CN116381639B 一种基于频率分集阵列的sar-mmti杂波抑制方法 （哈尔滨工业大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利大直街92号标代理有限公司23213专利代理师于歌一种基于频率分集阵列的SAR-MMTI杂波抑现有方法不具备在宽幅条件下解距离模糊的能匹配SAR雷达具有大相干积累脉冲数的回波特消波12步骤四：对距离依赖性补偿后的回波信号进行距离徙步骤七：选取与第i个距离单元相邻的20个距离单元中转换至距离-多普勒域的回号作为训练样本集，i=1,2,...,N,并将训练样本集中包含非均匀杂波和干扰的样本剔步骤八：利用第i个距离单元的最终样本集估计获得第i个距离协方差矩阵计算探测目标在第d个多普勒单元的最优自适应权向量，并利用该最优自适应2.根据权利要求1所述的一种基于频率分集阵列的SAR-MMTI杂波抑制方法，其特征在步骤十一：对所有普勒单元内杂波抑制后的回波信号进行方位维压缩，完成探测目标的图像重构。3元天线之间的相位差。4.根据权利要求1或2所述的一种基于频率分集阵列的SAR-MMTI杂波抑制方法，其特征在于，第m个匹配滤波器在t时刻下的脉冲响应h(t)为：且满足以下正交条件：的共轭，φm(T-t)为第m’个发射阵元天线在τ-t时刻下发射的正交信号，△f为相邻发射阵元天线所发射正交信号的载频差，m³=1,2,...,M,m=1,2,...,M,m≠m’,j为虚数标志，Vt表示任意时刻。5.根据权利要求1或2所述的一种基于频率分集阵列的SAR-MMTI杂波抑制方法，其特征在于，第i个距离单元的补偿因子h根据下式构建：天线所发射正交信号的载频差，j为虚数标志。6.根据权利要求1或2所述的一种基于频率分集阵列的SAR-MMTI杂波抑制方法，其特征在于，第d个多普勒单元内感兴趣距离模糊区域的发射和接收导向矢量分别为：其中，a(fa,p)和ag(fa)分别为第d个多普勒单元内感兴趣距离模糊区域的发射和接收导向矢量，fa为探测目标在第d个多普勒单元内的多普勒频率，p为探测目标所在距离模糊区域的序号，fa。为探测目标径向速度导致的多普勒频率偏移，d₁为相邻两个发射阵元天线之间的间距，dp为相邻两个接收阵元天线之间的间距，v为雷达移动速度，v为探测目标的方位速度，△f为相邻发射阵元天线所发射正交信号的载频差，c为光速；探测目标在第d个多普勒单元的合成导向矢量为：其中，⊗表示克罗内克积。7.根据权利要求1或2所述的一种基于频率分集阵列的SAR-MMTI杂波抑制方法，其特征在于，当训练样本集中的样本x满足下式时，则作为包含非均匀杂波和干扰的样本被剔除：48.根据权利要求7所述的一种基于频率分集阵列的SAR-MMTI杂波抑制方法，其特征在9.根据权利要求8所述的一种基于频率分集阵列的SAR-MMTI杂波抑制方法，其特征在于，在输出信噪比最大的条件下，探测目标在第d个多普勒单元的最优自适应权向量Wpt(f,p)为：10.根据权利要求2所述的一种基于频率分集阵列的SAR-MMTI杂波抑制方法，其特征在其中，W(f。,D)为探测目标在第d个多普勒单元的最优自适应权向量，Z(i)为经过距滤波器的脉冲响应，f为探测目标在第d个多普勒单元内的多普勒频率，5技术领域[0001]本发明属于雷达技术领域。背景技术[0002]合成孔径雷达(SAR)具有全天时、全天候的对地观测能力，在海洋监测、环境监测、测绘和军事等方面的应用上具有独特的优势。合成孔径雷达系统经过多年的发展，逐步从低分辨率、窄幅成像的工作模式转向高分辨率、宽幅成像的工作模式。基于频率分集阵列的宽幅SAR成像系统克服了传统相控阵列天线SAR在选择PRF(脉冲重复频率)时无法同时满足多普勒和距离无模糊的矛盾。它利用阵元间微小的载频增量产生距离和角度依赖的发射方向图，进而为解距离模糊提供了有利条件。[0003]将SAR系统与海上运动目标指示技术(MMTI)相结合的SAR-MMTI系统，实现了成像和运动目标检测的一体化，能够进行对海面船只的实时监测，为海洋交通控制提供全方位有效信息。利用基于频率分集阵列的SAR回波进行海面目标检测前，需要首先对场景中的杂波进行抑制以提高信杂比和目标的检测性能。但传统的STAP(空时自适应处理)方法主要应用于脉冲多普勒雷达，其信杂比改善能力有限，不适用于具有更多相干积累脉冲数的SAR雷达系统，更重要的是不具备在宽幅条件下解距离模糊的能力。