曾祥杰齊向陽

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100039)

②(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)

基于斜視TOPSAR的星載區(qū)域監(jiān)視GMTI方法研究

曾祥杰*①②齊向陽①

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100039)

無論在軍事上還是在民用中，對大范圍區(qū)域內(nèi)的運動目標進行實時監(jiān)視與檢測都非常重要，傳統(tǒng)區(qū)域監(jiān)視采用機載掃描模式(ScanSAR)，受到國界領(lǐng)空限制，并且ScanSAR固有的特性導(dǎo)致其不適用于在星載平臺上進行運動目標區(qū)域監(jiān)視。該文提出一種基于斜視TOPSAR的星載區(qū)域監(jiān)視GMTI方法。該方法采用TOPSAR模式，改善了ScanSAR在星載條件下的低信雜比和信噪比問題。該方法利用斜視TOPSAR全孔徑成像算法進行成像，并采用相位中心偏置天線(DPCA)和雙門限單元平均恒虛警(CFAR)檢測方法對動目標進行檢測，利用推導(dǎo)出的運動目標的干涉相位與速度關(guān)系，對運動目標的速度進行估計和定位。另外，該文還分析了真實數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)之間可能存在的差異及如何降低差異帶來的影響。仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性。

TOPSAR；區(qū)域監(jiān)視(RS)；地面運動目標檢測(GMTI)；相位中心偏置天線(DPCA)

②(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)

1 引言

廣域監(jiān)視運動目標檢測在軍事中和民用上都具有十分重要的作用。傳統(tǒng)的廣域監(jiān)視采用Scan_ GMTI模式，該模式采用在方位向發(fā)射窄波束并通過方位波束的周期性掃描實現(xiàn)廣域覆蓋以及對運動目標的軌跡跟蹤，該模式使用DBS成像方法，JSTARS系統(tǒng)和PAMIR系統(tǒng)[1－3]是其典型代表。廣域監(jiān)視系統(tǒng)一般采用多通道多載頻技術(shù)，能夠很好

地抑制鬼影目標[4]。傳統(tǒng)廣域監(jiān)視系統(tǒng)均采用機載系統(tǒng)，受到領(lǐng)空限制。

星載條件下DBS成像的方位分辨率較差，造成目標信雜比較低；方位向波束邊緣的系統(tǒng)靈敏度(NESZ)比波束中心差6～12 dB，造成波束邊緣目標的信噪比較差；這都不利于動目標檢測。同時，波束掃描覆蓋的成像帶長度小于衛(wèi)星波束在地面移動的距離，不利于實現(xiàn)對目標多次重訪。為改善星載條件下動目標的信雜比和信噪比，借鑒TOPSAR設(shè)計思想，本文提出了一種基于星載TOPSAR的廣域監(jiān)視方法。

星載TOPSAR模式由意大利的Zan等人提出，并于2006年首次發(fā)表在文獻[5]上。該模式通過方位向周期性地調(diào)整天線波束指向，不但克服了ScanSAR模式的扇貝效應(yīng)和方位模糊比在方位向嚴重不一致的問題，擁有大場景成像能力，并且星載SAR不受領(lǐng)空限制，因而十分適合廣域監(jiān)視。目前國內(nèi)外對TOPSAR進行了系統(tǒng)的研究。文獻[6-8]分析了星載TOPSAR模式的實現(xiàn)及系統(tǒng)性能；文獻[9]提出了一種高效處理TOPSAR數(shù)據(jù)的BAS(基帶方位變標)算法；文獻[10]討論了利用TOPSAR進行區(qū)域觀測的方法；近年斜視TOPSAR成像算法日漸成熟[11,12]。在動目標檢測方面，文獻[13]簡單地分析了TOPSAR模式中微弱動目標檢測能力；文獻[14]研究了正側(cè)視TOPSAR-GMTI。目前為止，未見有對星載TOPSAR應(yīng)用于動目標廣域監(jiān)視進行研究的文獻資料。

