基于正交64相編碼信號的SAR－GMTI算法研究

2013-08-10 05:58:50李紅虎

艦船電子對抗 2013年4期

李紅虎，洪偉

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引言

目前多通道系統(tǒng)地面運(yùn)動目標(biāo)檢測方法主要有相位中心偏置天線（DPCA）［1］、空時自適應(yīng)處理（STAP）［2］、沿跡干涉（ATI）［3］等。傳統(tǒng)的星載雷達(dá)地面低速運(yùn)動目標(biāo)檢測系統(tǒng)中，發(fā)射信號多為線性調(diào)頻（LFM）信號，各個衛(wèi)星得到多幅合成孔徑雷達(dá)（SAR）圖像或是多通道STAP之后進(jìn)行動目標(biāo)檢測［4］。多發(fā)單收體制下的系統(tǒng)要求發(fā)射信號正交，便于多個回波信號分離［5－7］。這就要求不同天線發(fā)射的信號正交，即互相關(guān)峰值為零，旁瓣積分電平盡可能低。

本文采用優(yōu)化設(shè)計得到正交64相碼信號，其具有很好的自相關(guān)峰值旁瓣電平和正交性，將其用于二發(fā)一收體制下地面運(yùn)動目標(biāo)檢測系統(tǒng)，即兩顆衛(wèi)星分別發(fā)射2個相互正交的多相編碼信號，然后在其中一顆衛(wèi)星上接收這2顆衛(wèi)星的回波，并在這顆衛(wèi)星上進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)－地面運(yùn)動目標(biāo)檢測處理。利用基于圖像域的多通道、多像素二維聯(lián)合自適應(yīng)處理算法（多點(diǎn)消一點(diǎn)方法）進(jìn)行地面低速運(yùn)動目標(biāo)檢測，得到了所需的動目標(biāo)檢測效果。同時進(jìn)行了計算機(jī)仿真驗(yàn)證，并作出了性能分析，最后給出結(jié)論。

1 正交64相編碼信號

（1）正交64相編碼信號

對于該星載系統(tǒng)的多發(fā)射波形優(yōu)化來講，由于正交64相碼主副比、主瓣寬度之間存在矛盾，要綜合考慮多個波形的自相關(guān)和互相關(guān)最大旁瓣電平等多個約束。這里主要考慮2個正交波形的自相關(guān)最大主副比和隔離度。在此，假定其中64相碼信號1為A＝｛a0，a2，…aN－1｝，64相碼信號2為B＝｛b0，b2，…，bN－1｝，則信號1的非周期自相關(guān)函數(shù)為：

信號1和信號2的非周期互相關(guān)函數(shù)為：

隔離度定義為自相關(guān)最大主峰值與互相關(guān)主峰值之差，可以表示為：

式中：I為2個信號的隔離度，表征2個信號的正交性。

（2）正交64相碼的性能分析

仿真參數(shù)：λ＝0.0 3m，Br＝2 0MH z，T＝10μs。信號個數(shù)N＝2，由Br×T＝200得多相編碼信號碼長為L＝200，子脈沖長度δ＝T／L＝0.05μs。64相碼信號序列集的性能如表1所示。

表1 正交64相碼的性能參數(shù)

2 正交64相碼的SAR－地面運(yùn)動目標(biāo)檢測（GMTI）算法

系統(tǒng)的幾何模型如圖1所示。

圖1 兩通道SAR幾何關(guān)系圖

圖1 中，觀測條帶中心斜距為Rc，衛(wèi)星之間間距為d，衛(wèi)星速度為Va。動目標(biāo)到2個衛(wèi)星的距離分別為R1（t）、R2（t），沿運(yùn)動平臺飛行方向速度為Vx，在斜距平面內(nèi)沿距離向的速度為Vr。

采用2顆衛(wèi)星分別發(fā)射正交64相碼信號，衛(wèi)星1接收2個衛(wèi)星的信號回波（即兩發(fā)一收體制）。圖2給出了基于兩發(fā)射正交波形和多點(diǎn)消一點(diǎn)雜波相消方法的SAR－GMTI實(shí)現(xiàn)框圖。

圖2 兩發(fā)一收體制的SAR－GMTI實(shí)現(xiàn)框圖

在衛(wèi)星1上進(jìn)行地面低速運(yùn)動目標(biāo)檢測，其步驟如下：

（1）分別用各衛(wèi)星的發(fā)射信號對回波信號進(jìn)行距離上的脈沖壓縮，采用傳統(tǒng)的正側(cè)視SAR成像方式，用R－D算法得到2幅SAR圖像。

（2）采用多點(diǎn)消一點(diǎn)方法進(jìn)行雜波相消，此方法的基本思路是：兩幅SAR圖像經(jīng)過圖像粗配準(zhǔn)后（像素級），任取其中一幅SAR圖像的待檢測像素點(diǎn)，在另一幅SAR圖像中對應(yīng)像素點(diǎn)位置以其為中心取一個窗（窗的尺寸一般可以選方位像素個數(shù)×距離像素個數(shù)，通常為3×3，3×5，5×5等）得到其周圍相鄰單元的復(fù)數(shù)據(jù)，再利用兩幅SAR圖像中得到的像素點(diǎn)數(shù)據(jù)來聯(lián)合構(gòu)造多點(diǎn)消一點(diǎn)矢量和協(xié)方差矩陣；然后再對自適應(yīng)估計得到的采樣協(xié)方差矩陣進(jìn)行矩陣求逆，并約束權(quán)的第1個元素為1來求最優(yōu)權(quán)，故去除第1個元素所得的權(quán)矢量為自適應(yīng)維納（Weiner）權(quán)，因此它是在目標(biāo)導(dǎo)向矢量未知的情況下以最小均方誤差為準(zhǔn)則的最優(yōu)權(quán)；最后用此最優(yōu)權(quán)來進(jìn)行雜波相消。下面給出多點(diǎn)消一點(diǎn)方法的具體內(nèi)容：

