（信号与信息处理专业论文）星载分布式sar动目标检测与测速研究.pdf

摘要摘要分布式星载s a r 系统，是一种新的s a r 体制，相比传统星载s a r 优势明显。采用小卫星群编队，协同工作，共同完成s a r 成像和动目标检测；由于采用分布式构形，灵活多变的基线组合，提升系统性能，提高了系统的生存能力；轻巧灵活的小卫星结构来代替庞大、复杂的单颗大卫星，系统冗余性、重构性高；通过标准化和批量化生产可以降低卫星平台成本。本文基于分布式星载s a r 模型，采用相位中心偏置天线的自适应处理方法( a d p c a ) ，结合时频处理技术，完成杂波抑制，提高运动目标的检测性能。本文完成的主要工作有：1 将a d p c a 应用到分布式星载s a r ，建立了相应的分布式a d p c a 模型，对杂波、噪声、目标方位向速度以及沿航迹基线对a d p c a 检测的影响，进行理论推导、性能分析、并加以实验验证。2 分布式s a r 条件下，对a d p c a 、d p c a 以及a t i 三种动目标检测方法进行比较，分析了噪声、杂波、基线对三种方法检测性能的影响。3 针对a t i 方法在强杂波背景下，干涉相位误差较大的缺点，引入基于短时傅立叶变换的动目标测速的新方法，对传统a t i 方法进行改进，提升了干涉相位的准确性，并通过验证其有效性。4 将分布式s a r 的a d p c a 方法加以改进，与r a d o n 变换结合，在杂波较小情况下，提高了动目标的检测性能，并模拟验证。5 将分布式s a r 的a d p c a 技术加以改进，与f r f r 变换结合，尤其是在杂波较强的时候，提高了动目标的检测性能。实现了运动目标的聚焦以及s a r 动目标图像的重新定位，并模拟验证。本文在分布式星载s a r 条件下，对动目标检测技术进行了扩展，为下一步的研究提供一定的参考。关键词：分布式星载s a r ，相位中心偏置天线，沿航迹干涉，短时傅立叶变换，分数阶变换a b s t r a c ti nr e c e n ty e 鸡p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed i s t r i b u t e ds a t e l l i t es a rs y s t e m t 1 l i sm o d e ls y s t e mb r i n g sf o r w a r dan e wc o n c e p ts a rs y s t e m 1 1 坞m i c r o - s a t e l l i t e sc o o p e r a t et o g e t h e rt oa c c o m p l i s ho n eo rm o r et a s k s ，w h i c hh a se q u i v a l e n tf u n c t i o nw i t hab i gs a t e l l i t e 1 1 l en e wm o d e ls y s t e mc a np r o v i d em o r eb a s e l i n ea n dc o n t r i b u t et od a t af u s i o n i th a sm u c hm o r ea d v a n t a g et h a nc o n v e n t i o n a ls i n g l es p a c e b o m es a rs y s t e mb e c a u s ei t sb a s e l i n es e l e c t i o ni sa g i l ea n da l t e r a b l e t i l i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e st h ed i s p l a c e dp h a s ec e n t e ra n t e n n a ( d p c a )t e c h n i q u ei nt h en e ws y s t e m ，a n dt h ec o n t r i b u t i o n sa r ec a l c u l a t e da sf o l l o w i n g ：1 t l l i sd i s s e r t a t i o ns e tu pt h em o d e lo f t h em i c r os a t e l l i t e sg o i n gw i t ht h ep r i m a r y ,d e d u c e dp a r t i c u l a r l yf o r m u l a , p r o v e dt h ea d p c at e c h n i q u ec 孤b eu s e di nt h ed i s t r i b u t e ds a t e l l i t es y s t e mt od e t e c tm o v i n gt a r g e t a n ds o m ec o m p u t e rs i m u