機(jī)載SAR對(duì)地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的DPCA-CFAR聯(lián)合檢測(cè)方法

楊躍輪

(上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍代表室，　上海 201913)

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機(jī)載SAR對(duì)地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的DPCA-CFAR聯(lián)合檢測(cè)方法

楊躍輪

(上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍代表室，上海 201913)

摘要：在機(jī)載合成孔徑雷達(dá)(SAR)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)中，由于地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度較小，因此很容易被地面強(qiáng)主瓣雜波淹沒(méi)而檢測(cè)不到。文中針對(duì)地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換(Frft)的DPCA-CFAR聯(lián)合檢測(cè)的方法，在采用天線(xiàn)相位中心偏置(DPCA)技術(shù)進(jìn)行雜波抑制的基礎(chǔ)上進(jìn)行恒虛警(CFAR)處理，從而檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并且根據(jù)DPCA對(duì)消后的信號(hào)幅度和CFAR檢測(cè)門(mén)限推導(dǎo)了最小可檢測(cè)速度，說(shuō)明了提出的算法對(duì)慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)性能，并進(jìn)一步采用Frft方法估計(jì)出目標(biāo)速度，最后通過(guò)仿真對(duì)算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：機(jī)載SAR；地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；DPCA-CFAR；傅里葉變換

0引言

機(jī)載SAR動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)方法主要有兩種：?jiǎn)瓮ǖ婪椒ê投嗤ǖ婪椒ā瓮ǖ婪椒ㄊ歉鶕?jù)目標(biāo)的回波特性，估計(jì)目標(biāo)的多普勒中心頻率和調(diào)頻率，進(jìn)而得到目標(biāo)的速度，但是目標(biāo)的方位向位置不能確定，而多通道方法則能確定目標(biāo)的方位位置，但不一定能檢測(cè)到目標(biāo)速度[1]。

通常我們將速度低于12 km/h的目標(biāo)稱(chēng)為慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，由于地物雜波的存在，此類(lèi)目標(biāo)很容易淹沒(méi)在強(qiáng)主瓣雜波中而檢測(cè)不到，所以對(duì)于地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)，關(guān)鍵在于有效抑制雜波，提高信雜比。單通道檢測(cè)方法主要有頻域?yàn)V波法，參數(shù)估計(jì)法和時(shí)頻分析法，由于慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)頻譜會(huì)被雜波掩蓋，因此，不能采用頻域?yàn)V波法來(lái)檢測(cè)，參數(shù)估計(jì)法和時(shí)頻分析法

的主要作用都是估計(jì)目標(biāo)的多普勒參數(shù)。多通道檢測(cè)方法有天線(xiàn)相位中心偏置(DPCA)、沿航跡干涉(ATI)等，DPCA是通過(guò)將多通道SAR圖像做差抑制雜波而檢測(cè)到動(dòng)目標(biāo)，ATI是通過(guò)對(duì)多通道SAR圖像做干涉處理，對(duì)干涉相位進(jìn)行門(mén)限判斷而區(qū)分動(dòng)靜目標(biāo)，并且確定目標(biāo)方位位置。綜合以上分析，可以得出，對(duì)于地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)，可以將多通道方法與單通道方法相結(jié)合，多通道方法主要用來(lái)進(jìn)行雜波抑制并得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息，而單通道方法可以用來(lái)估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的參數(shù)[2]。

1基于Frft的DPCA-CFAR聯(lián)合檢測(cè)

1.1DPCA-CFAR聯(lián)合檢測(cè)原理

雙通道DPCA能夠抑制雜波并濾除靜止目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)載SAR對(duì)地面目標(biāo)的檢測(cè)，對(duì)于快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和靜止目標(biāo)背景(即不存在雜波)下的慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)具有很好的檢測(cè)效果，但是在雜波環(huán)境下，即使采用

DPCA處理，也會(huì)有殘余雜波，干擾對(duì)慢速目標(biāo)的檢測(cè)，在此采用DPCA-CFAR聯(lián)合檢測(cè)的方法，在對(duì)兩個(gè)通道回波信號(hào)進(jìn)行DPCA雜波對(duì)消，信雜比已提高的情況下，再設(shè)置合理的檢測(cè)門(mén)限進(jìn)行CFAR處理，從而檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。最后可采用時(shí)頻分析Frft方法估計(jì)目標(biāo)多普勒中心頻率和調(diào)頻率，進(jìn)一步得到目標(biāo)速度估計(jì)值。

