基于斜視TOPSAR的星載區(qū)域監(jiān)視GMTI方法研究

曾祥杰齊向陽(yáng)

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100039)

②(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)

基于斜視TOPSAR的星載區(qū)域監(jiān)視GMTI方法研究

曾祥杰*①②齊向陽(yáng)①

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100039)

無(wú)論在軍事上還是在民用中，對(duì)大范圍區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視與檢測(cè)都非常重要，傳統(tǒng)區(qū)域監(jiān)視采用機(jī)載掃描模式(ScanSAR)，受到國(guó)界領(lǐng)空限制，并且ScanSAR固有的特性導(dǎo)致其不適用于在星載平臺(tái)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域監(jiān)視。該文提出一種基于斜視TOPSAR的星載區(qū)域監(jiān)視GMTI方法。該方法采用TOPSAR模式，改善了ScanSAR在星載條件下的低信雜比和信噪比問(wèn)題。該方法利用斜視TOPSAR全孔徑成像算法進(jìn)行成像，并采用相位中心偏置天線(xiàn)(DPCA)和雙門(mén)限單元平均恒虛警(CFAR)檢測(cè)方法對(duì)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，利用推導(dǎo)出的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的干涉相位與速度關(guān)系，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度進(jìn)行估計(jì)和定位。另外，該文還分析了真實(shí)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)之間可能存在的差異及如何降低差異帶來(lái)的影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

TOPSAR；區(qū)域監(jiān)視(RS)；地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(GMTI)；相位中心偏置天線(xiàn)(DPCA)

②(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)

1 引言

廣域監(jiān)視運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)在軍事中和民用上都具有十分重要的作用。傳統(tǒng)的廣域監(jiān)視采用Scan_ GMTI模式，該模式采用在方位向發(fā)射窄波束并通過(guò)方位波束的周期性?huà)呙鑼?shí)現(xiàn)廣域覆蓋以及對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡跟蹤，該模式使用DBS成像方法，JSTARS系統(tǒng)和PAMIR系統(tǒng)[1－3]是其典型代表。廣域監(jiān)視系統(tǒng)一般采用多通道多載頻技術(shù)，能夠很好

地抑制鬼影目標(biāo)[4]。傳統(tǒng)廣域監(jiān)視系統(tǒng)均采用機(jī)載系統(tǒng)，受到領(lǐng)空限制。

星載條件下DBS成像的方位分辨率較差，造成目標(biāo)信雜比較低；方位向波束邊緣的系統(tǒng)靈敏度(NESZ)比波束中心差6～12 dB，造成波束邊緣目標(biāo)的信噪比較差；這都不利于動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。同時(shí)，波束掃描覆蓋的成像帶長(zhǎng)度小于衛(wèi)星波束在地面移動(dòng)的距離，不利于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)多次重訪。為改善星載條件下動(dòng)目標(biāo)的信雜比和信噪比，借鑒TOPSAR設(shè)計(jì)思想，本文提出了一種基于星載TOPSAR的廣域監(jiān)視方法。

星載TOPSAR模式由意大利的Zan等人提出，并于2006年首次發(fā)表在文獻(xiàn)[5]上。該模式通過(guò)方位向周期性地調(diào)整天線(xiàn)波束指向，不但克服了ScanSAR模式的扇貝效應(yīng)和方位模糊比在方位向嚴(yán)重不一致的問(wèn)題，擁有大場(chǎng)景成像能力，并且星載SAR不受領(lǐng)空限制，因而十分適合廣域監(jiān)視。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)TOPSAR進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。文獻(xiàn)[6-8]分析了星載TOPSAR模式的實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)性能；文獻(xiàn)[9]提出了一種高效處理TOPSAR數(shù)據(jù)的BAS(基帶方位變標(biāo))算法；文獻(xiàn)[10]討論了利用TOPSAR進(jìn)行區(qū)域觀測(cè)的方法；近年斜視TOPSAR成像算法日漸成熟[11,12]。在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方面，文獻(xiàn)[13]簡(jiǎn)單地分析了TOPSAR模式中微弱動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)能力；文獻(xiàn)[14]研究了正側(cè)視TOPSAR-GMTI。目前為止，未見(jiàn)有對(duì)星載TOPSAR應(yīng)用于動(dòng)目標(biāo)廣域監(jiān)視進(jìn)行研究的文獻(xiàn)資料。

