Ka FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了Ka FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法及裝置，本發(fā)明公開的Ka FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法包括：步驟一、FMCW SAR發(fā)射三角波，將回波信號分段，得到正調(diào)頻回波信號和負(fù)調(diào)頻回波信號；步驟二、利用RD算法對正調(diào)頻回波信號、負(fù)調(diào)頻回波信號分別進行處理，分別得到正調(diào)頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像；步驟三、補償正調(diào)頻圖像、負(fù)調(diào)頻圖像之間的時間差；步驟四、對補償時間差后的兩幅圖像進行相減處理。通過本發(fā)明提供的方案可以實現(xiàn)基于FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測。
【專利說明】
Ka FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于合成孔徑雷達信號處理技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種Ka FMCW MiSAR運動目標(biāo) 檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)合成孔徑雷達(SAR)體積較大，不易安裝于小型飛行器上使用，限制了其應(yīng)用 領(lǐng)域。隨著SAR應(yīng)用的拓展與無人機及高可靠固態(tài)器件的發(fā)展，不論在軍用還是民用方面， 小型SAR的需求越來越迫切，其中，調(diào)頻連續(xù)波SAR(FMCW SAR)是FMCW與SAR的完美結(jié)合，其 采用去斜接收體制，產(chǎn)生較小的差頻帶寬，降低了對采集設(shè)備要求，減輕了設(shè)備的重量，其 更易于安裝于小型無人機上或者航模飛機。Ka頻段FMCW SARW其成像細(xì)節(jié)細(xì)膩、體積小、重 量輕、成本低、分辨率高及消耗功率低等優(yōu)點已然成為小型SAR重要的發(fā)展方向。
[0003] 運動目標(biāo)檢測是SAR的重要任務(wù)之一，因動目標(biāo)與靜止目標(biāo)的多普勒參數(shù)不同，若 仍采用傳統(tǒng)SAR靜止目標(biāo)成像方法會導(dǎo)致運動目標(biāo)的模糊、誤判、或是淹沒在雜波中無法分 辨，而單通道SAR在目標(biāo)檢測與估計方面性能有限，主要不足為:無法檢測慢速運動目標(biāo);要 求較高的PRF，使得測繪帶寬較窄、數(shù)據(jù)量增加;位置與速度模糊無法精確測速和定位，無法 精確成像。盡管多通道SAR設(shè)備和算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)量較大，但其優(yōu)異的檢測和估計性能使其 備雙關(guān)注。
[0004] 常見的多通道SAR/GMTI數(shù)據(jù)處理技術(shù)包括：方位向干設(shè)技術(shù)（Along-Track Interferometry, ATI),相位中屯、偏置技術(shù)（Displaced F*hase Center Antenna, DPCA)和 空時自適應(yīng)處理技術(shù)（Space-Time Adaptive Processing, STAP)。
[0005] ATI技術(shù)能夠檢測到雜波譜內(nèi)的慢速運動目標(biāo)，但基線長度的局限性限制了該方 法的應(yīng)用，提高檢測性能需要加大基線長度，但同時會引起速度檢測范圍的變窄。DPCA技術(shù) 使用兩個或多個相位中屯、，通過移位相位中屯、，可補償由機載平臺運動帶來的多普勒展寬， 使得雜波多普勒頻譜帶寬變窄，進而能夠檢測出運動目標(biāo)。由于受無人機承受載荷重量、靈 活性等特點的要求，DPCA技術(shù)較ATI更適合于本發(fā)明中的無人機FMCW SAR應(yīng)用。
[0006] 但現(xiàn)有基于DPCA的SAR動目標(biāo)檢測方法需要多個通道，方法復(fù)雜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大， 對于FMCW SAR小型系統(tǒng)實現(xiàn)動目標(biāo)檢測不再適用。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明解決的問題是，現(xiàn)有技術(shù)中，基于DPCA的SAR動目標(biāo)檢測方法復(fù)雜，系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)龐大，不再適用于FMCW SAR小型系統(tǒng)。為解決所述問題，本發(fā)明提供基于FMCW SAR的運動 目標(biāo)檢測方法。
[0009]本發(fā)明提供的FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法包括： 步驟一、FMCW SAR發(fā)射S角波，根據(jù)時間關(guān)系對回波信號分段，得到正調(diào)頻回波信號和 負(fù)調(diào)頻回波信號； 步驟二、利用RD算法對正調(diào)頻回波信號、負(fù)調(diào)頻回波信號分別進行處理，分別得到正調(diào) 頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像； 步驟S、補償正調(diào)頻圖像、負(fù)調(diào)頻圖像之間的時間差； 步驟四、對補償時間差后的兩幅圖像進行相減處理。
