一種基于子孔徑SAR的地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法

王金峰，鄧海濤（華東電子工程研究所，安徽 合肥 230088）

一種基于子孔徑SAR的地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法

王金峰，鄧海濤
（華東電子工程研究所，安徽 合肥 230088）

針對(duì)UHF波段運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)中信號(hào)弱、雜波展寬嚴(yán)重等問題，提出一種基于子孔徑SAR技術(shù)的雜波抑制方法。首先通過(guò)SAR成像實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的粗聚焦，再通過(guò)距離-方位拓展局部STAP實(shí)現(xiàn)雜波抑制，避免了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)越距離單元和方位散焦帶來(lái)的信號(hào)損失。最后，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。

地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示；空時(shí)自適應(yīng)處理；子孔徑；雜波抑制

0 引言

具有同時(shí)獲得靜止目標(biāo)成像和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示的多通道SAR/GMTI系統(tǒng)受到了各軍事強(qiáng)國(guó)的青睞［1-5］。相對(duì)于高波段（C/X/Ku等）SAR/GMTI系統(tǒng)，低頻段（UHF）系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穿透能力，可穿透植被探測(cè)目標(biāo)，是全透明偵察的重要組成部分。然而，葉簇等植被的穿透衰減使得隱蔽目標(biāo)的回波強(qiáng)度非常弱，同時(shí)受天線尺寸的限制波束角非常寬，從而使得回波中雜波強(qiáng)度大，且雜波的多普勒譜展寬嚴(yán)重，直接采用常規(guī)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法難以獲得足夠的信雜噪比改善。

長(zhǎng)相干STAP方法［1-4］將傳統(tǒng)的空間—方位慢時(shí)間二維STAP在距離快時(shí)間維進(jìn)行擴(kuò)展，具有處理越距離單元徙動(dòng)的能力，從而利用更多的脈沖進(jìn)行相干處理，提高輸入信號(hào)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。但直接應(yīng)用的計(jì)算量和協(xié)方差矩陣估計(jì)所需的樣本數(shù)都難以滿足研究要求，需要進(jìn)行降維處理。

本文提出一種基于子孔徑SAR的長(zhǎng)相干STAP算法，該算法首先通過(guò)子孔徑SAR成像實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的粗聚焦，將在快時(shí)間-慢時(shí)間維分散的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)凝聚，提高運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信號(hào)質(zhì)量，再對(duì)粗聚焦的像素進(jìn)行方位和時(shí)間聯(lián)合，進(jìn)而利用多通道空間信息實(shí)現(xiàn)UHF波段的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。

1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)子孔徑成像

根據(jù)SAR成像原理，當(dāng)成像的參數(shù)選擇與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)匹配時(shí)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的聚焦成像［4］。然而，在實(shí)際的應(yīng)用中同時(shí)存在多個(gè)不同速度的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，不可能同時(shí)獲得各個(gè)速度目標(biāo)的完美聚焦。另一方面，在UHF波段的SAR/GMTI中，由于受到植被等遮蔽體的電磁波衰減影響，目標(biāo)信號(hào)衰減嚴(yán)重，需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的相干積累來(lái)獲得足夠的信號(hào)質(zhì)量。因此，在UHF波段的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)中，子孔徑長(zhǎng)度一般取的較長(zhǎng)。此時(shí)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引入的運(yùn)動(dòng)誤差將積累，直接采用SAR成像方法將出現(xiàn)一定的散焦。以表1所列的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真，對(duì)不同速度的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行子孔徑（2048脈沖）SAR成像，成像結(jié)果如圖1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)表

圖1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在子孔徑中的成像結(jié)果

由子孔徑成像結(jié)果可見，由于子孔徑時(shí)間較短，低速的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)較好的聚焦成像；速度較高的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)了越距離單元的距離校正殘余量，但遠(yuǎn)距離單元的徙動(dòng)量較小，主要集中在鄰近的距離單元。另一方面，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方位向運(yùn)動(dòng)速度分量，使得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在方位向也出現(xiàn)一定的散焦，但同樣地主要集中在鄰近的幾個(gè)方位單元內(nèi)。

通過(guò)以上分析，可見當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度較低時(shí)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的子孔徑聚焦，此時(shí)可通過(guò)對(duì)同一位置的單一分辨單元建立多通道觀測(cè)模型，并通過(guò)空時(shí)處理實(shí)現(xiàn)雜波的抑制；當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度較高時(shí)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能量主要集中在相鄰的幾個(gè)分辨單元內(nèi)，對(duì)單一分辨單元建立多通道觀測(cè)模型，不能包含全部的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息。因此，本文將單一分辨單元模型在方位向和距離向進(jìn)行擴(kuò)展，建立聯(lián)合分辨單元的STAP模型。

