王金偉 周 峰 吳玉峰 孫光才 張子敬

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FMCW-SAR體制下快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與成像方法

王金偉 周 峰*吳玉峰 孫光才 張子敬

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

針對(duì)調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)(FMCW-SAR)體制下的快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與成像問題，該文提出一種雙通道FMCW-SAR動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和成像新方法。該方法考慮到調(diào)頻連續(xù)波固有的特點(diǎn)，將多普勒頻移補(bǔ)償和偏置相位天線(DPCA)技術(shù)結(jié)合，進(jìn)行雜波抑制，檢測(cè)動(dòng)目標(biāo)。并針對(duì)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的散焦和多普勒譜分裂等問題，采用Keystone變換、方位去斜等方法實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的重聚焦。最后，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性和可行性。

合成孔徑雷達(dá)；調(diào)頻連續(xù)波；地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與成像

1 引言

針對(duì)上述問題并且考慮到FMCW-SAR發(fā)展的需求，本文提出一種FMCW-SAR體制下快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與成像新方法。該方法利用方位去斜等技術(shù)，在2維頻域?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行粗成像，將多普勒頻移補(bǔ)償和偏置相位天線(DPCA)技術(shù)結(jié)合，進(jìn)行雜波抑制，并檢測(cè)動(dòng)目標(biāo)。將檢測(cè)到的動(dòng)目標(biāo)反變換到原始數(shù)據(jù)域，并結(jié)合多普勒頻移補(bǔ)償、方位去斜、Keystone變換和模糊數(shù)估計(jì)等方法實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像。該方法避免了多普勒譜分裂，有效解決了連續(xù)波體制下運(yùn)動(dòng)參數(shù)未知時(shí)的快速動(dòng)目標(biāo)成像問題，極大地提高了信雜噪比和目標(biāo)檢測(cè)概率，且該方法具有對(duì)場(chǎng)景中模糊數(shù)相同的多目標(biāo)同時(shí)成像的優(yōu)點(diǎn)。

2 信號(hào)模型

將斜距展開式(2)代入調(diào)頻連續(xù)波接收的回波中，近似后得到

3 信號(hào)處理方法

3.1 雜波抑制

3.2 去除視頻相位項(xiàng)和方位去斜處理

信號(hào)相位中的RVP項(xiàng)使多普勒值有些差別，給后面的應(yīng)用帶來不便。本文采用文獻(xiàn)[17]中的方法，對(duì)式(3)進(jìn)行距離傅里葉變換，做去除RVP項(xiàng)處理。

3.3 多普勒頻移補(bǔ)償

3.4 徙動(dòng)校正和方位聚焦

補(bǔ)償模糊數(shù)函數(shù)后，信號(hào)仍然存在距離和方位耦合，采用Keystone變換處理，即進(jìn)行式(9)的變量代換：

對(duì)變換后的信號(hào)做距離FFT，并近似處理，得到

對(duì)上述處理結(jié)果進(jìn)行方位FFT，便得到聚焦后的信號(hào)。

3.5 模糊數(shù)估計(jì)

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理中，由于干擾的存在，通道不一致性或雜波非平穩(wěn)性等將造成雜波抑制不充分，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)信雜噪比比較低，導(dǎo)致難以檢測(cè)到快速弱小運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，另外，當(dāng)場(chǎng)景中存在多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，粗聚焦的動(dòng)目標(biāo)圖像可能存在重疊，此時(shí)，常規(guī)的時(shí)頻分析方法[17]很難準(zhǔn)確獲得動(dòng)目標(biāo)的模糊數(shù)，而采用上述模糊函數(shù)校正的方法可有效克服上述缺點(diǎn)。

4 應(yīng)用問題分析

4.1 未知沿航向速度的影響

而在不進(jìn)行方位去斜時(shí)，為保證動(dòng)目標(biāo)信號(hào)不發(fā)生分裂，需要滿足

采用式(14)和式(15)，并結(jié)合表1的參數(shù)，得到未進(jìn)行去斜和去斜之后的無虛影的參數(shù)范圍，如圖2所示。比較圖2(a)和圖2(b)，可知本文方法能夠擴(kuò)展可處理的參數(shù)空間。當(dāng)載機(jī)速度變大時(shí)，可處理空間將得到極大的擴(kuò)展，可以進(jìn)一步體現(xiàn)本文算法的優(yōu)越性。

當(dāng)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的沿航向速度處于可處理參數(shù)空間外時(shí)，采取文獻(xiàn)[11]的方法處理。沿航向速度導(dǎo)致目標(biāo)方位向散焦，這里采用圖像偏置法[17]估計(jì)信號(hào)方位向剩余調(diào)頻率，并補(bǔ)償?shù)粼撜{(diào)頻率對(duì)應(yīng)的二次相位項(xiàng)，然后做方位傅里葉變換，便可以得到聚焦良好的圖像。

4.2目標(biāo)方位位置不在場(chǎng)景中心

5 仿真結(jié)果與算法分析

為了驗(yàn)證本文FMCW-SAR動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和成像方法的有效性，本節(jié)給出仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和算法性能分析。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)工作在正側(cè)條帶SAR模式下，主要工作參數(shù)如表1所示。

表1雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)