[0010] 進一步，所述步驟二包括： 步驟2.1、對正調(diào)頻回波信號、負(fù)調(diào)頻回波信號分別進行距離向FFT; 步驟2.2、對距離向FFT后的數(shù)據(jù)分別進行RVP校正； 步驟2.3、對RVP校正后的數(shù)據(jù)分別進行方位向FFT; 步驟2.4、對方位向FFT后的數(shù)據(jù)分別進行方位向匹配濾波，分別形成正調(diào)頻圖像和負(fù) 調(diào)頻圖像。
[0011] 進一步，所述步驟2.2包括將距離向FFT后的數(shù)據(jù)與RVP校正函數(shù)相乘，所述RVP校 正函數(shù)呆
其中
，Vj為虛數(shù)單位。
[0012] 進一步，所述步驟2.3還包括利用Sinc插值方法或者Slot插值方法完成距離徙動 與多普勒頻移校正。
[0013] 進一步，還包括:步驟2.5、基于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和回波數(shù)據(jù)對正調(diào)頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像 進行補償。
[0014] 進一步，所述S角波為Ka頻段S角波。
[0015] 進一步，還包括:步驟五、基于單元平均方法設(shè)定目標(biāo)闊值，確定動目標(biāo)。
[0016] 進一步，還包括:步驟六、提取判斷確定的動目標(biāo)圖像;步驟屯、對提取出的動目標(biāo) 進行處理，得到動目標(biāo)的徑向偏移量，從而確定目標(biāo)的徑向速度，并對目標(biāo)定位。
[0017] 進一步，所述步驟一包括將回波信號去斜處理后得到中頻信號，根據(jù)回波信號接 收時間先后關(guān)系將接收到的回波信號進行分段，得到正調(diào)頻回波信號和負(fù)調(diào)頻回波信號。
[0018] 本發(fā)明還提供實現(xiàn)所述的FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法的裝置，包括角波發(fā) 射裝置、回波信號接收裝置、成像裝置、時間補償裝置、圖像處理裝置;所述=角波發(fā)射裝置 發(fā)射=角波信號，所述回波信號接收裝置接收回波信號，并將回波信號分為正調(diào)頻回波信 號和負(fù)調(diào)頻回波信號，成像裝置對正調(diào)頻回波信號和負(fù)調(diào)頻回波信號分別進行處理，得到 正調(diào)頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像，時間補償裝置補償正調(diào)頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像之間的時間差，圖 像處理裝置對補償時間差后的兩幅圖形進行相減處理。
[0019] 本發(fā)明的有益效果包括： 本發(fā)明提供的方案采用=角波信號為FMCW SAR的發(fā)射信號，回波信號經(jīng)分段得到正調(diào) 頻回波信號和負(fù)調(diào)頻回波信號，對正、負(fù)調(diào)頻回波信號分別進行處理后得到正調(diào)頻圖像和 負(fù)調(diào)頻圖像，對所述正調(diào)頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像時間差進行補償后作相減處理，即可去除雜 波和靜止目標(biāo)，得到動目標(biāo)。通過本發(fā)明提供的方案只需要兩個通道即可實現(xiàn)基于DPCA的 FMCW MiSAR動目標(biāo)檢測方法，方法簡單，有利于系統(tǒng)的小型化。
[0020] 另外，本發(fā)明S角波位于Ka頻段，Ka頻段成像效果好，圖像分辨率高，有利于檢測 動目標(biāo)。
[0021]
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明實施例提供的FMCW MiSAR動目標(biāo)檢測方法中，發(fā)射及接收波形W及 Dechi巧處理后兩通道信號圖； 圖2是本發(fā)明實施例提供的FMCW MiSAR動目標(biāo)檢測方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 下文中，結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的精神和實質(zhì)作進一步闡述。
[0024] 由【背景技術(shù)】可知，現(xiàn)有技術(shù)中，F(xiàn)MCW SAR檢測動目標(biāo)的方法復(fù)雜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大。 發(fā)明人針對上述問題進行研究，認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的SAR發(fā)射脈沖波，為實現(xiàn)動目標(biāo)檢測 需要多個接收通道，造成方法復(fù)雜，系統(tǒng)龐大。對于小型FMCW SAR系統(tǒng)不再適用。發(fā)明人針 對上述問題進行進一步研究，在本發(fā)明中提供一種FMCW SAR動目標(biāo)檢測方法。本發(fā)明所提 供的FMCW SAR動目標(biāo)檢測方法的發(fā)射波為S角波，并且提供了S角波的回波信號處理方 法。本發(fā)明所提供的FMCW SAR動目標(biāo)檢測方法容易實現(xiàn)，并且有利于系統(tǒng)小型化。
