相位中的RVP项使多普勒值有些差别，给后面的应用带来不便。本文采用文献[17]中的方法，对式(3)进行距离傅里叶变换，做去除RVP项处理。

3.3 多普勒频移补偿

3.4 徙动校正和方位聚焦

补偿模糊数函数后，信号仍然存在距离和方位耦合，采用Keystone变换处理，即进行式(9)的变量代换：

对变换后的信号做距离FFT，并近似处理，得到

对上述处理结果进行方位FFT，便得到聚焦后的信号。

3.5 模糊数估计

实测数据处理中，由于干扰的存在，通道不一致性或杂波非平稳性等将造成杂波抑制不充分，进而造成数据信杂噪比比较低，导致难以检测到快速弱小运动目标，另外，当场景中存在多个运动目标时，粗聚焦的动目标图像可能存在重叠，此时，常规的时频分析方法[17]很难准确获得动目标的模糊数，而采用上述模糊函数校正的方法可有效克服上述缺点。

4 应用问题分析

4.1 未知沿航向速度的影响

而在不进行方位去斜时，为保证动目标信号不发生分裂，需要满足

采用式(14)和式(15)，并结合表1的参数，得到未进行去斜和去斜之后的无虚影的参数范围，如图2所示。比较图2(a)和图2(b)，可知本文方法能够扩展可处理的参数空间。当载机速度变大时，可处理空间将得到极大的扩展，可以进一步体现本文算法的优越性。

当出现运动目标的沿航向速度处于可处理参数空间外时，采取文献[11]的方法处理。沿航向速度导致目标方位向散焦，这里采用图像偏置法[17]估计信号方位向剩余调频率，并补偿掉该调频率对应的二次相位项，然后做方位傅里叶变换，便可以得到聚焦良好的图像。

4.2目标方位位置不在场景中心

5 仿真结果与算法分析

为了验证本文FMCW-SAR动目标检测和成像方法的有效性，本节给出仿真实验结果和算法性能分析。调频连续波雷达工作在正侧条带SAR模式下，主要工作参数如表1所示。

表1雷达系统主要参数

发射带宽150 MHz 方位波束宽度4 采样频率1 MHz 脉冲宽度1 ms 载机速度100 m/s PRF1000 Hz 载频10 GHz 斜距1500 m

表2 动目标速度参数和对应模糊数

图4为本文在2维频域对场景中所有点初步成像结果，此时，运动目标淹没在静止杂波中。图5为利用DPCA原理杂波相消后的图像，杂波被极大程度地抑制，利用CFAR[18]原理逐个检测运动目标，归类后记录其距离位置，方便后续去斜函数的构造。被剩余杂波和噪声淹没的动目标4和5为快速弱小运动目标，其信杂噪比比较低，难以检测，常规方法很难准确获得该运动目标的模糊数；而采用本文的构造模糊数函数的方法，并结合Keystone变换对目标提取后的剩余场景进行处理，可以聚焦弱小快速运动目标4和5，极大地提高信杂噪比，方便后续对该目标的提取和进一步处理。接下来对成像结果进行分析。

图6为目标1的方位去斜前后的距离多普勒谱和本文方法的聚焦结果，可以看出，去斜后，目标多普勒谱得到压缩，避免频谱分裂的出现，且1聚焦良好。图7为利用图像最小熵估计的模糊数，由估计的模糊数可以对目标更好地聚焦；杂波抑制后，动目标4和5未被检测到，此时无法估计其模糊数，对该目标的成像方法如上文所述。

图3 场景点目标分布

图4 杂波相消前成像

图5杂波相消后图像

图7 图像最小熵估计模糊数

图8为动目标2的粗聚焦图像，因其方位位置不在场景中心，导致方位存在严重散焦，采用前述所述方位调频率补偿处理，得到结果如图9所示。图10为文献[14]对快速运动目标2的成像效果图，目标没有得到良好的聚焦。由图9可知，本文方法对快速运动目标成像结果良好，与图10相比，动目标聚焦效果得到极大改善。

