耿志高，陳華杰，林萍

（杭州電子科技大學通信信息傳輸與融合技術國防重點學科實驗室，杭州310018）

載機擾動下SAR/GMTI旋轉目標微多普勒特性分析*

耿志高，陳華杰，林萍

（杭州電子科技大學通信信息傳輸與融合技術國防重點學科實驗室，杭州310018）

目標微動部件激勵的雷達微多普勒信號穩(wěn)定而獨特，反映了該目標的本質特征。針對采用相位中心偏置技術（DPCA）的SAR/GMTI系統(tǒng)，研究存在載機擾動下的旋轉目標的微多普勒特性。構建飛行平臺與微動目標的幾何模型，推導旋轉目標的微多普勒信號模型，分析典型的載機縱向擾動對微多普勒時頻特性構成的影響；并通過仿真實驗，驗證了上述理論分析的正確性。

SAR/GMTI，相位中心偏置，載機擾動，微多普勒

0　引言

雷達目標除質心平動以外的微小運動稱作微動。目標微動對雷達回波產生附加的頻率調制，稱為微多普勒效應［1］。微多普勒效應穩(wěn)定而獨特，它為目標識別與目標分類提供了新的途徑［2-4］。然而，目標微動信號相較于目標主體信號較弱，尤其對于機載SAR/GMTI系統(tǒng)，回波信號中包含大量地面靜雜波，對提取與分析目標的微動信號特性構成嚴重干擾。

相位中心偏置技術（DPCA）簡單易用，是一種可有效抑制地面靜雜波技術。文獻［5］提出了一種改進的三通道DPCA處理技術，并采用仿真實驗進行了驗證。文獻［6］基于DPCA，分析了在背景雜波環(huán)境下提取地面振動目標的微動特性。目前，基于DPCA雙通道機載SAR/GMTI系統(tǒng)的研究大多假設載機平臺處于平穩(wěn)飛行下［5-8］，忽略了載機飛行過程縱向擾動對目標微多普勒特性影響。實際中，載機平臺飛行過程中極易受到氣流影響，導致載機平臺飛行中存在縱向擾動。載機縱向擾動導致雷達各孔徑在收發(fā)信號前后，縱向位置不一致。從而，載機縱向擾動很可能影響目標微多普勒回波特性。故研究載機飛行過程中，縱向擾動對雷達目標回波微多普勒特性的影響，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文針對載機運動過程中存在的縱向擾動，通過建立旋轉目標微多普勒回波信號模型，研究了縱向擾動對旋轉目標微多普勒特性的影響。仿真模擬了載機擾動在不同角頻率和幅值下，對旋轉目標微多普勒回波信號的影響。最后通過仿真實驗數(shù)據(jù)與公式計算所得數(shù)據(jù)比較，驗證了分析的正確性。

1　機載SAR雙通道建模分析

1.1雙通道SAR/GMTI工作示意圖

如圖1所示，此處雷達天線采用單發(fā)雙收，即全孔徑天線發(fā)射信號，其余兩個子孔徑天線進行接收信號，以正側視方式工作。其中D0為發(fā)射天線相位中心，D1、D2為兩個接收信號的子孔徑。各孔徑間距為B。假設載機飛行高度為H，水平運動速度為v，沿Y軸正方向，縱向擾動為簡諧振動c sin（Ωt）。

圖1　雙通道SAR/GMTI工作示意圖

1.2旋轉目標回波信號分析

假設散射點P在yoz平面以o為圓心作半徑為r的勻速圓周運動，其中o點坐標（x0，y0，z0）。點P旋轉角頻率為ω，初始相位為θ。初始時，全孔徑中心D0的坐標為（0，vt，H+c sin（Ωt）），子孔徑D1與D2中心坐標分別為（0，vt-B，H+c sin（Ωt））、（0，vt+B，H+c sin（Ωt））。散射點P坐標為：

全孔徑相位中心D0到散射點P的斜距R0（t）為：

按照式（3）

同理可得D1、D2到點P的斜距R1（t）、R2（t）分別為：

假設P（t）為雷達發(fā)射的線性調頻信號，即：

式（7）中，當-1/2≤t≤1/2時，rect（t）=1；當t＜-1/2或t＞1/2時，rect（t）=0。其中f表示雷達信號載頻，T為雷達信號脈沖寬度，u為雷達信號線性調頻率，t為距離向快時間。則雙通道回波信號經(jīng)過相干檢波和距離壓縮后，轉換為基帶信號為：

式（8）中，W1和W2為常數(shù)項，由散射點的后向散射系數(shù)與天線的方位向圖共同決定。此處假設兩個通道的回程方向圖一致，則可記W1=W2=W。接下來補償由各子孔徑相位中心間隔引起的多普勒中心調頻率偏差，以及載機水平運動產生的多普勒頻率線性調頻項［9］。用作雙通道基帶信號相位補償?shù)膮⒖己瘮?shù)［10］分別為：