[0025] 本發(fā)明所提供的FMCW SAR動目標(biāo)檢測方法包括： 步驟一、FMCW SAR發(fā)射S角波，根據(jù)時間先后關(guān)系對回波信號分段，得到正調(diào)頻回波信 號和負(fù)調(diào)頻回波信號。
[0026] 如圖1所示，F(xiàn)MCW SAR發(fā)射S角波信號的調(diào)頻周期為T，得到的FMCW SAR回波信號 經(jīng)去斜(DecMrp)處理后得到中頻信號。根據(jù)回波信號接收時間先后關(guān)系將接收到的回波 信號進行分段，得到正調(diào)頻回波信號與負(fù)調(diào)頻回波信號。此處單通道接收可視為正調(diào)頻回 波信號通道與負(fù)調(diào)頻回波信號通道兩通道接收。DecMrp處理的好處是可W減小回波信號 帶寬，Dechirp處理的實現(xiàn)方法為本領(lǐng)域技人員所熟知，在此不再詳述。
[0027] 本實施例中，S角波為Ka頻段S角波，選擇Ka頻段S角波的好處是Ka頻段波的波 長較短，成像質(zhì)量局，可W提局動目標(biāo)的檢測精度。
[0028] 步驟二、利用RD算法對正調(diào)頻回波信號、負(fù)調(diào)頻回波信號分別進行處理，分別得到 正調(diào)頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像。
[0029] 步驟2.1、對正調(diào)頻回波信號、負(fù)調(diào)頻回波信號分別進行距離向FFT，完成距離向壓 縮； 步驟2.2、對正調(diào)頻回波信號、負(fù)調(diào)頻回波信號距離向FFT后的數(shù)據(jù)分別進行RVP校正； 在進行FFT后，殘余視頻相位項(RVP)會改變多普勒頻率，為了不影響方位向匹配濾波， 需要進行RVP校正處理。由于RVP項相位隨空間變化，在時域很難去除，RVP在快時間域的一 個卷積因子，在距離向頻域只要對不同頻率乘W-個和頻率相關(guān)的因子，就可W完全去除。 因此在距離域進行殘余視頻相位(RVP)校正。距離向壓縮數(shù)據(jù)與RVP校正函數(shù)相乘后即可完 成距離維RVP校正。
[0030] RVP校正函數(shù)為
其中，
，:3為虛數(shù)單位。
[0031] 步驟2.3、對RVP校正后的數(shù)據(jù)分別進行方位向FFT; 與傳統(tǒng)脈沖SAR距離徙動校正相比，平臺運動導(dǎo)致的額外的距離徙動對應(yīng)多普勒頻移 的影響。
[0032] 變換到多普勒域后，可W看出與雷達天線距離為處的點目標(biāo)，其多普勒域中的頻率偏 移量與方位維多普勒偏移量的關(guān)系可W表示為：
: 為光速。
[0033] 平臺運動導(dǎo)致的多普勒頻移引起的影響可W在距離徙動校正中完成補償。進行距 離徙動與多普勒頻移校正后，可保證不同位置上的點目標(biāo)的距離徙動軌跡與多普勒頻率軸 平行。在此可采用一般Sinc插值或Slot插值方法完成距離徙動與多普勒頻率校正。
[0034] 步驟2.4、對方位向FFT后的數(shù)據(jù)分別進行方位向匹配濾波，分別形成正調(diào)頻圖像 和負(fù)調(diào)頻圖像。進行匹配濾波的技術(shù)位本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再詳述。
[0035] 考慮到飛行器飛行的穩(wěn)定度有限，W及GPS和INS監(jiān)測范圍和精度有限，難W滿足 高分辨成像要求，所W在本發(fā)明的實施例中還包括： 步驟2.5、結(jié)合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和回波數(shù)據(jù)，對所述正調(diào)頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像進行運動補償， 得到高分辨率的正調(diào)頻圖像與負(fù)調(diào)頻圖像。在此基于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和回波數(shù)據(jù)共同完成運動補 償，較傳統(tǒng)脈沖SAR只用基于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)或只基于回波數(shù)據(jù)處理圖像效果更好，更易于后續(xù)動 目標(biāo)檢測。
[0036] 步驟S、補償正調(diào)頻圖像、負(fù)調(diào)頻圖像之間的時間差。
[0037] 正負(fù)調(diào)頻圖像間存在T/2的時間差，對此時間差進行補償實現(xiàn)圖像配準(zhǔn)。其中，T為 S角波調(diào)頻周期。
[0038] 步驟四、對補償時間差后的兩幅圖像進行相減處理。
[0039] 對補償時間差后的兩幅圖像進行DPCA相減處理，可抑制固定雜波。雜波與靜止目 標(biāo)成像結(jié)果相同，運動目標(biāo)存在相位差，圖像相減雜波與靜止目標(biāo)相消，得到疑似動目標(biāo)。
[0040] 通過所述步驟一至步驟四可W實現(xiàn)檢測動目標(biāo)的技術(shù)效果?？紤]到雜波和噪聲起 伏對回波信號的影響，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，還包括： 步驟五、基于經(jīng)典的單元平均CFAR(Constant False Alarm Rate,恒虛警檢測技術(shù)） 方法設(shè)定目標(biāo)檢測闊值，確定最終的動目標(biāo)。其中，CFAR處理技術(shù)是雷達自動檢測系統(tǒng)中為 檢測策略提供闊值并使雜波和噪聲起伏對虛警概率的影響最小化的信號處理算法。