本文第2節(jié)討論了利用星載TOPSAR實(shí)現(xiàn)廣域GMTI的方法；第3節(jié)根據(jù)建立的3通道TOPSAR-GMTI幾何模型，給出了回波信號(hào)模型，并對(duì)回波信號(hào)模型進(jìn)行了分析；第4節(jié)詳細(xì)論述了斜視TOPSAR模式下，全孔徑成像算法；第5節(jié)分析了TOPSAR-GMTI模式下動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與定位方法；第6節(jié)給出了斜視TOPSAR-GMTI的處理流程；第7節(jié)給出了仿真結(jié)果及分析，驗(yàn)證了本文方法的有效性；第8節(jié)對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

2 廣域GMTI模式實(shí)現(xiàn)方法

廣域GMTI系統(tǒng)通過(guò)方位向波束掃描實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋和對(duì)目標(biāo)的多次重訪，借鑒TOPSAR設(shè)計(jì)思想，本文提出一種基于TOPSAR的廣域GMTI方法，該方法具體可分為兩種工作模式：廣域搜索和區(qū)域監(jiān)視。

廣域搜索采用TOPSAR的正常工作模式。區(qū)域監(jiān)視利用方位向波束掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的多次掃描覆蓋，每次掃描成像都采用TOPSAR成像原理進(jìn)行成像，圖1是其工作原理示意圖。如圖所示，每次方位波束掃描結(jié)束，天線(xiàn)波束并不是改變距離向波束指向，而是改變方位角再次對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行掃描成像。比如假設(shè)圖中第-n次掃描時(shí)，波束的方位角為30°，第-(n-1)次掃描時(shí)，波束的方位角改變?yōu)?8°，使得波束仍舊掃描覆蓋同一區(qū)域，在每一次的掃描中，天線(xiàn)波束在方位向從后向前掃描，掃描角大小根據(jù)系統(tǒng)需求而定。該模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視，對(duì)區(qū)域中的動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

圖1 區(qū)域監(jiān)視工作原理示意圖Fig. 1 The working principle schematic of regional surveillance

其中第0次覆蓋為正側(cè)視TOPSAR工作方式，其它次數(shù)的覆蓋為斜視TOPSAR工作方式。本文將主要討論斜視TOPSAR模式下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法，該算法同樣適用于正側(cè)視TOPSAR。

3 信號(hào)模型

斜視TOPSAR模式的幾何模型如圖2所示。衛(wèi)星運(yùn)行高度為h，以速度v沿x軸飛行，Rs表示場(chǎng)景中心到航跡的最短斜距，Rref表示天線(xiàn)波束虛擬旋轉(zhuǎn)中心到航跡的最短斜距，天線(xiàn)波束的斜視角為θ, 3通道天線(xiàn)沿航跡以間距D排列，采用全天線(xiàn)發(fā)射信號(hào)，3個(gè)天線(xiàn)同時(shí)接收的工作方式。3根天線(xiàn)均

沿航跡方向從后向前進(jìn)行掃描。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)n位于(xn,yn, 0)處，速度為(vx,vy)。

圖2 3通道斜視TOPSAR幾何模型Fig. 2 The geometric model of three-channel squint-TOPSAR

因?yàn)镽s＞＞D，所以采用等效相位中心原理可得動(dòng)目標(biāo)在t時(shí)刻與第i個(gè)天線(xiàn)相位中心之間的距離為：

其中t表示慢時(shí)間，分別表示各天線(xiàn)等效相位中心與發(fā)射天線(xiàn)等效相位中心之間的間隔。令

假設(shè)發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻率為kr的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)，目標(biāo)反射信號(hào)經(jīng)去載頻后可得各通道的回波信號(hào)為：

其中σn表示目標(biāo)的回波振幅，τ表示快時(shí)間，c表示光速，λ表示載波波長(zhǎng)，wr(.)和wa(.)分別表示距離向和方位向的窗函數(shù)，t0表示目標(biāo)的波束中心穿越時(shí)刻，Ta表示合成孔徑時(shí)間。

4 斜視TOPSAR成像算法

本文采用斜視TOPSAR成像算法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行聚焦成像，其流程如圖3所示，主要包括4部分：多普勒中心頻率校正、方位預(yù)濾波、距離向壓縮以及方位壓縮和幾何校正。下面詳細(xì)分析各步驟。