图11为动目标3,4和5的重聚焦成像结果图，因目标3存在沿航向速度，导致其方位向散焦，经过方位调频率补偿处理后，便可以得到聚焦良好的图像。图11(c)为本文利用构造模糊数函数的方法，并结合Keystone变换对目标提取后的剩余场景进行处理的结果，得到目标4和5在剩余杂波和噪声的图像，因模糊数相同，两目标同时聚焦，并从背景杂波和噪声中清晰地显现出来。综合上述处理结果，可以发现本文方法避免了多普勒分裂带来的问题，可以对快速运动目标进行有效地检测与成像，同时具备对模糊数相同的目标同时聚焦的优点。

图8 M2粗聚焦图像

图9 M2深度聚焦图像

图10 文献[14]对M2的处理结果

图11 动目标M3, M4和M5重聚焦图像

6 结论

随着雷达技术的不断发展，调频连续波合成孔径雷达在军事与民用中的作用越来越重要，为了同时完成对观测区域静止目标和运动目标的精确描述，调频连续波SAR体制下的运动目标检测与成像技术，特别是对研究相对较少的快速运动目标检测与成像技术也变得越来越重要。本文提出了一种双通道FMCW-SAR快速动目标检测和成像新方法，利用DPCA原理进行杂波相消，并利用方位去斜、Keystone变换、最小熵估计模糊数等技术对运动目标重新聚焦。通过仿真实验，验证了调频连续波合成孔径雷达体制下，本文方法对快速运动目标检测与成像的有效性。

[1] 张佳佳, 周芳, 孙光才, 等. 基于机载前向阵雷达的三通道SAR-GMTI技术研究[J]. 电子与信息学报, 2012, 34(2): 344-350.

Zhang Jia-jia, Zhou Fang, Sun Guang-cai,.. Study on three channels squint SAR-GMTI system based on the forward-looking airborne radar[J].&, 2012, 34(2): 344-350.

[2] 邓云凯, 赵凤军, 王宇. 星载SAR技术的发展趋势及应用浅析[J]. 雷达学报, 2012, 1(1): 1-10.

Deng Yun-kai, Zhao Feng-jun, and Wang Yu. Brief analysis on the development and appliecation of spaceborne SAR[J]., 2012, 1(1): 1-10.

[3] 吴明宇, 杨桃丽, 吴顺君, 等. 星载多通道高分辨率宽测绘带SAR系统运动目标检测方法[J]. 电子与信息学报, 2014, 36(2): 441-444.

Wu Ming-yu, Yang Tao-li, Wu Shun-jun,.. Ground moving target indication for spaceborne multi-channel high resolution wide swath SAR system[J].&, 2014, 36(2): 441-444.

[4] Cristallini D, Pastina D, Colone F,.. Efficient detection and imaging of moving targets in SAR images based on chirp scaling[J]., 2013, 51(4): 2403-2416.

[5] 张峰会, 王岩飞. 一种消除调频连续波SAR距离频谱混叠的FS算法[J]. 雷达学报, 2012, 1(1): 76-81.

Zhang Feng-hui and Wang Yan-fei. An improved FS algorithm for range anti-aliasing of FMCW SAR[J]., 2012, 1(1): 76-81.

[6] Meta A, Hoogeboom P, and Ligthart L P. Signal processing for FMCW SAR[J]., 2007, 45(11): 3519-3532.

[7] Wang R, Loffeld O, Nies H,.. Focus FMCW SAR data using the wavenumber domain algorithm[J]., 2010, 48(4): 2109-2118.

[8] 马兵强, 于彬彬, 刘畅, 等. 条带FMCW-SAR回波数据的二维频域模拟算法[J]. 电子与信息学报, 2011, 33(2): 375-380.

Ma Bing-qiang, Yu Bin-bin, Liu Chang,.. A 2-D Fourier domain algorithm for stripmap FMCW-SAR raw signal simulation[J].&, 2011, 33(2): 375-380.