發(fā)射帶寬150 MHz 方位波束寬度4 采樣頻率1 MHz 脈沖寬度1 ms 載機(jī)速度100 m/s PRF1000 Hz 載頻10 GHz 斜距1500 m

表2 動(dòng)目標(biāo)速度參數(shù)和對(duì)應(yīng)模糊數(shù)

圖4為本文在2維頻域?qū)?chǎng)景中所有點(diǎn)初步成像結(jié)果，此時(shí)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)淹沒在靜止雜波中。圖5為利用DPCA原理雜波相消后的圖像，雜波被極大程度地抑制，利用CFAR[18]原理逐個(gè)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，歸類后記錄其距離位置，方便后續(xù)去斜函數(shù)的構(gòu)造。被剩余雜波和噪聲淹沒的動(dòng)目標(biāo)4和5為快速弱小運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其信雜噪比比較低，難以檢測(cè)，常規(guī)方法很難準(zhǔn)確獲得該運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的模糊數(shù)；而采用本文的構(gòu)造模糊數(shù)函數(shù)的方法，并結(jié)合Keystone變換對(duì)目標(biāo)提取后的剩余場(chǎng)景進(jìn)行處理，可以聚焦弱小快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)4和5，極大地提高信雜噪比，方便后續(xù)對(duì)該目標(biāo)的提取和進(jìn)一步處理。接下來對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行分析。

圖6為目標(biāo)1的方位去斜前后的距離多普勒譜和本文方法的聚焦結(jié)果，可以看出，去斜后，目標(biāo)多普勒譜得到壓縮，避免頻譜分裂的出現(xiàn)，且1聚焦良好。圖7為利用圖像最小熵估計(jì)的模糊數(shù)，由估計(jì)的模糊數(shù)可以對(duì)目標(biāo)更好地聚焦；雜波抑制后，動(dòng)目標(biāo)4和5未被檢測(cè)到，此時(shí)無法估計(jì)其模糊數(shù)，對(duì)該目標(biāo)的成像方法如上文所述。

圖3 場(chǎng)景點(diǎn)目標(biāo)分布

圖4 雜波相消前成像

圖5雜波相消后圖像

圖7 圖像最小熵估計(jì)模糊數(shù)

圖8為動(dòng)目標(biāo)2的粗聚焦圖像，因其方位位置不在場(chǎng)景中心，導(dǎo)致方位存在嚴(yán)重散焦，采用前述所述方位調(diào)頻率補(bǔ)償處理，得到結(jié)果如圖9所示。圖10為文獻(xiàn)[14]對(duì)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)2的成像效果圖，目標(biāo)沒有得到良好的聚焦。由圖9可知，本文方法對(duì)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像結(jié)果良好，與圖10相比，動(dòng)目標(biāo)聚焦效果得到極大改善。

圖11為動(dòng)目標(biāo)3,4和5的重聚焦成像結(jié)果圖，因目標(biāo)3存在沿航向速度，導(dǎo)致其方位向散焦，經(jīng)過方位調(diào)頻率補(bǔ)償處理后，便可以得到聚焦良好的圖像。圖11(c)為本文利用構(gòu)造模糊數(shù)函數(shù)的方法，并結(jié)合Keystone變換對(duì)目標(biāo)提取后的剩余場(chǎng)景進(jìn)行處理的結(jié)果，得到目標(biāo)4和5在剩余雜波和噪聲的圖像，因模糊數(shù)相同，兩目標(biāo)同時(shí)聚焦，并從背景雜波和噪聲中清晰地顯現(xiàn)出來。綜合上述處理結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)本文方法避免了多普勒分裂帶來的問題，可以對(duì)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行有效地檢測(cè)與成像，同時(shí)具備對(duì)模糊數(shù)相同的目標(biāo)同時(shí)聚焦的優(yōu)點(diǎn)。

圖8 M2粗聚焦圖像

圖9 M2深度聚焦圖像

圖10 文獻(xiàn)[14]對(duì)M2的處理結(jié)果

圖11 動(dòng)目標(biāo)M3, M4和M5重聚焦圖像

6 結(jié)論

隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)在軍事與民用中的作用越來越重要，為了同時(shí)完成對(duì)觀測(cè)區(qū)域靜止目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確描述，調(diào)頻連續(xù)波SAR體制下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與成像技術(shù)，特別是對(duì)研究相對(duì)較少的快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與成像技術(shù)也變得越來越重要。本文提出了一種雙通道FMCW-SAR快速動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和成像新方法，利用DPCA原理進(jìn)行雜波相消，并利用方位去斜、Keystone變換、最小熵估計(jì)模糊數(shù)等技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)重新聚焦。通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)體制下，本文方法對(duì)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與成像的有效性。

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王金偉： 男，1987年生，博士生，研究方向?yàn)镾AR成像和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè).

周 峰： 男，1980年生，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)成像和雷達(dá)對(duì)抗.

吳玉峰： 男，1985年生，博士生，研究方向?yàn)镾AR成像和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償.

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

國(guó)家自然科學(xué)基金(11176022, 61201283, 61172137, 61301292)，新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-12-0916)，基本科研業(yè)務(wù)費(fèi) (K5051302047, K5051202001)和信息綜合控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(newl20080201)資助課題