4.1 校正多普勒中心頻率

圖3 斜視TOPSAR成像流程圖Fig. 3 Flow chart of squint-TOPSAR imaging

式中省略了部分系數(shù)，其中fr表示距離頻率，表示載波頻率。

斜視角使得回波具有非零的多普勒中心頻率和2維頻譜的扭曲等問(wèn)題，前者將導(dǎo)致多普勒譜平移和多普勒模糊，最終使成像結(jié)果出現(xiàn)鬼影，后者來(lái)源于多普勒中心頻率隨距離頻率變化，將致使目標(biāo)散焦。本文在距離頻域方位時(shí)域采用非線(xiàn)性平移法來(lái)解決這兩個(gè)問(wèn)題，方法是將回波信號(hào)與式(5)相乘，然后把信號(hào)變回時(shí)域，得到

4.2 方位向預(yù)濾波

TOPSAR采用方位掃描，雖然等效壓縮了單點(diǎn)目標(biāo)的多普勒帶寬，但是整個(gè)場(chǎng)景的方位帶寬卻因此大大擴(kuò)展，甚至遠(yuǎn)大于系統(tǒng)PRF，導(dǎo)致方位頻譜混疊。本文使用方位向預(yù)濾波的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)方位頻譜去混疊[15]，將信號(hào)與函數(shù)在時(shí)域進(jìn)行卷積運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的預(yù)壓縮，卷積運(yùn)算可以利用快速傅里葉變換(FFT)實(shí)現(xiàn)，具體包括兩次復(fù)乘和一次FFT。雖然信號(hào)經(jīng)過(guò)了FFT變換，但由于預(yù)濾波的實(shí)質(zhì)是時(shí)域卷積運(yùn)算，因此預(yù)濾波后的信號(hào)仍然是時(shí)域信號(hào)，設(shè)新的方位時(shí)間為

對(duì)預(yù)濾波后的信號(hào)進(jìn)行2維傅里葉變換，得到信號(hào)的2維頻譜為：

式中表示新的方位頻率，與相對(duì)應(yīng)。式(6)的相位項(xiàng)中，第1項(xiàng)代表距離壓縮部分；第2項(xiàng)代表RCMC部分；第3項(xiàng)表示方位向和距離向耦合部分，此項(xiàng)主要是由于斜視TOPSAR時(shí)，同一距離門(mén)不同方位位置的目標(biāo)斜距變化很大導(dǎo)致，因此應(yīng)在成像后對(duì)其進(jìn)行校正；第4項(xiàng)表示帶有耦合的方位調(diào)制項(xiàng)；第5項(xiàng)是方位預(yù)濾波引入的相位，應(yīng)在距離向處理前乘以將其補(bǔ)償?shù)?；?項(xiàng)同第3項(xiàng)一樣，表示距離向和方位向的耦合，因?yàn)樽罱K成像結(jié)果在距離多普勒域(RD域)，因此應(yīng)在時(shí)域?qū)υ擁?xiàng)進(jìn)行校正；第7項(xiàng)代表由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)和通道間距引起的多普勒中心偏移。

4.3 距離壓縮和RCMC

不失一般性，對(duì)靜止目標(biāo)進(jìn)行分析，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)方位向預(yù)濾波處理后的2維頻譜可表示為：

由式(7)可得距離壓縮可以通過(guò)匹配濾波實(shí)現(xiàn)，RCMC可以通過(guò)Stolt變換實(shí)現(xiàn)，其具體方法是，首先將經(jīng)過(guò)相位補(bǔ)償后的2維頻域信號(hào)與式(8)相乘

接著，對(duì)信號(hào)進(jìn)行Stolt變換，變換核為：

4.4 方位壓縮和幾何校正

經(jīng)過(guò)距離壓縮和RCMC后可得到信號(hào)在RD域的表達(dá)式為：

把補(bǔ)償通道位移后的信號(hào)變換到時(shí)域，信號(hào)表達(dá)式為：

其中第1項(xiàng)是調(diào)頻項(xiàng)；第2項(xiàng)是前面提到的需要補(bǔ)償?shù)舻鸟詈享?xiàng)；第3項(xiàng)由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)引起，使得成像后目標(biāo)在方位向發(fā)生移位。通過(guò)與式(13)相乘對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行去調(diào)頻和相位補(bǔ)償

