[发明专利]一种高速平台SAR慢速动目标检测与速度估计方法

摘要

本发明公开了一种高速平台SAR慢速动目标检测与速度估计的方法，它是首先采用双向SAR成像模式同时得到前后视两幅SAR图像，然后通过由前后波束时间延迟和成像失配造成的动目标在前后视两幅SAR图像的方位偏移来检测慢速运动目标，并通过动目标的方位像素偏移量粗略估计动目标方位向速度，最后采用迭代重聚焦的方法进一步提高方位速度估计的精度。本发明不仅可以实现高速平台SAR对慢速动目标的检测和速度估计，还可以对动目标进行重聚焦，为后续的动目标识别提供良好的数据基础。与传统的单通道动目标检测方法，本发明可以检测出频谱淹没在杂波谱中的慢速运动目标。提高慢速动目标的检测概率。

主权项

1.一种高速平台SAR慢速动目标检测与速度估计的方法，其特征是它包括以下几个步骤：步骤1：初始化双向合成孔径成像雷达BiDi SAR的系统参数：初始化双向合成孔径成像雷达BiDi SAR的系统参数，包括：雷达载波波长，记为λ，雷达天线发射信号带宽，记为B，雷达发射脉冲时宽，记为T_r，雷达采样频率，记为F_s，雷达入射角，记为φ，雷达脉冲重复频率，记为PRF，雷达系统距离向采样点数，记为N_r，雷达系统方位向采样点数，记为N_a，雷达系统方位向频率分辨率，记为Δf_a＝PRF/N_a，雷达系统天线初始位置，记为P(0)，雷达天线发射前视波束的方位斜视角，记为θ₁，雷达天线发射后视波束的方位斜视角，记为θ₂，雷达平台运动速度矢量，记为V_p＝[V_px,0,0]，其中，V_px表示雷达平台方位向的运动速度，雷达系统方位向的采样时间，记为j为自然数，j＝0,1,2,…,(N_a‑1)；上述参数中，雷达载波波长λ、雷达天线发射信号带宽B、雷达发射脉冲时宽T_r、雷达采样频率F_s、雷达入射角φ，雷达脉冲重频率PRF，雷达天线发射前视波束的方位斜视角θ₁，雷达天线发射后视波束的方位斜视角θ₂，在雷达系统设计过程中已经确定；雷达平台运动速度矢量V_p，雷达系统距离向采样点数N_r、雷达系统方位向采样点数N_a、雷达系统方位向的采样时间t_m，雷达系统方位向频率分辨率Δf_a，雷达系统天线初始位置P(0)、雷达平台运动速度矢量V_p，在雷达成像观测方案设计中已经确定；步骤2、初始化动目标的参数初始化动目标的参数包括：动目标的速度矢量，记为Vm＝[vx,vy,0]，动目标的初始位置，记为Pm(0)，其中，vx表示动目标方位向的速度，vy表示动目标距离向的速度；步骤3、获取双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统的原始回波数据：双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的原始回波数据，记为E(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，其中t和k为自然数，t表示距离向第t个快时刻，k表示方位向第k个慢时刻，Nr为步骤1初始化得到的雷达系统距离向采样点数，Na为步骤1初始化得到的雷达系统方位向采样点数；在高速平台BiDi SAR实际成像中，双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的原始回波数据E(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，由双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统数据接收机提供；步骤4、对双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统天线的原始回波数据进行距离压缩：采用传统标准合成孔径雷达距离压缩方法对步骤3中得到的双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的原始回波数据E(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，进行距离压缩，得到双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻距离压缩后的回波数据，记为S(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na；步骤5、对双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统天线的原始回波数据进行方位向傅里叶变换：采用传统标准的傅里叶变换方法在方位向对步骤4中得到的双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻距离压缩后的回波数据S(t,k)作傅里叶变换，得到雷达系统在距离向第t个快时刻方位向第f个慢时刻频率的回波数据，记为SFFT(t,f)，t＝1,2,…,Nr，f＝1,2,…,Na，f为自然数，表示方位向第f个慢时刻频率；步骤6、分离双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统天线的原始回波数据：采用公式计算双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统在距离向第t个快时刻方位向第f个慢