法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2018-06-26
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G01S13/90 授权公告日:20140507 终止日期:20170604 申请日:20120604
专利权的终止
2014-05-07
授权
授权
2013-04-03
实质审查的生效 IPC(主分类):G01S13/90 申请日:20120604
实质审查的生效
2013-03-06
公开
公开
技术领域
本发明属于信号处理领域,特别涉及一种提高地面运动目标检测性能的多基 线设计方法,并给出针对这种设计方法的多通道ATI通用算法的推导。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)由于具有高分辨率、全天候、全天时等优点而广泛用 于侦察、测绘、资源探测、环境监测等领域。对地面运动目标的检测(GMTI-Ground Moving Target Indication)是SAR的一项重要应用。
SAR在实现GMTI功能时通常工作于下视状态,而载体的高速运动导致场景 主瓣杂波具有较大的方位多普勒带宽,在很大程度上淹没了感兴趣速度范围内的 目标回波信号,严重影响了地面慢速运动目标检测性能。有效抑制场景杂波成为 SAR实现GMTI功能的前提条件,是SAR信号处理的重要研究内容。多通道SAR 具有主瓣杂波区微弱、慢速运动目标的检测能力,相比于单通道SAR更具有优势。 一种有效的杂波抑制方法是沿航迹干涉技术(ATI-Along Track Interferometry),利 用通道间场景与运动目标回波相位的差别,进行干涉处理,抑制杂波,从而检测 出运动目标。
基线长度(本发明中提到的基线长度特指通道间相位中心间距)的选择对动 目标检测性能有着不可忽视的影响。短基线难以获得理想的最小可检测速度 (MDV)和测速精度;长基线的最大非模糊速度低,不利于检测快速目标。多基 线的设计可实现长短基线的配合,同时提高动目标的检测性能。分布式雷达系统 虽然可以实现多基线系统,但其造价相对昂贵,系统复杂,形成的多通道间相干 性较差,技术还不够成熟,并不能得到广泛的使用。因此,研究单一雷达平台的 GMTI系统,合理设计多基线的天线构型,以提高动目标的检测性能,是十分有 意义的。
用于动目标检测技术的ATI算法,特别是数据域的ATI算法的推导,其中涉 及到的相位补偿函数和延时处理过程都与基线长度密切相关,所以,针对所设计 的多基线天线构型,需要相应的ATI算法配合,才能实现动目标检测。
发明内容
本发明针对多通道单一SAR平台,根据基线长度与动目标检测性能的关系, 提出一种多基线的设计方法,并推导出相应的多通道ATI通用算法,以解决上述 问题。本发明内容首先基于基线长度与动目标检测性能的关系,具体定性关系如 下:
(a)基线越短,最大非模糊速度越大:
(b)基线越长,最小检测速度越小:
(c)基线越短,盲速周期越长:
(d)基线越长,测速精度越高:
(e)利用长度互质的多基线,可延长盲速周期,扩大非模糊检测速度范围。
其中,d=wB为基线长度,B为基线的单位长度,w为整数,vr为目标的 距离向速度,Va为雷达平台的运行速度,φd为相位检测门限,k整数,干涉相位 的测量误差为两副图像的相关系数,n为多视 视数。
本发明内容包括以下两部分:一、设计天线构型,实现多基线要求;二、根 据第一部分天线构型,设计与之匹配的多通道ATI通用算法。
一、设计天线构型,实现多基线要求
步骤一:(图1)设计天线为一发多收模式,全孔径发射,n个子孔径接收。 称作通道i,i=0,±1,±2...。通道间的基线长度设置的原则是有长有短,并非均匀 分配,且存在互质的基线。该设计有利于动目标检测性能的提高(延长盲速周期, 扩大非模糊速度),以及多通道ATI通用算法的推导(将会在下一个内容中有所 体现)。
步骤二:设置通道0作为参考通道,其作用在推导多通道ATI通用算法时得 以体现。
步骤三:计算任意两个通道i和通道k相对于通道0的基线长度(即相位中 心间距)为di0,dk0。
步骤四:计算通道i相对与通道k的基线长度dik=di0-dk0。
步骤五:选择两个互质的基线dik,djr组成基线对。可以根据具体需求:
(a)检测慢速目标或对测速精度要求较高时,采用长基线对的检测结果;
(b)检测速度较快目标或对杂波抑制要求较高时,采用短基线对的检测结 果;
(c)当长短基线对的数据都可以采纳时,可根据实际情况或检测结果加权各 基线的数据,得到较为理想的检测结果。
二、根据第一部分天线构型,设计与之匹配的多通道ATI通用算法,具体内 容为:
步骤一:读入SAR系统的相关参数,包括:雷达高度H,雷达速度Va,雷 达中心频率f0,光速c,雷达斜视角脉冲时宽Tr,波束中心距离Rc,距离向 采样率Fr,距离向调频率Kr,天线方位向长度D,基线单位长度B。
步骤二:根据天线配置方式、雷达与地面目标几何关系,推导SAR回波模型, 具体为:
(a)天线的配置方式为:全孔径发射信号,各子孔径同时接收信号。
(b)设置通道0的相位中心设在天线中心(为便于推导所设,并非一定要 位于天线中心)。天线延方位向排列,各通道相位中心用Oi表示,获取任一通道 i和通道0的基线长度di0。
(c)计算雷达平台到场景中心的最短距离为Rb,获取雷达方位向速度Va。 零时刻,天线的中间O0位于原点;目标位于P(x0,y0,h),方位向速度和对地(对 斜面)距离向速度分别为vx,vy(vr)。
(d)ta=t时刻,天线运动到O′i点,目标运动到Pt点,计算O′i与Pt距离Ri(t):
特别地,发射脉冲与目标的距离为R0(t):
(e)获取任一通道i接收到的SAR回波信号形式:
步骤三:对步骤一中SAR回波信号进行距离压缩,即乘以exp{jπKrt2},得 到压缩后的信号形式:
将式(1)(2)带入式(4)即为:
步骤四:通道i接收到的回波相对于参考通道0延时为τi0=di0/Va,做延时 处理得到:
步骤五:根据步骤四中信号形式,推导通道i与方位时间无关的相位补偿函 数:
步骤六:根据步骤四中信号形式,推导每个通道与方位时间的二次项有关的 相位补偿函数,作用相当于方位压缩:
步骤七:将步骤五、六的相位补偿函数与步骤四中的信号做相乘处理后,信 号形式为:
步骤八:按照步骤二到步骤七推导其他通道k的处理过程,处理后得到信号 形式:
步骤九:将各个通道的信号分别作方位向FFT后,选择两个通道进行干涉处 理,使得到的干涉相位中涉及到的若干基线长度可以组成互质基线对:
其中关于互质基线对dik、djr的干涉相位:
步骤十:由干涉相位计算得到互质基线对的运动目标速度:
步骤十一:根据不同基线对所对应的动目标检测结果,采用:
(a)长基线对对应的动目标检测结果用于检测慢速目标,选择该基线对内共 有的检测速度作为慢速目标速度,以排除模糊速度(虚假目标);
(b)短基线对对应的动目标检测结果用于检测速度较快目标,选择该基线对 内共有的检测速度作为速度较快目标速度,以排除模糊速度(虚假目标);
本发明的优点在于:
(1)实用性好。本发明的基线设计方法增加系统选择基线的灵活性,可以 根据不同需求,提高动目标检测性能,为后续处理提供丰富的干涉相位信息。且 与之匹配的ATI通用算法中涉及到的相位滤波器形式简单且有效,因此系统的实 用性好。
(2)通用性强。本发明推导的多通道ATI通用算法适用于所有天线模式为 一发多收的多通道GMTI系统,而这种收发模式也是现今单星SAR最为常用发展 最成熟的模式,参考通道可以按实际情况任意选取,并非只适用于选择中间通道 为参考通道,接收通道的分配方式也可以按需求处理,所以其通用性很强。
(3)移植性好。本发明所利用的器件都为较普通的器件,利用C语言进行 开发,可以很方便的进行移植。
附图说明
图1是本发明的多通道一发多收天线发射/接收模式示意图;
图2是本发明的多通道ATI通用算法流程图;
图3是本发明的5通道一发多收天线发射/接收模式示意图;
图4是本发明的5通道SAR与动目标的几何模型示意图;
图5是本发明的5通道ATI算法流程图;
图6是本发明实施例中测速误差与基线长度的关系;
图7是本发明实施例中各基线运动目标的检测结果。
具体实施方式
本发明以5通道为例,设计了满足多基线要求的天线及其发射接收方式,推 导了与之匹配的5通道ATI通用算法,并通过仿真验证了该方法的有效性和实用 性。具体的实施方式如下:
一、设计天线构型,实现多基线要求
步骤一:(图3)天线采用一发多收模式,全孔径发射,5个子孔径接收。天 线的配置方式为1:1:3:1:1,分别称作通道-2,通道-1,通道0,通道1,通 道2。设置B为基线单位长度。
步骤二:选择通道0作为参考通道。
步骤三:计算通道i相对于参考通道0基线长度为:
步骤四:计算通道i相对于通道k基线长度dik=di0-dk0。可获得该天线设计 的所有基线长度有:B、2B、3B、4B、5B和6B。互质的基线有2B和3B、5B 和6B等。选择哪两组互质基线的数据可以根据具体需求:
(a)检测慢速目标或对测速精度要求较高时,采用长基线组5B和6B的检测 结果;
(b)检测速度较快目标或对杂波抑制要求较高时,采用短基线组2B和3B的 检测结果;
(c)当同时获得多组基线的数据时,可根据实际情况或检测结果加权各基线 的数据,得到较为理想的检测结果。
二、根据第一部分天线构型,设计与之匹配的多通道ATI通用算法,具体内 容为:
步骤一:读入SAR系统的相关参数,包括:雷达高度H,雷达速度Va,雷 达中心频率f0,光速c,雷达斜视角脉冲时宽Tr,波束中心距离Rc,距离向 采样率Fr,距离向调频率Kr,天线方位向长度D,基线单位长度B。
步骤二:根据步骤一中设计的天线构型,分析五通道SAR几何模型(图4), 推导SAR回波模型,具体为:
(a)天线的配置方式为:全孔径发射信号,5个子孔径同时接收信号。
(b)5个通道延方位向排列,设通道0的相位中心设在天线中心,设置各 天线相位中心O-2,O-1,O0,O1,O2,5个通道与参考通道0间的基线长度di0由式(1) 确定。
(c)雷达平台到场景中心的最短距离为Rb,雷达方位速度Va。零时刻,中 间的天线O0位于原点,目标位于P(x0,y0,h),以方位向速度和对地(对斜面)距 离向速度vx,vy(vr)作匀速直线运动。
(d)ta=t时刻,天线运动到O-2′,O-1′,O0′,O1′,O2′点,目标运动到Pt点, O-2′,O-1′,O0′,O1′,O2′与Pt距离分别为R-2(t),R-1(t),R0(t),R1(t),R2(t),具体形式:
(e)获取5个通道接收到的SAR回波信号S-20(t),S-10(t),S00(t),S10(t),S20(t)。
步骤三:对步骤一中SAR回波信号进行距离压缩即乘以exp{jπKrt2}滤波器, 得到压缩后的信号S-2(t),S-1(t),S0(t),S1(t),S2(t),具体形式:
步骤四:4个通道接收到的回波信号相对于参考通道0的延时分别为 τ-20=3B/Va,τ-10=2B/Va,τ10=-2B/Va,τ20=-3B/Va,延时处理后得到:
步骤五:根据步骤四中信号形式,推导4个通道与方位时间无关的相位补偿 函数:
步骤六:根据步骤四中信号形式,推导5个通道与方位时间的二次项有关的 相位补偿函数:
步骤七:将步骤五、六的相位补偿函数与步骤四中的信号做相乘处理后,5 个通道的信号形式:
步骤八:将各通道的信号分别作方位向FFT后,在距离多普勒域内进行干涉 处理,通道-2与通道2处理得到干涉信号S-22(f)、通道-1与通道2处理得到干 涉信号S-12(f)、通道0与通道1处理得到干涉信号S01(f)、通道0与通道2处 理得到干涉信号S02(f),干涉信号具体形式:
其中关于基线组
步骤十一:根据干涉相位计算目标速度:
步骤十:根据不同基线对所对应的动目标检测结果,采用方法:
(a)长基线对5B和6B对应的动目标检测结果用于检测慢速目标,选择该 基线对内共有的检测速度作为慢速目标速度,以排除模糊速度(虚假目标);
(b)短基线对2B和3B对应的动目标检测结果用于检测速度较快目标,选 择该基线对内共有的检测速度作为速度较快目标速度,以排除模糊速度(虚假目 标)。
实施例:
利用本发明所设计的天线和ATI算法对静止和运动的点目标进行回波仿真,仿 真参数如表格一所示,在此基础上完成了对本发明通用性、有效性、实用性的测 试。
根据表格一的仿真参数,以及基线长度与动目标检测性能的定性关系,可求 得各检测指标的值,如表二所示,其中相位门限Δφd设置为0.2。可见,多基线可 以同时提升各项动目标检测指标,且可检测的速度范围基本覆盖了地面运动目标 的距离向速度(5km/h~258km/h),除以即可得到地面目标的 距离向地速范围,其中θi为地面入射角。
表格一仿真参数
表格二动目标检测性能分析(单位m/s)
图6为测速误差与基线长度的关系。由于所用数据为仿真数据,通道间相干 性差别不大,因此测速误差主要由基线长度决定,呈反比关系。所以存在长短基 线都可以检测到的动目标时,其速度选择测速误差较小的长基线的测量结果。
仿真图像选取3个场景中心的点目标作为仿真对象,起始时刻4个点目标位于 同一点:[方位位置,对地距离位置]=[x,y]=[0,Yc]。其中1个点目标为静止目 标,另外3个点目标的运动参数为:
图7为干涉处理后的多基线动目标检测结果。(a)图基线长度为2B,(b)图基线 长度为3B,(c)图基线长度为5B,(d)图基线长度为6B。对于速度小的目标综合 考虑(a)图与(b)图的检测结果,从图中看出,共有的目标速度为-3,10;对于速度 快的目标综合考虑(a)图与(b)图的检测结果,从图中看出,共有的目标速度为 10,20。所以检测到动目标得速度为-3,10,20,与仿真设置的动目标参数一致。 可见,短基线检测到了快速目标,长基线检测到了慢速目标。且利用互质的基线 组可以消除模糊速度,正确检测出运动目标。
实施例的仿真表明,本发明所设计的动目标检测系统可以检测的目标范围 广,准确的消除模糊速度,检测出真实的运动目标,测速精度可取最优值。本发 明通过仿真,验证了该系统得通用性、有效性、实用性。
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