DBS成像中距離走動的校正方法

王 堃，羅海坤,沈大立，王浩丞

(中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036)

0 引言

多普勒波束銳化(DBS)是一種能實時提供大面積中等分辨率地面圖像的成像技術。由于該技術具有運算負荷低、實時性強、成像視角寬等優勢，在對地測繪、匹配制導、地面目標識別等方面獲得了廣泛的應用[1-3]。距離走動校正是DBS技術的一個核心問題。傳統方法利用多普勒質心估計值構造補償函數，進而校正距離走動[3]。多普勒質心估計可分為時域法[4]和頻域法[5]，這2種方法較為簡單，且計算量小，但分別受回波信號起伏和場景非均勻性的影響，估計精度較差，從而影響距離走動的校正精度。文獻[6]提出改進的多普勒質心估計算法——曲線擬合相位校正疊代算法，該算法可以克服傳統多普勒質心估計算法估計精度差的缺點，但需要進行多次疊代，運算量大、實時性差。文獻[7]提出了一種基于Radon變換校正距離走動的方法，該方法克服了傳統方法的局限性，無需雷達平臺運動參數、視角等先驗信息，利用雷達回波數據直接估計包絡峰值軌跡的斜率，從而進行校正，該方法的缺點是不適用于多目標場景。本文提出利用Keystone變換來校正DBS成像中的距離走動。該方法直接對雷達回波數據進行線性變換，可在雷達平臺運動參數、視角等信息未知的前提下，同時對多個目標的距離走動進行準確校正，進而提高方位分辨率。

1 DBS成像的信號模型

雷達發射信號可寫為:

(1)

(2)

圖1 雷達平臺與點目標之間的幾何關系

θcosφ)1/2

(3)

式中，R0和v分別為雷達平臺與點目標之間的初始斜距和徑向速度，θ和φ分別為目標的方位角和俯仰角。對式(3)進行泰勒展開并保留一次項，可得τn為:

τn≈2R0-(vcosθcosφ)tn/c=2R0/c-2fd/fctn

(4)

式中，fd=vfccosθcosφ/c為目標的多普勒頻率。假設本地參考信號為:

(5)

則對回波信號的快時間維進行脈壓后的信號頻譜為:

rectf/Bexp(-j2πf+fcτn)=rectf/Bexp(-j2πf+fc2R0/c)·expj2π(f+fc)/fc2fdtn

(6)

式中，F為傅里葉變換。由式(6)不難得出脈壓后回波信號的時域表達式為:

(7)

式中，F-1為傅里葉逆變換。不難看出，式(6)中存在距離頻率f與方位時間tn的耦合項，這將導致式(7)中脈壓后信號包絡峰值的位置隨發射脈沖號的變化而變化，即產生了距離走動。假設場景中存在M個目標，則脈壓后回波信號時域表達式為:

(8)

式中，R0,m和fd,m分別為第m個目標對應的初始斜距和多普勒頻率。式(8)對應的快時間維的頻域表達式為:

(9)

2 距離走動校正算法

根據式(8)可知，距離走動校正本質上是一延時過程，因此只需對信號頻譜乘以補償函數即可進行校正。但同時可以看出方位不同的目標其距離走動不同，考慮DBS實現的實時性，一般在同一波束內用同一個多普勒頻率來校正具有多個不同距離走動的回波數據，實際中通常采用波束中心的多普勒頻率來進行校正。補償函數可通過估計多普勒質心得到[3]，其表達式為:

(10)

圖2 Keystone變換的原理

(11)

由式(11)可得脈壓后回波信號時域表達式為:

(12)

圖3 距離走動校正前的距離向脈壓結果

圖4 利用Keystone變換和多普勒質心估計進行距離走動校正的結果

圖5 直接積累和經過Keystone變換后的積累結果

3 仿真驗證

4 結束語

本文提出了一種基于Keystone變換的DBS成像算法。該算法利用雷達回波數據進行線性變換以消除由目標與雷達平臺間相對運動帶來的時頻耦合，可同時對多個目標進行距離走動校正。仿真結果表明，本文提出的算法比傳統算法性能要好，能夠在雷達平臺運動參數、視角等信息未知的情況下，提高低信噪比環境中DBS成像的性能。■