一种基于自适应相位追踪的SAR微弱机动目标成像方法技术

本发明专利技术公开了基于自适应相位追踪的SAR微弱机动目标成像方法，包括步骤：构建雷达回波信号模型；对SAR回波信号进行脉冲压缩，并通过SOKT来校正距离弯曲，通过Hough变换估计一阶运动参数来校正距离走动；经过距离走动校正后的机动目标信号能量将聚集于一个距离单元内，将其建模为PPS信号；提取机动目标所在距离单元的信号进行相位追踪，利用追踪得到的相位反演出机动目标参数；利用估计得到的运动参数构建相位补偿函数，实现聚焦成像。本发明专利技术可用于SAR微弱机动目标成像；参数估计精确度高，计算量较小；能在低SNR下进行聚焦成像。能在低SNR下进行聚焦成像。能在低SNR下进行聚焦成像。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应相位追踪的SAR微弱机动目标成像方法


[0001]本专利技术属于雷达信号处理
，尤其涉及一种基于自适应相位追踪的SAR微弱机动目标成像方法。

技术介绍

[0002]近几十年来，SAR成像技术在海洋观测、农田测绘、土地检测和地面形变监测等民事领域以及战场侦察、军事目标动向监视、精确打击等军事领域上都得到了广泛应用和研究。其相对于光学成像技术，具有全天时、全天候和远距离提供观测场景成像结果的优点。此外，SAR成像技术不仅能够获取静止地物的电磁散射特征和高分辨率二维图像，也能够通过参考函数的选择和补偿，实现动目标的聚焦成像。
[0003]SAR成像是将雷达装载到移动平台上并沿事先设定好的路线进行移动，该方向称之为方位向，与之垂直的方向称为距离向。在天线沿方位向运动的过程中可以等效合成大孔径天线，进而达到增加方位向分辨率的目的，完成对场景中各个位置回波的相干积累，最终得到场景图像。不同方位向上采集得到的SAR回波是通过匹配滤波技术来实现相干积累的，为了能够对场景进行聚焦，需要精确已知雷达和成像场景之间的瞬时斜距关系，该斜距关系在SAR回波中的体现为造成距离走动和多普勒相位走动。所谓距离走动就是不同方位向下，雷达到场景中各个散射点的瞬时斜距发生跨距离单元的移动；所谓的多普勒相位走动就是雷达与散射点相对位置关系的变化造成方位向跨速度单元的移动。
[0004]当SAR对静止场景进行成像时，雷达平台的运动轨迹可以通过惯导等设备准确测量，雷达与成像场景中各个散射点的瞬时斜距或相位关系能够精确计算，此时，可以通过经典成像方法进行相位补偿相干积累成像。然而，当场景中存在动目标时，由于动目标的非合作性和运动随意性，其运动参数是未知的，瞬时斜距及其对应的相位将不再能够精准获取，直接利用静止目标成像算法处理将引起图像散焦、模糊或者方位偏移。如果能够从SAR回波中估计出运动目标参数，并进行相位补偿而消除由于目标运动造成的影响，那么补偿后的回波可以等效为静止目标，进而可通过静止目标SAR成像方法处理获得动目标的良好聚焦结果。因此，成像结果的优劣关键在于是否能够准确估计并补偿运动目标的运动参数。
[0005]对于常规的运动目标，一般仅需要考虑低阶运动参数(2阶及以下，比如速度、加速度)的估计和补偿，便可以达到较好的成像效果。但随着雷达技术的发展和实际应用需求的更新，具有复杂运动特性的机动目标成像受到密切关注，例如在现代军事战争中，某些目标为了逃避侦查和打击，目标的运动复杂多变。在对这类目标成像时，目标机动带来的高阶运动参数(3阶及以上)造成的相位误差不可忽略，如若不进行补偿，成像结果将散焦。值得说明的是，除了待成像目标本身的机动会带来不可忽略的高阶相位外，当常规运动目标在剧烈起伏变化的地形上运动时，反映在SAR回波中也会产生高阶相位；当合成孔径时间较长时，传统的目标匀速或者匀加速运动近似模型不再成立，也等效于目标发生机动，同样需要考虑高阶相位。由此可见，在SAR动目标成像中，存在大量的场景要考虑高阶相位参数的估计与补偿。此外，这类具有复杂运动特性的目标，往往体型较小，雷达回波较弱，本专利技术将此
类目标称之为微弱机动目标。因此，为了有效完成监视、侦查和精确打击等任务，有必要对SAR微弱机动目标成像技术进行深入研究。
[0006]为了获得机动目标的高分辨成像结果，需要对距离走动和多普勒频率走动，即目标机动带来的高阶相位进行估计并补偿。近几十年来，相关研究所提出的关于距离走动和多普勒频率走动估计与补偿的方法，主要可以分为两类：第一类仅考虑低阶相位模型，即速度与加速度构成的2阶及以下的相位模型；而第二类考虑高阶相位模型，即3阶及更高阶的相位模型。对于低阶模型参数的估计与补偿，主流方法主要有：(1)基于Keystone变换及其改进类方法，包括一阶Keystone变换(Keystone Transform,KT)、二阶Keystone变换(Second