l a t i o n si l l u s t r a t et h ep r o b l e mc o n v i n c i n g l y 2 w ec o m p a r et h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo f g r o u n dm o v i n gt a r g e to f t h ea t ia n da d p c at e c h n i q u ef o rt h en e wm o d e lo fd i s t r i b u t e ds p a c e b o m es a p , i nd e t a i l s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e dw h i c hi l l u s t r a t et h ep r o b l e mc o n v i n c i n g l y 3 a n a l y z et h ei n s u f f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a la t it e c h n i q u et om e a s u r et h em o v i n gt a r g e ts p e e da n dp r o p o s e dan e wm e t h o du n i f i e ds t r e t c h - c h i r pp r o c e s s i n ga n ds h o r t - t i m ef o u r i e rt r a n s f o r m st om e a s u r et h em o v i n gt a r g e t ss p e e d f i o mt h ec l u t t e rt oe a t yo ni n t e r f e r e n c e 4 p r o p o s ean e wa d p c am e t h o db a s e do l ir a d o ni nn e wm o d e lo fd i s t r i b u t e ds p a c e b o m es a r s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d s5 p r o p o s ean e wa d p c am e t h o db a s e do nf r f ti nn e wm o d e lo fd i s t r i b u t e ds p a c e b o m es a r , w h i c hc a nf o c u sa n dr e l o c a t em o v i n gt a r g e t s s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f t h em e t h o d sk e yw o r d s ：s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) ，d i s t r i b u t e ds p a c e b o m es a r ，a d p c a ，a t ii i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：玉血导师签名：丛亟全日期：年月日第一章绪论第一章绪论有句古语，所谓“高瞻远瞩”，星载雷达相比机载雷达飞得高、看得远，优势明显。分布式星载s a r 系统则是近年来提出的全新概念的合成孔径雷达系统，比单星s a g 系统的性能更优越、功能更多，这种新概念集中体现了星载s a r 技术最新进展方向【l - l o 】。1 1 研究的背景与意义分布式s a r 系统，由多颗小卫星按要求分布在轨道平面上而构成，它能够增大地面覆盖范围直至全球覆盖并缩短重访周期，单颗大卫星根本无法实现。例如：美国“国防预研局( d a r p a ) ”提出的战术侦察星座，简称“蓝锆石”星座，将由运行在近地点轨道上的2 4 颗工作小卫星和3 颗备用小卫星组成。系统采用现有的合成孔径成像( s a g ) 和动目标显示( m t i ) 改进型的雷达跟踪活动目标可以穿透浓厚的云层对地面成像，并在数秒内将图像传递给战场指挥员。s a r 和m t i 的遥感器还可以发现并识别敌方领土纵深处的目标，使指挥员在离敌方4 8 0 k m 9 6 0 k m 的地区，以3 m 的精度，标绘出目标所在的位置。分布式小卫星体积小、重量轻、造价低廉，并可以批量生产；辅星与主星处于同。飞行轨道，飞行状态单一，容易控制；各辅星处于平等地位，若有部分辅星受损或发生故障，整个系统依然可以正常工作：收、发系统的分置有利于获取目标多个方向的散射特性，获取更丰富的散射信息；不同的卫星工作模式及灵活的基线选取，可扩展传统星载s a r 系统用途。