記基帶信號與其對應的補償函數(shù)相乘后的信號分別為s1'（t）和s2'（t），再對處理后的信號進行時間校準以抑制靜雜波信號。其中，相鄰孔徑間距B，載機速度和雷達信號脈沖重復頻率prf，三者需滿足關系式B=2nv/prf（其中n為正整數(shù)）。

2　載機擾動對微多普勒特性影響分析

2.1載機擾動對DPCA處理影響

為簡化分析過程令θ=0。由以上各式可得：

式（10）中：

雙通道對消后，可得：

式（13）中：

式（14）為目標回波信號幅值。對其分析可知，目標回波信號幅值經(jīng)過雙通道對消后由兩部分構成，一部分由目標自身所激勵，另一部分由載機的擾動所產生。當載機不受縱向擾動干擾，即c和Ω均為零。此時，對于靜止目標和雷達背景，其ω和r均為零。表明靜止目標和雷達背景回波信號經(jīng)過DPCA處理后，信號幅值為0，即靜止目標與背景信號均被濾除。而對于旋轉目標，其ω和r均不為零。故其信號幅值亦不為0，說明經(jīng)DPCA處理后，目標微動信號得以保留。

當載機受到縱向擾動干擾，此時回波信號經(jīng)DPCA處理后，雖能濾除靜止目標與雷達背景信號，可由于載機縱向擾動所產生的影響無法被消除，致使目標微多普勒特性受到影響。

2.2載機擾動對旋轉目標微動特性影響

接下來，著重分析載機縱向擾動對旋轉目標微動特性的影響。從式（13）中可得旋轉目標回波信號相位為：

式（16）即為載機平臺受到縱向擾動時，旋轉目標瞬時微多普勒表達式。由式（16）可知：

（1）旋轉目標微多普勒由兩項疊加組成。第一項分量由目標旋轉激勵產生，第二項分量由載機縱向擾動產生。其中，目標自旋激勵部分，由于假設目標作圓周運動，故其微多普勒分量按余弦函數(shù)規(guī)律變化。載機縱向擾動所激勵部分實際也是由載機擾動形式所決定，由于此處假設載機縱向擾動為簡諧振動，故這一分量也作余弦規(guī)律變化。

（2）旋轉目標微多普勒的頻率由ω和Ω共同決定。由相關三角函數(shù)知識可知，當ω和Ω相近時，載機擾動對微多普勒頻率影響較小。但ω和Ω相差較大時，載機擾動對微多普勒頻率影響較大。

（3）旋轉目標微多普勒的幅值由r和c共同決定。當載機擾動幅值相較于目標旋轉半徑較小時，特別對于較大旋轉半徑目標，如直升機的旋翼，此時載機輕微擾動的影響幾乎可忽略。但當載機飛行中發(fā)生劇烈起伏和旋轉目標半徑較小時，如裝甲車的車輪和履帶，此時載機擾動所產生的干擾與旋轉目標微多普勒回波信號相互疊加，使得旋轉目標的微多普勒信號被掩蓋。

3　實驗驗證分析

仿真實驗中，SAR/GMTI雷達平臺主要參數(shù)如表1，雷達采用C波段機載SAR，按照圖1天線配置方式。仿真場景中，目標坐標（3 000，0，0.6）；目標旋轉半徑r=0.6m；目標旋轉角頻率ω=24 rad/s。為驗證載機擾動角頻率對微多普勒特性的影響，仿真實驗中將載機擾動幅值設為c=0.1m，實驗得出載機擾動角頻率分別為Ω=36 rad/s和Ω=64 rad/s時旋轉目標微多普勒時頻圖，即圖2所示。

表1　仿真實驗主要參數(shù)

圖2　載機不同擾動角頻率旋轉目標微多普勒回波時頻圖

由于所設載機擾動幅值相較于目標旋轉半徑較小，當載機擾動角頻率與目標旋轉角頻率相近時，由圖2（a）可見，此時載機擾動對旋轉目標的微多普勒信號影響較小，其微多普勒曲線形狀與余弦函數(shù)相近。但隨著載機擾動角頻率增加，由圖2（b）可見，旋轉目標微多普勒曲線受到的干擾加劇，微多普勒曲線出現(xiàn)了許多小的波峰與波谷。

圖3　載機不同擾動半徑旋轉目標微多普勒回波時頻圖

為驗證載機擾動幅值對旋轉目標微多普勒特性的影響?；緦嶒瀰?shù)同前，將載機擾動角頻率設為Ω=64 rad/s，分別得出載機擾動幅值為c=0.1m和c=0.6m時旋轉目標微多普勒時頻圖，即圖3。