DPCA-CFAP聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，飛機(jī)速度為va，在飛機(jī)運(yùn)動(dòng)方向依次放置兩個(gè)相距為d的天線(xiàn)，坐標(biāo)分別為(vat+d,0,h)，(vat,0,h)，由天線(xiàn)1發(fā)射LFM信號(hào)，兩個(gè)天線(xiàn)同時(shí)接收回波信號(hào)。P點(diǎn)為地面動(dòng)目標(biāo)，坐標(biāo)為(x0,y0,0)，方位向和地面距離向速度分別為vx和vy，R1(tm)和R2(tm)分別為tm時(shí)刻兩天線(xiàn)與地面動(dòng)目標(biāo)的距離[3]。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)

(2)

兩個(gè)天線(xiàn)接收到的回波信號(hào)分別為

exp[jπγ(t′-2R1(tm)/c)2]

(3)

exp[jπγ(t′-2R2(tm)+R1(tm)/c)2]

(4)

對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行距離壓縮后，得到的信號(hào)分別為

S1(t′,tm)=στPsinc[πB(t′-2R1(tm)/c)]

(5)

S2(t′,tm)=στPsinc[πB(t′-(R2(tm)+R1(tm))/c]

(6)

式中：σ為目標(biāo)反射系數(shù)；τP為發(fā)射信號(hào)脈沖寬度；B為發(fā)射信號(hào)帶寬；Tsar為合成孔徑時(shí)間。

對(duì)于慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，有vx?va，vy?va，因此可認(rèn)為R1(tm)≈R2(tm)，對(duì)通道1和2的信號(hào)進(jìn)行圖像插值配準(zhǔn)，得到幅度對(duì)消信號(hào)

S12(t′,tm)=S1(t′,tm)·C1-S2(t′,tm+k·PRTr)=

(7)

(8)

(9)

對(duì)于靜止目標(biāo)，有vx=vy=0，則S12(t′,tm)=0，說(shuō)明靜止目標(biāo)回波經(jīng)過(guò)DPCA處理后被抵消掉[4]。

雙通道的DPCA技術(shù)主要用于實(shí)現(xiàn)雜波的對(duì)消與動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)，但是在實(shí)際情況中，由于各種非理想因素的存在，經(jīng)過(guò)DPCA處理后仍有雜波殘余，對(duì)于慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)有一定影響。在經(jīng)過(guò)DPCA處理后，信雜比已提高的情況下，再設(shè)定合適的檢測(cè)門(mén)限，采用CFAR恒虛警檢測(cè)，就可以檢測(cè)動(dòng)目標(biāo)及其所在的距離單元。

(10)

1.2慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能

選取合適的虛警概率，采用CFAR對(duì)經(jīng)過(guò)DPCA處理后的回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，可以檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及其所在的距離單元。我們認(rèn)為雜波服從瑞利分布，則虛警概率Pf和所需的檢測(cè)門(mén)限k具有以下關(guān)系

(11)

設(shè)定了虛警概率后，就可以得到檢測(cè)門(mén)限值。設(shè)DPCA處理后被檢測(cè)距離單元的信號(hào)幅度為A，根據(jù)式(7)得到

(12)

(13)

(14)

圖2　最小可檢測(cè)速度

1.3Frft估計(jì)目標(biāo)多普勒參數(shù)

分?jǐn)?shù)階Frft定義如下[7]

(15)

Kα(t,u)=

(16)

Frft的本質(zhì)是對(duì)信號(hào)的旋轉(zhuǎn)，選擇合適的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)LFM信號(hào)進(jìn)行Frft變換，可使信號(hào)能量在某一特定的分?jǐn)?shù)階上聚集，幅度出現(xiàn)明顯的峰值，而在其他階數(shù)上幅度為零，因此能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)和估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)[8-9]。

對(duì)通道1和通道2的DPCA信號(hào)，忽略快時(shí)間sinc函數(shù)，只保留慢時(shí)間信號(hào)得到S12(tm)，進(jìn)行Frft得

j2π(fd-ucscα)tm]dtm

(17)

