基于ADPCA的三通道合成孔径雷达目标定位技术研究*

蒋　一　王　锐　张友方

(陆军军官学院　合肥　230031)



基于ADPCA的三通道合成孔径雷达目标定位技术研究*

蒋一王锐张友方

(陆军军官学院合肥230031)

摘要针对相位中心偏置天线(DPCA)技术对载机速度、脉冲重复频率和相位中心间距之间的严格限制条件,提出了基于和差波束的自适应相位中心偏置天线技术(ADPCA)的三通道合成孔径雷达运动目标检测(SAR-GMTI)方法,进行地面运动目标的检测。仿真结果表明,在强杂波的背景下,能有效抑制杂波,改善了弱目标的检测性能。

关键词机载合成孔径雷达; 自适应偏移相位中心天线; 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的地面运动目标检测与成像技术在军事侦察中具有很高的应用价值,已成为SAR信号处理领域的一个重要研究方向。目前多通道SAR系统运动目标检测方法主要有相位中心偏置天线(DPCA)技术、空时自适应处理、沿迹干涉处理、解卷积法等[1]。其中,DPCA作为一种简单化的STAP方法,具有良好的杂波抑制能力,运算量少[2～7]。但经典的DPCA技术要求载机速度、脉冲重复频率和相位中心间距之间必须满足严格的条件,使其在实际应用中受到了一定的限制。因此,利用和差波束形成的ADPCA技术可以突破上述条件的限制,易于工程实现。

2基于和差波束的ADPCA原理

基于和差波束的ADPCA实现框图如图1所示,它利用单脉冲雷达差通道信号形成校正信号,将自适应加权后的校正信号作为补偿信号,对相邻脉冲和通道信号的对消剩余进行补偿,以此抑制杂波[8]。

图1　ADPCA实现框图

和差波束的形成原理如图2所示,和通道信号与差通道信号之间满足下列关系:

(1)

其中,Δ表示差通道信号,Σ表示和通道信号,θ为目标对天线轴的偏角,λ为载波波长。

图2　和差波束形成原理

由图2可得:

(2)

显然,将式(2)结果作为加权因子w对差通道信号加权后作为补偿信号,即可对消相邻脉冲地面回波和通道信号的对消剩余,即使得式(2)的输出为零。

3三通道ADPCA-GMTI实现方法

3.1回波信号模型

三通道SAR-GMTI模式在一个波位下的空间几何关系如图3所示[9～10]。

A、B、C三个孔径接收的回波信号经过同步检波并距离向压缩,考虑到相扫天线和差波束形成前,应先进行主杂波的跟踪,去掉多普勒中心频率的影响,并对A、B、C三路信号均以同一距离单元上的静止参考点P对回波的二次项作运动补偿,得到补偿后的回波信号。

图3　三通道SAR空间几何关系图

3.2基于和差波束的ADPCA处理

由前一节的分析可知,相控阵天线和差波束形成前,须先补偿掉A、B两路和B、C两路接收天线的阵内相位差,从而在t时刻和t+T时刻,A、B两路信号形成的和差波束,Σt(AB)、Δt(AB)和Σt+T(AB)、Δt+T(AB),以及B、C两路的Σt(BC)、Δt(BC)和Σt+T(BC)、Δt+T(BC)。

和差波束形成后,按照图1所示ADPCA的实现流程,对A、B两路作ADPCA处理:

(3)

通过分析可知,对于静止目标,采用最佳权值将被完全抑制掉,而对于该距离单元内的运动目标而言,对消结果为

yAB(t)=UABa(t)-wAB(X′)·UABb(t)

(4)

可见,相邻脉冲对消后慢动目标的输出信号不为零。因此,基于和差波束的ADPCA对消过程可以抑制静止杂波,而保留运动目标信息。

3.3动目标检测及定位

三通道SAR-GMTI系统在一发三收工作模式下进行杂波抑制和运动目标检测,三路数据经过上述误差补偿和DPCA杂波对消后可以得到两路动目标检测数据,对其中任意一路数据可以通过恒虚警检测完成地面运动目标的检测。

经相参积累后,在检测到运动目标位置处,该单元的相位值反映了运动目标的方位,据此可以对运动目标的真实方位进行估计。对A、B和B、C经过ADPCA处理后的结果进行干涉处理,可以分别得到运动目标方位估算值。

运动目标真实方位的估计值为

(5)

距离向估计值由检测到运动目标的单元对应的距离门给出:

(6)

(7)

利用双路ADPCA干涉处理进行对动目标的定位,能有效地克服相位模糊带来的问题,而且这种定位是在主杂波已被抑制掉的两路信号中进行的,因此定位精度较高。

3.4动目标测速

运动目标位置已经精确估计的前提下,假定vx、vy合成的径向速度为v,设动目标所在单元的擦地角γ′,方位斜视角θ′,则根据空间几何关系进而求得运动目标方位向与距离向速度的估计值为

(8)

至此,完成了对运动目标的检测及其参数的估计。基于和差波束ADPCA技术的三通道SAR-GMTI的流程图如图4所示。

4计算机仿真验证

4.1主要仿真参数及杂波仿真

波长λ=0.03m,发射带宽B=20MHz,发射脉冲宽度Ts=20μs,采样频率fs=25MHz,脉冲重复频率prf=1200Hz,雷达作用距离R0=180km,载机高度h=5km,载机速度va=110m/s,天线方位向尺寸Da=1.5m,波束方位斜视角θ=-45°～45°,步进幅度为1°,每个波位发射脉冲数为66个,通道间距d=0.5m。

图4　基于ADPCA的三通道SAR-GMTI流程图

4.2仿真结果

仿真中,设置两个点运动目标:动目标1初始位置在区域中心[0,0]处,径向速度为2.4m/s,信杂比设为-10dB。动目标2相对于区域中心的初始位置为[120m,600m],径向速度为-7.0m/s,信杂比设为-15dB。在θ=30°对应的波位下,对SAR-GMTI模式下的ADPCA运动目标检测性能进行仿真。

图5是广域搜索模式下,SAR点阵场景的仿真结果,由于两个运动目标的信杂比较低,所以淹没在背景杂波中无法分辨。

图6、图7是A、B通道和B、C通道杂波对消后相参积累的结果。可以看出杂波得到有效抑制,两个运动目标得以凸显出来。同时注意到,目标散焦明显且周围仍存在少量杂波剩余。

表1是运动目标的检测、定位及测速结果。由表中可以看出,目标的定位及测速结果具有较好精度。该模式下运动目标检测的优点在于可以实现对大区域范围内运动目标的快速检测。

图5　点阵场景(含两个运动目标)

图6　A、B通道杂波对消后相参积累结果

图7　B、C通道杂波对消后相参积累结果

目标编号实际位置(m)估计位置(m)方位向距离向方位向距离向实际速度(m/s)估计速度(m/s)速度估计绝对误差(%)100-9.015.202.42.7174-13.232120600127.37599.13-7.0-6.7248-3.93

5结语

针对相位中心偏置天线技术对载机速度、脉冲重复频率和相位中心间距之间的严格限制条件,提出了基于ADPCA技术的三通道SAR运动目标检测方法。该方法具有很好的系统误差补偿效果和定位精度,实现简单,是当前机载雷达较为可行的实时信号处理方案。

参 考 文 献

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中图分类号TN957.5

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.013

作者简介:蒋一,女,硕士,讲师,研究方向:雷达信号处理。王锐,女,硕士,讲师,研究方向:信号处理、信息检索。张友方,男,硕士,讲师,研究方向:数字图像处理。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月28日