梁 穎張 群羅 迎武 勇

①(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710077)

②(陜西省計(jì)量科學(xué)研究院 西安 710065)

一站固定式雙基FMCW SAR地面振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取

梁 穎*①張 群①羅 迎①武 勇②

①(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710077)

②(陜西省計(jì)量科學(xué)研究院 西安 710065)

地面目標(biāo)的微小運(yùn)動(dòng)是目標(biāo)本身獨(dú)有的特性，可用于目標(biāo)的分類與識(shí)別。論文對(duì)一站固定式雙基FMCW SAR地面振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取方法展開研究，采用相位中心偏置天線(DPCA)技術(shù)進(jìn)行雜波抑制，進(jìn)而檢測(cè)出地面振動(dòng)目標(biāo)。對(duì)回波信號(hào)分析表明，經(jīng)DPCA雜波抑制后回波信號(hào)中存在一個(gè)隨慢時(shí)間變化的包絡(luò)項(xiàng)，稱為慢時(shí)間包絡(luò)(STE)，該項(xiàng)將影響振動(dòng)目標(biāo)微多普勒(m-D)時(shí)頻曲線的能量分布，導(dǎo)致無法獲取完整的振動(dòng)目標(biāo)m-D時(shí)頻曲線；進(jìn)一步地，利用STE項(xiàng)與振動(dòng)特征之間的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)目標(biāo)的特征提取。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析結(jié)果及特征提取方法的有效性。

一站固定式；雙基FMCW SAR；振動(dòng)目標(biāo)；相位中心偏置天線；慢時(shí)間包絡(luò)

Reference format: Liang Ying,Zhang Qun,Luo Ying,et al.. Vibrating ground target detection and feature extraction of one-stationary bistatic frequency-modulated continuous-wave synthetic aperture radar[J]. Journal of Radars,2015,4(6): 648–657. DOI: 10.12000/JR15082.

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示(Ground Moving Target Indication,GMTI)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)地面勻速和勻加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的有效檢測(cè)[1]。然而該技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)地面微動(dòng)目標(biāo)(如旋轉(zhuǎn)的雷達(dá)天線、振動(dòng)的車輛引擎等)的有效檢測(cè)與識(shí)別。地面目標(biāo)的微小運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生附加的頻率調(diào)制，這種現(xiàn)象被稱為微多普勒(micro-Doppler,m-D)效應(yīng)[2]。微動(dòng)特征蘊(yùn)含著反映目標(biāo)身份標(biāo)識(shí)的精細(xì)信息，通過對(duì)目標(biāo)微動(dòng)特征的分析與提取，可為地海面目標(biāo)的分類與識(shí)別提供更為豐富的特征信息。2009年，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的鄧彬等人首次提出了SAR微動(dòng)目標(biāo)指示(Micro-Motion Target Indication,MMTI)技術(shù)的概念[3]，將對(duì)地海面微動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)與成像技術(shù)或?qū)崿F(xiàn)該技術(shù)的SAR統(tǒng)稱為SAR MMTI技術(shù)，并對(duì)SAR MMTI技術(shù)展開了一系列的研究工作[4–7]。

作為SAR GMTI技術(shù)的推廣，SAR MMTI技術(shù)一直受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。在振動(dòng)目標(biāo)特征分析及提取技術(shù)研究方面，文獻(xiàn)[8]用APY-6雷達(dá)采集的兩個(gè)振動(dòng)角散射器的回波數(shù)據(jù)，采用時(shí)頻分析的方法提取了振動(dòng)目標(biāo)的振動(dòng)頻率及振幅，但是振幅的估計(jì)誤差較大；文獻(xiàn)[9]采用毫米波段SAR系統(tǒng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)目標(biāo)的微多普勒特征進(jìn)行了分析；進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[10,11]采用時(shí)頻分析的方法分別對(duì)雙基SAR和MIMO SAR系統(tǒng)中振動(dòng)目標(biāo)特征進(jìn)行了分析。上述研究工作均未考慮強(qiáng)地雜波對(duì)振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取的影響，受強(qiáng)地雜波的影響，微弱的振動(dòng)目標(biāo)通常會(huì)被淹沒在強(qiáng)地雜波背景中難以被檢測(cè)。文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]分別將相位中心偏置天線(Displaced Phase Center Antenna,DPCA)技術(shù)應(yīng)用于單基雙通道SAR和固定接收機(jī)的雙基SAR中，有效地抑制了地雜波，通過時(shí)頻分析方法獲得了目標(biāo)振動(dòng)特征。然而，上述工作忽略了采用DPCA技術(shù)進(jìn)行雜波對(duì)消后回波信號(hào)引入的慢時(shí)間包絡(luò)(Slow Time Envelope,STE)項(xiàng)對(duì)振動(dòng)目標(biāo)回波能量的影響。

