星载SAR斜视模式运动目标方位多通道信号重建方法

徐 伟 魏正彬黄平平 谭维贤 乞耀龙 高志奇

(内蒙古工业大学信息工程学院 呼和浩特 010050)

(内蒙古自治区雷达技术与应用重点实验室 呼和浩特 010050)

1 引言

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种可以全天时、全天候工作的全球对地观测的微波成像雷达[1]。与星载正侧视SAR相比，斜视模式[2–6]通过改变天线波束的指向可以实现单次航对多个区域成像，也可以实现对同一区域的多次多角度成像。随着斜视角度的增加，星载SAR的方位分辨率会越来越差，同时方位多通道接收技术可以有效地提高方位分辨率[7,8]。

在星载多通道斜视模式成像处理方面：学者对静止目标的成像方法展开了深入的研究。文献[9]分析了斜视角度对信号频谱的影响并给出了一种改进的重建算法；文献[10]提出了一种基于混合基线的多通道斜视SAR的成像方法。在方位多通道运动目标成像方面，文献[11–13]给出了几种改进的方位多通道重建方法；文献[14]通过分析运动目标对方位模糊和频谱混叠的影响，提出了一种基于速度SAR的方位信号重建方法。当前对于星载斜视多通道模式下运动目标信号处理方面的研究成果较少。

对于方位多通道SAR回波信号，通常需要进行多通道信号重建来解决方位向的非均匀采样问题。斜视角度的增加导致了信号的频谱发生2次混叠，无法直接采用方位多通道重建方法进行处理。同时，运动目标的多普勒调制和距离历史与静止目标存在较大差异。本文建立了星载方位多通道斜视SAR模式下运动目标的几何模型，对斜视模式下回波信号的特性和运动目标的速度对回波信号的影响进行了分析；通过方位去斜预处理消除了斜视角度对多普勒历程的影响；然后通过修正的方位多通道重建矩阵消除了运动目标速度带来的方位通道失衡，同时对通道冗余情况下的杂波抑制能力进行了研究；分析了估计速度误差带来的残余相位误差的影响，并给出了一种星载方位多通道斜视SAR模式下的运动目标速度快速估计搜索方法。

本文的结构如下：第2节建立星载方位多通道斜视SAR模式下运动目标的几何模型，并对回波信号特征和运动目标速度的影响进行分析；第3节提出多通道斜视模式下运动目标的多通道重建方法，同时对通道冗余情况下的杂波抑制能力进行分析，给出一种星载方位多通道SAR斜视模式下的运动目标速度快速估计方法；第4节对提出的方法进行仿真验证；第5节对全文进行总结。

2 信号模型

2.1 成像几何模型

其中

2.2 信号特征

在星载斜视SAR模式下，回波信号的带宽可以表示为[9]

2.3 速度影响分析

图1 方位多通道斜视运动目标成像几何模型

图2 信号的2维频谱图

式(8)的相位偏移由两项组成，第1项仅与通道几何关系有关，这与静止目标回波信号相同；第2项主要是由运动目标的斜距向速度导致的。从式(8)可以看出，运动目标的斜距向速度会使每个通道产生不同的相位偏移，从而引起各通道之间的相位失衡。根据表1的仿真参数，图3给出了不同航迹向速度和斜距向速度对第3个接收通道相位偏移的影响。从图3的结果可以看出，相位偏移量主要由运动目标的斜距向速度分量决定。在接收平台采用了多通道接收技术，斜距向速度对每个通道相位偏移的影响如图4所示。

表1 仿真参数

图3 目标速度对相位偏移的影响

图4 斜距向速度对不同通道的影响

3 多通道重建处理

3.1 运动目标成像方法

图5展示了一种适用于斜视模式下的运动目标的成像方法，该方法包括4个步骤：首先采用原始的多通道重建方法[10]对回波信号进行重建；然后在结果中对运动目标的回波信号进行检测和提取[11]；在得到运动目标的回波信号后，就可以使用改进的多通道重建方法进行重建，该重建方法包括5个步骤：首先，通过去斜处理消除斜视角度带来的频谱2次混叠问题；然后对运动目标的速度进行估计；接着通过适用于运动目标的多通道重建方法对运动目标的回波进行重建；并通过逆去斜处理恢复信号的多普勒历程。

图5 斜视模式下运动目标成像方法

3.2 多通道重建

图6 斜视模式下多通道重建流程图

其中

其中

3.3 速度估计方法

由式(12)可知，在求解运动目标的多通道重建矩阵时需要知道运动目标的速度。运动目标的航迹向速度可以采用方位自聚焦的方法进行估计。因此，本节讨论关于运动目标斜距向速度的估计方法。由式(8)可知，斜距向速度估计误差带来的残存相位误差可以表示为