假設(shè)天線1接收的回波的SAR圖像是f1（x，y），天線2接收的回波的SAR圖像是f2（x，y），則：

式中：＊＊代表二維卷積；fe（x，y）為運(yùn)動目標(biāo)在2幅復(fù)圖像中引起的差異；h（x，y）為2幅圖像相對平移、旋轉(zhuǎn)的沖積響應(yīng)。

式（4）表明了f2（x，y）和f1（x，y）的一種線性關(guān)系，其中h（x，y）和fe（x，y）是未知的。則由式（4）可得：

在文獻(xiàn)［7］中，h（x，y）也就是f1（x，y）中多個點(diǎn)的信號子空間，用f2（x，y）向其投影得到y(tǒng)）。然后由式（5）就可以得到fe（x，y），然后就可以進(jìn)行動目標(biāo)檢測。由于此方法用到了像素的擴(kuò)散信息，所以雜波抑制效果較好。

（3）對雜波相消后的圖像采用恒虛警率（CFAR）技術(shù)檢測出動目標(biāo)。

3 正交64相碼的SAR－GMTI算法仿真試驗(yàn)

本文采用仿真生成的雜波數(shù)據(jù)，靜止雜波由均勻散布在觀測條帶內(nèi)的靜止點(diǎn)目標(biāo)組成，SAR采用正側(cè)視工作方式。

雷達(dá)平臺參數(shù)如表2所示，相鄰孔徑中心等間距d＝120m（此孔徑中心間距在進(jìn)行脈沖壓縮前已經(jīng)補(bǔ)償?shù)簦瑒幽繕?biāo)仿真參數(shù)如表3所示。

表2 雷達(dá)平臺參數(shù)

表3 動目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)

當(dāng)2顆衛(wèi)星分別發(fā)射64相碼序列集時，衛(wèi)星1接收2個衛(wèi)星的信號回波，在衛(wèi)星1上對回波用發(fā)射波形的權(quán)值進(jìn)行脈沖壓縮分別成像，所得2幅SAR圖像如圖3、圖4所示，多點(diǎn)消一點(diǎn)方法雜波相消后的圖像如圖5所示（橫向?yàn)榉轿幌颍v向?yàn)榫嚯x向）。圖6是動目標(biāo)檢測的改善因子曲線。

圖3 衛(wèi)星1發(fā)射信號的SAR圖像

圖4 衛(wèi)星2發(fā)射信號的SAR圖像

圖5 雜波相消后的圖像

圖6 改善因子

從圖5可以看出雜波相消的結(jié)果較理想，運(yùn)動目標(biāo)已經(jīng)從大量雜波中檢測出來。從圖6的動目標(biāo)改善因子圖得知，最大改善因子達(dá)到19.526dB。

4 結(jié)束語

本文針對兩發(fā)一收體制下的星載雷達(dá)系統(tǒng)，分析了基于正交64相碼信號的SAR－GMTI算法。首先介紹了正交64相碼信號及其性能特征，然后采用多點(diǎn)消一點(diǎn)方法來抑制雜波，得到較好的運(yùn)動目標(biāo)檢測效果。該方法對星載雷達(dá)系統(tǒng)的SAR－GMTI的在多發(fā)射波形方面的應(yīng)用有一定的意義。最后，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和性能分析，驗(yàn)證了該方法的有效性。

［1］Lightstone L，F(xiàn)aubert D，Rempel G.Multiple phase center DPCA for airborne radar［A］.Proceedings of the 1991IEEE National Radar Conference［C］.Los Angeles，CA，1991：36－40.

［2］王永良，彭應(yīng)寧.空時自適應(yīng)信號處理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［3］Richard E Carnade.Dual baseline and frequency alongtrack interferometry［A］.Geoscience and Remote Sensing Symposium，1991IGARSS＇92International（Volume：2）IEEE ［C］.Houston，TX＇，1992：1585－1588.

［4］李景文.何峻湘.周蔭清.基于時空二維信號處理的合成孔徑雷達(dá)動目標(biāo)檢測［J］.電子學(xué)報.1995，23（9）：88－91.

［5］黎薇萍，洪偉，陶海紅，廖桂生.用于分布式天基SAR系統(tǒng)低速運(yùn)動目標(biāo)檢測的空時波形優(yōu)化設(shè)計［J］.電子學(xué)報，2008，36（12）：2383－2388.

［6］陶海紅，黎薇萍，洪偉，廖桂生.分布式衛(wèi)星多發(fā)射波形——地面運(yùn)動目標(biāo)檢測系統(tǒng)研究［J］.電子學(xué)報，2009，37（12）：2803－2809.