星載SAR斜視模式運動目標方位多通道信號重建方法

徐 偉 魏正彬黃平平 譚維賢 乞耀龍 高志奇

(內蒙古工業大學信息工程學院 呼和浩特 010050)

(內蒙古自治區雷達技術與應用重點實驗室 呼和浩特 010050)

1 引言

星載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種可以全天時、全天候工作的全球對地觀測的微波成像雷達[1]。與星載正側視SAR相比，斜視模式[2–6]通過改變天線波束的指向可以實現單次航對多個區域成像，也可以實現對同一區域的多次多角度成像。隨著斜視角度的增加，星載SAR的方位分辨率會越來越差，同時方位多通道接收技術可以有效地提高方位分辨率[7,8]。

在星載多通道斜視模式成像處理方面：學者對靜止目標的成像方法展開了深入的研究。文獻[9]分析了斜視角度對信號頻譜的影響并給出了一種改進的重建算法；文獻[10]提出了一種基于混合基線的多通道斜視SAR的成像方法。在方位多通道運動目標成像方面，文獻[11–13]給出了幾種改進的方位多通道重建方法；文獻[14]通過分析運動目標對方位模糊和頻譜混疊的影響，提出了一種基于速度SAR的方位信號重建方法。當前對于星載斜視多通道模式下運動目標信號處理方面的研究成果較少。

對于方位多通道SAR回波信號，通常需要進行多通道信號重建來解決方位向的非均勻采樣問題。斜視角度的增加導致了信號的頻譜發生2次混疊，無法直接采用方位多通道重建方法進行處理。同時，運動目標的多普勒調制和距離歷史與靜止目標存在較大差異。本文建立了星載方位多通道斜視SAR模式下運動目標的幾何模型，對斜視模式下回波信號的特性和運動目標的速度對回波信號的影響進行了分析；通過方位去斜預處理消除了斜視角度對多普勒歷程的影響；然后通過修正的方位多通道重建矩陣消除了運動目標速度帶來的方位通道失衡，同時對通道冗余情況下的雜波抑制能力進行了研究；分析了估計速度誤差帶來的殘余相位誤差的影響，并給出了一種星載方位多通道斜視SAR模式下的運動目標速度快速估計搜索方法。

本文的結構如下：第2節建立星載方位多通道斜視SAR模式下運動目標的幾何模型，并對回波信號特征和運動目標速度的影響進行分析；第3節提出多通道斜視模式下運動目標的多通道重建方法，同時對通道冗余情況下的雜波抑制能力進行分析，給出一種星載方位多通道SAR斜視模式下的運動目標速度快速估計方法；第4節對提出的方法進行仿真驗證；第5節對全文進行總結。

2 信號模型

2.1 成像幾何模型

其中

2.2 信號特征

在星載斜視SAR模式下，回波信號的帶寬可以表示為[9]

2.3 速度影響分析

圖1 方位多通道斜視運動目標成像幾何模型

圖2 信號的2維頻譜圖

式(8)的相位偏移由兩項組成，第1項僅與通道幾何關系有關，這與靜止目標回波信號相同；第2項主要是由運動目標的斜距向速度導致的。從式(8)可以看出，運動目標的斜距向速度會使每個通道產生不同的相位偏移，從而引起各通道之間的相位失衡。根據表1的仿真參數，圖3給出了不同航跡向速度和斜距向速度對第3個接收通道相位偏移的影響。從圖3的結果可以看出，相位偏移量主要由運動目標的斜距向速度分量決定。在接收平臺采用了多通道接收技術，斜距向速度對每個通道相位偏移的影響如圖4所示。

表1 仿真參數

圖3 目標速度對相位偏移的影響

圖4 斜距向速度對不同通道的影響

3 多通道重建處理

3.1 運動目標成像方法

圖5展示了一種適用于斜視模式下的運動目標的成像方法，該方法包括4個步驟：首先采用原始的多通道重建方法[10]對回波信號進行重建；然后在結果中對運動目標的回波信號進行檢測和提取[11]；在得到運動目標的回波信號后，就可以使用改進的多通道重建方法進行重建，該重建方法包括5個步驟：首先，通過去斜處理消除斜視角度帶來的頻譜2次混疊問題；然后對運動目標的速度進行估計；接著通過適用于運動目標的多通道重建方法對運動目標的回波進行重建；并通過逆去斜處理恢復信號的多普勒歷程。

圖5 斜視模式下運動目標成像方法

3.2 多通道重建

圖6 斜視模式下多通道重建流程圖

其中

其中

3.3 速度估計方法

由式(12)可知，在求解運動目標的多通道重建矩陣時需要知道運動目標的速度。運動目標的航跡向速度可以采用方位自聚焦的方法進行估計。因此，本節討論關于運動目標斜距向速度的估計方法。由式(8)可知，斜距向速度估計誤差帶來的殘存相位誤差可以表示為

