1、一種基于散焦偏移差的全帶寬機載SAR 動目標檢測方法許睿鵬仇曉蘭胡東輝丁赤飚(中國科學院電子學研究所 北京 100190(中國科學院研究生院 北京 100190(中國科學院空間信息處理與應用系統技術重點實驗室 北京 100190摘 要：該文分析了斜視下的動目標特性，在深入研究目標偏移量與多普勒參數間相互關系的基礎上，提出了一種基于散焦偏移差的全帶寬單通道機載合成孔徑雷達動目標檢測方法，該方法利用動/靜目標存在多普勒中心頻率差時，調頻率偏差會引起動/靜目標產生不同偏移量的特點，分離動/靜目標。與傳統的單通道檢測方法相比，該方法具有更強的動目標檢測能力、不受斜視角限制的特點。 關鍵詞：合成孔徑雷達

2、；動目標檢測；散焦；偏移差An Airborne Single-channel SAR-GMTI MethodBased on Defocusing Shifted DifferenceXu Rui-pengQiu Xiao-lanHu Dong-huiDing Chi-biao(Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China (Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, ChinaChinese

3、Academy of Sciences, Beijing 100190, China (Key Laboratory of Spatial Information Processing and Application System Technology,Abstract : This paper analyzes the character of moving targets, studies deeply the relationship of Doppler parameters and target shift. A single-channel SAR-GMTI method base

4、d on target defocusing shifted difference is proposed. This method employs the character to separate moving targets from stationary. The character is that the azimuth mismatch filter performs compression, it induces shifted difference between the stationary and moving targets because of having diffe

5、rent Doppler center. Compare with traditional methods, it is applicable to low and high squint case and the detection ability is significantly improved.Key words: Synthetic Aperture Radar (SAR; Moving target detection; Defocusing; Shifted difference1 引言合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR 是一種全天時、全天候

6、的高分辨率微波成像雷達。它常用于對地面靜止場景成像，但根據軍事偵查與戰場指揮的需要，獲取場景中的運動目標具有重要的軍事意義。因此，合成孔徑雷達(SAR動目標檢測已成為SAR 信號處理領域的一個重要發展方向。在SAR 動目標檢測領域，目前主要包括單通道檢測和多通道檢測兩大類方法。多通道檢測方法主要包括相位中心偏置天線(DPCA1,2技術，沿軌干涉(ATI35技術以及空時自適應處理(STAP6,72009-11-02收到，2010-04-14 改回技術等。與單通道動目標檢測方法相比，這些方法可檢測速度范圍大，雜波抑制能力強，但系統復雜度高，計算量較大。因此，如何挖掘單通道動目標檢測方法的潛力，提高

7、檢測能力，仍是一個值得研究的問題。對于單通道檢測方法來說，通常采取子視分解法810和頻域濾波法11,12。子視分解法是利用子視間，靜止目標和動目標偏移量不同的特點進行動目標檢測，但由于每個子視只采用了部分帶寬，其信雜比較低；頻域濾波法是利用運動目標多普勒偏移的特性進行運動目標檢測，它無法檢測雜波頻譜區內的運動目標，故可檢測速度范圍小。這些缺陷給兩種算法的應用帶來了一定的局限性。本文提出了一種基于散焦偏移差的全帶寬單通道機載合成孔徑雷達動目標檢測方法，該方法利用動/靜目標存在多普勒中心頻率差時，調頻率偏差會第10期 許睿鵬等：一種基于散焦偏移差的全帶寬機載SAR 動目標檢測方法 2337引起動/

8、靜目標產生不同偏移量的特點，達到對消靜止目標、保留動目標，進而完成動目標檢測的目的。與傳統的單通道檢測方法相比，本方法在實現雜波對消的同時，利用動目標信號的全部帶寬進行處理，可在對消后很好地保留動目標信號，故信雜比高、動目標檢測能力相對更強。此外，該方法不受斜視角的限制，在正側視及斜側視時均可進行動目標檢測，應用范圍較廣。2 散焦偏移差檢測動目標的原理和方法2.1 斜視下的運動目標信號分析圖1給出機載斜視SAR 和一個動目標的幾何關系圖。載機飛行速度為v a ，在t =0時刻，載機坐標為(0,0,h ，地面運動目標P 位于(x 0, y 0,0 ，定義0 P 點到載機飛行 R 0，到載機的斜距

9、為R rd v x和a v x r = 和a r =。圖1回波幾何模型在t 時刻，多普勒中心頻率和調頻率分別為f 2sin Zc =(v v 2v a x r (1 K 2v 222Za =x 2v r 4v a v x 2a r 2v R R +ard rd 2R rd R rd4v a v x 2a 2vR r a (2rd R rd其中為斜視角。在現有文獻中2,9，通常不考慮距離和方位向加速度帶來的影響，并且其信號模型常建立在正側視的前提下(=0，在此模型下可以將方位向和距離向速度對中心頻率和調頻率的影響分離(見式(2和式(3，便于對動目標進行參數估計。但在實際中，飛機在錄取數據時常受到