另外，分布式s a r 还可以在不损失空间分辨力和保证信噪比条件下提高s a r图像的等效视数，有效的抑制相干斑噪声；可以在不损失空间分辨力条件下实现宽测绘带成像；可实现单次飞越同一观察区的干涉s a g 模式，极大的提高了切航迹干涉s a r 的测高精度和沿航迹干涉s a r 的测速精度；可以同时执行多种工作模式的任务。毫无疑问，随着研究工作的深入推进，分布式卫星s a r 系统必将展现出更多更优异的性斟8 】【9 】。电子科技大学硕士学位论文1 2 分布式星载s a r 系统的发展与趋势关于分布式星载s a r ，从公开的文献记录有两类：一种是多发多收体制( 全自动构型) ，即每颗卫星既发射也接收信号，比较有代表性的是美国空军实验室( a f r l ) 的t e c h s a t - 2 1 计划f 2 】和加拿大的r a d a r s a t - 2 3 计划，见图1 2 ；另一种是单发多收体制( 半自动构型) ，见图1 1 ，即主星具有发射又有接收能力，而其他小卫星仅有接收能力，主要有法国宇航局( c n e s ) 的“干涉车轮”( i n t e r f e r o m c t r i ec a r t w h e e l ) 【4 】【3 j 和意大利的b i s s a t 计划【1 0 】。下面介绍国外的几种典型的分布式卫星s a r 系统。图1 - 1 单发多收构型图1 - 2 多发多收构型图1 - 3t e c h s a t - 2 1 系统布局t c c h s a t - 2 1 计划是美国于1 9 9 8 年提出【2 】，主要任务为实现高性能g m t i ( 地面运动目标检测) 。该系统集成各种新技术，采用三维密集编队飞行，构成一个大的虚拟卫星。x 波段，为全有源体制，其空间构形如图1 3 所示，由几颗小卫星形成分布式群聚组合，各卫星既发射信号也接收回波，卫星的数目可根据需要进行调整，它们的整体功能和飞行特性可以用一颗虚拟卫星昌来表征。整个小卫星群聚组合按等分角度分布在一个以虚拟卫星品为圆心，直径为d 的圆周上。这种构型的优势在于各小卫星的离地高度和作用距离基本相等，投射角和波束照射区域基本相同，这使得各小卫星具有基本相同的正侧视测绘带，成像处理比较容易；缺点是各个卫星既要发射又要接收信号，因此运行成本较高、实现的难度也较大。图1 - 4c a 竹w h e e i 编队构型图图i - 5p e n d u l u m 编队轨道构型c 干涉车轮，( i c w ) 是由法国宇航局的m a s s o n n e td 等人提出概念【4 】【3 】，示意图见图l - 4 。它利用在轨或计划发射的传统s a r 卫星作为主星，同轨道上离主星2第一章绪论一定距离处的若干颗小卫星编队跟随飞行，小卫星之间在相对运动轨道上运行形成一个椭圆，其绕飞轨迹为封闭的曲线。由主星发射信号，各伴随小卫星仅接收地面回波。这个计划的优点在于成本较低，因为只需发射装载接收设备的小卫星。干涉钟摆( i n t c f f c m m c t r i cp e n d u l u m ) 构型是德国宇航局在干涉车轮概念的基础上提出的一种构型【2 0 】，主要解决了干涉车轮编队形式的不足，如图1 5 所示。各小卫星轨道倾角和升交点赤经略有不同，因而不共轨道面。钟摆式编队构型的优点是能够形成稳定的沿航迹基线，有利于实现动目标检测功能，且切航迹基线与沿航迹基线独立，可以灵活调整切航迹基线长度满足不同的需要。但是编队稳定性不如干涉车轮，需要消耗能量来保持编队队形，因此对轨道控制要求很高。总之，各国都在加紧分布式卫星s a r 系统的研发，类似的系统还有澳大利亚工程卫星( j a e s a t ) l l ，俄罗斯和澳大利亚联合研制的科学试验卫星k o l i b r i 一2 0 0 0 【1 6 1 、南非的第二代地球观测卫星s u n s a t2 【7 】和德国t a n d e m x ( 二颗t c r r a s a r x 卫星编队飞行，计划2 0 0 9 年发射) 【1 2 】等。国内电子科技大学提出了分布式卫星系统的概念，并且在回波信号分析、成像方式、工作模式、轨道设计、基线测量、姿态影响和总体方案设计等方面作了很多工作。西安电子科技大学对机载星载s a r 空时自适处理技术作了大量工作。中科院电子所在分布式小卫星微波成像雷达系统方面的一些概念性研究，国防科技大学在星载双，多基地s a r 方面的研究比较深入，取得了很多成果，已开始进入做实验样机的阶裂3 2 】【3 8 11 5 2 。1 3s a r 动目标检测与成像技术的发展与趋势s a r 动目标检测与成像在军事上具有特殊重要的意义，一直是星载s a r 的热点问题。对地观察希望能够检测并聚焦动目标，因此动目标检测方法的研究是s a r 信号处理领域的重要发展方向。早载1 9 7 1 年，美国的r t e i t hr a n e y 首先开始研究s a r 动目标检测与成像，指出运动目标在常规s a r 图像中会出现散焦、模糊和位置偏秽5 9 1 。常规的单通道雷达动目标检测技术，包括t a c c a r 、m t i 、a m t i 等只在时间域处理，算法简单、易于实现，但缺点是杂波和目标多普勒频移的差别在时间域进行杂波抑制，没有综合利用机载星载雷达杂波的空间一时问耦合特性【4 引。