2 局部STAP建模

局部STAP的信號(hào)樣本示意圖如圖2所示。

圖2 局部STAP的信號(hào)樣本示意圖

將N個(gè)通道、M個(gè)方位單元、L個(gè)距離單元的多通道子孔徑SAR成像數(shù)據(jù)排列成N×M×L維的列向量：

Z（i，j）=［ZT（i1，j1）…ZT（im，j1）…ZT（iM，jl），…ZT（i1，jl）…ZT（im，jl）…ZT（iM，jl），…ZT（i1，jL）…ZT（im，jL）…ZT（iM，jL）］T（1）其中，ZT（im，jl）代表成像位置（im，jl）處的N維列矢量：

對(duì)觀測(cè)矢量Z（i，j）建立假設(shè)檢驗(yàn)：其中，b為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的幅度，C為雜波信號(hào)，Q為噪聲信號(hào)，S為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)的導(dǎo)向矢量：

那么，雜波抑制后的輸出可表示為：

將輸出檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的絕對(duì)值與檢測(cè)門限進(jìn)行比較，即可判定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是否存在。

3 仿真驗(yàn)證

基于系統(tǒng)的天線參數(shù)計(jì)算得到天線的收發(fā)方向圖，基于系統(tǒng)的PRF和載機(jī)的速度得到每個(gè)脈沖的天線方位位置，同時(shí)根據(jù)多通道的間隔得到多個(gè)通道多脈沖的等效相位位置。雜波場(chǎng)景的仿真通過(guò)高斯分布產(chǎn)生，同時(shí)通過(guò)距離和方位的間隔距離產(chǎn)生場(chǎng)景的散射點(diǎn)分布。由雜波得到原始回波信號(hào)后，添加高斯復(fù)噪聲，實(shí)現(xiàn)雜噪比因素的仿真。

由于在UHF系統(tǒng)中多為遮蔽目標(biāo)的檢測(cè)，此時(shí)信號(hào)受到嚴(yán)重的衰減，信號(hào)處理的輸入信雜噪比非常低，仿真中通過(guò)衰減目標(biāo)回波信號(hào)實(shí)現(xiàn)。仿真中采用50dB的雜噪比，信雜噪比為-57dB，脈沖點(diǎn)數(shù)為2 048。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位于天線方向圖的中心，速度分布于-9m/s～+9m/s之間，以3m/s為間隔。原始回波的距離多普勒如圖3所示。對(duì)3通道回波檢測(cè)局部STAP模型，并進(jìn)行雜波抑制后的結(jié)果如圖4所示。從圖4中可見到雜波被有效地抑制，可看到清晰的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的分布。

圖3 距離多普勒域原始回波圖

圖4 雜波抑制結(jié)果

4 結(jié)論

本文在分析了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)子孔徑成像的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于UHF波段多通道SAR/GMTI系統(tǒng)慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的方法，該方法通過(guò)子孔徑SAR實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的粗聚焦，降低運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的分布范圍，再通過(guò)方位-距離維的局部STAP實(shí)現(xiàn)雜波的抑制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)UHF波段下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了算法的有效性，下一步將進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和算法的進(jìn)一步優(yōu)化。

［1］STEVEN E G.Upper bounds on processing loss for wideband long-CPI space-time adaptive processing［C］.IEEE Pacific Rim Conference on Communication，Computers and Signal Processing，2009：251-256.

［2］常玉林，周紅，黃曉濤，等.多通道 SAR頻率多普勒域?qū)拵чL(zhǎng) CPI STAP方法［J］.電子學(xué)報(bào)，2011，39（6）：1245-1252.

［3］周紅，黃曉濤，常玉林，等.子帶子孔徑 ATI地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及參數(shù)估計(jì)方法 ［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2010，32 （1）：62-68.

［4］Zhu Shengqi，Liao Guisheng.Ground moving targets imaging algorithm for synthetic aperture radar［J］.IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，2011，49（1）：462-477.

［5］殷戴乾，田錚.多區(qū)域SAR圖像分割的改進(jìn)水平集方法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（20）：38-41.

鄧海濤（1979-），本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理。

A Sub-aperture SAR based GMTI method

Wang Jinfeng，Deng Haitao
（East China Research Institute of Electronic Engineering（ECRIEE），Hefei 230088，China）

In the Ultra-High Frequency （UHF）band Synthetic Aperture Radar/Ground Moving Target Indication（SAR/GMTI）system，the signal of moving target is weak，while the clutter is widely spread in the Doppler field.So it is difficult to indicate the moving targets，especially the slower ones.In this paper，a clutter suppression method is proposed，which is based on the subaperture SAR.In this method，firstly，the moving target is roughly focused.Then the clutter is suppressed through the local spacetime adaptive processing（STAP），which is formulated by extending in range and azimuth.With the extension，the losses of the signal due to range cell walk and the de-focusing in azimuth are both avoided.Finally，the method is validated trough simulation.

ground moving target indication；STAP；sub-aperture；clutter suppression

TN959.1

A

1674-7720（2015）20-0009-03

王金峰，鄧海濤.一種基于子孔徑SAR的地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（20）：9-11.

2015-05-25）

王金峰（1979-），通信作者，男，博士，工程師，主要研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理。E-mail：genfo@qq.com。