一种高轨卫星SAR动目标检测方法技术

本发明专利技术公开了高轨卫星SAR动目标检测方法，考虑到了在高轨模式下的两个主要误差，一是传统机载SAR的“走‑停”假设不成立，二是由于地球自转和轨道轨迹带来的非线性变化。本发明专利技术将DPCA方法应用于高轨卫星SAR系统中，能够在抑制杂波的同时保留淹没于杂波区的慢速运动目标，并同时考虑到高轨模型下的非线性斜距变化，构造频域匹配函数对目标的距离走动和多普勒走动进行补偿，相比于传统的仅仅最多考虑到二阶项有更好的运动目标检测与成像效果。

A Moving Target Detection Method for High Orbit Satellite SAR

【技术实现步骤摘要】
一种高轨卫星SAR动目标检测方法
本专利技术属于信号与信息处理
，具体涉及一种高轨卫星SAR动目标检测方法。
技术介绍
合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)是一种主动式微波传感器，利用合成孔径原理能够对大范围的观测区域进行成像，随着需求的扩展，对SAR提出了进行地面运动目标指示(GroundMovingTargetIndication,GMTI)的要求，并且近年来SAR-GMTI理论及应用都得到了较大的发展。机载SAR的相关技术理论已经十分成熟，相比之下，高轨卫星SAR具有独特的优势：重访周期短、观测时间长、轨道相对稳定。利用高轨卫星SAR对地球表面观测可以得到更加全面的场景数据和信息。但是高轨卫星SAR同样面临着许多问题：地球自转及轨道带来的非线性斜距变化、长回波距离带来的信号能量损失。并且考虑到地杂波的影响，多通道系统相比单通道系统具备更强的杂波抑制能力，首选利用多通道系统进行运动目标检测。常用的多通道处理方法有偏置相位中心天线(DisplacedPhaseCenterAntenna,DPCA)技术、沿航迹干涉(AlongTrackInterference,ATI)技术、空时自适应处理(SpaceTimeadaptiveprocessing,STAP)技术。由于考虑到高轨SAR需要处理的数据量较大，为了提高实时性以及数据处理效率，更偏向于采用双通道系统进行信号处理。在杂波抑制效果上，DPCA方法要优于ATI方法，因此这里采用双通道DPCA系统进行杂波抑制，并保留运动目标。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术解决了高轨卫星SAR模型带来的斜距影响，并同时实现运动目标检测与成像，提供了一种更为准确的“非走-停”模式下基于DPCA和频率匹配函数的高轨卫星SAR动目标检测方法。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种高轨卫星SAR动目标检测方法，包括以下步骤：S1、通过高轨卫星SAR中的第一通道发射线性调频信号；S2、通过地面目标接收第一通道发射的线性调频信号并返回回波信号被高轨卫星SAR中的第一通道和第二通道同时接收；S3、对第一通道和第二通道接收到的回波信号进行脉冲压缩；S4、对第一通道和第二通道中的脉冲压缩后的信号进行双通道DPCA对消，得到运动目标回波信号；S5、构造频率域匹配函数，对运动目标回波信号进行补偿，并做逆傅里叶变换，得到二维时域信号；S6、对二维时域信号沿慢时间维进行傅里叶变换，并进行CFAR检测，当CFAR检测时的峰值大于设定阈值，则判定检测到动目标，实现动目标的检测。进一步地，所述步骤S2中动目标接收到雷达发射的线性调频信号并返回回波信号被高轨卫星SAR的第一通道和第二通道接收时，线性调频信号与回波信号传输总距离Rn(t)为：式中，c为光速；τ1为在慢时间t时刻，第一通道发射线性调频信号到达动目标时所用的时间，t＝nT，n为雷达发射信号的脉冲序号，T为线性调频信号的重复周期；τ2为动目标反射的回波信号被第一通道或第二通道接收到的时间；为t＝nT时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；是t1＝nT+τ1时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；是t2＝nT+τ1+τ2时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量。