一種ＳＡＲ—ＧＭＴＩ雜波抑制的新方法

摘 要：通過增加天線、接收通道等，能使SAR在成像的同時完成運動目標檢測，并將其重新定位在SAR圖像上(SAR—GMTI)。作為對SAR功能的一個增強，SAR—GMTI在許多領域特別是在民用交通流量調查方面具有很好的應用價值。利用實測數據對沿航向干涉(ATI)方法進行研究，對M.Soumekh提出的信號子空間方法進行改進，提出了一種在多點消一點之前先進行相位補償的雜波抑制方法，并給出實測數據的處理結果和分析，對SAR—GMTI的信號處理器設計具有一定的參考價值。

關鍵詞：SAR—GMTI；雜波抑制；相位補償；多點消一點

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0300103

A New Method of Clutter Suppression for SAR—GMTI

ZHONG Suhong，BAI Hailong，WANG Tong

(National Key Lab of Radar Signal Processing，Xidian University，Xi′an，710071，China)

Abstract：By adding more antenna and receiving channels，we can detect and locate the ground moving targets in SAR image (SAR—GMTI).As a new function of SAR，SAR—GMTI is very useful in many fields，especially in traffic monitor.Using the raw data to make a further research on along track interference and improve the subspace method proposed by M.Soumekh by compensating the phase error before clutter suppression.The result and analysis are presented in the paper，which is helpful to the design of SAR—GMTI signal processor.

Keywords：SAR—GMTI;clutter suppression;phase compensation;multi—point minus one—point

1 引言

合成孔徑雷達作為一種全天時、全天候的有源主動式微波成像系統，以其優越的二維高分辨特性，在國防、地質、國土資源探測等領域得到了廣泛的應用。SAR—GMTI作為SAR的一種功能增強，能在成像的同時進行地面運動目標檢測，擴展了SAR成像的應用范圍，因此成為雷達成像信號處理領域的研究熱點之一。

SAR—GMTI中運動目標的方位向速度及徑向加速度會使動目標發生散焦，而徑向速度則會使動目標在多普勒域發生平移，表現在SAR圖像里就是動目標在方位向的偏移。由此可見，動目標是以模糊目標的形式疊加在SAR圖像上，所以要實現SAR運動目標檢測，就必須先進行靜止雜波抑制，也就是靜止景物圖像的抑制。文獻\\[2\\]提出了一種對相位補償后的三路信號兩兩進行相減的方法來消除雜波，但是此方法會使靜止雜波存在很大的剩余量，加上系統噪聲的影響，將使得動目標的干涉相位估計精度得不到保證，從而造成動目標的速度估計誤差和定位錯誤。J.R.Fienup提出了一種以一小塊數據聚焦前后的銳化比作為門限來檢測動目標的方法，但是此種方法的運算量很大，難以滿足實時處理的要求，而且在信雜噪比不夠高的時候不再適用。文獻\\[4\\]提出了一種對三路數據進行多普勒中心補償成像，以此來提高復圖像之間的相關性的方法，但此方法在雜波對消上只有有限的效果。為了克服現有方法的種種缺點，更好地抑制雜波，本文提出了一種在上述基礎上先進行復圖像配準和相位補償，然后利用多點消一點的方法進行雜波相消的同時補償天線方向圖誤差。全文詳述了此方法的理論來源，給出了基于實測數據的仿真結果并進行了簡要分析。

2 SAR—GMTI

動目標檢測從相干積累時間可以分為短時間的PD模式和長時間的SAR模式，而SAR模式GMTI相對于PD模式GMTI方法來說，他可以很好地提高動目標的信噪比，特別是低速目標會有較大的增益，在濾除雜波后可以很容易地檢測出地面運動目標，具有很好的應用前景。目前SAR模式GMTI方法有偏置相位中心天線技術(DPCA)、空時自適應處理(STAP)和沿航線干涉處理(ATI)等，其中ATI的工作原理如圖1所示。

設天線之間的間距為d，載機平臺的運動速度為Va，動目標的徑向速度為Vr，航線到動目標P的垂直距離為Rc，在三幅SAR復圖像中，動目標P的相位分別為φ1 ，φ2和φ3，幅值均為A，那么動目標可分別表示為S1，S2，S3：

則兩圖像對消雜波后所得S21和S32分別為：

再對雜波對消以后的動目標S21和S32進行干涉處理:

那么干涉相位為：

由干涉相位公式可以推得目標的距離向公式：

設SAR圖像中動目標的方位位置為x，由目標距離向速度與其真實方位位置關系，可以得到目標真實方位位置：

其處理流程如圖2所示：利用一個天線的回波數據進行運動參數估計，三天線利用該參數分別成像，對圖像進行亞象素配準，估計并補償圖像之間的常數相位差，兩圖像相干相減實現復圖像相消的同時補償天線的方向圖誤差，對相消后的圖像進行CFAR檢測、速度估計和定位。

