一種機載前視SAR動目標檢測方法

(國營第七二二廠,廣西桂林541001)

0 引言

機載前視雷達由于能夠對正前方、側前方的目標進行檢測,因此在未來戰(zhàn)場具有很強的應用前景。由于合成孔徑雷達(SAR)[1-2]的特點,機載前視雷達只能在斜視的情況下進行成像,但當天線陣面處于前視時,由于天線陣面與航線垂直,所以接收天線之間沒有沿航向基線。在這種情況下,傳統(tǒng)的基于沿航跡基線的SAR地面動目標檢測方法(GMTI)方法如DPCA[3],EDPCA,ISTAP[4],ATI[5]等方法將不能實現(xiàn)對雜波的抑制。并且由于在天線陣面前視放置下,地雜波的多普勒頻率與空間錐角不再像正側面陣那樣呈現(xiàn)線性關系,從而給地面動目標的精確測速定位帶來了困難。

在SAR模式下進行短脈沖STAP處理能夠在較少的脈沖數(shù)目下獲得地面運動目標的速度粗略估計,并且由于其不需要進行方位成像,所以需要的計算量很少,因此該技術具有很強的應用實際前景。本文提出了一種基于短脈沖STAP處理的機載前視陣雷達三通道SAR地面運動目標檢測定位方法。該方法首先進行數(shù)據(jù)距離脈沖壓縮之后,在方位合成孔徑中心選取短脈沖串,進行兩兩STAP雜波抑制處理,由于全維STAP處理計算量巨大并且對樣本需要量大,所以采用降維的STAP[6-7]方法來進行雜波抑制。由于實際中發(fā)射信號的頻率通常采用X波段,因此在接收天線之間會存在嚴重的方位模糊,不能直接通過空域相位計算出運動目標的速度。所提出方法在對動目標進行速度檢測時采用基于CAPON波束形成的方法來對動目標速度進行搜索,在獲得動目標徑向速度之后再對動目標進行重新定位。該方法不但能夠獲得正確的地面運動目標速度,并且能夠對運動目標進行準確定位。仿真實驗結果驗證了本文方法的有效性。

1 信號模型

如圖1所示,載機的天線陣面為前視陣,接收系統(tǒng)為三通道水平排布。X軸表示沿航跡方向,雷達載體平臺速度為v,Y軸表示垂直航跡方向;發(fā)射為全孔徑,相位中心在通道2位置,接收為通道1,2,3,D表示接收通道在Y方向的間隔;H代表平臺高度;場景中心P點在t m=0時的坐標為(x0,y0,0),R0為對應中心斜距,θ0為P點對應的俯仰角,φ0為方位角。

圖1 機載前視陣3通道水平排布天線工作示意

若存在運動目標,定義沿航跡速度為v x,垂直航跡速度為v y。在該幾何結構下,地面運動目標與3根天線的瞬時斜距分別為

若雷達發(fā)射信號為線性調頻(LFM)信號,則發(fā)射信號的基帶復包絡為

式中,為距離快時間,γ為發(fā)射線性調頻信號的調頻率,gr(·)為雷達LFM信號的窗函數(shù),在未加權時表示矩形窗。則3根天線接收的基帶回波信號為

式中,τ1,τ2,τ3分別為3根接收天線所對應的時延,為距離脈壓窗函數(shù),ga(t m)為方位窗函數(shù),σ為目標的后向散射強度,fc為雷達載頻。由于τ1,τ2,τ3的差異很小,所以通常近似認為

對3個接收通道接收到的基帶回波信號經(jīng)距離向脈沖壓縮后,進行方位向的傅里葉變換可得三路數(shù)據(jù)為

式中,cosψs0為動目標對應的空間錐角。在前視陣面下對于多普勒頻率為fd的地面雜波信號,其對應的空域錐角由下式求出:

從式(9)～式(11)中能夠明顯地看出,對于3根接收天線而言,對應多普勒頻率為fd的雜波空域導向矢量為

若地面存在運動目標,當動目標與地雜波的多普勒頻率之和為fd時,則對應運動目標信號的真實位置多普勒頻率為,因此動目標的空域導向矢量為

從式(15)和式(16)可以看出,在對距離脈沖壓縮之后數(shù)據(jù)進行方位傅里葉變換之后,不同多普勒通道對應的雜波與運動目標在空域導向矢量上是不同的。因此,能夠將某一多普勒通道的3根天線接收的數(shù)據(jù)寫成:

式中,n為接收噪聲。

2 前視三通道短脈沖動目標檢測定位方法

SAR模式下的短脈沖處理即在距離壓縮完成后只取較少的方位脈沖,利用STAP技術進行雜波抑制處理以及動目標檢測。這種模式的優(yōu)點是能夠在不進行方位壓縮成像的前提下快速地實現(xiàn)對運動目標的檢測。但是,由于脈沖數(shù)目選取較少,所以對動目標速度的檢測精度不高。本文方法采用與ATI方法近似的動目標檢測流程。首先主要依靠空時自適應處理來進行地雜波的抑制,由于全維STAP計算量巨大,并且對IID樣本數(shù)目有嚴格的要求,所以通常采用降維的方法,本文采用多普勒處理后聯(lián)合局域多普勒通道進行自適應雜波相消(3DT)。3DT-STAP的主要思想是:在對接收通道進行時域多普勒濾波之后,若取第k(k=1,2,…,K)個通道作為檢測通道,則取其左右相鄰的兩個通道作為輔助通道,然后作空時域的聯(lián)合自適應處理。