‑
order Keystone Transform,SOKT)和多普勒Keystone变换等。这类方法不需要任何目标运动参数的先验信息而被广泛使用。(2)拉登变换(Radon Transform,RT)类方法,比如，拉登傅里叶变换(Radon
‑
Fourier transform,RFT)、拉登分数阶傅里叶变换和拉登二阶威布尔分布等。(3)时频分析类方法。主要包括短时傅里叶变换、威布尔分布、模糊函数和分数阶傅里叶变换等。
[0007]然而，对于SAR机动目标成像来说，上述仅能补偿低阶相位参数的方法并不适用。为了解决该问题，一些学者研究了3阶相位参数的补偿方法。比如，西安电子科技大学游冬等人在非专利文献SAR ground maneuvering targets imaging and motion parameters estimation based on the adaptive polynomial fourier transform,IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,vol.19,pp.1
–
5,2020中提出的一种基于自适应多项式傅里叶变换(Adaptive Polynomial Fourier Transform,APFT)的地面机动目标成像及3阶运动参数估计方法。所提算法首先在距离脉压及统一的距离走动校正后通过Hough变换从信号包络的距离走动中估计距离向速度。接着采用这个距离向速度完成信号的距离走动校正。进而，通过SOKT校正附加的距离弯曲。紧接着，通过APFT来估计运动目标的二阶和三阶多普勒参数并得到与之相应的动目标运动参数。最后，动目标可以通过估计得到的运动参数构建相位补偿函数实现精确聚焦。与此类似，黄鹏辉等人在非专利文献Ground maneuvering target imaging and high
‑
order motion parameter estimation based on second
‑
order keystone and generalized hough
‑
haf transform,IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,vol.55,no.1,pp.320
–
335,2016中提出了一种基于广义高阶模糊函数(Generalized High
‑
order Ambiguity Function,GHAF)的机动目标参数估计和成像算法。与游冬等人提出方法的类似，首先利用Hough变换和SOKT来进行距离走动补偿，并把目标所在距离单元的信号建模为一个3阶多项式相位信号(Polynomial phase signal,PPS)；然后利用GHAF将该PPS信号变换到二维频域，实现信号的二维相参积累，并根据峰值位置估计得到目标运动的二阶和3阶运动参数；最后，利用该参数进行补偿便可得到聚焦成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应相位追踪的SAR微弱机动目标成像方法，其特征在于，包括以下步骤：获取机动目标的SAR回波信号，并构建雷达回波信号模型；对SAR回波信号进行脉冲压缩，并通过SOKT来校正距离弯曲，通过Hough变换估计一阶运动参数来校正距离走动；经过距离走动校正后的机动目标信号能量将聚集于一个距离单元内，将该距离单元内的信号建模为PPS信号并提取；对提取的机动目标所在距离单元的信号进行相位追踪，利用追踪得到的相位反演出机动目标参数；利用反演得到的运动参数构建相位补偿函数，实现机动目标的SAR聚焦成像。2.根据权利要求1所述的基于自适应相位追踪的SAR微弱机动目标成像方法，其特征在于，构建SAR机动目标的雷达回波信号模型，包括：将脉冲压缩后的动目标回波信号在二维时域表示为：其中，δ
s
是脉冲压缩后目标的复反射系数，t
r
表示距离向快时间，t
a
表示方位慢时间，T
a
为合成孔径时间，w
a
(
·
)表示方位向时间窗函数，且w
a
(t
a
)＝rect(t
a
/T
a
)，c表示光速，λ表示波长，B
r
表示发射信号的带宽，R(t
a
)表示平台和目标之间的瞬时斜距；将雷达平台和运动目标之间的瞬时斜距利用泰勒近似展开为高阶多项式模型，如下：其中，b