进一步地，所述S3具体为：对第一通道和第二通道中的回波信号进行下变频得到对应的回波基带信号S11(t+mT,τ)和S12(t,τ)，再对其沿快时间维进行傅里叶变换，并与距离向参考函数进行匹配实现，实现脉冲压缩；式中，τ为快时间；m为满足DPCA条件的正整数。进一步地，所述步骤S4具体为：对第二通道中的回波基带信号进行相位差补偿，然后与第一通道中的回波基带信号相减，得到对消后的残余信号，对其进行变换处理后得到运动目标回波信号。进一步地，所述第二通道中的进行相位差补偿时的相位补偿函数为：式中，exp(·)为指数函数；j为虚数单位；π为弧度单位；γ为调频率；τ为快时间；d为通道间距；R0为高轨卫星SAR与地面目标的初始斜距；c为光速；τtotal为回波时延；λ为波长；v为高轨卫星SAR的速度；所述步骤后S4中，运动目标回波信号S(t,fτ)为：式中，σ0为信号的常数系数；rect(·)为矩形窗函数；fτ为信号的快时间维频率；B为信号带宽；fc为载频；Requal(t)＝R0+v0t+a1t2+a2t3，R0为高轨卫星SAR与地面动目标的初始斜距，v0、a1和a2分别为动目标与高轨卫星SAR之间的相对速度、加速度和第二加速度。进一步地，所述步骤S5具体为：S51、对运动目标回波信号S(t,fτ)做一阶Keystone变换，消除多普勒频率项引起的线性距离走动；其中，对运动目标回波信号S(t,fτ)做一阶Keystone变换的公式为：式中，SKT(tn,fτ)为一阶Keystone变换后的运动目标回波信号；tn为一阶Keystone变换后的慢时间；fτ为信号的快时间维频率；σ1为中间参数；exp(g)为指数函数；famb为折叠后的多普勒频率；fc为载频；k为多普勒模糊数；PRF为脉冲重复频率；a1和a2分别为动目标与高轨卫星SAR之间的加速度和第二加速度。S52、构造关于多普勒模糊数、加速度和第二加速度的频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)；其中，频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)为：式中，K,A1,A2分别为多普勒模糊数、加速度和第二加速度的值；S53、将一阶Keystone变换后的信号SKT(tn,fτ)与频率匹配函数P(tn,fτ；K,A1,A2)相乘，得到慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)；其中，慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)为：S54、对慢时间-距离频域信号S1(tn,fτ)沿距离频率维域做逆傅里叶变换，得到二维时域信号S1(tn,τ)；其中，二维时域信号S1(tn,τ)为:S1(tn,τ)＝D1sinc[B(τ-2R0/c)]exp(j2πfambtn)式中，D1为常数项系数。进一步地，所述步骤S52中，构造频率匹配函数的方法具体为：采用多普勒模糊数、加速度和第二加速度进行三维联合搜索，将每一组多普勒模糊数、加速度和第二加速度参数代入一阶Keystone变换后回波信号进行相参累积，对相参累积后的累积能量进行比较并选取使累积能量最大的一组参数值，将不适用的参数值去除，以此得到多普勒模糊数的估计值加速度的估计值和第二加速度的估计值关系式为：式中，为对搜索多普勒模糊数、加速度和第二加速度进行搜索时取最大值时对应的三个参数；为对慢时间做傅里叶变换；为对快时间做逆傅里叶变换；S1(g)为搜索三个参数时的匹配函数；tn为一阶Keystone变换后的慢时间；fτ为信号的快时间维频率；K＝k，A1＝a1，A2＝a2。进一步地，所述步骤S6中对二维时域信号沿慢时间进行傅里叶变换得到的信号为：式中，D2为常数项系数；为慢时间频率域；Tc为合成孔径时间。进一步地，所述步骤S6中CFAR检测的方法具体为：在控制虚警率一定的情况下，遍历所有经过慢时间维傅里叶变换的二维时域信号据，对于每个数据点，设置一个保护单元和参考单元，与周围的数据点进行比较，如果设定的位置，则判定为检测到动目标，实现动目标的检测。