圖7給出了不同速度估計誤差情況下的殘存相位誤差。從圖7的結果可以看出，估計速度誤差與各個通道的殘存相位誤差成正相關，并且斜距向速度會導致每個通道之間產生不同的殘存相位誤差。這些不同的殘存相位誤差會導致各通道之間的相位失衡，使成像結果產生虛假目標[15]。當估計速度誤差為0.1 m/s時，根據文獻[15]，可以得到成像結果的峰值-假目標比約為–40 d B。本文將估計速度的精度設置為0.1 m/s。

圖7 估計速度誤差造成的最大殘存相位誤差

在使用不同的估計速度對同一個運動目標的回波信號進行重建的過程中發現，當估計速度與目標速度一致時，信號的頻譜能量會集中在以目標多普勒中心fdc為中心的帶寬范圍內；當估計速度與目標速度不一致時，信號頻譜的能量會泄露到帶寬范圍外。同時，估計速度與目標的速度相差越大，能量泄露現象越嚴重?；诖爽F象，引入了一種運動目標速度快速估計搜索方法，具體流程圖如圖8所示。

圖8 一種運動目標速度快速估計搜索方法

該方法的具體步驟如下：

(1)首先，將方位多通道斜視模式下各通道的回波信號與去斜函數式(9)相乘，消除由于斜視角度帶來的2次頻譜混疊問題；

(2)由于該重建方法主要針對慢速運動目標，可以將初始的估計速度范圍設置為[?20,20]m/s，然后將速度范圍內的最小值u?r1和 最大值u?r2設置為估計速度對信號進行重建；

4 仿真

本節使用傳統的和改進的兩種重建方法對單個點目標和多個點目標進行了仿真驗證。首先，對航跡向速度為10 m/s的單點目標進行了仿真驗證，如圖9所示，圖9(a)—圖9(c)是傳統的重建方法，圖9(d)—圖9(f)是改進的重建方法。從圖9可以看出，當使用傳統的重建方法對目標進行重建后，成像結果發生方位散焦和虛假目標。但是在使用改進的多通道重建方法對目標進行重建后，由于目標航跡向速度導致的方位散焦和虛假目標都被很好地抑制掉了。

圖9 航跡向速度為10 m/s的目標多通道重建結果

然后，對斜距向速度10 m/s的單點目標進行了仿真驗證，仿真結果如圖10所示，圖10(a)—圖10(c)是傳統的重建方法，圖10(d)—圖10(f)是改進的重建方法。從圖10可以看出，在經過改進的多通道重建方法對目標進行重建后，信號的2維頻譜不再混疊，虛假目標也得到了很好的抑制，目標的成像質量得到了提高。

圖10 斜距向速度為10 m/s的目標多通道重建結果

最后對多個點目標進行了仿真驗證，仿真結果如圖11所示，圖11(d)—圖11(f)為傳統的多通道成像結果的點目標插值結果；圖11(g)—圖11(i)為改進的多通道成像結果的點目標插值結果。在設計的場景中存在3個不同速度的目標，其中A為靜止目標；B的斜距向速度為10 m/s；C的斜距向速度為10 m/s，航跡向速度為10 m/s。從圖11可以看出，經過改進的多通道重建方法進行重建后，可以有效地解決運動目標速度導致的方位散焦和虛假目標。同時，為了進一步分析改進的多通道重建算法對點目標成像質量的影響，表2總結了各個點目標航跡向和斜距向的分辨率(Resolution,Res)、峰值旁瓣比(Peak Side Lobe Ratio,PSLR)、積分旁瓣比(Integral Side Lobe Ratio,ISLR)、航跡向最大虛假目標幅度(Maximum False Target Amplitude,MFTA)。

圖11 多個點目標的成像結果

從表2可以看出，通過改進的多通道重建方法重建后，信號的性能指標大幅度變好，同時虛假目標得到了有效抑制。圖12給出了不同的斜距向速度對虛假目標的抑制情況。從圖12可以看出，在斜距向速度小于15 m/s的情況下，改進的多通道重建方法可以很好抑制虛假目標的幅度；在斜距向速度大于15 m/s的情況下，改進的多通道重建方法的抑制效果迅速惡化，但仍可以有效地抑制虛假目標。同時，由于斜距向速度較小時產生的虛假目標幅度較小，所以抑制的幅度也比較小。

表2 性能指標

圖12 虛假目標幅度

5 結束語

本文通過分析斜視角度和運動目標的速度對回波信號的影響，提出一種適用于多通道斜視模式下的運動目標的重建方法。本方法通過方位去斜預處理消除了斜視角度帶來的影響；然后對運動目標的重建濾波器組進行了推理。最后通過仿真實驗驗證了本方法的有效性。本方法在斜距向速度過大時抑制效果較差，這主要是因為當速度過大時，本文分析斜距時忽略掉的一些項會產生一定的相位誤差，需要將斜距分析到更高次項。因此，如何在斜距向速度過大的情況下，進一步對虛假目標進行抑制是值得深入研究的。