发明内容[0004]本发明是为了解决现有方法不具备在宽幅条件下解距离模糊的能力，无法适用于SAR雷达系统进行杂波抑制的问题，现提供一种基于频率分集阵列的SAR-MMTI杂波抑制方方向为Y轴、雷达的测绘宽度方向为X轴建立空间直角坐标系XYZ,以雷达最大无模糊距离R为间距将X轴划分为多个距离模糊区域，雷达上的天线按照频率分集阵列方式排布；[0007]步骤一：使M个发射阵元天线同时发射正交[0008]步骤二：分别对每个接收阵元天线接收的回波信号进行去载频处理，并利用M个匹配滤波器将变频处理后的M个回波信号分离；[0009]步骤三：沿回波信号的距离维将雷达至探测目标的距离离散化为N个距离单元，利用补偿因子分别对分离后的每个回波信号按照距离单元依次进行距离依赖性补偿，使得相同距离模糊区域内回波信号的发射空间频率相同；[0010]步骤四：对距离依赖性补偿后的回波信号进行距离徙动校正，再回波信号的方位维对校正后的回波信号进行离散傅里叶变换，使得回波信号转换至距离-多普勒域；[0011]步骤五：将距离-多普勒域的多普勒频率离散化为N个多普勒单元；[0012]步骤六：构造第d个多普勒单元内感兴趣距离模糊区域的发射和接收导向矢量，并6[0013]步骤七：选取与第i个距离单元相杂波协方差矩阵计算探测目标在第d个多普勒单元的最优自适应权向量，并利用该最优自[0028]其中，φm(τ)为第m个发射阵元天线在t时刻下发射的正交信号，φm.(τ-t)表示[0032]进一步的，第d个多普勒单元内感兴趣距离模糊区域的发射和接收导向矢量分别78[0052]其中，Wpt(fa,p)为探测目标在第d个多普勒单元的最优自适应权向量，Z(t)为经过距离徙动校正后的距离-多普勒域回波信号，(·)"表示矩阵的共轭转置，H(f)为方位维匹配滤波器的脉冲响应，fa为探测目标在第d个多普勒单元内的多普勒频率，p为探测目标所在距离模糊区域的序号，t为方位维时间，f为距离维的快时间。[0053]本发明所述一种基于频率分集阵列的雷达信号自适应处理方法有益效果如下：[0054]1、充分利用载频差与PRF间的关系，避免了无法解模糊以及解模糊性能差的问题，同时对于频率分集阵列发射方向图的时变特性，分析了准静态发射波束形成条件，最后考虑了方向图主瓣与观测斜距范围的关系。为频率分集阵列在雷达成像中的理论研究和发射信号参数设计提供指导。[0055]2、针对SAR回波的特点在多普勒-接收阵元-发射阵元域进行空时自适应三维处理，相对于常规体制SAR系统下的杂波抑制方法，本发明方法充分利用了频率分集体制提供的距离维自由度，可以独立地对多个模糊区域的杂波进行抑制。同时，对于单个模糊区域，利用了来自不同发射单元的回波信号，在目标处能够实现相干叠加，信号功率可以进一步提高2M倍，而杂波功率由于其相关性较弱提升幅度相对较小，进而使信杂比提高，目标的检测性能增强。[0056]综上所述，本发明能够匹配SAR雷达具有大相干积累脉冲数的回波特点，同时抑制距离模糊杂波，进一步提高信杂比和目标检测性能。可用于机载雷达对地/海面运动目标检附图说明[0057]图1为本发明的使用场景示意图；[0058]图2为本发明的流程图；[0059]图3为设计载频增量时可解模糊的情况对应的发射方向图及不同距离模糊区域的[0060]图4为设计载频增量时不可解模糊的情况对应的发射方向图及不同距离模糊区域的发射空间频率分布图；[0061]图5为频率分集体制下对两个距离模糊区域的成像结果图，(a)代表模糊区域1,(b)代表模糊区域2;[0062]图6为在图5基础上加入2级海况杂波下的成像结果图，(a)代表模糊区域1,(b)代表模糊区域2;[0063]图7为在图5基础上加入5级海况杂波下的成像结果图，(a)代表模糊区域1,(b)代表模糊区域2;[0064]图8为2级海况下利用本发明方法进行距离模糊杂波抑制后的结果图，(a)代表模糊区域1,(b)代表模糊区域2;[0065]图9为5级海况下利用本发明方法进行距离模糊杂波抑制后的结果图，(a)代表模糊区域1,(b)代表模糊区域2;[0066]图10为两模糊区经杂波抑制后的改善因子曲线图，(a)代表模糊区域1,(b)代表模糊区域2。9[0068]SAR系统为了提高横向距离分辨率会积累足够多的脉冲数，同时每个慢时间维的目标的距离离散化为N个距离单元，最后利用补偿因子分别对分离后的每个回波信号按照糊区域的发射和接收导向矢量，并将发射和接收导向矢量合成为探测目标在第d个多普勒[0100]其中，a(fa,p)和a(fa)分别为第d个多普勒单元内感[0104]步骤七：选取与第i个距离单元相[0105]当训练样本集中的样本x满足下式时，则作为(fa,p):[0113]最后，利用探测目标在第d个多普勒单元的最优自适应权向量Wpt(fa,p)对第个PRF为2000Hz,载频差△f为2500Hz,雷达速度v为200m/s,雷达高度为5000m,系统带宽为[0126]仿真2,在上述仿真参数下，在场景中分别加入服从K分布幅度模型的2级和5级海图1接收天线1接收天线N匹配滤波器1匹配滤波器M距离依赖性补偿构造第d个多普勒单元内感兴趣区域的发射和接收导向矢量合成导向矢量选取第i个距离单元建立训练样本集剔除非均匀杂波和干扰，获得最终样本集估计协方差矩阵，抑制杂波i<N.否完成探测目标的图像重构图2WRRR距离R幅度1000图5