本专利技术的有益效果为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高轨卫星SAR动目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过高轨卫星SAR中的第一通道发射线性调频信号；S2、通过地面目标接收第一通道发射的线性调频信号并返回回波信号被高轨卫星SAR中的第一通道和第二通道同时接收；S3、对第一通道和第二通道接收到的回波信号进行脉冲压缩；S4、对第一通道和第二通道中的脉冲压缩后的信号进行双通道DPCA对消，得到运动目标回波信号；S5、构造频率域匹配函数，对运动目标回波信号进行补偿，并做逆傅里叶变换，得到二维时域信号；S6、对二维时域信号沿慢时间维进行傅里叶变换，并进行CFAR检测，当CFAR检测时的峰值大于设定阈值，则判定检测到动目标，实现动目标的检测。

【技术特征摘要】
1.一种高轨卫星SAR动目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过高轨卫星SAR中的第一通道发射线性调频信号；S2、通过地面目标接收第一通道发射的线性调频信号并返回回波信号被高轨卫星SAR中的第一通道和第二通道同时接收；S3、对第一通道和第二通道接收到的回波信号进行脉冲压缩；S4、对第一通道和第二通道中的脉冲压缩后的信号进行双通道DPCA对消，得到运动目标回波信号；S5、构造频率域匹配函数，对运动目标回波信号进行补偿，并做逆傅里叶变换，得到二维时域信号；S6、对二维时域信号沿慢时间维进行傅里叶变换，并进行CFAR检测，当CFAR检测时的峰值大于设定阈值，则判定检测到动目标，实现动目标的检测。2.根据权利要求1所述的高轨卫星SAR动目标检测方法，其特征在于，所述步骤S2中动目标接收到雷达发射的线性调频信号并返回回波信号被高轨卫星SAR的第一通道和第二通道接收时，线性调频信号与回波信号传输总距离Rn(t)为：式中，c为光速；τ1为在慢时间t时刻，第一通道发射线性调频信号到达动目标时所用的时间，t＝nT，n为雷达发射信号的脉冲序号，T为线性调频信号的重复周期；τ2为动目标反射的回波信号被第一通道或第二通道接收到的时间；为t＝nT时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；是t1＝nT+τ1时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量；是t2＝nT+τ1+τ2时刻动目标与高轨卫星SAR的距离矢量。3.根据权利要求2所述的高轨卫星SAR动目标检测方法，其特征在于，所述S3具体为：对第一通道和第二通道中的回波信号进行下变频得到对应的回波基带信号S11(t+mT,τ)和S12(t,τ)，再对其沿快时间维进行傅里叶变换，并与距离向参考函数进行匹配实现，实现脉冲压缩；式中，τ为快时间；m为满足DPCA条件的正整数。4.根据权利要求3所述的高轨卫星SAR动目标检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：对第二通道中的回波基带信号进行相位差补偿，然后与第一通道中的回波基带信号相减，得到对消后的残余信号，对其进行变换处理后得到运动目标回波信号。5.根据权利要求4所述的高轨卫星SAR动目标检测方法，其特征在于，所述第二通道中的进行相位差补偿时的相位补偿函数为：式中，exp(·)为指数函数；j为虚数单位；π为弧度单位；γ为调频率；τ为快时间；d为通道间距；R0为高轨卫星SAR与地面目标的初始斜距；c为光速；τtotal为回波时延；λ为波长；v为高轨卫星SAR的速度；所述步骤后S4中，运动目标回波信号S(t,fτ)为：式中，σ0为信号的常数系数；rect(·)为矩形窗函数；fτ为信号的快时间维频率；B为信号带宽；fc为载频；Requal(t)＝R0+v0t+a1t2+a2t3，R0为高轨卫星SAR与地面动目标的初始斜距，v0、a1和a2分别为动目标与高轨卫星SAR之间的相对速度、加速度和第二加速度。6.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹建蜀，田昊宇，张顺生，蔡雪莲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51