CN107976676B - 一种机载合成孔径雷达动目标成像方法 - Google Patents

一种机载合成孔径雷达动目标成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，应用于雷达技术领域，通过将脉冲压缩后的信号分成两个通道，一个通道的信号利用二阶Keystone变换校正了运动目标回波的二阶徙动量；另一个通道的信号通过构造出反二阶Keystone变换同样可以对运动目标回波的二阶徙动量进行校正，然后通过乘法器将两个处理后信号相乘，即可校正一阶徙动量，最终经过方位向匹配滤波可得到较好成像结果；本发明的方法可以同时解决对运动目标回波轨迹的一阶、二阶徙动量校正的问题，实现良好的动目标成像效果；与现有的动目标成像算法相比，步骤更加直接简洁，操作更简单，可以校正一阶和二阶徙动量。

Description

一种机载合成孔径雷达动目标成像方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种机载合成孔径雷达对地面动目标成像技术。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)地面运动目标成像技术在当今各个领域得到广泛应用。然而，由于地面运动目标的复杂的运动，SAR接收到的动目标回波通常包含较高的一阶徙动量和二阶徙动量，对最终的成像结果有较大影响。为了获得良好的成像结果，需要先对运动目标回波进行徙动校正，然后再进行聚焦成像。
动目标一阶徙动量校正通常采用Keystone变换，在文献：“Perry R P,Dipietro RC,Fante R.SAR imaging of moving targets[J].IEEE Transactions on Aerospace&Electronic Systems,1999,35(1):188-200”中，提出了Keystone变换。Keystone变换具有在运动信息未知的情况下进行一阶徙动校正的特性。然后当运动目标的径向速度存在加速度时，徙动轨迹的二阶项无法被忽略，但是Keystone变换并不能直接将回波轨迹的二阶徙动量进行去除。
在文献：“Yang J,Zhang Y.An Airborne SAR Moving Target Imaging andMotion Parameters Estimation Algorithm With Azimuth-Dechirping and theSecond-Order Keystone Transform Applied[J].IEEE Journal of Selected Topics inApplied Earth Observations&Remote Sensing,2015,8(8):3967-3976.”中，提出了二阶Keystone变换和Radon变换对徙动轨迹的一阶和二阶徙动量进行校正，但是Radon变换需要复杂的搜索参数过程，使得运算量大大增加。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，利用对称二阶Keystone方法对运动目标回波轨迹进行校正并成像。
本发明采用的技术方案为：一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，包括：
S1、构建机载单基地正侧视SAR空间几何结构；
S2、根据步骤S1构建的几何结构获取下变频后的地面运动目标回波；
S3、将地面运动目标回波进行距离向匹配滤波；
S4、将匹配滤波后的信号分成两个通道，对其中一个通道的信号回波进行二阶Keystone变换；对另一个通道的信号回波进行反二阶Keystone变换；
S5、将经二阶Keystone变换处理的信号和经反二阶Keystone变换处理的信号通过乘法器；
S6、对步骤S5得到的信号，通过M-WVD方法估计出多普勒调频率，并利用估计出的多普勒调频率构造频域方位向匹配滤波器；
S7、在方位频率域进行匹配滤波，并将方位频域通过反傅里叶变换转换为方位时域，得到最终的成像结果。
进一步地，步骤S2所述地面运动目标回波表达式为：
Figure BDA0001480292250000021
其中，rect(·)为距离向和方位向矩形窗，Ts为合成孔径时间，τ为距离向的时间变量，Δτ为线性调频信号的时延，Tτ为发射信号时宽，
Figure BDA0001480292250000022
为虚数单位，kτ为距离向调频率，fc为载波频率。
更进一步地，所述Δτ＝2RM(t)/c；且RM(t)为地面运动目标到飞行平台的瞬时距离历史，计算式为：
Figure BDA0001480292250000023
其中，t为方位向的时间变量，c为光速，X0为地面运动目标的X轴坐标，H0为SAR飞行平台的Z轴坐标，V为飞行平台的飞行速度，Vy为地面运动目标的方位向速度，Vx地为面运动目标的距离向速度。
进一步地，步骤S3滤波后的回波信号相位
Figure BDA0001480292250000025
为：
Figure BDA0001480292250000024
其中，c为光速，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，θ为SAR天线入射角，V为飞行平台的飞行速度，Vy为地面运动目标的方位向速度，Vx地为面运动目标的距离向速度，R0为飞行平台到运动目标的最短斜距。