從上面的分析可以看出圖像配準、相位補償和方向圖補償的精度是影響SAR—GMTI雜波相消的重要因素，而雜波相消的程度又直接影響到動目標檢測、測速和定位的準確性。

3 圖像配準和相位補償

由于天線間距d與場景斜距相比非常小，在場景寬度不是特別寬的情況下可以采用相同的平移量對圖像進行平移配準，以圖像之間的相關系數最大作為準則對圖像的配準量進行二維搜索，在成像分辨率比較高的情況下對地面靜止雜波的相消比要求比較低，通常插值配準能夠滿足動目標檢測的需要。

當系統采用一發多收模式時，收發分置等效為收發合置時存在等效路徑差，這個路徑差就會使獲得的圖像在距離上存在著平移，并產生附加的相位差。除此之外，由于載機在飛行的過程中，存在著偏航的現象，就會導致垂直基線分量的存在，這時就會有表示高程和水平距離的干涉相位。干涉相位的存在會干擾解卷積過程，引起動目標檢測、測速和定位性能的下降，所以必須在圖像相消之前先補償干涉相位。我們采用的方法是平滑干涉相位，具體做法是用周圍的點的干涉相位差估計該點的干涉相位。

4 方向圖誤差和多點消一點

方向圖誤差是指兩個接收天線的空間響應不一致性，造成點擴散函數區別從而使兩個天線獲取的地面圖像之間存在著差別，而這種差別影響雜波相消的效果。假定圖像1和圖像2分別表示為f1(x，y)和f2(x，y)，而f2(x，y)可以表示為：

其中表示二維卷積，h(x，y)表示兩個通道對相同靜止地面區域所成圖像的相對差異的沖擊響應；fe(x，y)表示動目標在兩幅SAR圖像間的差異信息。

在理想情況下，兩個圖像校正的非常好，既沒有平移，又具有相同的點擴散函數，圖像1變換到圖像2的沖擊響應函數是一個沖擊函數，即h(x，y)=δ(x，y)。而在實際情況下，我們必須將h(x，y)的影響消除。

式(10) 描述的模型假定這兩幅圖像是線性相關的，即圖像2中的某一象素可以用圖像1中許多象素的線性組合來表示。M.Soumekh提出了信號子空間處理的方法對圖像進行相干相消，對應的差異信息按照下式提取：

u，v表示圖像1對應于圖像2中的點左右上下平移量，其中W21和F21表示為：

5 實測數據處理結果

雷達的工作方式是正側視條帶式，采用一發多收的工作模式，天線2發射線性調頻信號，三天線同時接收回波信號。截取公路旁的一塊場景進行處理，圖像大小為(512*512)，如圖3所示。工作參數如表1所示。

圖4為圖像1和圖像2分別進行粗配準和細配準后的相關系數圖，相關系數大于0.9所占的比例為62.70%。圖5為對圖像1進行相位補償前跟圖像2的干涉相位圖，圖6為其補償后的干涉相位圖，從這兩幅圖的對比可以看出經過相位補償后靜止雜波的干涉相位基本為零。

圖7為雜波相消前在圖像某個距離單元上動目標和雜波幅度曲線圖，可見在強雜波背景下，很難檢測出動目標。圖8為雜波相消后在同樣距離單元上的動目標和雜波幅度曲線圖，使用此方法整幅圖像的平均雜波相消比達12121 8 dB，動目標所在之處消掉幾個dB，這剛好把動目標的背景雜波抑制掉，盡量保留了動目標信息，相對于雜波相消前，明顯有利于動目標的檢測和提高速度估計精度。

6 結語

本文研究一種基于多天線SAR—GMTI雜波抑制方法。文中先后進行圖像配準、干涉相位補償，然后再用多點消一點方法進行雜波相消的同時補償天線方向圖誤差，實測數據處理結果表明，這種方法能更好地抑制雜波并保留動目標信息，有利于動目標的檢測、速度估計和定位。

參考文獻

［1］Curtis W Chen.Performance Assessment of Along Track Interferometry for Detecting Ground Moving Targets.IEEE，2004.

［2］鄭明潔.合成孔徑雷達運動目標檢測與成像研究\\[D\\].北京:中國科學院電子學研究所，2003.

［3］FIENUP J R.Detecting Moving Targets in SAR Imagery by Focusing，IEEE.

［4］康雪艷.機載SAR地面運動目標檢測成像技術研究\\[D\\].北京:中國科學院電子學研究所，2004.

［5］Mehrdad Soumekh.Signal Subspace Fusion of Uncalibrated Sensors with Application in SAR，Diagnostic Medicine and Video Processing\\[J\\].IEEE，Transactions on Image Processing，1999，8(1):127—137.

［6］保錚，邢孟道，王彤.雷達成像技術\\[M\\].北京:電子工業出版社，2005.

作者簡介 鐘素紅 女，1981年出生，廣東鶴山人，西安電子科技大學信號與信息處理專業碩士研究生。主要研究方向為雷達運動目標檢測與估計。

白海龍 男，1982年出生，河南駐馬店人，西安電子科技大學信號與信息處理專業碩士研究生。主要研究方向為數字系統設計。

王 彤 男，1974年出生，陜西西安人，西安電子科技大學教授。主要研究方向為雷達成像、地面動目標檢測和空時二維信號處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。