图7给出了不同速度估计误差情况下的残存相位误差。从图7的结果可以看出，估计速度误差与各个通道的残存相位误差成正相关，并且斜距向速度会导致每个通道之间产生不同的残存相位误差。这些不同的残存相位误差会导致各通道之间的相位失衡，使成像结果产生虚假目标[15]。当估计速度误差为0.1 m/s时，根据文献[15]，可以得到成像结果的峰值-假目标比约为–40 d B。本文将估计速度的精度设置为0.1 m/s。

图7 估计速度误差造成的最大残存相位误差

在使用不同的估计速度对同一个运动目标的回波信号进行重建的过程中发现，当估计速度与目标速度一致时，信号的频谱能量会集中在以目标多普勒中心fdc为中心的带宽范围内；当估计速度与目标速度不一致时，信号频谱的能量会泄露到带宽范围外。同时，估计速度与目标的速度相差越大，能量泄露现象越严重。基于此现象，引入了一种运动目标速度快速估计搜索方法，具体流程图如图8所示。

图8 一种运动目标速度快速估计搜索方法

该方法的具体步骤如下：

(1)首先，将方位多通道斜视模式下各通道的回波信号与去斜函数式(9)相乘，消除由于斜视角度带来的2次频谱混叠问题；

(2)由于该重建方法主要针对慢速运动目标，可以将初始的估计速度范围设置为[−20,20]m/s，然后将速度范围内的最小值u˜r1和 最大值u˜r2设置为估计速度对信号进行重建；

4 仿真

本节使用传统的和改进的两种重建方法对单个点目标和多个点目标进行了仿真验证。首先，对航迹向速度为10 m/s的单点目标进行了仿真验证，如图9所示，图9(a)—图9(c)是传统的重建方法，图9(d)—图9(f)是改进的重建方法。从图9可以看出，当使用传统的重建方法对目标进行重建后，成像结果发生方位散焦和虚假目标。但是在使用改进的多通道重建方法对目标进行重建后，由于目标航迹向速度导致的方位散焦和虚假目标都被很好地抑制掉了。

图9 航迹向速度为10 m/s的目标多通道重建结果

然后，对斜距向速度10 m/s的单点目标进行了仿真验证，仿真结果如图10所示，图10(a)—图10(c)是传统的重建方法，图10(d)—图10(f)是改进的重建方法。从图10可以看出，在经过改进的多通道重建方法对目标进行重建后，信号的2维频谱不再混叠，虚假目标也得到了很好的抑制，目标的成像质量得到了提高。

图10 斜距向速度为10 m/s的目标多通道重建结果

最后对多个点目标进行了仿真验证，仿真结果如图11所示，图11(d)—图11(f)为传统的多通道成像结果的点目标插值结果；图11(g)—图11(i)为改进的多通道成像结果的点目标插值结果。在设计的场景中存在3个不同速度的目标，其中A为静止目标；B的斜距向速度为10 m/s；C的斜距向速度为10 m/s，航迹向速度为10 m/s。从图11可以看出，经过改进的多通道重建方法进行重建后，可以有效地解决运动目标速度导致的方位散焦和虚假目标。同时，为了进一步分析改进的多通道重建算法对点目标成像质量的影响，表2总结了各个点目标航迹向和斜距向的分辨率(Resolution,Res)、峰值旁瓣比(Peak Side Lobe Ratio,PSLR)、积分旁瓣比(Integral Side Lobe Ratio,ISLR)、航迹向最大虚假目标幅度(Maximum False Target Amplitude,MFTA)。

图11 多个点目标的成像结果

从表2可以看出，通过改进的多通道重建方法重建后，信号的性能指标大幅度变好，同时虚假目标得到了有效抑制。图12给出了不同的斜距向速度对虚假目标的抑制情况。从图12可以看出，在斜距向速度小于15 m/s的情况下，改进的多通道重建方法可以很好抑制虚假目标的幅度；在斜距向速度大于15 m/s的情况下，改进的多通道重建方法的抑制效果迅速恶化，但仍可以有效地抑制虚假目标。同时，由于斜距向速度较小时产生的虚假目标幅度较小，所以抑制的幅度也比较小。

表2 性能指标

图12 虚假目标幅度

5 结束语

本文通过分析斜视角度和运动目标的速度对回波信号的影响，提出一种适用于多通道斜视模式下的运动目标的重建方法。本方法通过方位去斜预处理消除了斜视角度带来的影响；然后对运动目标的重建滤波器组进行了推理。最后通过仿真实验验证了本方法的有效性。本方法在斜距向速度过大时抑制效果较差，这主要是因为当速度过大时，本文分析斜距时忽略掉的一些项会产生一定的相位误差，需要将斜距分析到更高次项。因此，如何在斜距向速度过大的情况下，进一步对虚假目标进行抑制是值得深入研究的。