其中Rc為場(chǎng)景中心沿斜視角方向的最短斜距。經(jīng)過(guò)方位去調(diào)頻處理后，目標(biāo)在RD域的表達(dá)式為式(14)，其中第1項(xiàng)表示目標(biāo)距離向位置，它表明目標(biāo)距離向位置和方位向位置存在耦合，本文通過(guò)在距離頻域乘以第2項(xiàng)是目標(biāo)在方位向的位置，可以看出其方位位置存在幾何形變，通過(guò)Chirp-Z變換可以校正該項(xiàng)，同時(shí)方位位置與目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)和實(shí)際位置有關(guān)，因此通過(guò)該項(xiàng)可獲得目標(biāo)的實(shí)際位置；第3項(xiàng)表明目標(biāo)的徑向速度會(huì)引起多普勒平移；第4項(xiàng)表示目標(biāo)的徑向速度和通道間隔將導(dǎo)致各通道相位不一致，因此可通過(guò)各通道相位差異得到目標(biāo)的徑向速度；第5項(xiàng)是目標(biāo)徑向速度引入的相位項(xiàng)。

5 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與定位

5.1 雜波對(duì)消與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)

本文采用DPCA方法進(jìn)行雜波對(duì)消，得到各通道信號(hào)RD域圖像后，將通道1圖像減去通道2圖像可得S21，通道3圖像減去通道2圖像可得S32

5.2 動(dòng)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)

根據(jù)式(15)和式(16)可知，動(dòng)目標(biāo)的徑向地速信息隱藏在相位中，通過(guò)對(duì)S21和S32共軛相乘，然后提取出相位信息，可以計(jì)算得到目標(biāo)的徑向地速為：

由于φ的取值以2π為周期，當(dāng)時(shí)干涉相位有纏繞現(xiàn)象，即φ=φ0±2nπ,n=0,1,2,…。由式(17)可知，模糊問(wèn)題涉及通道數(shù)目、天線(xiàn)全孔徑尺度、載頻頻率、雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)行參數(shù)等方面的設(shè)計(jì)。在解模糊方面目前有基于壓縮感知的相位解模糊方法[18]，以及PAMIR采用的多載頻技術(shù)[1]。本文建議采用多載頻技術(shù)，其不僅能實(shí)現(xiàn)解相位模糊，并且還能優(yōu)化DPCA體制具有的盲速問(wèn)題。

由式(14)可得目標(biāo)在圖像中的真實(shí)位置為：

其中fat為SAR圖像中目標(biāo)所在的方位位置，據(jù)此可以將SAR圖像中的動(dòng)目標(biāo)校正到正確的位置。進(jìn)

一步可以得到動(dòng)目標(biāo)的真實(shí)地理方位位置為：

6 斜視TOPSAR-GMTI算法流程

綜合前文，本節(jié)給出 3通道斜視 TOPSARGMTI算法的處理流程，如圖4所示。

第1步 在距離頻域乘以H1完成多普勒中心頻率校正；

圖4 斜視TOPSAR-GMTI算法流程圖Fig. 4 Flow chart of squint TOPSAR-GMTI algorithm

第2步 進(jìn)行方位預(yù)濾波處理，具體方法是將信號(hào)與參考相位H2相乘，然后進(jìn)行方位傅里葉變換，再補(bǔ)償一個(gè)相位接著將信號(hào)進(jìn)行方位傅里葉變換到RD域后與補(bǔ)償相位H3相乘；

第3步 在2維頻域乘以H4完成距離向壓縮，利用Stolt變換完成RCMC；

第4步 在時(shí)域乘以H5完成方位去調(diào)頻后將信號(hào)變換到RD域得到2維壓縮后的圖像；

第5步 在距離頻域乘以H6去耦合后變回到RD域，然后進(jìn)行Chirp-Z變換完成幾何校正，得到最終成像圖。由H6的表達(dá)式可知去耦合與方位位置有關(guān)，但此時(shí)動(dòng)目標(biāo)的方位位置偏離了原始位置，這導(dǎo)致在校正后的圖像中，動(dòng)目標(biāo)的距離向位置會(huì)偏離其原始位置，其大小為在動(dòng)目標(biāo)重定位時(shí)應(yīng)該將其修正；

第6步 利用DPCA方法，得到兩兩相消的圖像S21和S32，采用CFAR檢測(cè)在S21中檢測(cè)動(dòng)目標(biāo)位置；

第7步 利用干涉相位與動(dòng)目標(biāo)速度關(guān)系，求解出動(dòng)目標(biāo)的參數(shù)，并將動(dòng)目標(biāo)的正確位置標(biāo)注在圖像中。

