FMCW-SAR體制下快速運動目標檢測與成像方法

王金偉 周 峰 吳玉峰 孫光才 張子敬

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FMCW-SAR體制下快速運動目標檢測與成像方法

王金偉 周 峰*吳玉峰 孫光才 張子敬

(西安電子科技大學雷達信號處理重點實驗室 西安 710071)

針對調頻連續(xù)波合成孔徑雷達(FMCW-SAR)體制下的快速運動目標檢測與成像問題，該文提出一種雙通道FMCW-SAR動目標檢測和成像新方法。該方法考慮到調頻連續(xù)波固有的特點，將多普勒頻移補償和偏置相位天線(DPCA)技術結合，進行雜波抑制，檢測動目標。并針對快速運動目標的散焦和多普勒譜分裂等問題，采用Keystone變換、方位去斜等方法實現(xiàn)快速運動目標的重聚焦。最后，仿真實驗驗證了所提方法的有效性和可行性。

合成孔徑雷達；調頻連續(xù)波；地面動目標檢測與成像

1 引言

針對上述問題并且考慮到FMCW-SAR發(fā)展的需求，本文提出一種FMCW-SAR體制下快速運動目標檢測與成像新方法。該方法利用方位去斜等技術，在2維頻域對目標進行粗成像，將多普勒頻移補償和偏置相位天線(DPCA)技術結合，進行雜波抑制，并檢測動目標。將檢測到的動目標反變換到原始數(shù)據(jù)域，并結合多普勒頻移補償、方位去斜、Keystone變換和模糊數(shù)估計等方法實現(xiàn)快速運動目標成像。該方法避免了多普勒譜分裂，有效解決了連續(xù)波體制下運動參數(shù)未知時的快速動目標成像問題，極大地提高了信雜噪比和目標檢測概率，且該方法具有對場景中模糊數(shù)相同的多目標同時成像的優(yōu)點。

2 信號模型

將斜距展開式(2)代入調頻連續(xù)波接收的回波中，近似后得到

3 信號處理方法

3.1 雜波抑制

3.2 去除視頻相位項和方位去斜處理

信號相位中的RVP項使多普勒值有些差別，給后面的應用帶來不便。本文采用文獻[17]中的方法，對式(3)進行距離傅里葉變換，做去除RVP項處理。

3.3 多普勒頻移補償

3.4 徙動校正和方位聚焦

補償模糊數(shù)函數(shù)后，信號仍然存在距離和方位耦合，采用Keystone變換處理，即進行式(9)的變量代換：

對變換后的信號做距離FFT，并近似處理，得到

對上述處理結果進行方位FFT，便得到聚焦后的信號。

3.5 模糊數(shù)估計

實測數(shù)據(jù)處理中，由于干擾的存在，通道不一致性或雜波非平穩(wěn)性等將造成雜波抑制不充分，進而造成數(shù)據(jù)信雜噪比比較低，導致難以檢測到快速弱小運動目標，另外，當場景中存在多個運動目標時，粗聚焦的動目標圖像可能存在重疊，此時，常規(guī)的時頻分析方法[17]很難準確獲得動目標的模糊數(shù)，而采用上述模糊函數(shù)校正的方法可有效克服上述缺點。

4 應用問題分析

4.1 未知沿航向速度的影響

而在不進行方位去斜時，為保證動目標信號不發(fā)生分裂，需要滿足

采用式(14)和式(15)，并結合表1的參數(shù)，得到未進行去斜和去斜之后的無虛影的參數(shù)范圍，如圖2所示。比較圖2(a)和圖2(b)，可知本文方法能夠擴展可處理的參數(shù)空間。當載機速度變大時，可處理空間將得到極大的擴展，可以進一步體現(xiàn)本文算法的優(yōu)越性。

當出現(xiàn)運動目標的沿航向速度處于可處理參數(shù)空間外時，采取文獻[11]的方法處理。沿航向速度導致目標方位向散焦，這里采用圖像偏置法[17]估計信號方位向剩余調頻率，并補償?shù)粼撜{頻率對應的二次相位項，然后做方位傅里葉變換，便可以得到聚焦良好的圖像。

4.2目標方位位置不在場景中心

5 仿真結果與算法分析

為了驗證本文FMCW-SAR動目標檢測和成像方法的有效性，本節(jié)給出仿真實驗結果和算法性能分析。調頻連續(xù)波雷達工作在正側條帶SAR模式下，主要工作參數(shù)如表1所示。

表1雷達系統(tǒng)主要參數(shù)

發(fā)射帶寬150 MHz 方位波束寬度4 采樣頻率1 MHz 脈沖寬度1 ms 載機速度100 m/s PRF1000 Hz 載頻10 GHz 斜距1500 m

表2 動目標速度參數(shù)和對應模糊數(shù)