10、氣流等諸多因素的影響，通常并非嚴格意義上的正側視，故常不為0。因此分析斜視下的動目標信號模型，并研究相應的檢測方法是具有實際意義的。若不考慮距離和方位向加速度帶來的影響(a r =0, a x =0 ，則動目標中心頻率和調頻率可寫為f 2sin 2v Tc =(v a v x r (34v 2K Ta a v x 2v a R (4 rd R rd 其中靜止目標的中心頻率和調頻率分別表示為f =2v /和K 2Jc a sin Ja =2v a /(R rd ，動/靜目標的中心頻率和調頻率偏差分別為：f a =(2v x sin / (2v r / 和K a =4v a v x /(R rd

11、。由式(3可知，當載機斜視角不為零時，目標的距離向速度會引起多普勒中心頻率偏差，方位向速度不但會導致動/靜目標之間存在多普勒調頻率偏差，還會引入中心頻率偏差。2.2 基于散焦偏移差的動目標檢測方法設靜止目標J 和動目標T 在t =0時刻均處于方位天線波束的中心，且靜止目標的多普勒中心頻率為f Jc ，方位向調頻率為K Ja ，動目標的中心頻率為f Tc ，方位向調頻率為K Ta ，則靜/動目標的零多普勒時刻分別為t Jc =f Jc /K Ja 和t Tc =f Tc /K Ta 。靜/動目標的方位回波信號可分別寫為13S Ja (f =rect f +K Ja t Jc K exp j f

12、2j 2ft Jc Ja T K Ja S f +K t 2 Ta (f =rect Ta Tc K exp j f j 2ft Tc Ta T K Ta (5 方位向匹配濾波器為H (f =rect f +K 2Ja t Jc f K exp j (6 Ja T K Ja 經方位匹配濾波后，靜/動目標相位分別為=j 2ft t 2J Jc +j 2K Ja Jc (7(K 22K T =j a t Tc +2K Ta t Tc +j a j 2f K f 2K Taa t Tc +f Tc K Ta (8 其中K a =K Ta K Ja 。式(7中的第1項表征靜止目標位置的線性相位，該目標

13、被壓縮至t =t Jc 處。式(8中的第3項表征運動目標位置的線性相位，該目標被壓縮至t =t Tc +(K a /K Ta t Tc 處。可見，目標運動產生的調頻率偏差K a 除了引起目標散焦外，還導致目標位置額外的偏移，偏移量為t =K a K t K Tc =a f Tc (9Ta K Ta2338 電 子 與 信 息 學 報 第32卷其與調頻率偏差及中心頻率成正比，與調頻率的平方成反比。由上述現象同理可知，若在方位匹配濾波器中人為加入調頻率偏差，可使目標成像后的位置發生偏移，且由于動/靜目標中心頻率、調頻率不同，相同的調頻率偏差將引入不同的偏移量。若采用調頻率偏差分別為K ±

14、(K =K +=K 的濾波器進行方位壓縮，兩幅圖像中的靜止目標散焦程度相同，偏移量已知，可通過圖像平移和插值完成對消。動目標因其偏移量與靜止目標不同而無法完全對消，故該目標將得以保留。本文方法正是基于這一原理。下面通過公式推導，給出動/靜目標偏移量的計算公式，并進一步說明上述原理。若采用調頻率偏差分別為K ±的方位濾波器進行成像，靜/動目標在兩幅圖像中的位置分別為t t K +=Jc +K t Jc Ja t K (10t =Jc +K t Jc Ja t ' K +=t +K a Tc +K t Tc Ta t ' t K (11=Tc +K aK t Tc Ta

15、它們在兩幅圖像中的偏移量分別為D =t K +K +t =K t 2Kf J Jc =Jc(12 Ja K Ja D =t ' t ' (K +K 2Kf T +=K t Tc =Tc(13 Ta K Ta 由式(12和式(13可知，動/靜目標在兩幅圖像中的偏移量不同，偏移差為D =2|K |f Jc f TcK (14 Ja K Ta當以靜止目標偏移量為標準進行圖像平移后，動目標在兩幅圖像中仍存在大小為D 的殘余偏差，當靜止目標對消后，運動目標由于存在偏移差而被保留。根據上述原理，圖2給出了基于散焦偏移差的動目標檢測算法流程圖。首先，對SAR 回波數據做距離壓縮、距離徙動校正