[0041] 步驟六、對判斷確定的動目標(biāo)圖像進行提取。
[0042] 步驟屯、對提取出的動目標(biāo)進行相關(guān)處理，得到目標(biāo)的徑向偏移量，從而得到目標(biāo) 的徑向速度，完成目標(biāo)的定位。
[0043] 本發(fā)明雖然已W較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域 技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可W利用上述掲示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā) 明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明 的技術(shù)實質(zhì)對W上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案 的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法，其特征在于，包括： 步驟一、FMCW SAR發(fā)射三角波，將回波信號分段，得到正調(diào)頻回波信號和負(fù)調(diào)頻回波信 號； 步驟二、利用RD算法對正調(diào)頻回波信號、負(fù)調(diào)頻回波信號分別進行處理，分別得到正調(diào) 頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像； 步驟三、補償正調(diào)頻圖像、負(fù)調(diào)頻圖像之間的時間差； 步驟四、對補償時間差后的兩幅圖像進行相減處理。2. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述步驟二包 括： 步驟2.1、對正調(diào)頻回波信號、負(fù)調(diào)頻回波信號分別進行距離向FFT; 步驟2.2、對距離向FFT后的數(shù)據(jù)分別進行RVP校正； 步驟2.3、對RVP校正后的數(shù)據(jù)分別進行方位向FFT; 步驟2.4、對方位向FFT后的數(shù)據(jù)分別進行方位向匹配濾波，分別形成正調(diào)頻圖像和負(fù) 調(diào)頻圖像。3. 依據(jù)權(quán)利要求2所述的BCT SAR的運動目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述步驟2.2包括將距離向 FFT后的數(shù)據(jù)與RVP校正函數(shù)相乘，所述RVP校正函數(shù)為為虛數(shù)單位。4. 依據(jù)權(quán)利要求2所述的FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述步驟2.3還 包括利用sine插值方法或Slot插值方法完成距離徙動與多普勒頻移校正。5. 依據(jù)權(quán)利要求2所述的FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法，其特征在于，還包括：步驟 2.5、基于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和回波數(shù)據(jù)對正調(diào)頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像進行補償。6. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述三角波為Ka 頻段三角波。7. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法，其特征在于，還包括:步驟五、 基于單元平均方法設(shè)定目標(biāo)閾值，確定動目標(biāo)。8. 依據(jù)權(quán)利要求7所述的FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法，其特征在于，還包括:步驟六、 提取判斷確定的動目標(biāo)圖像;步驟七、對提取出的動目標(biāo)進行處理，得到動目標(biāo)的徑向偏移 量，從而確定目標(biāo)的徑向速度，并對目標(biāo)定位。9. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述步驟一包括 將回波信號去斜處理后得到中頻信號，根據(jù)回波信號接收時間先后關(guān)系將接收到的回波信 號進行分段，得到正調(diào)頻回波信號和負(fù)調(diào)頻回波信號。10. 實現(xiàn)權(quán)利要求1至9中任意一項所提供的FMCW SAR的運動目標(biāo)檢測方法的裝置，其 特征在于，包括:三角波發(fā)射裝置、回波信號接收裝置、成像裝置、時間補償裝置、圖像處理 裝置;所述三角波發(fā)射裝置發(fā)射三角波信號，所述回波信號接收裝置接收回波信號，并將回 波信號分為正調(diào)頻回波信號和負(fù)調(diào)頻回波信號，成像裝置對正調(diào)頻回波信號和負(fù)調(diào)頻回波 信號分別進行處理，得到正調(diào)頻圖像和負(fù)調(diào)頻圖像，時間補償裝置補償正調(diào)頻圖像和負(fù)調(diào) 頻圖像之間的時間差，圖像處理裝置對補償時間差后的兩幅圖形進行相減處理。
【文檔編號】G01S13/90GK105954751SQ201610385231
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】王輝
【申請人】王輝