进一步地，步骤S4所述对其中一个通道的信号回波进行二阶Keystone变换，二阶Keystone变换公式为：
Figure BDA0001480292250000031
其中，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，tm为新的方位向时间变量。
更进一步地，该通道回波在经过二阶Keystone变换后，对方位时间tm进行二阶泰勒展开，得到的信号相位
Figure BDA0001480292250000032
可表示为：
Figure BDA0001480292250000033
其中，c为光速，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，θ为SAR天线入射角，V为飞行平台的飞行速度，Vy为地面运动目标的方位向速度，Vx地为面运动目标的距离向速度，R0为飞行平台到运动目标的最短斜距。
进一步地，步骤S4所述对另一个通道的信号回波进行反二阶Keystone变换，反二阶Keystone变换公式为：
Figure BDA0001480292250000034
其中，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，tm为新的方位向时间变量。
更进一步地，该通道回波在经过反二阶Keystone变换后，对方位时间tm进行二阶泰勒展开，得到的相位
Figure BDA0001480292250000035
可表示为：
Figure BDA0001480292250000036
其中，c为光速，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，θ为SAR天线入射角，V为飞行平台的飞行速度，Vy为地面运动目标的方位向速度，Vx地为面运动目标的距离向速度，R0为飞行平台到运动目标的最短斜距。
进一步地，经步骤S5处理后的回波信号相位
Figure BDA0001480292250000041
为：
Figure BDA0001480292250000042
其中，c为光速，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，θ为SAR天线入射角，V为飞行平台的飞行速度，Vy为地面运动目标的方位向速度，Vx地为面运动目标的距离向速度，R0为飞行平台到运动目标的最短斜距。
进一步地，步骤S6所述频域方位向匹配滤波器表达式为：
Figure BDA0001480292250000043
其中，Ka为通过M-WVD方法估计出多普勒调频率，
Figure BDA0001480292250000044
表示方位向频率。
本发明的有益效果：一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，通过将脉冲压缩后的信号分成两个通道，一个通道的信号利用二阶Keystone变换校正了运动目标回波的二阶徙动量；另一个通道的信号通过构造出反二阶Keystone变换同样可以对运动目标回波的二阶徙动量进行校正，然后通过乘法器将两个处理后信号相乘，即可校正一阶徙动量，最终经过方位向匹配滤波可得到较好成像结果；本发明的方法可以同时解决对运动目标回波轨迹的一阶、二阶徙动量校正的问题，实现良好的动目标成像效果；与现有的动目标成像算法相比，步骤更加直接简洁，操作更简单，可以校正一阶和二阶徙动量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的流程框图。
图2是本发明实施例提供的机载SAR和地面运动目标空间几何结构。
图3是本发明实施例提供的经距离匹配滤波后回波信号。
图4是本发明实施例提供的经二阶Keystone变换处理后的回波信号。
图5是本发明实施例提供的经反二阶Keystone变换处理后的回波信号。
图6是本发明实施例提供的经对称二阶Keystone变换处理后的回波信号。
图7是本发明实施例提供的经方位匹配滤波后的最终成像结果。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示为本发明的方案流程图；本发明的技术方案为：一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，包括：
S1、构建机载单基地正侧视SAR空间几何结构；
S2、根据步骤S1构建的几何结构获取下变频后的地面运动目标回波；
S3、将地面运动目标回波进行距离向匹配滤波；
S4、将匹配滤波后的信号分成两个通道，对其中一个通道的信号回波进行二阶Keystone变换；对另一个通道的信号回波进行反二阶Keystone变换；
S5、将经二阶Keystone变换处理的信号和经反二阶Keystone变换处理的信号通过乘法器；
S6、对步骤S5得到的信号，通过M-WVD方法估计出多普勒调频率，并利用估计出的多普勒调频率构造频域方位向匹配滤波器；
S7、在方位频率域进行匹配滤波，并将方位频域通过反傅里叶变换转换为方位时域，得到最终的成像结果。
下面根据具体的参数对本发明内容进行详细阐述：
S1、构建机载单基地正侧视SAR空间几何结构，如图2所示。
在直角坐标系中，设SAR飞行平台的位置坐标(0,0,H0)为(0m,0m,2000m)；地面运动目标初始位置(X0,0,0)记为(500m,0m,0m)；飞行平台的飞行速度V为150m/s，地面运动目标的方位向速度Vy为10m/s，地面运动目标的距离向速度Vx为17m/s，飞行平台到运动目标的最短斜距R0为2061m。仿真参数如表1所示；
