一种提高地面运动目标检测性能的多基线设计方法

摘要

本发明针对多通道单一SAR平台，分析基线长度对于动目标检测的影响，提出一种多基线的天线设计方法，并推导出相应的多通道ATI通用算法。本发明的基线设计方法增加系统选择基线的灵活性，可以根据不同需求，提高动目标检测性能，为后续处理提供丰富的干涉相位信息；与之匹配的ATI通用算法中适用于所有天线模式为一发多收的多通道GMTI系统，且涉及到的相位滤波器形式简单且有效，具有更好的通用性和更强的实用性。

主权项

1.一种提高地面运动目标检测性能的多基线设计方法包括：一、设计天线构型，实现多基线要求；二、根据所设计天线构型，设计与之匹配的多通道ATI通用算法。具体内容如下：一、设计天线构型，实现多基线要求步骤一：(图1)设计天线为一发多收模式，全孔径发射，n个子孔径接收。称作通道i，i＝0，±1，±2...。通道间的基线长度设置的原则是有长有短，并非均匀分配，且存在互质的基线。该设计有利于动目标检测性能的提高(延长盲速周期，扩大非模糊速度)，以及多通道ATI通用算法的推导(将会在下一个内容中有所体现)。步骤二：设置通道0作为参考通道，其作用在推导多通道ATI通用算法时得以体现。步骤三：计算任意两个通道i和通道k相对于通道0的基线长度(即相位中心间距)为d_i0，d_k0。步骤四：计算通道i相对与通道k的基线长度d_ik＝d_i0-d_k0。步骤五：选择两个互质的基线d_ik，d_jr组成基线对。可以根据具体需求：(a)检测慢速目标或对测速精度要求较高时，采用长基线对的检测结果；(b)检测速度较快目标或对杂波抑制要求较高时，采用短基线对的检测结果；(c)当长短基线对的数据都可以采纳时，可根据实际情况或检测结果加权各基线的数据，得到较为理想的检测结果。二、根据第一部分天线构型，设计与之匹配的多通道ATI通用算法，具体内容为：步骤一：读入SAR系统的相关参数，包括：雷达高度H，雷达速度V_a，雷达中心频率f₀，光速c，雷达斜视角脉冲时宽T_r，波束中心距离R_c，距离向采样率F_r，距离向调频率K_r，天线方位向长度D，基线单位长度B。步骤二：根据天线配置方式、雷达与地面目标几何关系，推导SAR回波模型，具体为：(a)天线的配置方式为：全孔径发射信号，各子孔径同时接收信号。(b)设置通道0的相位中心设在天线中心(为便于推导所设，并非一定要位于天线中心)。天线延方位向排列，各通道相位中心用O_i表示，获取任一通道i和通道0的基线长度d_i0。(c)计算雷达平台到场景中心的最短距离为R_b，获取雷达方位向速度V_a。零时刻，天线的中间O₀位于原点；目标位于P(x₀，y₀，h)，方位向速度和对地(对斜面)距离向速度分别为v_x，v_y(v_r)。(d)t_a＝t时刻，天线运动到O′_i点，目标运动到P_t点，计算O′_i与P_t距离R_i(t)：$R_i\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0+{2d}_{i0}+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}---\left(1\right)$特别地，发射脉冲与目标的距离为R₀(t)：$R_0\left(t\right)=R_b+v_{r}t+\frac{{(x_0+t(v_x-V_a))}^2+{\left(v_{r}t\right)}^2}{{2R}_b}---\left(2\right)$(e)获取任一通道i接收到的SAR回波信号形式：${S_i}^0\left(t\right)=\exp \{-\mathrm{j\pi }{K}_r{t}^2\}\times \exp \{-j\frac{2\pi }{\lambda }(R_0\left(t\right)+R_i\left(t\right))\}---\left(3\right)$步骤三：对步骤一中SAR回波信号进行距离压缩，即乘以exp{jπK_rt²}，得到压缩后的信号形式：$S_i\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\pi }{\lambda }(R_0\left(t\right)+R_i\left(t\right))\}---\left(4\right)$将式(1)(2)带入式(4)即为：$S_i\left(t\right)=\exp \{-j\frac{2\pi }{\lambda }({2R}_b+{2v}_{r}t+\frac{{V_a^{2}t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{{2d}_{i0}}^2+{2d}_{i0}{x}_0-{2d}_{i0}{V}_{a}t}{R_b})\}---\left(5\right)$步骤四：通道i接收到的回波相对于参考通道0延时为τ_i0＝d_i0/V_a，做延时处理得到：$S_i(t+{\tau }_{i0})=\exp \{-j\frac{2\pi }{\lambda }({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\tau }_{i0}+\frac{{V_a^{2}t}^2+x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t+{{2d}_{i0}}^2}{R_b})\}---\left(6\right)$步骤五：根据步骤四中信号形式，推导通道i与方位时间无关的相位补偿函数：$C_i\left(t\right)=\exp \{j\frac{2\pi }{\lambda }\times \frac{{d_{i0}}^2}{R_b}\}---\left(7\right)$步骤六：根据步骤四中信号形式，推导每个通道与方位时间的二次项有关的相位补偿函数，作用相当于方位压缩：$A\left(t\right)=\exp \{j\frac{2\pi }{\lambda }\times \frac{{{V_a}^{2}t}^2}{R_b}\}---\left(8\right)$步骤七：将步骤五、六的相位补偿函数与步骤四中的信号做相乘处理后，信号形式为：$S_i^{\prime }(t+{\tau }_{i0})=\exp \{-j\frac{2\pi }{\lambda }({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\tau }_{i0}+\frac{x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}---\left(9\right)$步骤八：按照步骤二到步骤七推导其他通道k的处理过程，处理后得到信号形式：$S_k^{\prime }(t+{\tau }_{k0})=\exp \{-j\frac{2\pi }{\lambda }({2R}_b+{2v}_{r}t+{2v}_r{\tau }_{k0}+\frac{x_0^2-{2V}_a{x}_{0}t}{R_b})\}---\left(10\right)$步骤九：将各个通道的信号分别作方位向FFT后，选择两个通道进行干涉处理，使得到的干涉相位中涉及到的若干基线长度可以组成互质基线对：$\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ik}}\left(f\right)=S_i\left(f\right)·S_k{\left(f\right)}^{*}=\exp \{-j\frac{2\pi }{\lambda }{2v}_r({\tau }_{i0}-{\tau }_{k0})\}=\exp \{-j\frac{4{\mathrm{\pi v}}_r\mathrm{}}{\lambda }\frac{d_{\mathrm{ik}}}{V_a}\}\\ S_{\mathrm{jr}}\left(f\right)=S_j\left(f\right)·S_r{\left(f\right)}^{*}=\exp \{-j\frac{2\pi }{\lambda }{2v}_r({\tau }_{j0}-{\tau }_{r0})=\exp \{-j\frac{{4\mathrm{\pi v}}_r}{\lambda }\frac{d_{\mathrm{jr}}}{V_a}\}\end{array}\right.---\left(11\right)$其中关于互质基线对d_ik、d_jr的干涉相位：$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \phi }}_{\mathrm{ik}}=\frac{{4\mathrm{\pi v}}_r}{\lambda }\frac{d_{\mathrm{ik}}}{V_a}\\ {\mathrm{\Delta \phi }}_{\mathrm{jr}}=\frac{{4\mathrm{\pi v}}_r}{\lambda }\frac{d_{\mathrm{jr}}}{V_a}\end{array}\right.---\left(12\right)$步骤十：由干涉相位计算得到运动目标速度：$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{rik}}=\frac{{\mathrm{\lambda V}}_a{\mathrm{\Delta \phi }}_{\mathrm{ik}}}{{4\mathrm{\pi d}}_{\mathrm{ik}}}\\ v_{\mathrm{rjr}}=\frac{{\mathrm{\lambda V}}_a{\mathrm{\Delta \phi }}_{\mathrm{jr}}}{{4\mathrm{\pi d}}_{\mathrm{jr}}}\end{array}\right.---\left(13\right)$步骤十一：根据不同基线对所对应的动目标检测结果，采用：(a)长基线对对应的动目标检测结果用于检测慢速目标，选择该基线对内共有的检测速度作为慢速目标速度，以排除模糊速度(虚假目标)；(b)短基线对对应的动目标检测结果用于检测速度较快目标，选择该基线对内共有的检测速度作为速度较快目标速度，以排除模糊速度(虚假目标)。