本文第2節(jié)討論了利用星載TOPSAR實現(xiàn)廣域GMTI的方法；第3節(jié)根據(jù)建立的3通道TOPSAR-GMTI幾何模型，給出了回波信號模型，并對回波信號模型進行了分析；第4節(jié)詳細論述了斜視TOPSAR模式下，全孔徑成像算法；第5節(jié)分析了TOPSAR-GMTI模式下動目標的檢測與定位方法；第6節(jié)給出了斜視TOPSAR-GMTI的處理流程；第7節(jié)給出了仿真結(jié)果及分析，驗證了本文方法的有效性；第8節(jié)對全文進行了總結(jié)。

2 廣域GMTI模式實現(xiàn)方法

廣域GMTI系統(tǒng)通過方位向波束掃描實現(xiàn)廣域覆蓋和對目標的多次重訪，借鑒TOPSAR設(shè)計思想，本文提出一種基于TOPSAR的廣域GMTI方法，該方法具體可分為兩種工作模式：廣域搜索和區(qū)域監(jiān)視。

廣域搜索采用TOPSAR的正常工作模式。區(qū)域監(jiān)視利用方位向波束掃描，實現(xiàn)對特定區(qū)域的多次掃描覆蓋，每次掃描成像都采用TOPSAR成像原理進行成像，圖1是其工作原理示意圖。如圖所示，每次方位波束掃描結(jié)束，天線波束并不是改變距離向波束指向，而是改變方位角再次對同一區(qū)域進行掃描成像。比如假設(shè)圖中第-n次掃描時，波束的方位角為30°，第-(n-1)次掃描時，波束的方位角改變?yōu)?8°，使得波束仍舊掃描覆蓋同一區(qū)域，在每一次的掃描中，天線波束在方位向從后向前掃描，掃描角大小根據(jù)系統(tǒng)需求而定。該模式可以實現(xiàn)對重點區(qū)域進行持續(xù)監(jiān)視，對區(qū)域中的動目標進行跟蹤。

圖1 區(qū)域監(jiān)視工作原理示意圖Fig. 1 The working principle schematic of regional surveillance

其中第0次覆蓋為正側(cè)視TOPSAR工作方式，其它次數(shù)的覆蓋為斜視TOPSAR工作方式。本文將主要討論斜視TOPSAR模式下的運動目標檢測算法，該算法同樣適用于正側(cè)視TOPSAR。

3 信號模型

斜視TOPSAR模式的幾何模型如圖2所示。衛(wèi)星運行高度為h，以速度v沿x軸飛行，Rs表示場景中心到航跡的最短斜距，Rref表示天線波束虛擬旋轉(zhuǎn)中心到航跡的最短斜距，天線波束的斜視角為θ, 3通道天線沿航跡以間距D排列，采用全天線發(fā)射信號，3個天線同時接收的工作方式。3根天線均

沿航跡方向從后向前進行掃描。運動目標n位于(xn,yn, 0)處，速度為(vx,vy)。

圖2 3通道斜視TOPSAR幾何模型Fig. 2 The geometric model of three-channel squint-TOPSAR

因為Rs＞＞D，所以采用等效相位中心原理可得動目標在t時刻與第i個天線相位中心之間的距離為：

其中t表示慢時間，分別表示各天線等效相位中心與發(fā)射天線等效相位中心之間的間隔。令

假設(shè)發(fā)射信號為調(diào)頻率為kr的線性調(diào)頻信號，目標反射信號經(jīng)去載頻后可得各通道的回波信號為：

其中σn表示目標的回波振幅，τ表示快時間，c表示光速，λ表示載波波長，wr(.)和wa(.)分別表示距離向和方位向的窗函數(shù)，t0表示目標的波束中心穿越時刻，Ta表示合成孔徑時間。

