鬼佬大哥大
  • / 12
  • 下載費用:30 金幣  

高效的星載SAR的地面運動目標成像方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410143890.1

申請日:

2014.04.10

公開號:

CN103983971A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01S 13/90申請日:20140410|||公開
IPC分類號: G01S13/90 主分類號: G01S13/90
申請人: 西安電子科技大學
發明人: 王彤; 李永康; 任倩倩; 馬南; 張穎
地址: 710071 陜西省西安市太白南路2號
優先權:
專利代理機構: 西安睿通知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 61218 代理人: 惠文軒
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201410143890.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.08.24|||2014.10.22|||2014.08.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明屬于雷達技術領域,涉及星載合成孔徑雷達成像方法,公開了一種高效的星載SAR的地面運動目標成像方法,其步驟為:1)將目標原始回波信號變換到二維頻域;2)在二維頻域構造距離匹配濾波器,通過距離向匹配濾波實現距離壓縮和距離徙動校正;3)對距離匹配濾波后的信號進行距離向逆傅里葉變換,將信號變換到距離多普勒域;4)在距離多普勒域構造方位匹配濾波器,通過方位向匹配濾波實現方位壓縮;5)對方位匹配濾波后的信號進行方位向逆傅里葉變換,完成對地面運動目標的成像。本發明在二維頻域實現距離徙動校正,無需插值,計算效率高;無需知道目標的運動參數和位置參數,能同時對多個目標成像。

權利要求書

權利要求書
1.  一種高效的星載SAR的地面運動目標成像方法,其特征在于,包括以下具體步驟:
步驟1,對星載SAR接收到的地面運動目標原始回波信號分別進行距離向傅里葉變換和方位向傅里葉變換,得到二維頻域的目標信號;
步驟2,在二維頻域構造距離匹配濾波器,對變換到二維頻域的目標信號進行距離向匹配濾波,實現距離壓縮和距離徙動校正,得到距離徙動校正后的目標信號;
步驟3,對距離徙動校正后的目標信號進行距離向逆傅里葉變換,將距離徙動校正后的目標信號變換到距離多普勒域,得到距離多普勒域的目標信號;
步驟4,在距離多普勒域構造方位匹配濾波器,對變換到距離多普勒域的目標信號進行方位向匹配濾波,實現方位壓縮,得到方位匹配濾波后的目標信號;
步驟5,對方位匹配濾波后的目標信號進行方位向逆傅里葉變換,得到聚焦后的SAR圖像域目標信號,完成對地面運動目標的成像。

2.  根據權利要求1所述的高效的星載SAR的地面運動目標成像方法,其特征在于,步驟2的具體子步驟為:
2a)根據目標二維頻域回波信號S(fa,fr)的表達式
S(fa,fr)=Wa(fa,fac)Wr(fr)exp{-(fr2Kr-cy0fa22fc2(va-vx)2fr+4y0cf0)}×exp{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa-2πy0(2(va-vx)2-vy2)c(va-vx)2fr]}]]>
其中,星載SAR雷達工作在正側視模式下,雷達平臺速度為va,地面運動目標方位向速度為vx,投影到斜距平面的距離向速度為vy;設在ta=0時刻,雷達位于坐標原點,目標位于(0,y0);c為光速,fc為雷達發射信號的載頻,Kr為雷達發射的線性調頻信號的調頻率;Wr(fr)是目標信號距離頻譜的包絡,Wa(fa)是目標信號方位頻譜的包絡,fr為距離頻率,fa是方位頻率,fac為目標多普勒中心頻率;
在二維頻域構造如下距離匹配濾波器實現距離壓縮和距離徙動校正:
Hr(fa,fr)=exp{fr2Kr-cyreffa22fc2va2fr}]]>
其中,yref為觀測場景中心距離;
2b)將變換到二維頻域的目標信號S(fa,fr)與構造的距離匹配濾波器Hr(fa,fr)相乘,實現距離壓縮和距離徙動校正:
Sr(fa,fr)=S(fa,fr)Hr(fa,fr)=Wa(fa,fac)Wr(fr)exp{-j4πy0cfr}×exp{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa-2πy0(2(va-vx)2-vy2)c(va-vx)2fr]}×exp{jcπfa22fc2(y0(va,vx)2-yrefva2)fr}]]>
其中,Sr(fa,fr)為距離徙動校正后的目標信號。