圖4中的2維壓縮部分包含第2步到第4步3個(gè)步驟。

7 仿真結(jié)果及分析

為驗(yàn)證本文提出的廣域GMTI方法，本節(jié)給出了仿真結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行分析。仿真參數(shù)如表1所示。

仿真場(chǎng)景設(shè)置為模擬的城市街道，大小為(18 km×9 km)，場(chǎng)景中心零多普勒斜距為577 km，橫縱街道互相垂直分布，縱向街道(即沿方位向的街道)與雷達(dá)飛行方向夾角為在場(chǎng)景中有3個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)(P1,P2,P3)分別沿橫向道路移動(dòng)，徑向地速分別為-5 m/s, 18 m/s, 5 m/s，方位向地速分別為0.9 m/s, -3.2 m/s, -0.9 m/s，如圖5(a)所示，仿真時(shí)P1,P2信雜比設(shè)置為0 dB,P3信雜比設(shè)置為

圖5(b)是經(jīng)過(guò)了2維壓縮聚焦但未進(jìn)行幾何校正的成像結(jié)果，從圖中可以看出由于斜視角的存在使得成像結(jié)果有很大的幾何形變，需要進(jìn)行幾何校正，與前文分析一致；圖 5(c)是采用本文成像算法得到的成像結(jié)果，由圖可知經(jīng)過(guò)兩次幾何校正后，幾何形變量得到很好地校正，并且由圖可知?jiǎng)幽繕?biāo)淹沒(méi)在背景雜波中；圖5(d)是采用文獻(xiàn)[14]成像算法得到的成像結(jié)果，對(duì)比看出，文獻(xiàn)[14]得到的結(jié)果存在明顯的鬼影目標(biāo)，由此可知該方法不適用于斜視TOPSAR成像。

圖6是雜波對(duì)消前后的對(duì)比圖，圖6(a)是雜波抑制之前的幅度圖，圖6(b)是雜波抑制之后的幅度圖。由圖可知DPCA能很好地抑制雜波，并同時(shí)保留動(dòng)目標(biāo)。

圖5 斜視TOPSAR成像Fig. 5 Squint TOPSAR imaging

表2是對(duì)檢測(cè)出的動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的結(jié)果，由表2可知本文算法可以較準(zhǔn)確地估計(jì)出目標(biāo)的真實(shí)參數(shù)。

圖7是經(jīng)過(guò)CFAR檢測(cè)后的結(jié)果圖，可以看出經(jīng)過(guò)雜波抑制后，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)能夠很好地被檢測(cè)出來(lái)。圖8是對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行重定位的結(jié)果圖，●表示定位前的位置，▲表示定位后的位置，可以看出動(dòng)目標(biāo)都被定位到了正確的位置，從定位的結(jié)果可以清晰地觀察到第6節(jié)第5步分析得到的動(dòng)目標(biāo)的距離向偏移。圖9是區(qū)域監(jiān)視的結(jié)果圖，監(jiān)視期間，斜視角變化范圍為時(shí)長(zhǎng)為64 s，包含120次掃描，每隔8 s(20次掃描)選取一次結(jié)果，由圖可知本文提出的廣域GMTI模式能夠?qū)?dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，驗(yàn)證了方法的有效性。

實(shí)際上，真實(shí)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間存在一定的差異，這些差異會(huì)導(dǎo)致真實(shí)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果并不理

想，因此在處理真實(shí)數(shù)據(jù)時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行額外處理，主要差異包含以下幾部分：

圖6 DPCA雜波對(duì)消前后對(duì)比圖Fig. 6 Comparison of before and after clutter suppression by using DPCA

表2 動(dòng)目標(biāo)的參數(shù)估計(jì)結(jié)果Tab. 2 The estimation results of moving target parameters

圖7 CFAR檢測(cè)結(jié)果Fig. 7 The results of CFAR

圖8 動(dòng)目標(biāo)重定位結(jié)果Fig. 8 The results of moving target relocation

(1) 通道失配。通道失配誤差會(huì)影響雜波對(duì)消效果，導(dǎo)致動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)性能變差，可