表1 仿真参数
参数 符号 数值
飞行平台位置坐标 (0,0,H<sub>0</sub>) 0m,0m,2000m
运动目标位置坐标 (X<sub>0</sub>,0,0) 500m,0m,0m
飞行平台飞行速度 V 150m/s
运动目标方位向速度 V<sub>y</sub> 10m/s
运动目标距离向速度 V<sub>x</sub> 17m/s
脉冲重复频率 PRF 1500Hz
发射信号时宽 T<sub>r</sub> 3μs
发射信号带宽 B<sub>r</sub> 200MHz
载波频率 f<sub>c</sub> 3GHz
地面运动目标到飞行平台的瞬时距离历史RM(t)，可表示为：
Figure BDA0001480292250000061
S2、获取下变频后的地面运动目标回波S(τ,t)，具体公式为：
Figure BDA0001480292250000062
S3、将地面运动目标回波进行距离向匹配滤波，滤波后回波信号相位
Figure BDA0001480292250000063
可表示为：
Figure BDA0001480292250000064
S4、将匹配滤波后的信号分成两个通道，对其中一个通道的信号回波进行二阶Keystone变换，二阶Keystone变换公式为：
Figure BDA0001480292250000065
信号回波在经过二阶Keystone变换后，对方位时间tm进行二阶泰勒展开，得到的信号相位
Figure BDA0001480292250000071
可表示为：
Figure BDA0001480292250000072
对另一个通道的信号回波进行反二阶Keystone变换，反二阶Keystone变换公式为：
Figure BDA0001480292250000073
信号回波在经过反二阶Keystone变换后，对方位时间tm进行二阶泰勒展开，得到的相位
Figure BDA0001480292250000074
可表示为：
Figure BDA0001480292250000075
S5、将经二阶Keystone变换处理的信号和经反二阶Keystone变换处理的信号通过乘法器；处理后的信号可表示为：
Figure BDA0001480292250000076
S6、通过M-WVD方法估计出多普勒调频率Ka，并利用估计出的多普勒调频率构造频域方位向匹配滤波器
Figure BDA0001480292250000077
Figure BDA0001480292250000078
其中，
Figure BDA0001480292250000079
表示方位向频率。
S7、在方位频率域进行匹配滤波，并将方位频域通过反傅里叶变换转换为方位时域，得到最终的成像结果
Figure BDA0001480292250000081
经过上述步骤处理，即可完成机载SAR对运动目标回波徙动校正，脉冲压缩后的信号如图3所示，可以看出运动目标回波轨迹是一条弯曲并倾斜的曲线。经过二阶Keystone变换处理后的信号如图4所示，徙动轨迹变成了一条倾斜直线，二阶弯曲徙动量被去除。同样，经过反二阶可以去除二阶徙动量，如图5所示。如图6所示将两个信号用乘法器相乘可以实现对距离走动的校正。图7是最终的成像结果，可以看出基于对称二阶Keystone变换的动目标成像方法能够实现对动目标高分辨成像；图3到图6中的Azimuth bin表示方位向，Rangebin表示距离向。
综上，本发明的方法可以同时解决对运动目标回波轨迹的一阶、二阶徙动量校正的问题，实现良好的动目标成像效果；与现有的动目标成像算法相比，步骤更加直接简洁，操作更简单，可以校正一阶和二阶徙动量。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，包括：
S1、构建机载单基地正侧视SAR空间几何结构；
S2、根据步骤S1构建的几何结构获取下变频后的地面运动目标回波；
S3、将地面运动目标回波进行距离向匹配滤波；
S4、将匹配滤波后的信号分成两个通道，对其中一个通道的信号回波进行二阶Keystone变换；对另一个通道的信号回波进行反二阶Keystone变换；
S5、将经二阶Keystone变换处理的信号和经反二阶Keystone变换处理的信号通过乘法器相乘；
S6、对步骤S5得到的信号，通过M-WVD方法估计出多普勒调频率，并利用估计出的多普勒调频率构造频域方位向匹配滤波器；
S7、在方位频率域进行匹配滤波，并将方位频域通过反傅里叶变换转换为方位时域，得到最终的成像结果。
2.根据权利要求1所述的一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，步骤S2所述地面运动目标回波表达式为：
Figure FDA0002282128650000011
其中，rect(·)为距离向和方位向矩形窗，Ts为合成孔径时间，τ为距离向的时间变量，Δτ为线性调频信号的时延，Tτ为发射信号时宽，
Figure FDA0002282128650000012
为虚数单位，kτ为距离向调频率，fc为载波频率。
3.根据权利要求2所述的一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，所述Δτ＝2RM(t)/c；且RM(t)为地面运动目标到飞行平台的瞬时距离历史，计算式为：
Figure FDA0002282128650000013