調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)SAR通過在較長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)發(fā)射連續(xù)的線性調(diào)頻信號(hào)，可降低系統(tǒng)的峰值發(fā)射功率[14]；接收端采用去調(diào)頻處理體制，回波信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生較小的差頻帶寬，能夠降低對(duì)視頻接收通道、后端A/D采集設(shè)備和信號(hào)處理速度的要求[15,16]?？偟膩碇v，F(xiàn)MCW SAR相比傳統(tǒng)的脈沖式SAR，具有體積小、重量輕、成本低、功耗低等優(yōu)勢(shì)，在無人機(jī)等小型飛行平臺(tái)中具有較大的應(yīng)用潛力，近年來受到越來越廣泛的關(guān)注。由于單基FMCW SAR受系統(tǒng)收發(fā)隔離度的限制，其作用距離一般比較近，采用收發(fā)天線分置于兩個(gè)獨(dú)立平臺(tái)的雙基FMCW SAR系統(tǒng)，能夠有效地克服收發(fā)隔離度限制，進(jìn)而提高作用距離。同時(shí)雙基FMCW SAR具有更高的機(jī)動(dòng)性、隱蔽性以及更好的抗干擾和抗截獲能力[17]。一站固定式雙基SAR是一種特殊的雙基模式，該模式是將雙基的一個(gè)基站固定，另一個(gè)基站運(yùn)動(dòng)。這種模式的雙基SAR組建起來比較容易，而且應(yīng)用靈活，具有廣闊的應(yīng)用前景[18]。

基于上述分析，本文研究一站固定式雙基FMCW SAR的地面振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取方法。采用發(fā)射機(jī)固定接收機(jī)運(yùn)動(dòng)的雙基FMCW SAR工作模式，通過DPCA技術(shù)在數(shù)據(jù)域完成雜波對(duì)消處理進(jìn)而檢測(cè)地面振動(dòng)目標(biāo)。對(duì)回波信號(hào)的分析表明，由DPCA處理引入的STE項(xiàng)會(huì)對(duì)振動(dòng)目標(biāo)m-D時(shí)頻曲線的能量分布產(chǎn)生影響，導(dǎo)致無法獲取完整的m-D時(shí)頻曲線。進(jìn)一步地，利用STE項(xiàng)與振動(dòng)特征之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)目標(biāo)的特征提取。最后仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析與特征提取方法的有效性。

2 振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與回波分析

一站固定式雙基FMCW SAR即一個(gè)基站是固定不變的，一個(gè)基站是運(yùn)動(dòng)的雙基形式，既可以采用發(fā)射機(jī)固定也可以采用接收機(jī)固定的形式。采用這種構(gòu)型的雙基FMCW SAR進(jìn)行地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取時(shí)，通常要求運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具備兩個(gè)發(fā)射或接收通道，以實(shí)現(xiàn)DPCA雜波抑制。如果運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭載發(fā)射機(jī)，則需要兩個(gè)發(fā)射天線交替地發(fā)射信號(hào)，等效地降低了系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率[13]；而運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭載接收機(jī)，可對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行全孔徑接收。基于以上考慮，本文在后續(xù)的分析中采用發(fā)射機(jī)固定接收機(jī)運(yùn)動(dòng)的雙基FMCW SAR構(gòu)型進(jìn)行分析。

固定發(fā)射機(jī)的雙基FMCW SAR幾何構(gòu)型如圖1所示。固定發(fā)射機(jī)坐標(biāo)為(xt,yt,zt)，斜視角為θt，載機(jī)配置兩個(gè)接收天線，兩個(gè)接收天線間距為d，飛行高度為h，沿x軸正方向以速度v勻速直線飛行。為實(shí)現(xiàn)DPCA雜波抑制，兩個(gè)接收天線間距d需滿足：