以通過(guò)在成像處理前進(jìn)行通道均衡，減小通道失配帶來(lái)的誤差。

圖9 動(dòng)目標(biāo)跟蹤結(jié)果Fig. 9 The results of moving target tracking

(2) 雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差。雷達(dá)平臺(tái)并不是進(jìn)行理想的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)存在隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)，這將導(dǎo)致成像結(jié)果變差，進(jìn)而影響后期的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)，機(jī)載平臺(tái)上，影響更明顯，可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來(lái)減小誤差影響。

(3) 強(qiáng)背景雜波。在城市中，存在一些強(qiáng)散射雜波，這些雜波導(dǎo)致雜波對(duì)消效果變差，使動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)變得更加困難，甚至失效。此時(shí)，可以通過(guò)幅相聯(lián)合檢測(cè)來(lái)提高檢測(cè)性能，即同時(shí)使用DPCA和ATI(沿跡干涉)來(lái)加強(qiáng)對(duì)雜波的抑制和對(duì)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)；也可以采用效果更好的STAP(空時(shí)自適應(yīng))雜波抑制方法來(lái)進(jìn)行雜波抑制和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。

8 結(jié)束語(yǔ)

相比ScanSAR, TOPSAR既擁有寬測(cè)繪帶的優(yōu)勢(shì)，又克服了ScanSAR的扇貝效應(yīng)和方位模糊比問(wèn)題。本文提出了一種基于TOPSAR的星載廣域GMTI方法，該方法有兩種運(yùn)行模式：廣域搜索和區(qū)域監(jiān)視。廣域搜索擁有寬測(cè)繪帶的能力，能同時(shí)監(jiān)視大范圍區(qū)域動(dòng)目標(biāo)情況；區(qū)域監(jiān)視擁有區(qū)域重訪功能，能對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行軌跡跟蹤。文章對(duì)區(qū)域監(jiān)視模式進(jìn)行了著重介紹，給出了回波數(shù)學(xué)模型，分析了斜視TOPSAR情況下的成像算法，與正側(cè)視相比，主要增加了多普勒中心校正模塊，仿真表明不校正多普勒中心會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)鬼影。仿真數(shù)據(jù)的處理結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。本文也對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)之間的差異進(jìn)行了討論分析。本文方法存在數(shù)據(jù)量過(guò)大，不利于數(shù)據(jù)下傳的問(wèn)題，接下來(lái)的研究將圍繞數(shù)據(jù)壓縮進(jìn)行。

[1]Cerutti-Maori D, Klare J, Brenner A R,et al..Wide-area traffic monitoring with the SAR/GMTI system PAMIR[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2008, 46(10): 3019-3030.

[2]Cerutti-Maori D, Burger W, Ender J H G,et al.. Experimental results of ground moving target detection achieved with the multi-channel SAR/MTI system PAMIR[C]. European Radar Conference, Paris, 2005: 45-48.

[3]Cerutti-Maori D, Klare J, Burger W,et al.. Wide area traffic monitoring with the PAMIR system[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Barcelona, 2007: 3567-3570.

[4]Lei G, Wang R, Yunkai D,et al.. Ghost target suppression in GMTI using multi-channel SAR system[C]. 2013 Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar (APSAR), Tsukuba, 2013: 210-213.

[5]De Zan F and Monti Guarnieri A. TOPSAR: terrain observation by progressive scans[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2006, 44(9): 2352-2360.

[6]Meta A, Mittermayer J, Prats P,et al.. TOPS imaging with TerraSAR-X: mode design and performance analysis[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010, 48(2): 759-769.

[7]Meta A, Mittermayer J, Steinbrecher U,et al.. Investigations on the TOPSAR acquisition mode with TerraSAR-X[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Barcelona, 2007: 152-155.

[8]Meta A, Prats P, Steinbrecher U,et al.. TerraSAR-X TOPSAR and ScanSAR comparison[C]. 7th European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR), Friedrichshafen, Germany, 2008: 1-4.

[9]Prats P, Scheiber R, Mittermayer J,et al.. A SAR processing algorithm for TOPS imaging mode based on extended chirp scaling[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Barcelona, 2007: 148-151.

[10]Chen Qi, Huang Hai-feng, He Feng,et al.. Using TOPSAR for district observation[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2013, 10(2): 406-410.

[11]Yang Jun, Sun Guang-cai, Xing Meng-dao,et al.. Squinted TOPS SAR imaging based on modified range migration algorithm and spectral analysis[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2014, 11(10): 1707-1711.