由圖3（a）和圖3（b）可知，當載機擾動幅值增大至目標旋轉半徑時，擾動分量干擾加劇，以致旋轉目標微動特性被完全掩蓋。

圖4　旋轉目標微多普勒時頻圖與理論計算結果

通過比較旋轉目標微多普勒時頻圖和理論計算結果，驗證理論推導的正確性。為使實驗結果直觀易于比較，選取旋轉目標旋轉半徑r=0.6m，角頻率ω=24 rad/s，載機飛行擾動幅值c=0.6 m，角頻率Ω=24 rad/s。圖4（a）為旋轉目標微多普勒時頻圖。由于選取載機擾動參數(shù)與旋轉目標旋轉運動參數(shù)一致，根據(jù)式（16）及三角函數(shù)相關知識可知，其圖像由兩個分量余弦函數(shù)幅值相加，角頻率不變。由圖中可見，其微多普勒信號按余弦規(guī)律變化，與前面分析相吻合。還可看出，其微多普勒信號的最大多普勒平移約為400 Hz，旋轉周期約為0.25 s（即ω=25 rad/s）。圖4（b）為根據(jù)式（16）計算所得載機擾動下旋轉目標微多普勒時頻圖。對比圖4（a）與圖4（b）可知，載機擾動下經(jīng)雙通道DPCA處理后，旋轉目標微多普勒時頻圖與理論計算所得結果一致，從而驗證理論推導的正確性。

4　結論

本文通過構建雙通道SAR/GMTI載機平臺與旋轉散射點模型，經(jīng)理論推導，最后通過仿真實驗，得出如下結論：

（1）在SAR/GMTI系統(tǒng)下，雙通道回波信號經(jīng)DPCA處理后，旋轉目標回波微多普勒信號會由載機縱向擾動而增加一附加項。該附加項與載機擾動幅值、角頻率、運動形式相關。

（2）載機擾動對目標微動特性影響程度，不僅與載機擾動幅值和角頻率相關，還與旋轉目標自身微動參數(shù)相對大小有關。當載機劇烈起伏或旋轉目標運動，旋轉目標微多普勒信號將被掩蓋。

［1］CHEN V C，LI F，HO S S，et al.Micro-Doppler effect in radar：phenomenon，model，and simulation study［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System，2006，42（1）：2-21.

［2］KIM Y，LING H.Human activity classification based onmicro-Doppler signatures using a support vector machine［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2009，47（5）：1328-1337.

［3］RAM SS，CHRISTIANSONC，KIM Y，etal.Simulation andanalysis of human micro-Dopplers in through-wall environments［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2010，48（4）：2015-2023.

［4］李彥兵，杜蘭，劉宏偉，等.基于微多普勒效應和多級小波分解的輪式履帶式車輛分類研究［J］.電子與信息學報，2013，35（4）：896-900.

［5］張佳佳，周芳，孫光才，等.基于機載前向陣雷達的三通道SAR-GMT技術研究［J］.電子與信息學報，2012，34（2）：344-350.

［6］張偉，童創(chuàng)明，張群，等.基于DPCA雜波抑制的地面振動目標微多普勒提?。跩］.系統(tǒng)工程與電子技術，2011，33（4）：738-741.

［7］楊賢林，沈汀.機載雙通道SAR/GMTI數(shù)據(jù)域DPCA算法研究［J］.現(xiàn)代雷達，2006，28（4）：29-33.

［8］韋北余，朱岱寅，吳迪.基于雜波對消-自聚焦的多通道SAR-GMTI［J］.航空學報，2015，36（5）：1585-1595.

［9］張偉，童創(chuàng)明，張群，等.基于時頻分析的雙通道SAR自旋目標檢測［J］.航空學報，2011，32（10）：1914-1923.

［10］康雪艷，楊汝良.多通道SAR雜波抑制技術研究［J］.遙感技術與應用，2005，20（1）：206-210.

M icro-Doppler Analysisof a Rotating Target in SAR/GMTI w ith Aircraft Disturbance

GENG Zhi-gao，CHENHua-jie，LIN Ping
（Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense Communication Information Transmission and Fusion Technology，Hangzhou Dian ziUniversity，Hangzhou 310018，China）

The micro-Doppler modulation induced by micro-mechanical structures is stable and unique，which can reflect the unique feature of the target.According to SAR/GMTIsystem adopting the Displaced Phase Center Antenna（DPCA）method，the rotating target of themicro-Doppler feature with aircraft disturbance is researched on.Constructing themodel of the aircraft and target，themodel of the rotating target is derived，the aircraft disturbance’s influence on the rotating target’s micro-Doppler feature is analyzed.At last，the correctness of the analysis are proved by simulation results.

SAR/GMTI，displaced phase centerantenna，aircraftdisturbance，micro-Doppler

TN957

A

1002-0640（2016）09-0046-04

2015-07-13

2015-08-12

“十二五”國防預研基金資助項目

耿志高（1988-），男，河北唐山人，碩士研究生。研究方向：SAR雷達目標識別。