由于需要對動目標的速度進行測定,因此最終需要兩根天線的數(shù)據(jù)。因此,采用兩兩通道進行雜波相消的方法,具體過程如圖2所示。

圖2 三通道地面運動目標檢測與定位流程

由于動目標具有一定的速度,所以在進行距離脈壓之后,動目標會存在一定的距離擴展與方位散焦。在經(jīng)過上面的3DT-STAP方法進行雜波抑制之后,檢測獲得的動目標信號不是一個單像素點,而是一簇像素點。由于這些散開的像素點均包含有運動目標的信息,因此能夠以這些點來為樣本采用最優(yōu)波束形成(CAPON)方法來獲得對動目標徑向速度的精確估計。若進行雜波相消之后的兩幅圖像分別是F1和F2,檢測出的運動目標在兩幅圖像中的動目標信號分別為

則動目標信號的自相關矩陣R通過下式來進行估計:

在估計出動目標的多普勒中心后,根據(jù)已知的距離門對應的俯仰角與天線孔徑信息,可以求出動目標速度的搜索導向矢量為

式中,vri為動目標徑向速度搜索矢量,暫不考慮距離模糊,因此搜索范圍為

在獲得動目標的速度估計之后便能夠根據(jù)式(9)～式(11)中的sinc函數(shù)的偏移量關系來完成對動目標的重新定位。

3 仿真實驗結果

采用計算機仿真來對本文方法進行驗證,仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真實驗參數(shù)

首先對3根天線的接收數(shù)據(jù)進行距離壓縮,然后取各個接收通道合成孔徑中間的128脈沖與64脈沖,利用本文的短脈沖處理方法進行動目標檢測與定位。對于兩組短脈沖數(shù)據(jù),分別進行方位多普勒濾波之后的DBS圖像如圖3所示。

圖3 雜波抑制前的DBS圖像

從圖3可以看出,存在嚴重的強雜波帶。由于是前視陣雷達,所以對應的主雜波多普勒頻率隨著距離的變化存在一定的偏移。由于是進行短脈沖處理,所以在多普勒上分辨率很低。在兩兩通道之間進行3DT降維STAP雜波抑制之后如圖4所示。

圖4 對消雜波后的DBS圖像

從圖4的雜波抑制結果中能夠發(fā)現(xiàn),經(jīng)過3DT-STAP雜波抑制之后,主雜波明顯地減弱。從而能夠順利地將地面運動目標檢測出來。畫出在64脈沖數(shù)目與128脈沖數(shù)目下的動目標改善因子如圖5所示。

從圖5可以看出,由于脈沖數(shù)目選取少,導致雜波的多普勒分辨減弱,增大雜波秩,導致動目標的改善因子下降。由于3DT的計算量是與脈沖數(shù)目成正比例的,因此增大計算量與改善因子的損失要綜合考量。由于目標速度不會位于多普勒濾波器的中心,另外考慮在距離脈壓時會加窗函數(shù)進行處理,因而在圖4中的動目標實際上是一些距離-多普勒散布的點,這些點均包含有動目標的信息,所以能夠以這些點作為樣本來進行動目標的徑向速度估計。采用波束形成的方法進行動目標的速度估計結果如表2、表3所示。

圖5 動目標改善因子

表2 動目標徑向速度估計結果(64脈沖)

表3 動目標徑向速度估計結果(128脈沖)

從表2和表3可以看出,脈沖數(shù)取64的估計結果要差于脈沖數(shù)取128,主要是因為脈沖數(shù)的多少決定后續(xù)多普勒頻率分辨率的高低,脈沖數(shù)越多,多普勒分辨率越高,測速精度越高。但是,隨著脈沖數(shù)目的增加,勢必給計算量帶來增加,特別是在空時自適應處理方面,計算量與脈沖數(shù)目的三次方成正比。而短脈沖模式的優(yōu)點是計算量小,處理速度快,但測速精度會低,因此在快速脈沖數(shù)目的選取上要綜合考慮測速精度需要以及系統(tǒng)計算能力。

4 結束語

機載前視雷達由于能夠對正前方、側前方的目標進行檢測,因此在未來戰(zhàn)場具有很強的應用前景。本文針對機載前視陣雷達SAR模式進行短脈沖STAP處理,首先給出了前視斜視下信號模型,由于陣面處于前視的情況下動目標的速度錐角與天線陣面之間的錐角不再一致,并且沒有沿航跡基必須采用新的處理方法。針對該問題提出了先進行3DT-STAP處理,然后采用CAPON波束形成的方法進行動目標檢測與測速定位。仿真實驗驗證了本文方法的有效性。

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