侦察模式下星载SAR多普勒参数估计

钟　华，陈　维，杨　萌

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)



侦察模式下星载SAR多普勒参数估计

钟华，陈维，杨萌

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

准确估计侦察目标的多普勒参数直接影响着SAR侦察干扰效果的好坏.在研究SAR侦察模式机理的基础上，根据SAR侦察机与目标的运动几何关系，推导了SAR侦察模式下的多普勒参数计算公式.然后，利用Radon变换和魏格纳分布的方法估计出侦察目标的多普勒参数.仿真实验结果证明，该参数估计方法在不同的工作模式下都取得了良好的效果.

雷达侦察；多普勒参数估计；Radon变换；魏格纳分布

0　引　言

在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)侦察干扰中，准确获取目标的信号参数对SAR干扰对抗系统的有效性和作战效能有直接的影响.随着SAR技术的发展，SAR的性能不断提高，并朝着高波段、三维重构和高分辨率宽幅等方面发展[1-3].这对SAR侦察干扰技术提出了更高的要求，同时也促进SAR侦察干扰的快速发展.当前，对SAR侦察干扰的研究主要集中在SAR对抗干扰实验效果分析[4]、SAR工作模式鉴别原理[5]、SAR对抗技术及干扰建模[6]等研究.针对SAR信号参数估计方面的研究较少，但它是上述诸多研究的基础，也是SAR侦察研究的难点，具有十分重要的意义.

常见的多普勒质心估计方法有谱峰检测法、杂波锁定法和自相关函数法等.这类方法均基于方位向功率谱的对称原理，而SAR侦察中无法保证天线方向图的对称性，因此不能获得有效的估计精度.常见的多普勒调频率估计方法有多项式模型法、子孔径相关法和频移相关法等.但是在侦察中由于缺乏全孔径数据和瞬时距离的准确信息，也不适用侦察模式下的多普勒参数估计[7].

综上所述，由于工作条件差异较大，导致传统SAR的多普勒参数估计算法无法适用于地基侦察机.本文从地基侦察机的工作几何模型出发，推导了侦察模式下多普勒参数的形成机理，进而提出了一种新的适用于侦察模式的星载SAR多普勒参数的估计方法.利用Radon变换来估计侦察模式下的多普勒质心估计，并结合魏格纳分布来估计侦察模式下的多普勒调频率估计，最后在条带模式、聚束模式和滑动聚束模式等工作模式下进行数字仿真验证，验证了本文提出的参数估计方法在不同的工作模式下的有效性.

1　SAR侦察模型

SAR条带模式的侦察模型如图1所示.图1中，方位慢时间为t，起始时刻为t0，侦察机偏离主瓣的夹角为θ，斜视角为θs，侦察机到卫星的瞬时斜距为R(t)，卫星等效速度为v.

当侦察机位于(R0,t0)处，接收数据经下变频后的信号如下：

(1)

图1　SAR条带模式下的侦察模型

式中：pr为接收功率，wrg(τ)为距离向包络，waz(t)为方位向包络，τ为距离向快时间，t为方位向慢时间，c为光速，Kr为距离向调频率，fc为载频，R0为最短斜距，R(t)为侦察机到卫星的瞬时斜距.R(t)用泰勒级数展开即：

(2)

由星载SAR地基侦察模型可见，侦察系统与成像系统在斜距的计算上不同.侦察中侦察机到目标的斜距只需要计算单程距离，那么多普勒参数中斜距也按单程计算.

2　侦察模式下的多普勒参数估计

根据侦察模式下的信号式(1)对多普勒参数的计算公式进行重新推导，推导出多普勒参数与Radon变换之间的关系，从而获得基于Radon变换的多普勒参数估计方法.

2.1多普勒质心

由式(2)可见，多普勒质心与信号的距离走动斜率成正比例关系，因此可以利用Radon变换估计信号的距离走动斜率，从而获得多普勒质心估计.

在侦察模式下的多普勒质心fdc为：

(3)

式中：K为距离走动斜率.距离走动斜率K与斜视角θs、卫星等效速度v的关系如下：

K=-vsin(θs)

(4)

在SAR侦察系统中，由于卫星平台的运动实时参数信息难以获取，因此精确的多普勒参数需要通过估计算法予以获得.

例如，在单个点目标的情况下，多普勒质心与距离走动斜率成正比例关系.距离走动斜率K与数据平面斜率Krt有如下关系式：

(5)

式中：c为光速，Fs为距离向采样率，fPRF为脉冲重复频率，Nr和Na分别为距离向和方位向的采样点数，Δr为距离向采样间隔，方位向时间采样间隔Δta=1/fPRF，距离向时间采样间隔Δtr=1/Fs，距离向采样间隔Δr=cΔtr.因此，侦察模式下多普勒质心fdc与数据平面斜率Krt的关系为：

(6)

2.2多普勒调频率

对多普勒调频率的估计可以利用时频分析方法对信号调频率进行分析，再利用Radon变换对调频斜率进行估计，从而获得调频斜率的估计.在时频分析中魏格纳分布具有最好的时频分辨率，又因为在SAR侦察中只有单一辐射源，避免了魏格纳分布干扰项的产生，因此可以利用维格纳分布对距离走动矫正后的距离压缩信号进行处理，从而估计多普勒调频率.