当目标多普勒频率接近或淹没在主瓣杂波频谱中时，时间域的一维处理便无法对杂波实现抑制而保留目标。星载条件下，要检测的对象是地面低速动目标，其多普勒3电子科技大学硕士学位论文频率较低，非常接近或淹没于主瓣杂波中，常规方法无法得到满意的检测效果。多通道s a r 技术的发展很好的解决了此缺陷，多通道s a r 系统由于能同时接收两路或者多路回波信号，因此能够有效地抑制杂波而检测动目标。多通道s a r动目标检测的方法主要有三种：沿航迹干涉技术( a t i ，a l o n g t r a c k i n t e r f e r o m e t r y ) 、相位中心偏置天线技术( d i s p l a c e dp h a s ec e n t e r a n t e n n a ，简称d p c a ) 、多通道空时自适应处理技术( s p a c e t i m e a d a p t i v e p r o c e s s i n g ，简称s t a p ) 阻j 。沿航迹干涉，最初由r m g o l d s t e i n 和h a z e b k e r 提出，主要用于海洋洋流的径向速度测量。a t i 理论早在8 0 年代中期就在美国n a s a 的c v 9 9 0 载机上通过安装第二幅工作在l 波段的天线得到两幅复图像，干涉处理后得到海洋流动信息。双基线用来测量海洋表面相干时间，并在j p l 的a i r s a r 上验证，1 9 9 1 年得到了墨西哥海峡双基线干涉数据，显示和测量了海峡的潮汐流动。近几年来a t i 技术应用更广，不仅机载s a r ，在星载s a r 中也有应用，如美国的s h u t t l er a d a rt o p o g r a p h ym i s s i o n ( s r t m ) ，德国的t e r r a s a r - x 以及加拿大的r a d a r s a t - 2 等都采用a t i 方法。还能够检测陆地运动目标，尤其可以较好的检测慢速运动目标【1 4 j 。2 0 0 6 年德国发射的t e r r a s a r - x ，具有条带、聚柬和扫描等工作模式，分辨率在l米以下，采用予孔径方法实现沿航迹干涉动目标检测【l 川相位中心偏置天线，是多通道s a p 动目标检测的一个典型方法，早在上个世纪5 0 年代提出。可用于s a r 地面运动目标检测，理论d p c a 需要运动速度和脉冲重复频率之间存在严格条件，实际应用受到了一定的限制。由于理想d p c a 条件难于满足。8 0 年代后，发展了多次d p c a 对消固定目标显示动目标的方法，一般采用三天线作四次对消，现有的机载s a r m t i 系统一般都采用此方法。1 9 9 1 年的a n a p g - 7 6 、1 9 9 9 年美国海军的x 波段甚高分辨率s a r ( 0 3 米) 都采用三端口天线d p c a ，对消精度高，还能估计目标方位位置1 5 2 。1 9 9 5 年，t i mj n o h a r a 比较了星载雷达的d p c a 和s t a p 动目标检测两种方法。从运算量、杂波对消能力等方面仿真，并指出d p c a 更适合星载雷达。当然，如果硬件允许，结合s t a p 方法可以得到更好检测效果【2 6 】。2 0 0 0 年，空军雷达学院的王永良、国防科大的陈建文等人，对现代d p c a 技术进行详细总结和仿真，对d p c a 、多相位中心d p c a ，x a d p c a ，多相位中心一多延迟d p c a ，非正侧面阵d p c a ，频域d p c a 进行仿真，使d p c a 的应用范围得以扩膨。空时自适应处理技术，2 0 世纪7 0 年代，美国b r e n n a n 和r e e d 教授就提出了空时二维白适应处理的概念，因为运算量问题一度发展缓慢，但最近十多年快速发展，相继出现了降维和简化方法。1 9 8 7 年k l e m m 的辅助通道法( a c r ) ，4第一章绪论r d b r o w n l 9 8 6 年的z s 1 a - p 。2 0 0 0 年，王永良、彭应良发表空时自适应处理技术专著【锵】，对二维c a p o n 法( t s a ) ，以及局域联合处理( j d l ) ，组合通道法( c c p )等空时处理技术进行系统总结，并提出的1 d t 、m d t - s t a p 等降维s t a p 方法。在机载s a r 条件下已经有很多应用【5 2 1 。s t a p 及其降维算法，已经逐步应用到星载雷达，合成孔径雷达领域l 蜉】。2 0 0 5 年，i e e e 雷达会议文献，加拿大多伦多大学的a d v e , r s 、美国空军实验室的m i c h a e lc w i c k s 等人，对分布式卫星采用s t a p 方法进行动目标检测仿真，分析了星载条件下空时处理的关键问题，以及未来发展【2 3 1 。