16、，接著采用調頻率偏差分別為K ±的濾波器進行方位壓縮，成像后以一幅圖像為基準，對另一幅圖像進行插值和平移，再將兩幅圖像進行非相干對消，這樣將有效地抑制雜波，提高數據的信雜比，最后利用恒虛警檢測(CFAR檢測動目標。通過本節分析可知，本方法對全帶寬進行處理，在對消靜止目標的同時，動目標信號的能量可以更 圖2 算法的流程圖好地保留。子視分解法只利用動目標的部分帶寬進行處理，故在消除靜止目標的同時，其能量也下降了。因此，本算法的檢測能力應高于子視分解法。3 參數性能分析在本節中，將從偏移差的影響因素、最小可檢測速度和誤差影響三方面對算法進行分析和論證。本文方法主要利用動/靜止目標的偏移差進

17、行動目標檢測。將它們的中心頻率和調頻率代入式(15可得D =K R 2rd (v a v x sin v r sin 1v (v >D >l a a 2v x v a PRF (15其中l 表示散焦長度。(1偏移差分析 由式(15可知，D 中第1項與系統參數相關；第2項與斜視角和動目標運動速度相關。下面以典型系統參數(載頻f =5.3 GHz，平臺速度v a =150 m/s，中心斜距R 0=20 km，調頻率偏差K =±0.5 Hz/s為例，對式(15中的各參數給偏移差帶來的影響進行分析。圖3為在調頻率偏差、斜距、波長已知的情況下，偏移差隨距離向速度、方位向速度、斜視角

18、變化的曲線圖。由圖3(a可知，在小斜視角(<5° 下，偏移差與sin 成正比(見式(15，故偏移差隨斜視角近似線性增大。由圖3(b可知，當距離向速度大于0時，偏移差會隨斜視角增大先減小后遞增，并當斜視角=arcsinv rv (3v (由式(16推導 x a 4v x 得 時，偏移差等于零。由上一節分析可知，偏移差(D 決定了動目標檢測性能。但不能認為偏移差可以無限增大，這是因為動目標本身的散焦影響會對偏移差的選取產生限制。其原因有兩點(1偏移差是隨調頻率偏差增大而變大的，但調頻率偏差的增大還會導致動目標散焦，能量下降；(2若動目標的散焦長度超過了偏移差，對消會進一步減小其能量

19、。由式(15可知，在系統狀態確定的情況下，調頻率偏差K ±是影響偏移差和散焦長度的決定性因素。因此，在實際中對調頻率偏差的選取需要權衡散焦長度和偏移差。 第10期 許睿鵬等：一種基于散焦偏移差的全帶寬機載SAR 動目標檢測方法 2339(a距離向速度為0 m/s, (b方位向速度為5 m/s, 不同斜視角，不同方位 不同斜視角，不同距離 向速度的偏移差曲線 向速度1 的偏移差曲線 圖3 偏移差隨距離向速度、方位向速度和斜視角的變化曲線圖為了說明在不同的調頻率偏差下，信雜比受到偏移差和散焦長度的影響，下面進行仿真如圖4。仿真參數：載頻f =5.3 GHz，平臺速度v a =95 m/s

20、，中心斜距R 0=20 km，調頻率偏差K =±0.5 Hz/s，目標的距離向速度1 m/s，方位向速度1 m/s。圖4中調頻率偏差K 是從0.1 Hz/s到3 Hz/s變化的。由式(15可知，目標的偏移差與調頻率偏差成正比。在調頻率偏差小于0.4 Hz/s時(區域1 ，調頻率偏差對偏移差的影響大于對散焦長度的影響，故對消后的信雜比是隨調頻率偏差的增大逐漸變大的。然而當調頻率偏差大于0.4 Hz/s以后(區域2 ，調頻率偏差對散焦長度的影響超過了對偏移差的影響，這使動目標信號大部分被對消，信雜比驟然下降，影響其檢測性能。因此，在實際系統中，需要針對不同的系統參數，選擇恰當的調頻率偏差

21、K 。(2最低可檢測速度(MDV 由式(4，式(5和式(15可知，當飛機正側視工作(即f Jc =0時，僅具有方位速度的目標無法引起中心頻率偏差(即f Tc =0，此時D 0。這時目標只存在像素內的幅度差，它易受雜波和噪聲影響，難以檢測。當飛機斜視工作時，具有方位向速度或距離向速度(或兩者兼有 的目標導致偏移差不為零，易于檢測。由式(15得到其最低可檢測速度為 (v a v x sin v 2r sin v a (v 2v >(16 a x v a K R rd PRF 根據式(16可知，最低可檢測速度與調頻率偏差、斜距、波長和斜視角有關。圖5為通過仿真得到1在本文中，目標延視線方向遠離