其中，M為正整數(shù)，TP為FMCW信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間?？梢?，天線A1在t時(shí)刻接收到的回波信號(hào)與天線時(shí)刻接收到的回波信號(hào)相位中心恰好重合，即兩天線在空間中同一位置發(fā)射和接收信號(hào)。這樣，兩個(gè)接收通道接收的靜止地面目標(biāo)的回波信號(hào)能夠完成對(duì)消，振動(dòng)目標(biāo)的信息得以保留。

圖 1 一站固定式雙基FMCW SAR/DPCA幾何模型Fig. 1 Geometry of one-stationary bistatic FMCW SAR/DPCA

假設(shè)成像場(chǎng)景中存在一振動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)P，振動(dòng)中心坐標(biāo)為(xc,yc,zc)，振幅為Av，振動(dòng)頻率為fv(角頻率初始相位為目標(biāo)振動(dòng)方向與xoy平面的夾角為振動(dòng)方向在xoy平面的投影與y軸夾角為

由于FMCW SAR是在一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)連續(xù)的發(fā)射信號(hào)，且脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，通常脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)載機(jī)連續(xù)運(yùn)動(dòng)引起的距離變化不能忽略。設(shè)接收天線A1位于(0,0,h)時(shí)為時(shí)間起點(diǎn)，振動(dòng)點(diǎn)P與接收天線Ai(i=1,2)之間的瞬時(shí)斜距可表示為：

根據(jù)圖2給出的固定發(fā)射機(jī)與振動(dòng)目標(biāo)的2維幾何關(guān)系，可得固定發(fā)射機(jī)到振動(dòng)點(diǎn)P的瞬時(shí)斜距[19]為：

圖 2 固定發(fā)射機(jī)與振動(dòng)目標(biāo)幾何關(guān)系Fig. 2 Geometrical relationship between stationary transmitter and vibration target

由于振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)遠(yuǎn)小于Rt0，因此在后面的分析中忽略了式(4)和式(5)中的最后一項(xiàng)。進(jìn)一步地，將式(4)和式(5)展開為關(guān)于快時(shí)間tk的1次項(xiàng)：

式(6)和(7)中第3項(xiàng)和第4項(xiàng)為FMCW SAR中特有的，其中第3項(xiàng)為目標(biāo)點(diǎn)振動(dòng)引起的脈內(nèi)多普勒頻移項(xiàng)；第4項(xiàng)為載機(jī)連續(xù)運(yùn)動(dòng)引起的脈內(nèi)多普勒頻移項(xiàng)，在后續(xù)的處理可通過在方位多普勒頻域構(gòu)造多普勒頻移補(bǔ)償函數(shù)對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償[14]。

雷達(dá)發(fā)射FMCW信號(hào)，兩個(gè)接收天線接收的回波信號(hào)經(jīng)去調(diào)頻處理后，分別表示為：

其中，σP為目標(biāo)點(diǎn)散射系數(shù)，Rref為參考距離，且RΔtr1(t)=Rtr1(t)-2Rref,RΔtr2(t+τd)=Rtr2(t+τd)-2Rref。式(8)和式(9)中最后一個(gè)指數(shù)項(xiàng)為剩余視頻相位(RVP)項(xiàng)，在FMCW SAR成像中通常忽略該項(xiàng)的影響，或在方位多普勒頻域?qū)ζ溥M(jìn)行補(bǔ)償[14]，本文在后續(xù)的分析處理中，忽略該項(xiàng)的影響。經(jīng)距離壓縮后兩通道的回波差頻信號(hào)可表示為：

φ=ωvτd/2。實(shí)際受載機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差等的影響，采用DPCA技術(shù)很難完全抑制雜波，這將影響后續(xù)的振動(dòng)目標(biāo)特征提取，對(duì)此可采用相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法盡量減少雜波的影響[20]。兩通道回波差頻信號(hào)經(jīng)DPCA處理后，包含一個(gè)與慢時(shí)間tm有關(guān)的包絡(luò)項(xiàng)P(tm)即STE項(xiàng)，如式(17)所示。該項(xiàng)將影響雜波對(duì)消后的回波差頻信號(hào)的能量分布，且當(dāng)sinφ=0，即fv=nv/d,n=1,2,3...時(shí)，包絡(luò)項(xiàng)為零。即當(dāng)振動(dòng)點(diǎn)振動(dòng)頻率滿足上述關(guān)系式時(shí)將與靜止地雜波同時(shí)被抑制，即所謂的“盲速”。為避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)盡量提高載機(jī)速度v，減小收發(fā)天線之間的距離d。在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，有如下關(guān)系式：