[9] Ribalta A. Time-domain reconstruction algorithms for FMCW SAR[J]., 2011, 8(3): 396-400.

[10] 梁毅, 王虹现, 邢孟道, 等. 调频连续波SAR慢速动目标参数估计与成像[J]. 系统工程与电子技术, 2011, 33(5): 1001-1006.

Liang Yi, Wang Hong-xian, Xing Meng-dao,.. Slow ground moving target parameter estimation and imaging in FMCW SAR systems[J]., 2011, 33(5): 1001-1006.

[11] Sun Guang-cai, Xing Meng-dao, Xia Xiang-gen,.. Robust ground moving-target imaging using deramp-Keystone processing [J]., 2013, 51(2): 966-982.

[12] Wang Pu, Li Hong-bin, and Himed Braham. A parametric moving target detector for distributed MIMO radar in non-homogeneous environment[J]., 2013, 61(9): 2282-2294.

[13] 黄大荣, 孙光才, 吴玉峰, 等. 三通道TOPSAR-GMTI技术研究[J]. 电子与信息学报, 2013, 35(1): 41-48.

Huang Da-rong, Sun Guang-cai, Wu Yu-feng,.. Research on three-channel TOPSAR-GMTI technology[J].&, 2013, 35(1): 41-48.

[14] Liang Yi, Zhang Long, Xing Meng-dao,.. High speed ground moving target detection research using triangular modulation FMCW[J].. 2009, 4(2): 127-133.

[15] 耿淑敏, 李星. FM-CW SAR动目标检测算法研究[J]. 计算机工程与应用, 2012, 48(9): 120-123.

Geng Shu-min and Li Xing. Study on moving target detection algorithm for FM-CW SAR[J]., 2012, 48(9): 120-123.

[16] Yang Jian, Liu Chang, and Wang Yan-fei. Nonlinearity correction of FMCW SAR based on homomorphic deconvolution[J]., 2013, 10(5): 991-995.

[17] 保铮, 邢孟道, 王彤. 雷达成像技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006: 24-30, 204-206, 263-272.

Bao Zheng, Xing Meng-dao, and Wang Tong. Radar Imaging Techniques[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006: 24-30, 204-206, 263-272.

[18] Christoph H G. Statistical analysis of multilook SAR interferograms for CFAR detection of ground moving targets [J]., 2004, 42(4): 691-701.

王金伟： 男，1987年生，博士生，研究方向为SAR成像和动目标检测.

周 峰： 男，1980年生，副教授，博士生导师，主要研究方向为雷达成像和雷达对抗.

吴玉峰： 男，1985年生，博士生，研究方向为SAR成像和运动补偿.

Approach for Fast-moving Target Detection and Imaging in FMCW SAR

Wang Jin-wei Zhou Feng Wu Yu-feng Sun Guang-cai Zhang Zi-jing

(,,’710071,)

To resolve the problem of fast-moving target detection and imaging in Frequency Modulated Continuous Wave SAR (FMCW-SAR), a new method of moving target detection and imaging in double-channel FMCW-SAR is presented in this paper. Considering the inherent characteristics of FMCW, the stationary clutter is eliminated and moving targets are detected by combining the Doppler frequency shift compensation with Displaced Phase Center Antenna (DPCA) technology. To solve the problem of fast-moving targets defocus and Doppler spectrum split, one method combining the Keystone transform with azimuth deramp is presented to refocus fast-moving targets. Finally, simulation results are provided to demonstrate the effectiveness and feasibility of the proposed method.

SAR; Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW); Ground Moving Target Indication (GMTI) and imaging

TN958

A

1009-5896(2014)11-2684-07

10.3724/SP.J.1146.2013.01769

周峰 fzhou@mail.xidian.edu.cn

2013-11-11收到，2014-06-09改回

国家自然科学基金(11176022, 61201283, 61172137, 61301292)，新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0916)，基本科研业务费 (K5051302047, K5051202001)和信息综合控制国家重点实验室项目(newl20080201)资助课题