3.  根據權利要求1所述的高效的星載SAR的地面運動目標成像方法,其特征在于,步驟4的具體子步驟為:
4a)根據距離匹配濾波后距離多普勒域目標信號的表達式
S(fa,tr)=Wa(fa,fac)pr[tr-2y0c-y0(2(va-vx)2-vy2)c(va-vx)2+cfa24fc2(y0(va-vx)2-yrefva2)]×exp{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa]}≈Wa(fa-fac)pr(tr-2y0c)×{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa]}]]>
其中,tr為快時間,pr(tr)為距離沖激響應函數;
在距離多普勒域構造如下方位匹配濾波器實現方位壓縮:
Ha(fa)=exp{-jπcy02fcva2fa2}]]>
4b)將變換得到的距離多普勒域目標信號與構造的方位匹配濾波器相乘,實現方位壓縮:
Sa(fa,tr)=S(fa,tr)Ha(fa)=Wa(fa-fac)pr(tr-2y0c)×exp{j2πvyy0(va-vx)2fa}]]>
其中,Sa(fa,tr)為方位匹配濾波后的目標信號。

說明書

說明書高效的星載SAR的地面運動目標成像方法
技術領域
本發明屬于雷達技術領域,涉及星載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像方法,具體地說是一種高效的星載SAR的地面運動目標成像方法,用于星載SAR對地面運動目標成像。
背景技術
星載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種全天時、全天候、多功能的微波遙感成像設備,在民用和軍事領域內都得到了廣泛應用。其中,星載SAR地面運動目標檢測(Ground Moving Target Indication,GMTI)和地面運動目標成像(Ground Moving Target Imaging,GMTIm)因其在交通監控和戰場偵察中的重要作用而成為一個研究熱點。
對于星載SAR-GMTI系統,較寬的工作帶寬和較長的相干積累時間使其能夠對觀測區域進行高分辨的成像。然而,由于相干積累時間較長,對目標的成像需要精確的補償目標的距離單元徙動和目標回波信號相位彎曲。而運動目標由于存在速度,其距離徙動和信號相位歷程與靜止目標不同。因此,如果直接采用傳統的SAR靜止目標成像方法對地面運動目標進行成像,由于距離單元徙動和信號相位彎曲補償不準確,會出現散焦現象。目標的散焦一方面會導致成像后的目標的圖像變得模糊,一方面會使目標的信雜噪比下降,這些都將影響系統對運動目標的識別和分類。因此,有必要研究和開發星載SAR的地面運動目標的精確成像方法。
在過去的近40年里,為實現對地面運動目標的精確成像,各國學者提出了許多方法。Barbarossa等人通過先從數據中估計出目標的運動參數,然后補償由于目標運動引起的距離走動和距離彎曲來實現對目標的成像。Perry等人提出了一系列基于keystone變換的SAR地面運動目標成像方法。通過使用keystone變換,可以很好的補償由目標距離向速度帶來的距離走動。然而,這些方法的計算量均非常大,在工程上很難實時實現。
朱圣棋等人提出了一種在二維頻域通過對目標信號進行匹配濾波來實現成像的方法。與傳統方法不同,該方法在二維頻域實現距離徙動校正,計算效率較高。但是,這個方法需要知道目標的位置參數,而現實中目標的位置參數往往是未知的。因此,這個方法在實 際中的適用范圍非常有限。此外,這個方法無法同時對多個目標成像。
發明內容
為解決上述問題,本發明的目的在于提出了一種高效的星載SAR的地面運動目標成像方法,該方法無需插值,計算效率高;且不需要知道目標的運動參數和位置參數,并能同時對多個目標成像。
