蔣　一　王　銳　張友方

(陸軍軍官學(xué)院　合肥　230031)

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基于ADPCA的三通道合成孔徑雷達(dá)目標(biāo)定位技術(shù)研究*

蔣一王銳張友方

(陸軍軍官學(xué)院合肥230031)

摘要針對(duì)相位中心偏置天線(DPCA)技術(shù)對(duì)載機(jī)速度、脈沖重復(fù)頻率和相位中心間距之間的嚴(yán)格限制條件,提出了基于和差波束的自適應(yīng)相位中心偏置天線技術(shù)(ADPCA)的三通道合成孔徑雷達(dá)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(SAR-GMTI)方法,進(jìn)行地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。仿真結(jié)果表明,在強(qiáng)雜波的背景下,能有效抑制雜波,改善了弱目標(biāo)的檢測(cè)性能。

關(guān)鍵詞機(jī)載合成孔徑雷達(dá); 自適應(yīng)偏移相位中心天線; 和差波束

Location Analysis of Tri-channel SAR-GMTI Based on ADPCA

JIANG YiWANG RuiZHANG Youfang

(Army Office Academy, Hefei230031)

AbstractFor the strict requirement of DPCA on carrier velocity, pulse repetition frequency and the distance between aperture centers, a tri-channel SAR-GMTI method based on adaptive DPCA of ΣΔ-beams is proposed to detect the moving target. Simulation results prove that the proposed method can effectively suppress the clutter even in strong clutter environment, improve the detection performance of weak target.

Key Wordsairborne SAR, ADPCA, ΣΔ beam

Class NumberTN957.5

1引言

基于SAR的地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與成像技術(shù)在軍事偵察中具有很高的應(yīng)用價(jià)值,已成為SAR信號(hào)處理領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。目前多通道SAR系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法主要有相位中心偏置天線(DPCA)技術(shù)、空時(shí)自適應(yīng)處理、沿跡干涉處理、解卷積法等[1]。其中,DPCA作為一種簡(jiǎn)單化的STAP方法,具有良好的雜波抑制能力,運(yùn)算量少[2～7]。但經(jīng)典的DPCA技術(shù)要求載機(jī)速度、脈沖重復(fù)頻率和相位中心間距之間必須滿足嚴(yán)格的條件,使其在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制。因此,利用和差波束形成的ADPCA技術(shù)可以突破上述條件的限制,易于工程實(shí)現(xiàn)。

2基于和差波束的ADPCA原理

基于和差波束的ADPCA實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示,它利用單脈沖雷達(dá)差通道信號(hào)形成校正信號(hào),將自適應(yīng)加權(quán)后的校正信號(hào)作為補(bǔ)償信號(hào),對(duì)相鄰脈沖和通道信號(hào)的對(duì)消剩余進(jìn)行補(bǔ)償,以此抑制雜波[8]。

圖1　ADPCA實(shí)現(xiàn)框圖

和差波束的形成原理如圖2所示,和通道信號(hào)與差通道信號(hào)之間滿足下列關(guān)系:

(1)

其中,Δ表示差通道信號(hào),Σ表示和通道信號(hào),θ為目標(biāo)對(duì)天線軸的偏角,λ為載波波長(zhǎng)。

圖2　和差波束形成原理

由圖2可得:

(2)

顯然,將式(2)結(jié)果作為加權(quán)因子w對(duì)差通道信號(hào)加權(quán)后作為補(bǔ)償信號(hào),即可對(duì)消相鄰脈沖地面回波和通道信號(hào)的對(duì)消剩余,即使得式(2)的輸出為零。

3三通道ADPCA-GMTI實(shí)現(xiàn)方法

3.1回波信號(hào)模型

三通道SAR-GMTI模式在一個(gè)波位下的空間幾何關(guān)系如圖3所示[9～10]。

A、B、C三個(gè)孔徑接收的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)同步檢波并距離向壓縮,考慮到相掃天線和差波束形成前,應(yīng)先進(jìn)行主雜波的跟蹤,去掉多普勒中心頻率的影響,并對(duì)A、B、C三路信號(hào)均以同一距離單元上的靜止參考點(diǎn)P對(duì)回波的二次項(xiàng)作運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,得到補(bǔ)償后的回波信號(hào)。

圖3　三通道SAR空間幾何關(guān)系圖

3.2基于和差波束的ADPCA處理

由前一節(jié)的分析可知,相控陣天線和差波束形成前,須先補(bǔ)償?shù)鬉、B兩路和B、C兩路接收天線的陣內(nèi)相位差,從而在t時(shí)刻和t+T時(shí)刻,A、B兩路信號(hào)形成的和差波束,Σt(AB)、Δt(AB)和Σt+T(AB)、Δt+T(AB),以及B、C兩路的Σt(BC)、Δt(BC)和Σt+T(BC)、Δt+T(BC)。

和差波束形成后,按照?qǐng)D1所示ADPCA的實(shí)現(xiàn)流程,對(duì)A、B兩路作ADPCA處理:

(3)

通過(guò)分析可知,對(duì)于靜止目標(biāo),采用最佳權(quán)值將被完全抑制掉,而對(duì)于該距離單元內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)而言,對(duì)消結(jié)果為

yAB(t)=UABa(t)-wAB(X′)·UABb(t)