根据式(3)可得，侦察模式下的多普勒调频率fr为：

(7)

fr与多普勒频率的关系如下：

(8)

式中：F为多普勒频率，T为方位时间，Nf为频域的采样点数，Nt为时域的采样点数.频域采样间隔Δf=fPRF/2Nwvd(Nwvd是魏格纳分布采样点数)，时域采样间隔Δt=1/fPRF.

侦察模式下多普勒调频率fr与时频数据平面斜率Kft的关系可表示为：

(9)

2.3估计步骤

对多普勒质心的估计可以转换为对距离走动斜率的估计.将经过距离压缩后的数据平面通过Radon变换估计出距离走动斜率，再通过式估计出多普勒质心.对多普勒调频率的估计，则利用魏格纳分布将距离压缩后的信号变换到时频域，再利用Radon变化估计出调频信号时频域的斜率，从而估计出多普勒调频率.估计步骤详细流程如图2所示.

图2　估计步骤流程图

3　仿真实验

3.1点目标仿真

首先对条带模式下的SAR信号进行侦察与多普勒参数估计仿真，利用STK卫星工具箱建立侦察模型.仿真参数如表1所示，实验中加入了等幅度的噪声干扰，仿真中侦察机与卫星相对位置关系如图1所示.

表1　仿真参数

用Radon变换与魏格纳分布估计多普勒参数的中间结果如图3所示.

图3　用Radon变换与魏格纳分布多普勒参数估计的中间结果

为了验证本算法的有效性和可靠性，实验还给出了采用本文方法、谱峰估计法和移频相关法估计的对比结果，如表2所示.实验结果表明，即使在信噪比为0 dB的情况下，本算法依然可以获得较为理想的估计结果.而谱峰估计法和频移相关法的估计误差远大于本文所采用的估计方法，这主要是因为在SAR侦察中无法保证天线方向图的对称性导致的.

表2　实验结果及误差

3.2不同工作模式下的仿真实验

在星载SAR条件下，对条带式、聚束式和滑动聚束式的SAR信号进行侦察与参数估计仿真.本文利用STK卫星工具箱对这3种侦察模型进行几何建模，分别得到3种模式的瞬时斜距，然后利用仿真信号源模块生成侦察信号，最后利用侦察模式下的多普勒参数估计的方法进行估计，得到多普勒质心与多普勒调频率.该实验中真实的多普勒参数来源于STK卫星工具箱.

表3和表4分别是3种工作模式的多普勒质心与多普勒调频率估计结果.实验结果表明，在任何一种工作模式下，多普勒参数的估计误差均保持在较为理想的水平.说明Radon变换对侦察目标进行多普勒参数估计十分有效，并适用于侦察目标的不同工作模式

表3　多普勒质心的估计结果

表4　多普勒调频率的估计结果

4　结束语

本文提出了一种基于侦察数据利用Radon变换实现侦察模式下星载SAR多普勒参数估计的方法，在无惯导数据的情况下，有效估计了多普勒参数，并且估计精度较高.通过计算机仿真验证，本方法不仅比传统的算法效果好，而且能够估计不同工作模式的星载SAR多普勒参数，对侦察干扰机的工程实现有一定的意义.在本文研究内容的基础上可以进一步提高估计算法的速度与精度，这也是下一步研究的方向.

[1]VELOTTO D, SOCCORSI M, LEHNER S. Azimuth Ambiguities Removal for Ship Detection Using Full Polarimetric X-Band SAR Data [J]. Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, 2014, 52(1): 76-88.

[2]FORNARO G, LOMBARDINI F, PAUCIULLO A, et al. Tomographic Processing of Interferometric SAR Data: Developments, Applications, and future Research Perspectives [J].IEEE Signal Processing Magazine, 2014, 31(4): 41-50.

[3]GLENTIS G O, ZHAO K, JAKOBSSON A, et al. Non-Parametric High-Resolution SAR Imaging[J]. Signal Processing, IEEE Transactions on, 2013, 61(7): 1614-1624.

[4]王元龙.SAR对抗试验效果等效推算方法研究[D].成都:电子科技大学,2012.

[5]陈颖颖,吴彦鸿,贾鑫.对不同工作模式星载合成孔径雷达的侦察研究[J].计算机工程与应用,2013,49(12):223-227.

[6]吴晓芳,代大海,王雪松,等.合成孔径雷达电子对抗技术综述[J].信号处理,2010,26(3):424-435.

[7]LI W, YANG J, HUANG Y, et al. A Geometry-Based Doppler Centroid Estimator for Bistatic Forward-Looking SAR[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2012, 9(3): 388-392.

The Spaceborne SAR Doppler Parameter Estimation in Reconnaissance Mode

ZHONG Hua, CHEN Wei, YANG Meng

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Accurate estimation of the Doppler parameters directly decides the effect of SAR reconnaissance. Based on the study of the mechanism of SAR reconnaissance mode, the Doppler parameter expression on SAR reconnaissance mode is derived according to the geometry relation between the receiver and satellite. Then, the Doppler parameters of the reconnaissance target are estimated accurately by using the method of Radon transform and Wigner distribution. The simulation results show that the method is effective for different operation mode.

radar reconnaissance; Doppler parameter estimation; Radon transform; Wigner distribution

10.13954/j.cnki.hdu.2016.05.004

2016-03-01

国家自然科学基金资助项目(61301248，61501152)；中国航天创新基金资助项目(20140795003)

钟华(1978-)，男，浙江杭州人，讲师，信号与信息处理.

TN958.4

A

1001-9146(2016)05-0017-05