2 0 0 6 年，中科院空间科学研究中心的云日升等，采用空时自适应处理( s t a r ) 方法，在分布式卫星条件下，对慢动目标检测进行仿真，指出经过降维处理的s t a p 方法计算量仍然庞大，现有硬件制造技术下，处理过于复杂，星载s a r 系统的s t a p 应用还有难度，现阶段的研究大部分是理论仿真，需要进一步完善。从空时二维处理角度来看，d p c a 是s t a p 的一个特例，多相位中心d p c a技术与最优s t a p 具有几乎相同的结构i 硐，d p c a 相比s t a p 虽然性能上差一些，但是d p c a 、a t i 结构简单，比较容易容易，这种方法在星载s a r 动目标检测中具有很强的优势【5 3 】 1 3 1 1 3 4 1 。当然，实际应用中，应结合d p c a 、a t i 的差异，综合各自的优势，更好的实现检测动目标嗍综上，从公开的文献资料看：机载平台s a r 的动目标检测的方法比较成熟、应用范围广，大都采用m t i 、a t i 、d p c a 和s t a p 技术进行杂波抑制；而对于分布式星载s a r 的杂波抑制、目前的热点方法是a t i 、d p c a 、s t a p 、s p i r 等，现阶段，国内在这方面的研究大都是可行性论证、模拟仿真阶段1 5 2 1 1 3 1 【3 1 1 。总之，具体采用什么方法抑制杂波、更适合分布式星载s a r 动目标检测，目前没有完善的理论，本文正是基于以上热点问题加以探讨。1 4 本文主要工作和安排在分布式星载s a r 条件下，应用自适应d p c a 方法，及其改进方法，实现更好的对动目标检测与测速。第一章：绪论。介绍论文的研究背景和意义，简述国内外分布式卫星s a r 和动目标检测技术的研究动态。第二章：介绍s a r 动目标检测与成像基本理论与分布式星载s a r 信号特性。第三章：建立分布式s a r 的a d p c a 回波信号模型和成像模型；推导a d p c a5电子科技大学硕士学位论文技术运用所需的公式，仿真了k 分布杂波回波，对杂波分析背景杂波、噪声、基线等对a d p c a 技术检测性能的影响，并通过仿真验证。第四章：在分布式星载s a r 模型下，结合前面的理论，通过实验比较了a d p c a 、d p c a 和a t i 三种检测方法、并总结各自的优劣。针对a t i 在强杂波环境下出现干涉相位偏差的缺点，引入基于短时傅立叶变换的动目标测速新方法，对传统a t i 方法进行改进，提升了干涉相位的准确性，并通过验证其有效性。第五章：。在分布式s a r 模型下，运用r a d o n 方法、f r f t 方法，与分布式s a r 的a d p c a 结合，改善a d p c a 的检测性能，强杂波环境下完成运动目标的检测和径向速度估计，还可以实现运动目标的聚焦以及图像重新定位。并仿真验证。第六、七章：研究分布式s a r 模型下的w v d 时频分析，动目标聚焦成像理论，并对文进行了总结以及需要进一步研究的内容。其中，第三、四、五章是本文的重点。6第二章分布式星载s a i l 动目标检测与成像理论第二章分布式星载s a r 动目标检测与成像理论研究分布式卫星s a r 系统，本文的参考模型为简化的单发双收，一颗主星发射，两颗小卫星接收，参见图1 - 1 。结合基本的s a r 原理，重点分析星载分布式s a r 条件下，引入d p c a 、a t i 等方法实现动目标检测。2 1 分布式星载s a r 动目标回波信号分析图2 - i 表示运动目标与雷达的几何模型，雷达平台飞行速度，在f = 0 时刻，雷达位置为( o ，0 ， ) ，地面动目标p 位于( 而，y o ，0 ) a p 点到雷达飞行航迹的距离为疋，所以r ：丽。动目标方位向地面速度和加速度为( 匕，a x ) ，距离向地面速度和加速度为f ，q 1 。经过t 目标运动到p 点a由空间几何关系可知，在斜距平面内距离向速度和加速度分别为：咋2 石y o 。哆，q 2 薏。哆( 2 - 1 )在t = n t 时刻，目标运动到“，咒，0 ) ，到雷达平台的斜距r ( f ) = r ( 月r ) ，则：置2 ( r ) = ( v ，t 一，。一v ，t l a s t 2 ) 2 + ( m 。+ v ，r + n ，r2 ) 4 ( 2 2 )将上式在f = 0 处展开，忽略高次项；回波信号经过检波和距离向压缩，在t = f 时r ( f ) * r + 嘉x o ，+ 2 ( x o v ，一矾) f + ( k 2 + 口一2 v l 咋+ a x h + 咋2 ) 1 2 + 疋( 2 _ f + q f 2 ) ) ( 2 3 )s r ( n ，q ；) = g ( 雕丁) ；玎：j 西。【p ( 一j 2 ：r f 。r ) 写= 仃( 而) r o e x p ( 一，2 石五r ) ( 2 - 4 )把f ：2 r ( n t ) f l z ( 2 3 ) 代入( 2 4 ) 式，整理后可得：嘶一叫廿栅h ：避+ 去暖荔2 翳卵铲) 7电子科技大学硕士学位论文由( 2 。