根據(jù)式(18)所示，對(duì)一站固定式雙基FMCW SAR的地面振動(dòng)目標(biāo)的微多普勒特征分兩種情況進(jìn)行討論：

(1) Ae≠0；

此時(shí)，STE項(xiàng)可近似為：

式(16)經(jīng)補(bǔ)償載機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的線性調(diào)頻多普勒項(xiàng)后，其m-D頻率為：

在這種情況下，地面振動(dòng)目標(biāo)引起的m-D頻率表現(xiàn)為隨慢時(shí)間變化的余弦(正弦)形式，其m-D頻率通常采用時(shí)頻分析的方法獲取振動(dòng)特征。但是，與傳統(tǒng)的振動(dòng)點(diǎn)m-D時(shí)頻曲線不同，受隨慢時(shí)間變化的STE項(xiàng)影響，回波信號(hào)能量也隨慢時(shí)間而變化，這也將影響振動(dòng)點(diǎn)m-D時(shí)頻曲線的能量分布。且m-D頻率變化趨勢(shì)與STE變化趨勢(shì)相同，當(dāng)m-D頻率為零時(shí)，其回波能量也為零。且當(dāng)cosφ=0時(shí)，m-D頻率為零。即當(dāng)振動(dòng)點(diǎn)振動(dòng)頻率滿足cosφ=0時(shí)，同樣無法采用時(shí)頻分析的方法檢測(cè)到振動(dòng)目標(biāo)。

(2) Ae=0；

其m-D頻率為：

在這種情況下，地面振動(dòng)目標(biāo)引起的m-D頻率表現(xiàn)為非周期變化的形式，同時(shí)STE項(xiàng)也表現(xiàn)為非周期變化的形式。然而，由于P(tm)近似為零，導(dǎo)致很難檢測(cè)到這種振動(dòng)情況下的振動(dòng)目標(biāo)?；诖?，本文在后續(xù)討論振動(dòng)目標(biāo)特征提取方法時(shí)，主要針對(duì)Ae≠0時(shí)的振動(dòng)目標(biāo)。

3 振動(dòng)目標(biāo)特征提取

本節(jié)根據(jù)對(duì)消后回波差頻信號(hào)的特點(diǎn)，依據(jù)STE項(xiàng)與目標(biāo)振動(dòng)特征的關(guān)系，來進(jìn)行振動(dòng)特征的提取。根據(jù)上一節(jié)的分析可知，回波差頻信號(hào)經(jīng)DPCA處理后，STE項(xiàng)中包含了振動(dòng)目標(biāo)的特征信息，對(duì)式(16)取模得：

其中，an,bn為傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)：

T和ω分別為式(23)的周期和1次諧波角頻率，且ω=2ωv。因此，振動(dòng)點(diǎn)振動(dòng)頻率可通過對(duì)取模后的STE進(jìn)行FFT，提取1次諧波頻率即為振動(dòng)點(diǎn)頻率的2倍。式(23)的離散形式可表示為：

其中m為整數(shù)。

由式(27)可知，STE模值為正弦函數(shù)與余弦函數(shù)組成的復(fù)合函數(shù)，受余弦函數(shù)調(diào)制的影響，正弦函數(shù)內(nèi)的值在之間變化，因此STE曲線形式與AeC的取值有關(guān)。對(duì)振動(dòng)點(diǎn)振幅的提取，主要指對(duì)其等效振幅的提取。下面分兩種情況討論振動(dòng)點(diǎn)等效振幅的提取方法：

在這種情況下，STE模值的最大值為：

圖 3 m0與 mk關(guān)系示意圖Fig. 3 The relationship between m0and mk

對(duì)于以上兩種情況的判定，可通過對(duì)提取的STE曲線最大值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔進(jìn)行判斷。當(dāng)相鄰兩個(gè)最大值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔與STE的周期相等時(shí)，則判定為第1種情況；如果小于STE的周期，則判定為第2種情況。上述分析表明，STE中包含了振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)特征，對(duì)STE進(jìn)行FFT可有效提取振動(dòng)點(diǎn)振動(dòng)頻率，通過提取STE曲線某些特殊位置點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)等效振幅的有效提取。