时刻频率回波数据S_FFT(t,f)的方位向频率，记为F_a；f为步骤5中得到的自然数，表示方位向第f个慢时刻频率，Δf_a为步骤1初始化得到的雷达系统方位向频率分辨率，N_a为步骤1初始化得到的雷达系统方位向采样点数，S_FFT(t,f)为步骤5得到的雷达系统在距离向第t个快时刻方位向第f个慢时刻频率的回波数据；将距离向第t个快时刻方位向第f个慢时刻频率的回波数据SFFT(t,f)，t＝1,2,…,Nr，f＝1,2,…,Na，以距离向第t个快时刻方位向第f个慢时刻频率点的回波数据SFFT(t,f)，t＝1,2,…,Nr，f＝1,2,…,Na，的方位向频率Fa＝0为中心，分成Fa＞0和Fa＜0两部分；将距离向第t个快时刻方位向第f个慢时刻频率回波数据SFFT(t,f)，t＝1,2,…,Nr，f＝1,2,…,Na，中方位向频率Fa＜0部分的回波置零，得到前视距离时域‑方位频域回波数据，记为SFFFT(t,f)，t＝1,2,…,Nr，f＝1,2,…,Na；将距离向第t个快时刻方位向第f个慢时刻频率回波数据SFFT(t,f)，t＝1,2,…,Nr，f＝1,2,…,Na，中方位向频率Fa＞0部分的回波置零，得到后视距离时域‑方位频域回波数据，记为SBFFT(t,f)，t＝1,2,…,Nr，f＝1,2,…,Na；采用标准的傅里叶反变换方法对前视距离时域‑方位频域回波数据SFFFT(t,f)，t＝1,2,…,Nr，f＝1,2,…,Na，在方位向作傅里叶反变换，得到雷达系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻前视距离压缩后的回波数据，记为SF(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na；采用标准的傅里叶反变换方法对后视距离时域‑方位频域回波数据SBFFT(t,f)，t＝1,2,…,Nr，f＝1,2,…,Na，在方位向作傅里叶反变换，得到高速平台BiDi SAR雷达系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻后视距离压缩后的回波数据，记为SB(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na；步骤7、初始化双向合成孔径成像雷达BiDi SAR投影成像空间的参数：初始化双向合成孔径成像雷达BiDi SAR投影成像空间为地平面坐标系，该坐标系水平横轴记为X轴，该坐标系水平纵轴记为Y轴，雷达投影成像空间的中心坐标位于[2040,110000]，雷达投影成像空间的X轴向分辨单元数，记为Nx，雷达投影成像空间的Y轴向分辨单元数，记为Ny，雷达投影成像空间的X轴向成像范围，记为Wx，雷达投影成像空间的Y轴向成像范围，记为Wy，雷达投影成像空间的X轴向单元分辨率，记为ρx，雷达投影成像空间的Y轴向单元分辨率，记为ρy，雷达系统到投影成像空间的参考斜距，记为R0；将雷达投影成像空间进行均匀划分，得到投影成像空间的二维分辨单元，记为PT(a,r)＝[x(a,r),y(a,r)]，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中a和r均为自然数，a表示投影成像空间中X轴向的第a个分辨单元，r表示投影成像空间中Y轴向的第r个分辨单元，x(a,r)和y(a,r)分别表示投影成像空间二维分辨单元的X轴向位置、Y轴向位置；步骤8、采用标准合成孔径雷达后向投影成像算法对分辨单元进行投影成像处理令步骤7得到的双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统投影成像空间所有分辨单元PT(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，高度向的坐标为0，采用标准合成孔径雷达后向投影成像算法对雷达系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻前视距离压缩后的回波数据SF(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，进行成像处理，得到雷达系统天线前视成像结果，记为If(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中SF(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，为步骤6得到的雷达系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻前视距离压缩后的回波数据；令步骤7得到的双向合成孔径成像雷达BiDi