22、飛行軌跡的距離向速度為正，靠近飛行軌跡的距離向為負可檢測門限隨斜視角的變化曲線。由圖5可知，當斜視角為0°時，僅有方位向速度的目標因其只存在幅度差而難以被檢測。隨著斜視角的增大，方位向最低可檢測速度的下限不斷降低，因為斜視角越大，相同方位速度引起的中心頻率偏差越大(見式(4。可知，本方法不僅可以用于斜視情況下，而且隨著斜視角的增大，最小可檢測速度范圍也將進一步擴大。(3系統調頻率誤差的影響 在本文方法中，雜波對消的基礎是建立在調頻率偏差K ±所成的兩幅圖像中靜止目標具有相同散焦特性之上的。但實際使用的多普勒調頻率總會存在誤差，此時將引起靜止目標對消不完全，導致信雜比的下降。

23、圖6給出了信雜比與系統調頻率誤差的關系曲線。由圖6可知，就總體趨勢而言，系統調頻率誤差越大，信雜比越低。然而對于一般的SAR 成像系統來說，調頻率誤差通常小于1，這時，信雜比最低下降至21.1 dB(見圖6虛線 ，運動目標仍可被檢測，故本文方法具有很好的魯棒性。4 仿真實驗為了驗證本文方法的有效性，運用其對仿真數據進行動目標檢測。仿真參數如下：載頻f =5.3GHz ，平臺速度v a =150 m/s，中心斜距R 0=20 km，調頻率偏差K =±0.5 Hz/s，斜視角=0.5°，為使仿真更具真實性，采用公路場景的實際SAR 圖像作為背景，在公路上添加了4個運動速度不同的

24、目標，目標能量峰值為0.2，噪聲服從高斯分布，動目標參數見表1。表1 運動目標參數目標1 目標2目標3目標4 原始位置 500,376460,440 540,335520,394距離向速度(m/s-1 1.5 2 0方位向速度(m/s 2 3 0 2在圖7(a中，方框表示了動目標的原始位置，它們均位于公路上。而圓圈則表示由運動而導致的實際成像位置。圖7(b為CFAR 檢測結果，由圖可見，本文方法可檢測到3個目標，目標4無法檢測。這是因為目標4與靜止目標的偏移差小于1個像素(由式(15計算可得 ，動/靜無法有效的分離，故在靜止目標對消的同時，該目標也被對消了。圖8為目標2所在距離門對消前后的結果

25、。由圖8(a可見，目標2完全被雜波所淹沒，根本無法檢測。經雜波對消后，目標2的信雜比得到了大幅2340 電 子 與 信 息 學 報 第32卷 圖4信雜比隨偏移差變化曲線 圖5 最低可檢測速度門限 圖6調頻率誤差與信雜比的關系 圖7 動目標檢測結果 圖8 距離門對消前后目標2的檢測結果 圖9 對消前后信雜比差提高，可準確的檢測到目標(見圖8(b。下面對本文方法的檢測性能進行進一步仿真試驗。由于方法的檢測性能直接受到對消后的信雜比影響，下文將在典型距離向和方位向速度條件下，對本文方法和子視分解法(兩視 進行仿真，仿真參得到雜波對數同上，動目標方位向速度v x =1 m/s。消前后信雜比增強曲線圖。

26、由圖9可見，當距離向速度為1-1.4 m/s的時候，子視分解法與本文方法得到的結果相近，這是由于目標距離向速度的變化，使得頻譜移動，在子視處理的時候，動目標信號幾乎集中在其中的一視中，正是利用能量分布的不均勻性，信雜比才可在對消后大幅提高，與本文方法接近。但從總體上看，在不同速度的情況下，利用本文的散焦偏移差法所得到的曲線在對消前后信雜比差均高于子視分解法。這表明本文方法在對消后，更好的保留動目標信號，故其具有更強的檢測能力。5 結束語本文提出了一種基于散焦偏移差的全帶寬單通道機載運動目標檢測的方法。該方法是依據在散焦 情況下運動目標和靜止目標的偏移不相同，將兩幅圖像進行配準并對消靜止目標保留

27、運動目標，進而檢測運動目標。本文給出了算法性能的詳細分析，并通過仿真實驗驗證了本算法的有效性和優越性。參 考 文 獻1Wang H S C. Mainlobe clutter cancellation by DPCA for space-based radarsC. IEEE Aerospace Applications第 10 期 許睿鵬等： 一種基于散焦偏移差的全帶寬機載 SAR 動目標檢測方法 2341 Conference Digest, Crested Butte, Colorad, USA, February 3-8, 1991: 1-10. 2 鄭明潔, 楊汝良. 一種改進的 D

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