三孔径天线SAR动目标聚焦定位-Focalization

三孔径天线SAR动目标聚焦定位尹雅磊，廖桂生（西安电子科技大学，雷达信号处理国家重点实验室710071）摘要：本文研究了三孔径干涉合成孔径雷达在复图像域实现的动目标聚焦、测速及定位技术，该方法不要求系统参数满足DPCA条件，易于实现，并能获得运动目标的全部参数，计算机仿真结果及性能分析验证了该方法的可行性和有效性。关键词：合成孔径雷达(SAR)；动目标聚焦定位；最小熵FocalizationandRelocationofSARMovingTargetsBasedonThree-AntennaYinYalei,LiaoGuisheng(NationalKeyLab.OfRadarSignalProcessing,XidianUniv.,Xi’an710071China)Abstract:Thethree-antennainterferometicssyntheticapertureradarofSARmovingtargetsfocalization,velocityestimationandrelocationincompleximagefieldisstudied.Themethodneedn’tstrictlysatisfytheconstraintofDPCA.Also,thenewmethodiseasytoimplementandcanobtainallparametersofmovingtargets.Sometypicalcomputersimulationresultsandanalysisarepresentedtoillustratethemethod’svaliditykeywords:syntheticapertureradar(SAR);movingtargetsfocalizationandrelocation；minimumentropy1引言该方法采用三孔径天线,首先将成像后的三幅图像两两对消地杂波,获得两路含有动目标的残差图像。用静止目标的多普勒调频率对动目标进行聚焦成像,仍存在二次相位误差，必然会导致动目标方位向散焦,本文将最小熵准则运用到运动目标聚焦，通过多维搜索完成运动目标二次相位误差校正并估计动目标调频率,确定动目标的真实位置和速度。与[1]比本文在不满足DPCA条件时，仍能正常工作并获得运动目标的全部参数，而且对于小径向速度的动目标而言，该方法的检测效果更优。2问题提出假设雷达平台高度为H，飞行速度为，沿航向等间隔放置三副天线，间距为，天线2发射线性调频信号，三副天线同时接收回波信号。地面上某点运动目标的初始位置为，其方位向速度为avd),(0cRxxv，距离向速度（即距离向地面速度）为yv，径向速度为（即距离向速度在斜距平面里的投影，存在关系rv22ryccvvRHR=−）。则动目标的干涉相位为：2(radvv)πλΔΦ=，用静止目标的多普勒调频率对动目标进行聚焦成像,动目标在图像上是散焦的。2.1CFAR检测分离动目标，动目标二次相位校正杂波对消处理使静止目标对消程度远大于动目标，检测值超过门限的单元即存在运动目标。假设天线1收到的某运动目标的信号经距离压缩并变换到频域后近似为[2]：200121()expexpddTmmffjffmjfSfrectAkBkkππ⎛⎞⎛+−⎛⎞=−⎜⎟⎜⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎞⎟⎠(1)其中为一常数，运动目标的多普勒中心频率为TA[]002()(daxcr0)fxvvRvRλ=−−，运动目标的调频斜率为2202()()maxykvvvλ⎡⎤=−−+⎣⎦R，220c0RRx=+为零时刻天线与目标的距离。静止点目标002(0da)02002()xyvsmvakkvRλ====−fxvRλ=，。以静止目标为准进行成像，这时动目标仍存在二次相位误差，搜索校正动目标的二次相位误差即在频域乘chirp信号2exp()ejfkπ，是待搜索的参数。在此运用一种基于最小熵准则的SAR图像自聚焦算法ek[3]。假设动目标图像为包MN×个像素的复值图像，则此时图像的熵为：S11()(,)log(,)MNmnWSmnmnρρ===−∑∑其中2(,)(,)mnSmnPρ=，211(,)MMmnPSm===∑∑n，由111mskkek=+确定动目标的调频率。2.2速度估计与目标定位由干涉相位得距离向速度为：ΔΦ2222(2)yrccaccvvRRHvRdRHλπ=−=ΔΦ−,实际中干涉相位差处于[],ππ−之间，由此可得目标最大不模糊径向速度为max2arvvdλ=。当dvkvarλ=时，为整数，动目标被对消，我们将这样的称为盲速。krv根据前面所求得的距离向速度yv和多普勒调频率可以确定方位向速度mkxv，假设检测到动目标的方位位置为x，则目标的真实方位位置x为：()(arcax)xvxvRvv=+−3计算机仿真试验及性能分析假设载机高度4.5km，载机速度150m/s，相邻孔径间距0.96m（不满足DPCA条件），中心斜距11.5km，波长0.03m，发射脉冲宽度4sμ，发射带宽30MHz，采样率50KHz，发射脉冲重复频率500Hz，信杂比（SCR）大约为。动目标参数以及估计出的参数如表1：5dB−表1运动目标参数以及重新定位后运动目标参数Tab.1ParametersofmovingtargetsandParametersofmovingtargetsafterrelocation目标rv(m/s)av(m/s)0x(m)cR(km)检测后目标,rv(m/s),av(m/s),0x(m),cR(km)10.502011.71，0.50-0.0120.211.70121.57011.52，1.547.090.011.503325-5011.453，2.044.93-43.411.452对三个孔径的回波数据用对静止目标成像的方法处理获得常规SAR图像。对前两个孔径所成图像进行插值配准，并进行地杂波对消，如图1(a)可以明显看出，三个动目标都偏离其真实的方位位置，并且有两个明显存在方位向散焦。用CFAR检测检测出动目标并对动目标聚焦，聚焦后如图1(b)，可以看出，方位向散焦的动目标得到很好的聚焦。图1(c)为对动目标重新定位后，动目标返回原位置的SAR图像（三个动目标用圆圈标注过，以便读者分辨），与图1(d)中动目标初始位置相比较，动目标基本回到原始位置。距离向(刻度为脉冲点数)方位向(刻度为采样点数)100200300400500100200300400500600700800900100012345678910x105距离向(刻度为脉冲点数)方位向(刻度为采样点数)1002003004005001002003004005006007008009001000246810121416x105(a)(b)(c)距离向(刻度为脉冲点数)方位向(刻度为采样点数)10020030040050060010020030040050060070080090010001234567891011x106-10-505100246810方位向速度(m/s)改善因子(db)123456700.050.10.150.20.25方位向速度(m/s)方位向速度相对测速误差(d)图1(a,b,c,d)SAR图像图2聚焦过程改善因子随方位图3方位向测速误差随方位fig.1SARimage向速度变化曲线向速度变化曲线fig.2azimuthvelocityerrorvaryingfig.3azimuthvelocityerrorvaryingwithIFoffocalizationwithazimuthvelocity下面对其性能进行分析，径向速度为1m/s的运动目标聚焦过程的改善因子随方位向速度的变化曲线如图2所示；假设没有噪声，信杂比为-6db的情况下，径向速度为1m/s的运动目标，方位向测速误差随方位向速度变化曲线如图3所示。参考文献[1]郑明洁，杨汝良，周金成，一种多相位中心天线的动目标检测和成像算法，现代雷达，2003，25(12)：55-58.[2]陈广东，朱兆达，朱岱寅，抑制SAR图像中静止杂波背景检测慢速动目标，电子与信息学报，2005，27(8)：1229-1232.[3]武昕伟,朱兆达,一种基于最小熵准则的SAR图像自聚焦算法,系统工程与电子技术,2003，25(7)：867-869.作者：尹雅磊导师：廖桂生学科：信号与信息处理入学年月：2004年9月联系电话：[phone]电子信箱：[e-mail]