5 ) 式中相位项可见，由雷达运动产生的多普勒频率为：，= 2 ( x o v g 一匕2 玎t ) 弛( 2 _ 6 )由目标运动产生的多普勒频率为：z = 一2 ( x o v x + r c ( v r + a r n r ) + ( 叱2 - 2 v s v ，+ a x x 0 + v r 2 ) n r ) 五足( 2 _ 7 )( 2 6 ) 式、( 2 7 ) 式可得雷达运动产生的多普勒中心频率和调频斜率分别为厶= 2 x o a 疋( 2 。8 )厶= 2 k 2 旯足( 2 。9 )由目标运动产生的多普勒中心频率和调频斜率分别为：。丘= 一2 ( 匕+ r v r ) a 足五= _ 2 ( 足q + 口一2 匕+ q 而+ v ，2 ) a r c( 2 - 1 0 )( 2 一1 1 )动目标回波信号距离向压缩处理与静止目标没有区别，静止目标成像，动目标不仅在方位向会发生移位，而且图像也将散焦，幅度下降。如果多普勒调频斜率已知，由( 2 - 9 ) 式和( 2 - 1 0 ) 式可知，运动目标回波信号的多普勒中心频率为：厶= 厶+ 丘= 2 ( x o v g 一而心一r ：r ) 弛( 2 1 2 )对于在同一方位位置的静止目标和运动目标，其多普勒中心频率的偏差为：一观= 厶一袁而k 2 厶( 2 - 1 3 ) “静止目标$ a r 成像的方位位置而= 尢艮( 2 允v g ) ，利用动目标多普勒中心频率，可以得到：x o = x o 一而监一咫兰( 2 1 4 )静止目标s a r 图像上，动目标的方位向位置，偏离其真实位置程度为：a x = x o x o = 一( x o v ，+ 咒v r ) v l( 2 1 5 )若目标距离向速度较大，v ，v ，超过了天线水平波束宽度，则图像通过移过整数倍的波束宽度，使目标位于照射波束之中。若多普勒调频斜率能精确估计，动目标方位向的分辨率不会变差，但静止目标雷达图像上的方位位置将偏移，其偏离程度与动目标的真实位置和地面速度有关。多普勒调频斜率误差将直接影响动目标成像质量，如果动目标的多普勒中心频率确定。地面静止目标的多普勒调频斜率为：一2 v 。2 k s 。由式( 2 1 0 ) 、式( 2 - 1 1 )可知，运动目标的多普勒调频斜率是：8第二章分布式星载$ a r 动目标检铡与成像理论厶= f ，+ 矗= 熹( v 。2 + 矗冉+ 匕2 2 v ，+ v 。+ 匕2 )( 2 。z 6 )多普勒调频斜率决定成像的质量，调频斜率的微小误差都会使s a r 图像变得模糊，分辨率下降。用静止目标的多普勒调频斜率对动目标进行聚焦成像，必然导致动目标方位向散焦，随着0 的增加而增大。动目标的多普勒斜率为：a f t , = f l r - 等= f ，协1 7 )静止和运动目标的差异在多普勒调频斜率，s a r 图像上产生了二次相位误差，二次相位差会造成目标压缩波形主瓣展宽，主瓣峰值下降，旁瓣电平升高。对于运动目标而言，最大二次相位误差为：小z 蛳阿= 孚协( r 。a , + v f - 2 v , v ，+ a ：q 卅他( 2 - i s )如果运动目标的速度较慢，则屹v l ，b v l ，v ，v | ，i i ( 2 一1 8 ) 简化为：戎。* 三# 一2 ( 足q 一2 v , v ，+ 谚) a r( 2 1 9 )用五o is 2 ( o ) l 、点o i 2 ( o ) 1 分别表示有、无二次相位误差时的主瓣峰值，则其相对峰值为：揣圳 罕卜 厚 c 争其中c ( ，) = i c o s 净2 p t ，s ( x ) = 胁( ；r 2 p r ( 2 - 2 1 )c ( ) 和s ( ) 为菲涅尔积分。距离向和方位向的分辨率越来越高，目标横向波束所产生的距离变化量越大，即成像处理中的距离徙动校正成为不可忽略的部分。距离徙动量a rs n 2 时，距离徙动可以忽略不计。校正距离徙动可以在时域，也可以在频域。时域下，由于在同一距离不同方位上的目标的徙动轨迹互相重叠，在时域校正非常困难，通常在频域校正。相对简单，把经过距离压缩后的数据变换到距离多普勒域，然后采用插值获得距离徙动轨迹上数据，从而消除距离向和方位向的耦合。插值方法有很多，如最临近域近似、多项式插值和s i n c 插值等。以上分析可知，目标距离向速度引起的距离单元迁移；目标距离向加速度和方位向速度引起的方位向散焦；距离向速度造成的成像位置方位向的偏移。9电子科技大学硕士学位论文2 2s a r 动目标检测技术2 2 1s a r 动目标检测分类根据回波特性，主要分成两类，见图2 3 。第一，根据动目标回波特性检测，常见于单通道s a r ，根据动目标的多普勒中心频率、调频斜率以及动目标的时频特性来划分；第二，从杂波抑制的角度，需要先消除杂波，然后从去掉杂波的信号中检测动目标，进而获取目标运动参数，常用在多通道s a r 系统中，几路接收通道同时工作，然后对消掉杂波，就能够有效的检测动目标。图2 - 3s a r 动目标检测方法分类频域滤波法是基于动目标的多普勒中心频率偏离杂波多普勒中心频率来实现动目标检测的。当运动目标距离向速度较大时，静止目标与运动目标的方位频谱可以分开，运动目标回波信号的频率迁移量与运动目标的距离向速度成正比，利用这一特性可以用频域滤波的方法滤除杂波信号及静止目标回波信号，并估计运动目标的距离向速度。这种方法不能解决目标方位向速度和距离向加速度造成的方位向散焦问题，但此类方法处理简单，易于实现，但检测效果差。