4 斜視TOPSAR成像算法

本文采用斜視TOPSAR成像算法對回波信號進行聚焦成像，其流程如圖3所示，主要包括4部分：多普勒中心頻率校正、方位預(yù)濾波、距離向壓縮以及方位壓縮和幾何校正。下面詳細分析各步驟。

4.1 校正多普勒中心頻率

圖3 斜視TOPSAR成像流程圖Fig. 3 Flow chart of squint-TOPSAR imaging

式中省略了部分系數(shù)，其中fr表示距離頻率，表示載波頻率。

斜視角使得回波具有非零的多普勒中心頻率和2維頻譜的扭曲等問題，前者將導(dǎo)致多普勒譜平移和多普勒模糊，最終使成像結(jié)果出現(xiàn)鬼影，后者來源于多普勒中心頻率隨距離頻率變化，將致使目標散焦。本文在距離頻域方位時域采用非線性平移法來解決這兩個問題，方法是將回波信號與式(5)相乘，然后把信號變回時域，得到

4.2 方位向預(yù)濾波

TOPSAR采用方位掃描，雖然等效壓縮了單點目標的多普勒帶寬，但是整個場景的方位帶寬卻因此大大擴展，甚至遠大于系統(tǒng)PRF，導(dǎo)致方位頻譜混疊。本文使用方位向預(yù)濾波的方法來實現(xiàn)方位頻譜去混疊[15]，將信號與函數(shù)在時域進行卷積運算，實現(xiàn)信號的預(yù)壓縮，卷積運算可以利用快速傅里葉變換(FFT)實現(xiàn)，具體包括兩次復(fù)乘和一次FFT。雖然信號經(jīng)過了FFT變換，但由于預(yù)濾波的實質(zhì)是時域卷積運算，因此預(yù)濾波后的信號仍然是時域信號，設(shè)新的方位時間為

對預(yù)濾波后的信號進行2維傅里葉變換，得到信號的2維頻譜為：

式中表示新的方位頻率，與相對應(yīng)。式(6)的相位項中，第1項代表距離壓縮部分；第2項代表RCMC部分；第3項表示方位向和距離向耦合部分，此項主要是由于斜視TOPSAR時，同一距離門不同方位位置的目標斜距變化很大導(dǎo)致，因此應(yīng)在成像后對其進行校正；第4項表示帶有耦合的方位調(diào)制項；第5項是方位預(yù)濾波引入的相位，應(yīng)在距離向處理前乘以將其補償?shù)?；?項同第3項一樣，表示距離向和方位向的耦合，因為最終成像結(jié)果在距離多普勒域(RD域)，因此應(yīng)在時域?qū)υ擁椷M行校正；第7項代表由于目標運動和通道間距引起的多普勒中心偏移。

4.3 距離壓縮和RCMC

不失一般性，對靜止目標進行分析，回波信號經(jīng)過方位向預(yù)濾波處理后的2維頻譜可表示為：

由式(7)可得距離壓縮可以通過匹配濾波實現(xiàn)，RCMC可以通過Stolt變換實現(xiàn)，其具體方法是，首先將經(jīng)過相位補償后的2維頻域信號與式(8)相乘

接著，對信號進行Stolt變換，變換核為：

4.4 方位壓縮和幾何校正

經(jīng)過距離壓縮和RCMC后可得到信號在RD域的表達式為：

把補償通道位移后的信號變換到時域，信號表達式為：

其中第1項是調(diào)頻項；第2項是前面提到的需要補償?shù)舻鸟詈享?；?項由運動目標引起，使得成像后目標在方位向發(fā)生移位。通過與式(13)相乘對時域信號進行去調(diào)頻和相位補償