4 仿真驗(yàn)證與分析

固定發(fā)射機(jī)的雙基FMCW SAR系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置采用如圖1所示的幾何模型。發(fā)射機(jī)坐標(biāo)為(–10,1,6) km，相應(yīng)的斜視角約為27°，F(xiàn)MCW信號(hào)載頻為35 GHz，帶寬為150 MHz，脈沖持續(xù)時(shí)間為1 ms；搭載雙通道接收天線的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為30 m/s，飛行高度為10 km，兩接收天線的間距為0.51 m，對(duì)差頻信號(hào)的采樣頻率為0.4 MHz，合成孔徑時(shí)間為0.8 s，場(chǎng)景中包括3個(gè)振動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)和7個(gè)隨機(jī)分布的靜止點(diǎn)目標(biāo)，3個(gè)振動(dòng)點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表 1 振動(dòng)點(diǎn)參數(shù)Tab. 1 Parameters of vibration point

4.1 振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征分析

其中振動(dòng)點(diǎn)P的等效振幅為0，因此其回波幅度近似為零，為有效檢測(cè)到等效振幅為0的振動(dòng)點(diǎn)，進(jìn)而驗(yàn)證本文理論分析的正確性，振動(dòng)點(diǎn)P的散射系數(shù)設(shè)定為振動(dòng)點(diǎn)Q和R的200倍。

圖 4 DPCA雜波抑制及振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)Fig. 4 DPCA clutter suppression and vibration target detection

圖4給出了DPCA雜波抑制后回波差頻信號(hào)距離-慢時(shí)間譜圖以及采用Hough變換進(jìn)行振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。其中圖4(a)為經(jīng)DPCA雜波抑制處理后回波差頻信號(hào)的距離-慢時(shí)間譜圖，經(jīng)DPCA處理后靜止目標(biāo)信息被消除，僅剩振動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)信息。振動(dòng)目標(biāo)回波在距離-慢時(shí)間譜圖中表現(xiàn)為沿方位向的直線，其幅度受STE的影響，隨慢時(shí)間周期變化。且圖4(a)中僅能直觀地觀測(cè)到兩條直線，即目標(biāo)點(diǎn)Q和R，由于目標(biāo)點(diǎn)P的等效振幅為0，雖然其散射系數(shù)是目標(biāo)點(diǎn)Q和R的200倍，其回波能量仍然很弱。采用Hough變換對(duì)譜圖中的直線進(jìn)行檢測(cè)，獲取振動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)所在距離單元位置，如圖4(b)所示?？梢钥闯?，經(jīng)Hough變換后目標(biāo)點(diǎn)P的歸一化幅度與目標(biāo)點(diǎn)Q和R的歸一化幅度相差近20 dB，當(dāng)系統(tǒng)存在一定噪聲時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)P的回波很容易被淹沒在噪聲中難以檢測(cè)。

分別抽取振動(dòng)點(diǎn)所在距離單元位置進(jìn)行時(shí)頻分析，3個(gè)振動(dòng)點(diǎn)的m-D時(shí)頻曲線如圖5所示。振動(dòng)點(diǎn)P的m-D時(shí)頻曲線表現(xiàn)為隨時(shí)間非周期變化的特點(diǎn)，且其多普勒頻偏很微弱；Q和R則表現(xiàn)為周期變化的特點(diǎn)。但是受STE的影響，只能獲得3個(gè)目標(biāo)點(diǎn)不連續(xù)的m-D時(shí)頻曲線。

圖 5 振動(dòng)目標(biāo)m-D時(shí)頻曲線Fig. 5 The m-D curves of vibration point

4.2 振動(dòng)目標(biāo)特征提取

在振動(dòng)目標(biāo)特征提取的仿真實(shí)驗(yàn)中，為更好地驗(yàn)證本文給出的特征提取方法的有效性，每個(gè)接收通道加入信噪比為–3 dB的高斯白噪聲。圖6給出了DPCA雜波抑制后回波差頻信號(hào)距離-慢時(shí)間譜圖以及采用Hough變換進(jìn)行振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。可以看出，振動(dòng)點(diǎn)P的回波已完全淹沒在噪聲中，即使采用能量累加方法進(jìn)行直線檢測(cè)的Hough變化也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)該類振動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。