[12]楊軍, 吳玉峰, 孫光才, 等. 基于方位FNCS的斜視TOPS SAR成像方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2012, 34(11): 2237-2243. Yang Jun, Wu Yu-feng, Sun Guang-cai,et al.. Squint TOPS SAR imaging method based on azimuth FNCS[J].Systems Engineering and Electronics, 2012, 34(11): 2237-2243.

[13]De Zan F, Guarnieri A M, and Rocca F. Advances in SAR

interferometry for sentinel-1 with TOPS[C]. IEEE Radar Conference, Rome, 2008: 1-6.

[14]黃大榮, 孫光才, 吳玉峰, 等. 三通道TOPSAR-GMTI技術(shù)研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2013, 35(1): 41-48. Huang Da-rong, Sun Guang-cai, Wu Yu-feng,et al.. Research on three-channel TOPSAR-GMTI technology[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2013, 35(1): 41-48.

[15]徐偉, 鄧云凱. 基于二維Chirp-Z變換的星載TOPSAR成像算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2011, 33(11): 2679-2685. Xu Wei and Deng Yun-kai. Imaging algorithm of spaceborne TOPSAR data based on two-dimension Chirp-Z transform[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2011, 33(11): 2679-2685.

[16]Barboy B, Lomes A, and Perkalski E. Cell-averaging CFAR for multiple-target situations[J].IEE Proceedings F,Communications,Radar and Signal Processing, 1986, 133(2): 176-186.

[17]Jiang M, Wu Liang B, and Luo D. Stduy on CFAR in GMTI for airborne fire-control radar[C]. IET International Radar Conference, Xi’an, 2013: 1-5.

[18]張玉璽, 孫進(jìn)平, 張冰塵, 等. 基于壓縮感知理論的多普勒解模糊處理[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2011, 33(9): 2103-2107. Zhang Yu-xi, Sun Jin-ping, Zhang Bing-chen,et al.. Doppler ambiguity resolution based on compressive sensing theory[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2011, 33(9): 2103-2107.

曾祥杰(1989-)，男，四川德陽(yáng)人，本科畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，現(xiàn)碩士在讀，就讀于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子學(xué)研究所電子與通信工程專(zhuān)業(yè)，研究方向?yàn)閺V域動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與成像。

齊向陽(yáng)(1974-)，男，2001年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，獲得信號(hào)與信息處理專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，研究方向?yàn)樾禽dSAR系統(tǒng)仿真、高分辨率成像技術(shù)和成像新體制。

Spaceborne Regional Surveillance Ground Moving Target Indication Based on Squint-TOPSAR

Zeng Xiang-jie①②Qi Xiang-yang①

①(Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)

For military or civilian activities, it is important to monitor the direction of moving targets in a wide area. Traditional regional monitoring uses the airborne scanning mode (ScanSAR) within the limits of the national airspace. The inherent characteristics of ScanSAR do not apply to spaceborne regional monitoring. In this paper, the spaceborne regional surveillance Ground Moving Target Indication (GMTI) mode based on squint-TOPSAR is proposed. The proposed method uses the TOPSAR mode that improves the low SNR of spaceborne ScanSAR. The full-aperture imaging algorithm for squint-TOPSAR is used in data focusing. The Displaced Phase Center Antenna (DPCA) and Constant False Alarm Rate (CFAR) methods are used to accomplish the moving target indication. The relation between the interferometric phase and the speed of moving target is used to estimate the speed of the moving target and mark the target location in the SAR image. The differences between real and simulation data are analyzed. The simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed method.

Terrain Observation by Progressive scan SAR (TOPSAR); Regional Surveillance (RS); Ground Moving Target Indication (GMTI); Displaced Phase Center Antenna (DPCA)

TN957

：A

：2095-283X(2015)04-0401-10

10.12000/JR14130

曾祥杰, 齊向陽(yáng). 基于斜視TOPSAR的星載區(qū)域監(jiān)視GMTI方法研究[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào), 2015, 4(4): 401-410.

10.12000/JR14130.

Reference format:Zeng Xiang-jie and Qi Xiang-yang. Spaceborne regional surveillance ground moving target indication based on squint-TOPSAR[J].Journal of Radars, 2015, 4(4): 401-410. DOI: 10.12000/JR14130.

2014-11-14；

2014-12-24；

2015-05-06

*通信作者： 曾祥杰 zxjbuaa@163.com

國(guó)家部委基金

Foundation Item: The National Ministries Foundation