本發明的思路是:1)將目標原始回波信號變換到二維頻域;2)在二維頻域構造距離匹配濾波器,通過距離向匹配濾波實現距離壓縮和距離徙動校正;3)對距離匹配濾波后的信號進行距離向逆傅里葉變換,將信號變換到距離多普勒域;4)在距離多普勒域構造方位匹配濾波器,通過方位向匹配濾波實現方位壓縮;5)對方位匹配濾波后的信號進行方位向逆傅里葉變換,完成對地面運動目標的成像。
為了達到上述目的,本發明采用以下技術方案予以實現。
一種高效的星載SAR的地面運動目標成像方法,其特征在于,包括以下具體步驟:
步驟1,對星載SAR接收到的地面運動目標原始回波信號依次進行距離向傅里葉變換和方位向傅里葉變換,得到二維頻域的目標信號;
步驟2,在二維頻域構造距離匹配濾波器,對變換到二維頻域的目標信號進行距離向匹配濾波,實現距離壓縮和距離徙動校正,得到距離徙動校正后的目標信號;
步驟3,對距離徙動校正后的目標信號進行距離向逆傅里葉變換,將距離徙動校正后的目標信號變換到距離多普勒域,得到距離多普勒域的目標信號;
步驟4,在距離多普勒域構造方位匹配濾波器,對變換到距離多普勒域的目標信號進行方位向匹配濾波,實現方位壓縮,得到方位匹配濾波后的目標信號;
步驟5,對方位匹配濾波后的目標信號進行方位向逆傅里葉變換,得到聚焦后的SAR圖像域目標信號,完成對地面運動目標的成像。
上述技術方案的特點和進一步改進在于:
(1)步驟2的具體子步驟為:
2a)根據目標二維頻域回波信號S(fa,fr)的表達式
S(fa,fr)=Wa(fa,fac)Wr(fr)exp{-(fr2Kr-cy0fa22fc2(va-vx)2fr+4y0cf0)}×exp{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa-2πy0(2(va-vx)2-vy2)c(va-vx)2fr]}]]>
其中,星載SAR雷達工作在正側視模式下,雷達平臺速度為va,地面運動目標方位向速度為vx,投影到斜距平面的距離向速度為vy;設在ta=0時刻,雷達位于坐標原點,目標位于(0,y0);c為光速,fc為雷達發射信號的載頻,Kr為雷達發射的線性調頻信號的調頻率;Wr(fr)是目標信號距離頻譜的包絡,Wa(fa)是目標信號方位頻譜的包絡,fr為距離頻率,fa是方位頻率,fac為目標多普勒中心頻率;
在二維頻域構造如下距離匹配濾波器實現距離壓縮和距離徙動校正:
Hr(fa,fr)=exp{fr2Kr-cyreffa22fc2va2fr}]]>
其中,yref為觀測場景中心距離;
2b)將變換到二維頻域的目標信號S(fa,fr)與構造的距離匹配濾波器Hr(fa,fr)相乘,實現距離壓縮和距離徙動校正:
Sr(fa,fr)=S(fa,fr)Hr(fa,fr)=Wa(fa,fac)Wr(fr)exp{-j4πy0cfr}×exp{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa-2πy0(2(va-vx)2-vy2)c(va-vx)2fr]}×exp{jcπfa22fc2(y0(va,vx)2-yrefva2)fr}]]>
其中,Sr(fa,fr)為距離徙動校正后的目標信號。
(2)步驟4的具體子步驟為:
4a)根據距離匹配濾波后距離多普勒域目標信號的表達式
S(fa,tr)=Wa(fa,fac)pr[tr-2y0c-y0(2(va-vx)2-vy2)c(va-vx)2+cfa24fc2(y0(va-vx)2-yrefva2)]×exp{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa]}≈Wa(fa-fac)pr(tr-2y0c)×{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa]}]]>
其中,tr為快時間,pr(tr)為距離沖激響應函數;
在距離多普勒域構造如下方位匹配濾波器實現方位壓縮:
Ha(fa)=exp{-jπcy02fcva2fa2}]]>
4b)將變換得到的距離多普勒域目標信號與構造的方位匹配濾波器相乘,實現方位壓縮:
Sa(fa,tr)=S(fa,tr)Ha(fa)=Wa(fa-fac)pr(tr-2y0c)×exp{j2πvyy0(va-vx)2fa}]]>
其中,Sa(fa,tr)為方位匹配濾波后的目標信號。
本發明與現有技術相比具有以下優點:
a)本發明在二維頻域實現距離徙動校正,不需要插值,計算效率非常高;
b)本發明在距離多普勒域實現方位壓縮,能同時對距離位置不同的多個目標成像;
c)本發明能在不知道目標運動參數和位置參數的情況下對目標成像,適用范圍非常廣。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細說明。
圖1是本發明高效的星載SAR的地面運動目標成像方法的流程示意圖;
圖2斜距平面星載SAR系統觀測幾何圖;其中橫坐標表示方位向,縱坐標表示距離向;
圖3是用本發明方法的距離徙動校正前的目標軌跡圖;其中橫坐標表示距離單元,縱坐標表示多普勒單元;
圖4是距離徙動校正后的目標軌跡圖;其中橫坐標表示距離單元,縱坐標表示多普勒單元;
圖5是用本發明方法的目標成像結果圖;其中橫坐標表示距離單元,縱坐標表示方位單元。
具體實施方式
參照圖1,說明本發明高效的星載SAR的地面運動目標成像方法,其包括以下具體步驟:
步驟1,對星載SAR接收到的地面運動目標原始回波信號分別進行距離向傅里葉變換和方位向傅里葉變換,得到二維頻域的目標信號。
參照圖2,為斜距平面星載SAR系統觀測幾何圖。星載SAR雷達工作在正側視模式下, 雷達平臺速度為va,地面運動目標方位向速度為vx,投影到斜距平面的距離向速度為vy,不考慮目標加速度,設在ta=0時刻,雷達位于坐標原點,目標位于(0,y0)。
因此,ta時刻目標到雷達的瞬時距離可表示為:
R(ta)=(y0+vyta)2+(vxta-vata)2≈y0+vyta+12y0(va-vx)2ta2]]>
目標原始回波信號可表示為:
s(ta,tr)=wa(ta)wr(tr-2R(ta)/c)exp{-j4πfcR(ta)c+jπKr(2R(ta)c)2}]]>
其中,tr為快時間,c為光速,wa(ta)、wr(tr)分別為目標原始回波信號的方位包絡和距離包絡,fc為雷達發射信號的載頻,Kr為雷達發射的線性調頻信號的調頻率。
經距離向傅里葉變換和方位向傅里葉變換后,得到的目標二維頻域回波信號可表示為:
S(fa,fr)=Wa(fa,fac)Wr(fr)exp{-(fr2Kr-cy0fa22fc2(va-vx)2fr+4y0cf0)}×exp{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa-2πy0(2(va-vx)2-vy2)c(va-vx)2fr]}]]>
其中,Wr(fr)是目標信號距離頻譜的包絡,Wa(fa)是目標信號方位頻譜的包絡,fr為距離頻率,fa是方位頻率,fac為目標多普勒中心頻率。
步驟2,在二維頻域構造距離匹配濾波器,對變換到二維頻域的目標信號進行距離向匹配濾波,實現距離壓縮和距離徙動校正,得到距離徙動校正后的目標信號。
2a)由目標二維頻域回波信號的表達式可以看出,決定目標距離調制和距離徙動的相位為:exp{-(fr2Kr-cy0fa22fc2(va-vx)2fr)}.]]>因此,可以在二維頻域構造如下距離匹配濾波器實現距離壓縮和距離徙動校正:
Hr(fa,fr)=exp{fr2Kr-cyreffa22fc2va2fr}]]>
其中,yref為觀測場景中心距離。需要注意的是,在構造距離匹配濾波器的過程中并沒有使用目標的位置參數和速度參數。
2b)將變換到二維頻域的目標信號S(fa,fr)與構造的距離匹配濾波器Hr(fa,fr)相乘,實現距離壓縮和距離徙動校正:
Sr(fa,fr)=S(fa,fr)Hr(fa,fr)=Wa(fa,fac)Wr(fr)exp{-j4πy0cfr}×exp{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa-2πy0(2(va-vx)2-vy2)c(va-vx)2fr]}×exp{jcπfa22fc2(y0(va,vx)2-yrefva2)fr}]]>