圖4為本文在2維頻域對場景中所有點初步成像結果，此時，運動目標淹沒在靜止雜波中。圖5為利用DPCA原理雜波相消后的圖像，雜波被極大程度地抑制，利用CFAR[18]原理逐個檢測運動目標，歸類后記錄其距離位置，方便后續(xù)去斜函數(shù)的構造。被剩余雜波和噪聲淹沒的動目標4和5為快速弱小運動目標，其信雜噪比比較低，難以檢測，常規(guī)方法很難準確獲得該運動目標的模糊數(shù)；而采用本文的構造模糊數(shù)函數(shù)的方法，并結合Keystone變換對目標提取后的剩余場景進行處理，可以聚焦弱小快速運動目標4和5，極大地提高信雜噪比，方便后續(xù)對該目標的提取和進一步處理。接下來對成像結果進行分析。

圖6為目標1的方位去斜前后的距離多普勒譜和本文方法的聚焦結果，可以看出，去斜后，目標多普勒譜得到壓縮，避免頻譜分裂的出現(xiàn)，且1聚焦良好。圖7為利用圖像最小熵估計的模糊數(shù)，由估計的模糊數(shù)可以對目標更好地聚焦；雜波抑制后，動目標4和5未被檢測到，此時無法估計其模糊數(shù)，對該目標的成像方法如上文所述。

圖3 場景點目標分布

圖4 雜波相消前成像

圖5雜波相消后圖像

圖7 圖像最小熵估計模糊數(shù)

圖8為動目標2的粗聚焦圖像，因其方位位置不在場景中心，導致方位存在嚴重散焦，采用前述所述方位調頻率補償處理，得到結果如圖9所示。圖10為文獻[14]對快速運動目標2的成像效果圖，目標沒有得到良好的聚焦。由圖9可知，本文方法對快速運動目標成像結果良好，與圖10相比，動目標聚焦效果得到極大改善。

圖11為動目標3,4和5的重聚焦成像結果圖，因目標3存在沿航向速度，導致其方位向散焦，經(jīng)過方位調頻率補償處理后，便可以得到聚焦良好的圖像。圖11(c)為本文利用構造模糊數(shù)函數(shù)的方法，并結合Keystone變換對目標提取后的剩余場景進行處理的結果，得到目標4和5在剩余雜波和噪聲的圖像，因模糊數(shù)相同，兩目標同時聚焦，并從背景雜波和噪聲中清晰地顯現(xiàn)出來。綜合上述處理結果，可以發(fā)現(xiàn)本文方法避免了多普勒分裂帶來的問題，可以對快速運動目標進行有效地檢測與成像，同時具備對模糊數(shù)相同的目標同時聚焦的優(yōu)點。

圖8 M2粗聚焦圖像

圖9 M2深度聚焦圖像

圖10 文獻[14]對M2的處理結果

圖11 動目標M3, M4和M5重聚焦圖像

6 結論

隨著雷達技術的不斷發(fā)展，調頻連續(xù)波合成孔徑雷達在軍事與民用中的作用越來越重要，為了同時完成對觀測區(qū)域靜止目標和運動目標的精確描述，調頻連續(xù)波SAR體制下的運動目標檢測與成像技術，特別是對研究相對較少的快速運動目標檢測與成像技術也變得越來越重要。本文提出了一種雙通道FMCW-SAR快速動目標檢測和成像新方法，利用DPCA原理進行雜波相消，并利用方位去斜、Keystone變換、最小熵估計模糊數(shù)等技術對運動目標重新聚焦。通過仿真實驗，驗證了調頻連續(xù)波合成孔徑雷達體制下，本文方法對快速運動目標檢測與成像的有效性。

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王金偉： 男，1987年生，博士生，研究方向為SAR成像和動目標檢測.

周 峰： 男，1980年生，副教授，博士生導師，主要研究方向為雷達成像和雷達對抗.

吳玉峰： 男，1985年生，博士生，研究方向為SAR成像和運動補償.

Approach for Fast-moving Target Detection and Imaging in FMCW SAR

Wang Jin-wei Zhou Feng Wu Yu-feng Sun Guang-cai Zhang Zi-jing

(,,’710071,)

To resolve the problem of fast-moving target detection and imaging in Frequency Modulated Continuous Wave SAR (FMCW-SAR), a new method of moving target detection and imaging in double-channel FMCW-SAR is presented in this paper. Considering the inherent characteristics of FMCW, the stationary clutter is eliminated and moving targets are detected by combining the Doppler frequency shift compensation with Displaced Phase Center Antenna (DPCA) technology. To solve the problem of fast-moving targets defocus and Doppler spectrum split, one method combining the Keystone transform with azimuth deramp is presented to refocus fast-moving targets. Finally, simulation results are provided to demonstrate the effectiveness and feasibility of the proposed method.

SAR; Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW); Ground Moving Target Indication (GMTI) and imaging

TN958

A

1009-5896(2014)11-2684-07

10.3724/SP.J.1146.2013.01769

周峰 fzhou@mail.xidian.edu.cn

2013-11-11收到，2014-06-09改回

國家自然科學基金(11176022, 61201283, 61172137, 61301292)，新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-0916)，基本科研業(yè)務費 (K5051302047, K5051202001)和信息綜合控制國家重點實驗室項目(newl20080201)資助課題