(4)

可見,相鄰脈沖對(duì)消后慢動(dòng)目標(biāo)的輸出信號(hào)不為零。因此,基于和差波束的ADPCA對(duì)消過(guò)程可以抑制靜止雜波,而保留運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息。

3.3動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及定位

三通道SAR-GMTI系統(tǒng)在一發(fā)三收工作模式下進(jìn)行雜波抑制和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè),三路數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上述誤差補(bǔ)償和DPCA雜波對(duì)消后可以得到兩路動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)其中任意一路數(shù)據(jù)可以通過(guò)恒虛警檢測(cè)完成地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。

經(jīng)相參積累后,在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置處,該單元的相位值反映了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方位,據(jù)此可以對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的真實(shí)方位進(jìn)行估計(jì)。對(duì)A、B和B、C經(jīng)過(guò)ADPCA處理后的結(jié)果進(jìn)行干涉處理,可以分別得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)方位估算值。

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)真實(shí)方位的估計(jì)值為

(5)

距離向估計(jì)值由檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的單元對(duì)應(yīng)的距離門給出:

(6)

(7)

利用雙路ADPCA干涉處理進(jìn)行對(duì)動(dòng)目標(biāo)的定位,能有效地克服相位模糊帶來(lái)的問題,而且這種定位是在主雜波已被抑制掉的兩路信號(hào)中進(jìn)行的,因此定位精度較高。

3.4動(dòng)目標(biāo)測(cè)速

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置已經(jīng)精確估計(jì)的前提下,假定vx、vy合成的徑向速度為v,設(shè)動(dòng)目標(biāo)所在單元的擦地角γ′,方位斜視角θ′,則根據(jù)空間幾何關(guān)系進(jìn)而求得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)方位向與距離向速度的估計(jì)值為

(8)

至此,完成了對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)及其參數(shù)的估計(jì)。基于和差波束ADPCA技術(shù)的三通道SAR-GMTI的流程圖如圖4所示。

4計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證

4.1主要仿真參數(shù)及雜波仿真

波長(zhǎng)λ=0.03m,發(fā)射帶寬B=20MHz,發(fā)射脈沖寬度Ts=20μs,采樣頻率fs=25MHz,脈沖重復(fù)頻率prf=1200Hz,雷達(dá)作用距離R0=180km,載機(jī)高度h=5km,載機(jī)速度va=110m/s,天線方位向尺寸Da=1.5m,波束方位斜視角θ=-45°～45°,步進(jìn)幅度為1°,每個(gè)波位發(fā)射脈沖數(shù)為66個(gè),通道間距d=0.5m。

圖4　基于ADPCA的三通道SAR-GMTI流程圖

4.2仿真結(jié)果

仿真中,設(shè)置兩個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo):動(dòng)目標(biāo)1初始位置在區(qū)域中心[0,0]處,徑向速度為2.4m/s,信雜比設(shè)為-10dB。動(dòng)目標(biāo)2相對(duì)于區(qū)域中心的初始位置為[120m,600m],徑向速度為-7.0m/s,信雜比設(shè)為-15dB。在θ=30°對(duì)應(yīng)的波位下,對(duì)SAR-GMTI模式下的ADPCA運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能進(jìn)行仿真。

圖5是廣域搜索模式下,SAR點(diǎn)陣場(chǎng)景的仿真結(jié)果,由于兩個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信雜比較低,所以淹沒在背景雜波中無(wú)法分辨。

圖6、圖7是A、B通道和B、C通道雜波對(duì)消后相參積累的結(jié)果。可以看出雜波得到有效抑制,兩個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)得以凸顯出來(lái)。同時(shí)注意到,目標(biāo)散焦明顯且周圍仍存在少量雜波剩余。

表1是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)、定位及測(cè)速結(jié)果。由表中可以看出,目標(biāo)的定位及測(cè)速結(jié)果具有較好精度。該模式下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大區(qū)域范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的快速檢測(cè)。

圖5　點(diǎn)陣場(chǎng)景(含兩個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo))

圖6　A、B通道雜波對(duì)消后相參積累結(jié)果

圖7　B、C通道雜波對(duì)消后相參積累結(jié)果

目標(biāo)編號(hào)實(shí)際位置(m)估計(jì)位置(m)方位向距離向方位向距離向?qū)嶋H速度(m/s)估計(jì)速度(m/s)速度估計(jì)絕對(duì)誤差(%)100-9.015.202.42.7174-13.232120600127.37599.13-7.0-6.7248-3.93

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)相位中心偏置天線技術(shù)對(duì)載機(jī)速度、脈沖重復(fù)頻率和相位中心間距之間的嚴(yán)格限制條件,提出了基于ADPCA技術(shù)的三通道SAR運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法。該方法具有很好的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償效果和定位精度,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,是當(dāng)前機(jī)載雷達(dá)較為可行的實(shí)時(shí)信號(hào)處理方案。

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中圖分類號(hào)TN957.5

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.013

作者簡(jiǎn)介:蔣一,女,碩士,講師,研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理。王銳,女,碩士,講師,研究方向:信號(hào)處理、信息檢索。張友方,男,碩士,講師,研究方向:數(shù)字圖像處理。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月28日