m
表示瞬时斜距展开后第m阶多项式的系数，1≤m≤M，且M表示所展开的最高阶数，V为雷达平台的运动速度，机动目标的初始位置坐标为(0，R0)，且沿航迹向的速度、加速度分别为υ
a
，a
a
，沿距离向的速度和加速度分别为υ
r
，a
r
，R0为平台和目标之间的最近斜距；为满足成像聚焦要求，M有：其中，ΔR(t
a
)表示瞬时斜距泰勒近似展开误差，Δρ
r
表示距离向分辨率，表示残余相位误差。3.根据权利要求2所述的基于自适应相位追踪的SAR微弱机动目标成像方法，其特征在于，所述距离走动矫正的具体步骤为：(1)对脉压后的信号进行SOKT矫正距离弯曲：仅用SOKT矫正二阶及以上参数造成的距离弯曲，具体包括：根据分辨率需求、合成孔径时间和运动目标先验参数确定瞬时斜距展开至M阶，将脉压后的二维时域信号沿着快时间维做FFT，得到距离频域
‑
方位时域回波信号，如下：
其中，W
r
(f
r
)表示距离向时域窗函数w
r
(t
r
)的频域形式，f
r
表示距离向频率，f
c
表示雷达载频；用SOKT矫正距离弯曲，所述SOKT的表达式为：其中，η
a
是新的慢时间变量；将(5)式代入(4)，并进行距离向IFFT变换，则SOKT后的二维时域回波信号为：(2)利用Hough变换估计一阶运动参数完成距离走动矫正；利用Hough变换在t
r
‑
η
a
平面内进行距离走动曲线的检测，得到直线的斜率，根据距离走动曲线的斜率值估计得到一阶运动参数的估计值最后，根据估计值构建距离走动补偿因子，实现距离走动矫正；最终，完成距离走动矫正后的回波表达式为：4.根据权利要求3所述的基于自适应相位追踪的SAR微弱机动目标成像方法，其特征在于，使用基于自适应相位追踪方法估计各阶运动参数，具体步骤为：(1)提取机动目标所在距离单元的信号并构建为高阶PPS信号；经过距离走动矫正后，机动目标回波集中于一个距离单元内，对该距离单元内的回波提取后，建模为一个高阶PPS信号，如下：对该信号进行离散化采样并考虑噪声项，有：s(k)＝A(k)
·
exp{jφk)}+n(k)
ꢀꢀꢀꢀ
(9)其中k＝1，2，
…
，N
a
，表示SAR方位向采样索引，N
a
表示方位向的采样点数，n(k)是方差为δ2的复零均值高斯白噪声，A(k)为脉压后的幅度采样值，φ(k)为表示机动目标多普勒特性的多项式相位函数，具体地：
其中T
s
为方位向采样间隔，且T
s
＝1/PRF，PRF为SAR方位向采样的脉冲重复频率，δ
s
是目标复反射系数；(2)针对相位，构建相位追踪所需的相位状态方程；表示3个连续相位采样点的值，如下：由φ(k)的表达式得到，多项式相位曲线相邻采样点间的相位值近似相等，因此：φ(k
‑
1)
‑
2φ(k)+φ(k+1)≈0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)结合(11)和(12)，得到：其中B＝[0，1，0；0，0，1；0，
‑
1，2]；采用一个局部多项式表示采样点序列为k时的相位值，为了平衡计算效率和估计精确度的关系，采用二阶局部多项式进行相位拟合，即有：φ(k)＝c
k
‑1(kT
s
)2+c
k
(kT
s
)+c
k+1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)其中，c
k
为k时刻相位局部多项式的系数；根据(14)，则连续3个相位采样点的值构成的向量表示为：其中对于某一k时刻，是一个确定的矩阵；表示相位状态向量；结合(13)和(15)，可知：M
k
c
k
＝BM
k
‑1c
k
‑1ꢀꢀꢀꢀ
(16)因此，式(16)两端同时乘以M
k
的逆矩阵，二阶局部多项式相位系数向量c
k
构成的相位状态方程表示为：c
k
＝F
k
‑1c
k
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)其中表示状态传输矩阵；(3)针对幅度，构建幅度状态方程；随慢时间采样点k变化的幅度A(k)是缓变的，并且用二阶局部多项式表示幅度，则二阶局部多项式幅度系数向量p
k
构成的幅度状态方程表示为：p
k
＝F
k
‑1p
k
‑1ꢀꢀꢀꢀ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋勇平，杜华贵，黄晓涛，范崇祎，王建，姜南，曹春，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：