其中Rc為場景中心沿斜視角方向的最短斜距。經(jīng)過方位去調(diào)頻處理后，目標在RD域的表達式為式(14)，其中第1項表示目標距離向位置，它表明目標距離向位置和方位向位置存在耦合，本文通過在距離頻域乘以第2項是目標在方位向的位置，可以看出其方位位置存在幾何形變，通過Chirp-Z變換可以校正該項，同時方位位置與目標的運動和實際位置有關(guān)，因此通過該項可獲得目標的實際位置；第3項表明目標的徑向速度會引起多普勒平移；第4項表示目標的徑向速度和通道間隔將導(dǎo)致各通道相位不一致，因此可通過各通道相位差異得到目標的徑向速度；第5項是目標徑向速度引入的相位項。

5 運動目標檢測與定位

5.1 雜波對消與動目標檢測

本文采用DPCA方法進行雜波對消，得到各通道信號RD域圖像后，將通道1圖像減去通道2圖像可得S21，通道3圖像減去通道2圖像可得S32

5.2 動目標參數(shù)估計

根據(jù)式(15)和式(16)可知，動目標的徑向地速信息隱藏在相位中，通過對S21和S32共軛相乘，然后提取出相位信息，可以計算得到目標的徑向地速為：

由于φ的取值以2π為周期，當時干涉相位有纏繞現(xiàn)象，即φ=φ0±2nπ,n=0,1,2,…。由式(17)可知，模糊問題涉及通道數(shù)目、天線全孔徑尺度、載頻頻率、雷達平臺運行參數(shù)等方面的設(shè)計。在解模糊方面目前有基于壓縮感知的相位解模糊方法[18]，以及PAMIR采用的多載頻技術(shù)[1]。本文建議采用多載頻技術(shù)，其不僅能實現(xiàn)解相位模糊，并且還能優(yōu)化DPCA體制具有的盲速問題。

由式(14)可得目標在圖像中的真實位置為：

其中fat為SAR圖像中目標所在的方位位置，據(jù)此可以將SAR圖像中的動目標校正到正確的位置。進

一步可以得到動目標的真實地理方位位置為：

6 斜視TOPSAR-GMTI算法流程

綜合前文，本節(jié)給出 3通道斜視 TOPSARGMTI算法的處理流程，如圖4所示。

第1步 在距離頻域乘以H1完成多普勒中心頻率校正；

圖4 斜視TOPSAR-GMTI算法流程圖Fig. 4 Flow chart of squint TOPSAR-GMTI algorithm

第2步 進行方位預(yù)濾波處理，具體方法是將信號與參考相位H2相乘，然后進行方位傅里葉變換，再補償一個相位接著將信號進行方位傅里葉變換到RD域后與補償相位H3相乘；

第3步 在2維頻域乘以H4完成距離向壓縮，利用Stolt變換完成RCMC；

第4步 在時域乘以H5完成方位去調(diào)頻后將信號變換到RD域得到2維壓縮后的圖像；

第5步 在距離頻域乘以H6去耦合后變回到RD域，然后進行Chirp-Z變換完成幾何校正，得到最終成像圖。由H6的表達式可知去耦合與方位位置有關(guān)，但此時動目標的方位位置偏離了原始位置，這導(dǎo)致在校正后的圖像中，動目標的距離向位置會偏離其原始位置，其大小為在動目標重定位時應(yīng)該將其修正；

第6步 利用DPCA方法，得到兩兩相消的圖像S21和S32，采用CFAR檢測在S21中檢測動目標位置；

第7步 利用干涉相位與動目標速度關(guān)系，求解出動目標的參數(shù)，并將動目標的正確位置標注在圖像中。

圖4中的2維壓縮部分包含第2步到第4步3個步驟。

7 仿真結(jié)果及分析

為驗證本文提出的廣域GMTI方法，本節(jié)給出了仿真結(jié)果，并對其進行分析。仿真參數(shù)如表1所示。

仿真場景設(shè)置為模擬的城市街道，大小為(18 km×9 km)，場景中心零多普勒斜距為577 km，橫縱街道互相垂直分布，縱向街道(即沿方位向的街道)與雷達飛行方向夾角為在場景中有3個運動點目標(P1,P2,P3)分別沿橫向道路移動，徑向地速分別為-5 m/s, 18 m/s, 5 m/s，方位向地速分別為0.9 m/s, -3.2 m/s, -0.9 m/s，如圖5(a)所示，仿真時P1,P2信雜比設(shè)置為0 dB,P3信雜比設(shè)置為