反射特性位移( r m d ) 方法是根据动目标多普勒调频斜率不同，从杂波中判断动目标存在与否。采用r m d 的前提条件是天线具有足够大的方位向波束宽度，这样两个相邻方位向功率谱就会具有强相关性。通过两功率谱的相关运算确定最大值的位置，从而得到频移，这一频移除以缸得到两段数据的方位向多普勒斜率。维纳维勒分布( w v d ) 方法、小波变换法等时频分析方法是根据被检测信号的时频特点将它与其他信号区分开来。w v d 的时频聚集性是最好，无限长线性调频信号的w v d 在时间频率平面上的投影是一条直线，有限长线性调频信号的w v d呈背脊状，能量集中易于检测，本文第五、六章将w v d 应用于a d p c a 的改进。对于单通道星载s a r 而言，一般采用m t i ，a m t i 杂波抑制效果都不是很理想，第一类中比较简单实用的是频域滤波法，其他方法虽然在某些特定的情况下1 0第二章分布式星载s a r 动目标检测与成像理论也能够获得较好的检测效果，种种缺点，限制了单通道s a r 的应用。星载条件下，对于双多通道实现s a r 动目标检测的d p c a 、a t i 和s t a p 技术，都是利用多个独立通道在不同的时刻观察同一日标区域：对于静止目标，每一通道信号相同可以完全对消；而对于运动目标，对消后信号则被保留下来，利用此特性检测动目标。如图2 - 2 所示，经距离压缩后的距离一方位维原始数据域中静止目标和运动目标表现形式关于静止目标经过距离徙动校正，k 1 表示远离卫星平台的运动目标，k 2表示静止目标，l ( 3 表示朝卫星方向运动的目标，并且目标k l 比目标邸的速度值大，其距离徙动也大。理论上讲运动目标表现为倾斜的直线，静止目标表现为垂线。若s a r 成像系统分辨率低或者运动目标速度值小使运动目标的回波数据没有跨越距离门，运动目标也可能表现为垂直的线。经过两通道d c p a 对消，静止目标k 2 将消失，运动目标k 1 和k 3 则沿着原来的直线保留了部分能量。图上经过针对静止目标的距离徙动校正，由于目标信号能量不集中，必寻找新的方法计算幅度和相位，本文将在第五章讨论a d p c a 的改进算法。在s a r 成像后的d p c a 和a t i ，其优点是经过方位压缩，动目标信杂比( s c r )增加，提高了检测概率 7 4 1 7 2 ：缺点是需要分别方位压缩，增大了运算负荷量。在s a r 成像前的方法嗍，主要问题是：未做提高方位向分辨率的处理，信杂比低，不易检测。另外，d p c a 和干涉处理相结合的三通道、或者更多通道方法。双通道着重在对消，当涉及多参数估计时必须要三通道，但更多通道会增大系统复杂度和计算量并需要额外高昂的费用。分布式卫星s a r 的多通道进行运动目标检测效果更好，但多通道会导致s a r的体积增大、结构复杂，运算量大；但要保证多个天线通道完全一致，工程实现难度较大，现阶段研究基本的分布式的两通道系统应用性较强。下面针对分布式s a r 模型，探讨如何应用双通道d p c a 、a t i 以及多通道s t a p 进行杂波抑制。2 2 2 分布式s a r 双通道d p c ad p c a 技术起源于地面雷达的两脉冲相消m t i 技术h 8 m 3 1 。在机载( 或星载)雷达中，由于平台的运动使杂波多普勒频谱展宽，两脉冲相消m t i 技术无法有效的抑制杂波，便提出了d p c a 技术，d p c a 技术使用两个或多个相位中心，满足d 2 = mo p r f ，( i n 为正整数) ，d p c a 的基本原理见图2 - 4 。比模型c图2 - 4d p c a 基本原理图2 - 5分布式s i cd p c a 几何关系疆为三 巧，名 以，零时刻的t a y l o r 展开：蹦( r r o + r o ) + ( 筹+ - v , t - rto 即( 2 - 2 2 )其中，兄。为定值。= 辟。2 + r( 2 2 3 )假设砖= 辱。( 2 2 4 1瞅镨黝釉粉肿) = 孚叫丢+ 为半嘲由( 2 之5 ) 式可见多普勒频率函数厶( f ) 具有线性调频特性，进一步简化：厶= 业磐一( + 1 ) r _ ：地。( 2 - 2 6 )以后方位向多普勒线性调频斜率为：以= + 1 ) 名2 兄心o( 2 2 7 )在堡塑堡婆工：s 1 与s 2 做等速匀速直线运动，且间距为b ，只要= 2 + 仁+ 功2 ，代入( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 便得到天线s l 接收回波的多普勒频率和斜率。分布式s a r 情况下，巧使多普勒频率产生偏移，偏移量与一般的单基地s a g有区别：a r = ( 1 + 七) 巧a ( 2 - 2 8 )设口是点目标散射系数，k 和m 分别是方位向和距离向窗口，f 是快时间，k为发射信号调频斜率， 是载波波长。则去载频后，点目标的回波信号为：蹦叫扣wr f - 抛) 卜) c x p - 雕 r 一抛卅唧p 和( f ) ) 9 )分布式小卫星的回波信号通过距离压缩之后：“i ：一p一萋0第二章分布式星载s a p 动目标检测与成像理论，f ) - 蹦f ) 小唧( 一，孚吨) 山c 卜( r 一争) 川nc 蹦r 喝c ) e x 一( 一，孕一。) ，( 埘) c x ， ，等( t ) 即 ( 2 - 3 0 )式中r 。