提取振動(dòng)點(diǎn)Q和R所在距離單元位置的STE，對(duì)提取的振動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)STE模值進(jìn)行FFT以提取其振動(dòng)頻率，如圖7所示。其中圖7(a)為目標(biāo)點(diǎn)Q的回波STE模值譜圖，圖7(b)為目標(biāo)點(diǎn)R的回波STE模值譜圖。譜圖中一次諧波對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)的二分之一即為兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的振動(dòng)頻率，同時(shí)由于STE項(xiàng)為雙邊帶調(diào)制，提取上下邊帶的一次諧波頻率模值求其均值再計(jì)算相應(yīng)的振動(dòng)目標(biāo)頻率。提取的振動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)Q和R的振動(dòng)頻率分別為10.01 Hz和15.02 Hz。

2個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的STE模值曲線如圖8所示，為提高提取精度，對(duì)STE模值曲線進(jìn)行了2.5倍的插值處理。由于回波信號(hào)存在高斯白噪聲且無法通過雜波對(duì)消進(jìn)行抑制，STE的幅值受到一定的影響，無法直接進(jìn)行振動(dòng)目標(biāo)振幅的提取，但是整個(gè)STE曲線的變化趨勢(shì)并未受到太大影響。

圖 7 振動(dòng)頻率的提取Fig. 7 Extraction of the vibration frequency

圖 8 振動(dòng)目標(biāo)STE模值曲線Fig. 8 STE curves of vibration target

本文采用卷積平滑處理的方法，對(duì)STE曲線進(jìn)行平滑處理，以提取曲線的最大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)(或極大值點(diǎn))等信息，如圖9所示。圖9(a)為平滑處理后Q點(diǎn)的STE模值曲線，提取曲線的最大值點(diǎn)，計(jì)算相鄰兩個(gè)最大值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔約為0.05 s，等于Q 點(diǎn)STE模值周期0.05 s，因此判定為第3節(jié)中所述的第1種情況。進(jìn)一步提取曲線中值點(diǎn)位置及幅值信息，根據(jù)式(31)計(jì)算Q點(diǎn)等效振幅均值為1.18 mm。圖9(b)為平滑處理后R點(diǎn)的STE模值曲線，提取曲線最大值點(diǎn)，計(jì)算相鄰兩個(gè)最大值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔約為0.015 s,R點(diǎn)STE模值周期0.033 s，因此判定為第3節(jié)中所述的第1種情況。進(jìn)一步提取曲線的極小值點(diǎn)位置，根據(jù)式(34)計(jì)算得R點(diǎn)振幅的均值為3.93 mm。經(jīng)計(jì)算獲得的兩個(gè)振動(dòng)點(diǎn)等效振幅均與理論值較為接近。

同時(shí)可以看出振動(dòng)點(diǎn)R的振幅估計(jì)值比振動(dòng)點(diǎn)Q的振幅估計(jì)值精度更高，這是由于在計(jì)算R點(diǎn)振幅時(shí)只需提取最大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)的位置信息，而計(jì)算Q點(diǎn)振幅時(shí)不僅需要提取最大值點(diǎn)和中值點(diǎn)位置信息，還需要其幅度值，而STE幅度受噪聲的影響很難提取到其真實(shí)的幅度值，因此，提取精度受到一定的限制。根據(jù)式(31)和式(34)，采用本文方法提取振動(dòng)目標(biāo)的等效振幅值，可采用提高信號(hào)載頻的方法，時(shí)振動(dòng)目標(biāo)回波盡量滿足第3節(jié)所述的第2種情況，以提高振動(dòng)目標(biāo)振幅的提取精度。

5 結(jié)論

圖 9 等效振幅提取Fig. 9 Extraction of the equivalent vibration amplitudes

FMCW SAR由于其自身的優(yōu)越性，必將受到越來越廣泛的關(guān)注。論文開展了一站固定式雙基FMCW SAR振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取方法的研究。進(jìn)一步分析了STE對(duì)振動(dòng)目標(biāo)微多普勒時(shí)頻曲線的影響，同時(shí)給出了一種基于STE的振動(dòng)目標(biāo)特征提取方法，所提提取方法能夠完成對(duì)振動(dòng)點(diǎn)振動(dòng)頻率及一站固定式雙基SAR模式下振動(dòng)目標(biāo)特有的等效振幅的有效提取。對(duì)于本文所述采用慢時(shí)間包絡(luò)進(jìn)行振動(dòng)特征提取的方法，仍存在一定的局限性，就是在1個(gè)距離單元處存在多個(gè)振動(dòng)頻率不同的振動(dòng)目標(biāo)時(shí)，將很難完成振動(dòng)特征的提取，這也是下一步研究工作的重點(diǎn)。

[1]Entzminger J N. Joint STARS and GMTI: past,present and future[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1999,35(2): 748–761.