圖5(b)是經(jīng)過了2維壓縮聚焦但未進行幾何校正的成像結(jié)果，從圖中可以看出由于斜視角的存在使得成像結(jié)果有很大的幾何形變，需要進行幾何校正，與前文分析一致；圖 5(c)是采用本文成像算法得到的成像結(jié)果，由圖可知經(jīng)過兩次幾何校正后，幾何形變量得到很好地校正，并且由圖可知動目標淹沒在背景雜波中；圖5(d)是采用文獻[14]成像算法得到的成像結(jié)果，對比看出，文獻[14]得到的結(jié)果存在明顯的鬼影目標，由此可知該方法不適用于斜視TOPSAR成像。

圖6是雜波對消前后的對比圖，圖6(a)是雜波抑制之前的幅度圖，圖6(b)是雜波抑制之后的幅度圖。由圖可知DPCA能很好地抑制雜波，并同時保留動目標。

圖5 斜視TOPSAR成像Fig. 5 Squint TOPSAR imaging

表2是對檢測出的動目標進行參數(shù)估計的結(jié)果，由表2可知本文算法可以較準確地估計出目標的真實參數(shù)。

圖7是經(jīng)過CFAR檢測后的結(jié)果圖，可以看出經(jīng)過雜波抑制后，運動目標能夠很好地被檢測出來。圖8是對運動目標進行重定位的結(jié)果圖，●表示定位前的位置，▲表示定位后的位置，可以看出動目標都被定位到了正確的位置，從定位的結(jié)果可以清晰地觀察到第6節(jié)第5步分析得到的動目標的距離向偏移。圖9是區(qū)域監(jiān)視的結(jié)果圖，監(jiān)視期間，斜視角變化范圍為時長為64 s，包含120次掃描，每隔8 s(20次掃描)選取一次結(jié)果，由圖可知本文提出的廣域GMTI模式能夠?qū)幽繕诉M行跟蹤，驗證了方法的有效性。

實際上，真實數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間存在一定的差異，這些差異會導(dǎo)致真實數(shù)據(jù)的處理結(jié)果并不理

想，因此在處理真實數(shù)據(jù)時需要對數(shù)據(jù)進行額外處理，主要差異包含以下幾部分：

圖6 DPCA雜波對消前后對比圖Fig. 6 Comparison of before and after clutter suppression by using DPCA

表2 動目標的參數(shù)估計結(jié)果Tab. 2 The estimation results of moving target parameters

圖7 CFAR檢測結(jié)果Fig. 7 The results of CFAR

圖8 動目標重定位結(jié)果Fig. 8 The results of moving target relocation

(1) 通道失配。通道失配誤差會影響雜波對消效果，導(dǎo)致動目標的檢測和參數(shù)估計性能變差，可

以通過在成像處理前進行通道均衡，減小通道失配帶來的誤差。

圖9 動目標跟蹤結(jié)果Fig. 9 The results of moving target tracking

(2) 雷達平臺的運動誤差。雷達平臺并不是進行理想的勻速直線運動，其運動存在隨機擾動項，這將導(dǎo)致成像結(jié)果變差，進而影響后期的動目標檢測和參數(shù)估計，機載平臺上，影響更明顯，可以通過運動補償來減小誤差影響。