= r 。+ r 置0 ，b ，= 朋0 是雷达发射线性调频信号的带宽。因为是慢速运动的目标，所以a r 3 3 d b 的时候，有很好的检测效果，改善因子相对平稳；3 3 d b s c r 4 5 d b 时，出现剧烈波动，主要根据杂波的随机性3 l电子科技大学硕士学位论文而出现杂波抑制能力的大幅波动，s c r - 4 5 d b 之后，信号过于微弱，a d p c a 的图像经常出现假目标“黑点”，杂波对消剩余增多，虚假目标增多，无法完成检测。通过以上的仿真分析：在分布式s a r 中，按卫星参数仿真，a d p c a 算法仍能得到较好的检测效果。当然如果动目标信号相对太微弱( s c r 4 5 d b ) ，则用a d p c a方法也无法检测动目标。3 4 3 噪声对a d p c a 的影响本节讨论噪声对分布式a d p c a 系统的影响。恒定s c r = - 2 5 d b ，地面目标的运动速度为e = 2 m s ，圪= 0 m s 时，不同s n r 的检测结果，取d 2 = ( 1 0 + 1 4 ) + 圪r ，其它参数不变。实验结果为图3 2 5 、图3 2 6 、图3 2 7 。随着s n r 的减小，检测效果越来越差，当信号与噪声相当时，基本无法检测动目标，所以噪声对a d p c a 算法的影响是巨大的，在a d p c a 成像原理中，已经知道，a d p c a 不能有效的去除噪声，因为噪声的随机性和非相关性，无法实现对消。检测性能受背景噪声的限制。在噪声较大时，检测性能下降，当s n r 1 0 之后，改善因子迅速下降。基线过长使杂波对消效果变差，这种下降主要原因是随着基线的增大，杂波的相关性下降，不能完全对消杂波造成。实际的a d p c a 应用时，为了精确的测速，m应尽量取较小值，这样保证了杂波的相关性，杂波就可以最大限度的对消，实现更好的检测性能。3 5 本章小结在布式卫星情况下，采用d p c a ，a d p c a 方法进行动目标检测和成像的过程。给出了两颗接收小卫星模式下，分布式星载s a r 的a d p c a 几何模型，并分析了分布式s a p , 的动目标回波模型，推导了动目标检测和成像所需的必要公式。通过仿真验证了在该模型下的d p c a 以及a d p c a 算法的有效性和可行性。将k 分布随机信号作为场景杂波以及动目标检测门限如何选取。利用成像逆过程反演合成分布式s a r 的回波，得到比较真实的杂波场景。通过对分布式星载s a r 的a d p c a 检测模拟，在d 2 m 圪t 分布式星载s a r中应用，由于系统结构相对简单，实现相对容易，对杂波抑制能力强，且具有自适应调整能力，在分布式星载s a r 条件下，讨论a d p c a 的性能，分析基线、噪声、目标方位向速度等对该方法的动目标检测能力的影响。第四章分布式星载s a r 动目标检测方法的比较4 1 概述第四章分布式星载s a r 动目标检测方法的比较本章将在前面内容的基础上，对a d p c a 、d p c a 和a t i 的检测性能进行比较，更全面的研究分布式s a r 双通道a d p c a 方法的性能。另外，针对a t i 在强杂波环境下干涉相位明显偏差的缺点，引入基于短时傅立叶变换的动目标测速的新方法，对传统a t i 方法进行改进，获取更为准确的动目标的干涉相位信息，并通过验证其有效性。4 2 分布式a d p c a 和d p c a 检测性能比较这里对前文讨论的动目标检测算法进行比较，分布式d p c a 的模型参见2 2 2节，分布式a d p c a 的模型主要参见3 3 2 节，同样采用一发两收沿航迹模型，以方便讨论这三种方法的特点。4 2 1 杂波、噪声对a d p c a 和d p c a 性能的影晌理想d p c a # - d 2 = m v s r ，d p c a 能够取得最佳的效果；一旦不满足该条件，d p c a 就无法完全对消杂波，甚至无法检测。因此，比较二者的性能时，需要考虑非理想条件，存在小幅误差，d 2 = ( 1 0 + 1 1 0 0 ) v , r ，对比a d p c a 和d p c a的性能。表4 1a d p c a ，d p c a 比较的仿真参数卫星高度8 0 0 千米卫星速度1 4 5 6 米f 移天线方位向长度1 36 米脉冲重复频率1 2 5 0 h z基线距8 96 米入射角5 23 6 度脉冲宽度1 0 微秒咏冲波长0 0 3 爿距离向采样率5 0 m动目标距离向速度2 米秒入射角5 23 6 度动目标方位向速度0 米，秒发射天线到最近的接收天线的距离1 0 0 0 米基线距1 2 0 0 4 1 6 来带宽4 0 m根据图4 - 1 和图4 - 2 成像效果图和剖面图的幅度差异，a d p c a 检测后的信号幅度明显大于d p c a ，a d p c a 算法杂波抑制能力明显优于d p c a 算法。另外，根据下面