[2]Chen V C,Li F Y,Ho S S,et al.. Micro-Doppler Effect in Radar: Phenomenon,Model and Simulation Study[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2006,42(1): 2–21.

[3]Deng B,Wu G Z,Qin Y L,et al.. SAR/MMTI: an extension to conventional SAR/GMTI and a combination of SAR and micromotion techniques[C]. IET RADAR Conference,Guilin,China,2009: 42–45.

[4]Deng B,Wang H Q,Li X,et al.. Generalised likelihood ratio test detector for micro-motion targets in SAR raw signals[J]. IET Radar,Sonar and Navigation,2011,5(5): 528–535.

[5]Deng B,Wang H Q,Wu C G,et al.. SAR micromotion target detection based on gapped sine curves[C]. IGARSS Munich,Germen,2012: 29–32.

[6]鄧彬. 合成孔徑雷達(dá)微動(dòng)目標(biāo)指示(SAR/MMTI)研究[D]. [博士論文],國(guó)防科技大學(xué),2011. Deng Bin. Study on the Synthetic Aperyure Radar Micro-Motion Target Indication (SAR/MMTI)[D]. [Ph.D. dissertation],School of Electronic Science and Engineering,2011.

[7]鄧彬,吳稱光,秦玉亮,等. 合成孔徑雷達(dá)微動(dòng)目標(biāo)指示(SAR/MMTI)研究進(jìn)展[J]. 電子學(xué)報(bào),2013,41(12): 2436–2442. Deng Bin,Wu Cheng-guang,Qin Yu-liang,et al.. Advances in Synthetic Aperture Radar Micro-Motion Target Indication (SAR/MMTI)[J]. Acta Electronica Sinica,2013,41(12): 2436–2442.

[8]Sparr T and Krane B. Micro-Doppler analysis of vibrating targets in SAR[J]. IEE Proceedings-Radar,Sonar and Navigation,2003,150(4): 277–283.

[9]Rüegg M,Meier E,and Nüesch D. Vibration and rotation in millimeter-wave SAR[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2007,45(2): 293–304.

[10]Clemente C and Soraghan J J. Vibrating target micro-Doppler signature in bistatic SAR with a fixed receiver[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2012,50(8): 3219–3227.

[11]Zhao G,Zhang C,and Fu Y W,et al.. Micro-Doppler analysis of vibrating target in MIMO SAR[C]. EUSAR Conference,Berlin,Germany,2014: 624–627.

[12]張偉,童創(chuàng)明,張群,等. 基于DPCA雜波抑制的地面振動(dòng)目標(biāo)微多普勒提取[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2011,33(4): 738–741. Zhang Wei,Tong Chuang-ming,Zhang Qun,et al.. Micro-Doppler extraction of ground vibrating targets based on SAR/DPCA technique[J]. Systems Engineering and Electronics,2011,33(4): 738–741.

[13]Zhang W,Tong C,and Zhang Q,et al.. Extraction of vibrating features with dual-channel fixed-receiver bistatic SAR[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2012,9(3): 507–511.

[14]Meta A,Hoogeboom P,and Ligthart L P. Signal processing for FMCW SAR[J]. IEEE Transactions on Geoscience andRemote Sensing,2007,45(11): 3519–3532.

[15]Liu Y,Deng Y,Wang R,et al.. Efficient and precise frequency-modulated continuous wave synthetic aperture radar raw signal simulation approach for extended scenes[J]. IET Radar,Sonar and Navigation,2012,6(9): 858–866.

[16]Stove A G. Linear FMCW radar techniques[J]. IEE Proceedings F: Radar and Signal Processing,1992,139(5): 343–350.