其中，t为方位向的时间变量，c为光速，X0为地面运动目标的X轴坐标，H0为SAR飞行平台的Z轴坐标，V为飞行平台的飞行速度，Vy为地面运动目标的方位向速度，Vx地为面运动目标的距离向速度。
4.根据权利要求1所述的一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，步骤S3滤波后的回波信号相位
Figure FDA0002282128650000021
为：
Figure FDA0002282128650000022
其中，c为光速，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，θ为SAR天线入射角，V为飞行平台的飞行速度，Vy为地面运动目标的方位向速度，Vx地为面运动目标的距离向速度，R0为飞行平台到运动目标的最短斜距。
5.根据权利要求1所述的一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，步骤S4所述对其中一个通道的信号回波进行二阶Keystone变换，二阶Keystone变换公式为：
Figure FDA0002282128650000023
其中，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，tm为新的方位向时间变量。
6.根据权利要求5所述的一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，该通道回波在经过二阶Keystone变换后，对方位时间tm进行二阶泰勒展开，得到的信号相位
Figure FDA0002282128650000024
可表示为：
Figure FDA0002282128650000025
其中，c为光速，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，θ为SAR天线入射角，V为飞行平台的飞行速度，Vy为地面运动目标的方位向速度，Vx地为面运动目标的距离向速度，R0为飞行平台到运动目标的最短斜距。
7.根据权利要求1所述的一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，步骤S4所述对另一个通道的信号回波进行反二阶Keystone变换，反二阶Keystone变换公式为：
Figure FDA0002282128650000026
其中，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，tm为新的方位向时间变量。
8.根据权利要求7所述的一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，该通道回波在经过反二阶Keystone变换后，对方位时间tm进行二阶泰勒展开，得到的相位
Figure FDA0002282128650000031
可表示为：
Figure FDA0002282128650000032
其中，c为光速，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，θ为SAR天线入射角，V为飞行平台的飞行速度，Vy为地面运动目标的方位向速度，Vx地为面运动目标的距离向速度，R0为飞行平台到运动目标的最短斜距。
9.根据权利要求1所述的一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，经步骤S5处理后的回波信号相位
Figure FDA0002282128650000033
为：
Figure FDA0002282128650000034
其中，c为光速，fτ为距离频率变量，fc为载波频率，θ为SAR天线入射角，V为飞行平台的飞行速度，Vy为地面运动目标的方位向速度，Vx地为面运动目标的距离向速度，R0为飞行平台到运动目标的最短斜距。
10.根据权利要求1所述的一种机载合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，步骤S6所述频域方位向匹配滤波器表达式为：
Figure FDA0002282128650000035
其中，Ka为通过M-WVD方法估计出多普勒调频率，
Figure FDA0002282128650000036
表示方位向频率。
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"An Airborne SAR Moving Target Imaging and Motion Parameters Estimation Algorithm With Azimuth-Dechirping and the Second-Order Keystone Transform Applied";Yang J et al.;《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations & Remote Sensing》;20151231;第8卷(第8期);I136-131 *
"单/双通道低频SAR/GMTI技术研究";范崇祎;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20141015(第10期);第3967-3976页 *

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