其中,Sr(fa,fr)為距離徙動校正后的目標信號。
步驟3,對距離徙動校正后的目標信號進行距離向逆傅里葉變換,將距離徙動校正后的目標信號變換到距離多普勒域,得到距離多普勒域的目標信號。
對Sr(fa,fr)進行距離向逆傅里葉變換可得距離多普勒域目標信號:
S(fa,tr)=Wa(fa,fac)pr[tr-2y0c-y0(2(va-vx)2-vy2)c(va-vx)2+cfa24fc2(y0(va-vx)2-yrefva2)]×exp{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa]}≈Wa(fa-fac)pr(tr-2y0c)×{j[πcy02fc(va-vx)2fa2+2πvyy0(va-vx)2fa]}]]>
其中,pr(tr)為距離沖激響應函數。
步驟4,在距離多普勒域構造方位匹配濾波器,對變換得到距離多普勒域的目標信號進行方位向匹配濾波,實現方位壓縮,得到方位匹配濾波后的目標信號。
4a)由距離匹配濾波后距離多普勒域目標信號的表達式可以看出,決定目標方位調制的相位為:因此,可以在距離多普勒域構造如下方位匹配濾波器實現方位壓縮:
Ha(fa)=exp{-jπcy02fcva2fa2}]]>
需要注意的是,在構造方位匹配濾波器的過程中并沒有使用目標的位置參數和速度參數。
4b)將變換得到的距離多普勒域目標信號與構造的方位匹配濾波器相乘,實現方位壓縮:
Sa(fa,tr)=S(fa,tr)Ha(fa)=Wa(fa-fac)pr(tr-2y0c)×exp{j2πvyy0(va-vx)2fa}]]>
其中,Sa(fa,tr)為對方位匹配濾波后的目標信號。
步驟5,對方位匹配濾波后的目標信號進行方位向逆傅里葉變換,得到聚焦后的SAR圖像域目標信號,完成對地面運動目標的成像。
對Sa(fa,tr)進行方位向逆傅里葉變換,可得聚焦后的SAR圖像域目標信號的表達式:
s(ta,tr)=wa(ta)wr(tr-2R(ta)/c)exp{-j4πfcR(ta)c+jπKr(2R(ta)c)2}]]>
其中,pa(ta)為方位沖激響應函數。
從上面的理論分析可以看出,在整個成像過程中,本發明沒有使用目標的位置參數和速度參數。
本發明的效果通過以下仿真實驗進一步說明:
(1)距離壓縮后的目標軌跡仿真。
星載SAR系統參數見表1,目標參數為:y0=951km,vx=5m/s,vy=5m/s。在二維頻域通過相位相乘實現距離壓縮,然后進行距離向逆傅里葉變換獲得距離壓縮后的目標軌跡。仿真結果見圖3。由圖3可以看到目標軌跡存在明顯的距離徙動。
表1星載SAR系統參數

(2)用本發明進行距離徙動校正后的目標軌跡仿真。
本仿真中的參數設置與仿真1中的設置相同,仿真時沒有使用目標的位置參數和速度參數,也沒有使用插值,仿真結果見圖4。由圖4可以看出,目標的軌跡變成了一條直 線。這個仿真實驗說明本發明可以在不使用目標位置參數和速度參數的前提下實現距離徙動校正。
(3)本發明地面運動目標成像結果仿真。
本仿真中的參數設置與仿真1中的設置相同,仿真時沒有使用目標的位置參數和速度參數,仿真結果見圖5。由圖5可以看出,目標被很好的聚焦了。這個仿真實驗證明了本發明可以在不使用目標位置參數和速度參數的前提下實現對地面運動目標的成像。

關 鍵 詞:
高效 SAR 地面 運動 目標 成像 方法
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:高效的星載SAR的地面運動目標成像方法.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6140558.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大