(3) 強背景雜波。在城市中，存在一些強散射雜波，這些雜波導(dǎo)致雜波對消效果變差，使動目標檢測變得更加困難，甚至失效。此時，可以通過幅相聯(lián)合檢測來提高檢測性能，即同時使用DPCA和ATI(沿跡干涉)來加強對雜波的抑制和對動目標的檢測；也可以采用效果更好的STAP(空時自適應(yīng))雜波抑制方法來進行雜波抑制和動目標檢測。

8 結(jié)束語

相比ScanSAR, TOPSAR既擁有寬測繪帶的優(yōu)勢，又克服了ScanSAR的扇貝效應(yīng)和方位模糊比問題。本文提出了一種基于TOPSAR的星載廣域GMTI方法，該方法有兩種運行模式：廣域搜索和區(qū)域監(jiān)視。廣域搜索擁有寬測繪帶的能力，能同時監(jiān)視大范圍區(qū)域動目標情況；區(qū)域監(jiān)視擁有區(qū)域重訪功能，能對重點目標進行軌跡跟蹤。文章對區(qū)域監(jiān)視模式進行了著重介紹，給出了回波數(shù)學(xué)模型，分析了斜視TOPSAR情況下的成像算法，與正側(cè)視相比，主要增加了多普勒中心校正模塊，仿真表明不校正多普勒中心會導(dǎo)致圖像出現(xiàn)鬼影。仿真數(shù)據(jù)的處理結(jié)果驗證了方法的有效性。本文也對真實數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)之間的差異進行了討論分析。本文方法存在數(shù)據(jù)量過大，不利于數(shù)據(jù)下傳的問題，接下來的研究將圍繞數(shù)據(jù)壓縮進行。

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曾祥杰(1989-)，男，四川德陽人，本科畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，現(xiàn)碩士在讀，就讀于中國科學(xué)院大學(xué)電子學(xué)研究所電子與通信工程專業(yè)，研究方向為廣域動目標檢測與成像。

齊向陽(1974-)，男，2001年畢業(yè)于中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，獲得信號與信息處理專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，研究方向為星載SAR系統(tǒng)仿真、高分辨率成像技術(shù)和成像新體制。

Spaceborne Regional Surveillance Ground Moving Target Indication Based on Squint-TOPSAR

Zeng Xiang-jie①②Qi Xiang-yang①

①(Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)

For military or civilian activities, it is important to monitor the direction of moving targets in a wide area. Traditional regional monitoring uses the airborne scanning mode (ScanSAR) within the limits of the national airspace. The inherent characteristics of ScanSAR do not apply to spaceborne regional monitoring. In this paper, the spaceborne regional surveillance Ground Moving Target Indication (GMTI) mode based on squint-TOPSAR is proposed. The proposed method uses the TOPSAR mode that improves the low SNR of spaceborne ScanSAR. The full-aperture imaging algorithm for squint-TOPSAR is used in data focusing. The Displaced Phase Center Antenna (DPCA) and Constant False Alarm Rate (CFAR) methods are used to accomplish the moving target indication. The relation between the interferometric phase and the speed of moving target is used to estimate the speed of the moving target and mark the target location in the SAR image. The differences between real and simulation data are analyzed. The simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed method.

Terrain Observation by Progressive scan SAR (TOPSAR); Regional Surveillance (RS); Ground Moving Target Indication (GMTI); Displaced Phase Center Antenna (DPCA)

TN957

：A

：2095-283X(2015)04-0401-10

10.12000/JR14130

曾祥杰, 齊向陽. 基于斜視TOPSAR的星載區(qū)域監(jiān)視GMTI方法研究[J]. 雷達學(xué)報, 2015, 4(4): 401-410.

10.12000/JR14130.

Reference format:Zeng Xiang-jie and Qi Xiang-yang. Spaceborne regional surveillance ground moving target indication based on squint-TOPSAR[J].Journal of Radars, 2015, 4(4): 401-410. DOI: 10.12000/JR14130.

2014-11-14；

2014-12-24；

2015-05-06

*通信作者： 曾祥杰 zxjbuaa@163.com

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