SAR系统投影成像空间所有分辨单元PT(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，高度向的坐标为0，采用标准合成孔径雷达后向投影成像算法对雷达系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻后视距离压缩后的回波数据SB(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，进行成像处理，得到雷达系统天线后视成像结果，记为Ib(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中SB(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，为步骤6得到的雷达系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻后视距离压缩后的回波数据；步骤9、采用幅度相减的方法抑制静止杂波将步骤8得到的雷达系统天线前视成像结果If(a,r)与雷达系统天线后视成像结果Ib(a,r)，采用公式Iresult(a,r)＝|If(a,r)|‑|Ib(a,r)|，计算得到静止杂波抑制后的信号，记为Iresult(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中|·|表示绝对值运算符号；步骤10、检测动目标并确定动目标的位置范围采用传统标准的选大值法恒虚警检测方法对步骤9得到的静止杂波抑制后的信号Iresult(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，进行恒虚警检测，分别检测到：(1)检测到雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)中的动目标，记为(2)检测到雷达系统天线后视成像结果I_b(a,r)中的动目标，记为(3)检测到动目标在雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)中的位置范围，记为其中，表示动目标在雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)中方位向的位置坐标，表示动目标在雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)中距离向的位置坐标，表示动目标在雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)中方位向中心点的坐标，表示动目标在雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)中距离向中心点的坐标，表示动目标在雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)中方位向的位置长度，表示动目标在雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y；(4)检测到动目标在雷达系统天线后视成像结果I_f(a,r)中的位置范围，记为其中，表示动目标在雷达系统天线后视成像结果I_b(a,r)中方位向的位置坐标，表示动目标在雷达系统天线后视成像结果I_b(a,r)中距离向的位置坐标，表示动目标在雷达系统天线后视成像结果I_f(a,r)中方位向中心点的坐标，表示动目标在雷达系统天线后视成像结果I_f(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，中距离向中心点的坐标，表示动目标在雷达系统天线后视成像结果I_f(a,r)中方位向的位置长度，表示动目标在雷达系统天线后视成像结果I_b(a,r)中距离向的位置长度，其中a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y；步骤11、获取低精度的动目标方位向的速度将步骤10中得到的动目标在雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)中方位向中心点的坐标作为动目标在雷达系统天线前视成像结果中的位置坐标，记为将步骤10中得到的动目标在雷达系统天线后视成像结果I_b(a,r)中方位向中心点的坐标作为动目标在雷达系统天线后视成像结果I_b(a,r)中的位置坐标，记为采用公式计算得到动目标初始方位向的速度，表示动目标初始方位向的速度，Δt＝(R₀tanθ₁‑R₀tanθ₂)/V_px表示双向合成孔径成像雷达BiDi SAR沿航迹时间间隔，V_px为步骤1中初始化的雷达平台方位向的运动速度，R₀为步骤7中的雷达系统到投影成像空间的参考斜距，θ₁和θ₂分别为步骤1中初始化的雷达天线发射前视波束的方位斜视角和雷达天线发射后视波束的方位斜视角；步骤12、初始化动目标迭代成像所需的参数初始化动目标迭代成像所需的参数，包括：算法迭代的最大次数，记为MI，算法迭代阈值，记为ε；第i次迭代过程中估算出的动目标剩余方位向的速度，记为第i次迭代估计出的动目标的方位速度，记为第i次迭代过程中i＝1,…,MI，其中i为自然数，表示成像算法的第i次迭代，为动目标的初始方位向的速度；步骤13、初始化动目标迭代成像投影空间的参数：将动目标迭代成像投影空间，记为Ω；动目标迭代成像投影空间Ω的X轴向成像范围，记为W′_x；动目标迭代成像投影空间Ω的Y轴向成像范围，记为W′_y；动目标迭代成像投影空间Ω的X轴向中心坐标，记为W′_xc；动目标迭代成像投影空间Ω的Y轴向中心坐标，记为W′_yc；其中，动目标迭代成像投影空间Ω的X轴向成像范围动目标迭代成像投影空间Ω的Y轴向成像范围W′_y＝W′_x；动目标迭代成像投影空间Ω的X轴向中心坐标动目标迭代成像投影空间Ω的Y轴向中心坐标其中，为步骤10中得到的动目标在雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