BmTsar·sinc[πTsar(fd-ucscα)]

(18)

Frft估計(jì)出目標(biāo)的多普勒中心頻率和調(diào)頻率如下

(19)

(20)

聯(lián)合式(10)、式(12)、式(19) 和式(20)，即可估計(jì)到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。

2仿真結(jié)果

2.1靜止目標(biāo)背景下的DPCA檢測(cè)

在不存在雜波，只存在靜止目標(biāo)和慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的情況下，采用DPCA方法就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)，下面進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)如表1所示，設(shè)置9個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，目標(biāo)位置坐標(biāo)及速度值設(shè)置如表2所示，其中5個(gè)為慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，4個(gè)為靜止目標(biāo)，DPCA仿真結(jié)果如圖3所示。可以看出，經(jīng)過(guò)DPCA處理后，靜止目標(biāo)都被過(guò)濾掉，只顯示動(dòng)目標(biāo)。仿真結(jié)果說(shuō)明，在只有靜止目標(biāo)存在而無(wú)地物雜波的環(huán)境下，DPCA可以檢測(cè)到慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

表1　DPCA仿真參數(shù)

表2　目標(biāo)參數(shù)

圖3　DPCA檢測(cè)結(jié)果

2.2瑞利雜波環(huán)境下的DPCA-CFAR聯(lián)合檢測(cè)

在存在雜波時(shí)，對(duì)DPCA-CFAR聯(lián)合檢測(cè)的效果進(jìn)行分析，圖4a)為仿真DPCA處理后的點(diǎn)目標(biāo)圖像，可以看出，在存在瑞利雜波的環(huán)境下，經(jīng)過(guò)DPCA雜波對(duì)消后，雖然目標(biāo)能夠被檢測(cè)出來(lái)，但是仍有殘余雜波，使得檢測(cè)效果并不理想，對(duì)經(jīng)過(guò)DPCA處理后的信號(hào)再進(jìn)行CFAR處理得到如圖4b)所示，檢測(cè)效果得到了改善，能夠較為清晰地檢測(cè)到目標(biāo)。

圖4　DPCA-CFAR檢測(cè)結(jié)果

圖5　Frft檢測(cè)結(jié)果

3結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)易被地物雜波掩蓋的特性，提出在采用雙通道DPCA進(jìn)行雜波抑制后仍有雜波殘余的情況下，采用CFAR處理，通過(guò)設(shè)置較低的虛警門(mén)限可以進(jìn)一步雜抑制雜波，從而檢測(cè)到慢速目標(biāo)，最后采用Frft方法估計(jì)出目標(biāo)速度。并且推導(dǎo)了基于CFAR門(mén)限的最小可檢測(cè)速度，說(shuō)明了該算法對(duì)慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)性能。

參 考 文 獻(xiàn)

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楊躍輪男，1972年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)、艦炮系統(tǒng)作戰(zhàn)使用研究。

聲明

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《現(xiàn)代雷達(dá)》編輯部

Detection Method for Ground Slow Moving Targets by

Airborne SAR

YANG Yuelun

(The Military Delegate Office of Shipborne Gun System Navy at Shanghai,Shanghai 201913, China)

Abstract：In airborne SAR moving target detection, ground slow moving target's speed is small, so it's easy to be submerged by ground strong main lobe clutter and undetectable. In this paper, according to the characteristics of the movement of ground slow moving targets, a DPCA-CFAR joint detection method based on Frft is proposed. After using DPCA to achieve clutter suppression, CFAR processing is made to detect the moving targets. And according to the signal amplitude after DPCA and CFAR detection threshold, the minimum detectable velocity is inferred to show the performance of this proposed algorithm for slow moving targets detection. Further Frft is used to estimate the target speed. Finally the effectiveness of the algorithm is verified by simulation.

Key words：airborne synthetic aperture radar；ground slow moving target； displaced phase center antenna-constant false alarm rate；fractional Fourier transform

DOI：·顯示技術(shù)· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.019

收稿日期：2015-07-19

修訂日期：2015-09-18

通信作者：楊躍輪Email：10430412@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TN957

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2015)12-0083-05