[17]梁毅,李燕平,邢孟道,等. 一種平行航線雙基聚束式FMCW SAR的兩步處理方法[J]. 電子學(xué)報(bào),2013,41(10): 1975–1982. Liang Yi,Li Yan-ping,Xing Meng-dao,et al.. A two-step processing approach for parallel bistatic spotlight FMCW SAR focusing[J]. Acta Electronica Sinica,2013,41(10): 1975–1982.

[18]金日初,王宇,鄧云凱,等. 改進(jìn)的一站固定式雙基SAR頻域成像方法[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào),2014,3(2): 192–200. doi: 10.3724/SP.J. 1300.2014.13115. Jin Ri-chu,Wang Yu,Deng Yun-kai,et al.. A modified frequency domain imaging method for one-stationary bistatic SAR[J]. Journal of Radars,2014,3(2): 192–200. doi: 10.3724/SP.J.1300.2014.13115.

[19]梁毅,王虹現(xiàn),邢孟道,等. 基于FMCW的大斜視SAR成像研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2009,31(4): 776–780. doi: 10.3724/ SP.J.1146.2007.01851. Liang Yi,Wang Hong-xian,Xing Meng-dao,et al.. Imaging study of high squint SAR based on FMCW[J]. Journal of Electronics & Information Technology,2009,31(4): 776–780. doi: 10.3724/SP.J.1146.2007.01851.

[20]劉向陽,廖桂生,楊志偉,等. 機(jī)載多通道雷達(dá)DPCA誤差補(bǔ)償及穩(wěn)健的雜波抑制[J]. 電子學(xué)報(bào),2009,37(9): 1982–1988. Liu Xiang-yang,Liao Gui-sheng,Yang Zhi-wei,et al.. DPCA error compensation and robust clutter suppression for multi-channel airborne radar[J]. Acta Electronica Sinica,2009,37(9): 1982–1988.

梁 穎(1987–)，男，河北唐山人，現(xiàn)為空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院博士研究生。研究方向?yàn)槔走_(dá)成像與信號(hào)處理。E-mail: liangying8633@163.com

張 群(1964–)，男，陜西合陽人，現(xiàn)為空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，IEEE Senior Member，中國(guó)電子學(xué)會(huì)無線電定位技術(shù)分會(huì)委員。研究方向?yàn)槔走_(dá)成像與目標(biāo)識(shí)別。

羅 迎(1984–)，男，湖南益陽人，現(xiàn)為空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，在《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》、《IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems》、《Science China Information Sciences》、《電子學(xué)報(bào)》等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議錄上發(fā)表和錄用論文50余篇。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)成像與目標(biāo)識(shí)別。

E-mail: luoying2002521@163.com

Vibrating Ground Target Detection and Feature Extraction of One-stationary Bistatic Frequency-modulated Continuous-wave Synthetic Aperture Radar

Liang Ying①Zhang Qun①Luo Ying①Wu Yong②

①(School of Information and Navigation,AFEU,Xi'an 710077,China)

②(Shaanxi Institute of Metrology,Xi'an 710065,China)

One of the unique characteristics of a ground target is its micro-motion,which can be used for target classification and identification. In this study,methods for vibrating ground target detection and feature extraction of the one-stationary bistatic frequency-modulated continuous-wave Synthetic Aperture Radar (SAR) are studied. The Displaced Phase Center Antenna (DPCA) technique is adopted to suppress the ground clutter,allowing the ground-vibrating targets to be detected. Analysis of the

signal indicates that the DPCA processing results in a slow time-varying envelope,known as the Slow Time Envelope (STE). The STE has a direct effect on the micro-Doppler time-frequency curve,which therefore cannot be obtained unbroken. Furthermore,vibrating features are extracted by utilizing their relationship with the STE term. Finally,some simulations are provided to validate the theoretical derivation and effectiveness of the proposed extraction method.

One-stationary; Bistatic FMCW SAR; Vibrating target; Displaced Phase Center Antenna (DPCA); Slow time envelope

TN957

A

2095-283X(2015)-06-0648-10

10.12000/JR15082

10.12000/JR15082.

2015-07-01；改回日期：2015-09-13；網(wǎng)絡(luò)出版：2015-10-29

梁穎 liangying8633@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(61172169,61471386)

Fundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61172169,61471386)

引用格式：梁穎,張群,羅迎,等. 一站固定式雙基FMCW SAR地面振動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與特征提取[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào),2015,4(6): 648–657.

E-mail: zhangqunnus@gmail.com