，中方位向的位置长度，为步骤10得到的动目标在雷达系统天线后视成像结果I_b(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，中方位向的位置长度，为步骤10中得到的动目标在雷达系统天线前视成像结果I_f(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，中方位向中心点的坐标，为步骤10得到的动目标在雷达系统天线后视成像结果I_b(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，中方位向中心点的坐标动目标迭代成像投影空间Ω的X轴向单元分辨率，设为ρlx；动目标迭代成像投影空间Ω的Y轴向单元分辨率，设为ρly；动目标迭代成像投影空间Ω的X轴向分辨单元数，记为N′x；动目标迭代成像投影空间Ω的Y轴向分辨单元数，记为N′y；动目标迭代成像投影空间Ω的参考斜距，记为R0；将动目标迭代成像投影空间Ω进行均匀划分，得到动目标迭代成像投影空间Ω的二维分辨单元，记为PΩ(m,n)＝[x(m,n),y(m,n)]，m＝1,…,N′x，n＝1,…,N′y，其中m和n均为自然数，m表示动目标迭代成像投影空间Ω中X轴向的第m个分辨单元，n表示动目标迭代成像投影空间Ω中Y轴向的第n个分辨单元，x(m,n)和y(m,n)分别表示动目标迭代成像投影成像空间Ω二维分辨单元的X轴向位置、Y轴向位置；步骤14、对动目标进行投影成像处理将动目标第i次迭代成像时的速度记为表示成像算法的第i次迭代，MI为算法的最大迭代次数；令步骤13得到的动目标迭代成像投影空间Ω的所有分辨单元P_Ω(m,n)高度向的坐标为0，m＝1,…,N′_x，n＝1,…,N′_y，采用公式计算雷达平台在方位向时间t_m时刻到动目标迭代成像投影空间Ω的所有分辨单元P_Ω(m,n)的斜距，m＝1,…,N′_x，n＝1,…,N′_y，记为R(P_Ω,t_m)；其中，t_m为步骤1初始化的方位向的时间，P(0)为步骤1提到的雷达系统天线初始位置，V_p为步骤1提到的平台运动速度矢量，V_m为步骤1提到的运动目标速度矢量，|| ||₂表示向量的2范数运算；构造补偿函数其中λ为步骤1提到的雷达载波波长，表示虚数单位，e＝2.71828183为常数；将雷达系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻前视距离压缩后的回波数据SF(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a和补偿函数采用标准的后向投影成像算法进行迭代成像处理，得到前视回波数据的迭代投影成像结果，记为n＝1,…,N′_y；i＝1,…,MI表示成像算法的第i次迭代，SF(t,k)为步骤6得到的雷达系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻前视距离压缩后的回波数据，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a；将雷达系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻后视距离压缩后的回波数据SB(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a和补偿函数采用标准的后向投影成像算法进行迭代成像处理，得到后视回波数据的迭代投影成像结果，记为n＝1,…,N′_y；i＝1,…,MI表示成像算法的第i次迭代，SB(t,k)为步骤6得到的雷达系统天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻后视距离压缩后的回波数据，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a；步骤15、迭代计算动目标方位向的速度将动目标的峰值作为动目标成像的位置，则动目标在前视回波数据的迭代投影成像结果中的位置记为表示成像算法的第i次迭代，动目标后视回波数据的迭代投影成像结果中的位置记为表示成像算法的第i次迭代；采用公式计算得到动目标的剩余方位向的速度，i＝1,…,MI表示成像算法的第i次迭代；其中，MI为步骤12中初始化得到算法迭代的最大次数，Δt为步骤11中的高速平台BiDi SAR沿航迹时间间隔，表示剩余方位向速度；采用公式将第i次迭代过程中计算出的动目标的剩余方位速度补偿到第i‑1次迭代估计出的动目标的方位向速度得到第i次迭代过程中计算出的动目标的方位速度，记为其中，i＝1,…,MI表示成像算法的第i次迭代，MI为步骤12中初始化得到算法迭代的最大次数，动目标方位速度的迭初始值为步骤11中计算出的动目标的方位速度步骤16、判定算法迭代的条件及获得最终的方位速度估计结果如果且i≤MI，将成像算法迭代次数i加1得到i←i+1；再重复步骤13、步骤14、步骤15；如果或i≥MI，终止迭代步骤，得到的即为动目标方位向的最终估计速度；其中i＝1,…,MI表示成像算法的第i次迭代，MI为步骤12中初始化得到算法迭代的最大次数，ε为步骤12中初始化得到的算法迭代阈值，为算法第i次迭代过程中估计出的动目标的方位速度，为算法第i‑1次迭代过程中估计出的动目标的方位速度。