（信號與信息處理專業(yè)論文）機(jī)載雷達(dá)的dbs成像和gmti方法研究.pdf

摘要 掃描模式下的機(jī)載多通道s a r g m t i 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大場景的實(shí)時監(jiān)視，對場 景中的動目標(biāo)進(jìn)行檢測、定位和跟蹤，是國內(nèi)外的一個研究熱點(diǎn)，在軍事和民用 上都有廣泛的應(yīng)用前景。而多普勒波束銳化( d b s ) 成像技術(shù)可以在較短時間內(nèi) 提供大場景的地面圖像，為檢測出的運(yùn)動目標(biāo)提供定位參考，從而有效地實(shí)施準(zhǔn) 確打擊。本文主要研究了掃描模式中的d b s 成像和空時二維自適應(yīng)信號處理 ( s t a p ) 以及多通道掃描g m t i 模式中的運(yùn)動目標(biāo)檢測和定位技術(shù)。具體如下： l 、論述了d b s 成像原理和結(jié)合距離走動校正的d b s 成像方法，并研究了多普勒 中心估計算法及其解模糊方法，介紹了一種基于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)動態(tài)補(bǔ)償載機(jī)位置誤 差和姿態(tài)誤差的圖像拼接方法，并通過高保真仿真數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了驗(yàn)證。 2 、討論了s t a p 基本原理及其降維原理，介紹了空域和時域降維方法。時域降維 討論了多普勒局域化后的空時聯(lián)合處理方法( f n d t ) ；空域降維討論了陣元域 的子陣劃分方法。并通過一組仿真數(shù)據(jù)的處理結(jié)果對其雜波抑制性能進(jìn)行了分 析。 3 、研究了多通道s c a n - g m t i 模式中的運(yùn)動目標(biāo)檢測和定位方法。本文利用s t a p 技術(shù)對雜波進(jìn)行抑制后，采用二維c f a r 檢測器進(jìn)行旁瓣檢測，然后利用干 涉相位對檢測到的動目標(biāo)重新定位，并對定位誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵字：多普勒波束銳化地面動目標(biāo)指示空時二維自適應(yīng)處理降維s t a p 雜波抑制 a b s t r a c tl i i a bs t r a c t a i r b o r n em u l t i c h a a n n e ls a r g m t is y s t e mi sa b l et oa c h i e v ew i d ea r e a s u r v e i l l a n c ei nr e a lt i m e ，f o re n a b l i n gt h ed e t e c t i o n , l o c a t i o na n dt r a c k i n gf o rm o v in g t a r g e t su n d e rs c a n n i n gm o d e ，w h i c hi sat o pt o p i ca th o m ea n da b r o a da n de x h i b i t s g r e a tv a l u ei nb o t hc i v i l i a na n dm i l i t a r ya p p l i c a t i o n s l a r g ea r e ai m a g ec a nb eo b t a i n e d i nas h o r tt i m eb yu s i n gt h et e c h n i q u eo fd o p p l e rb e a ms h a r p e n i n g ( d b s ) i m a g i n g , w h i c hc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h el o c a t i o no fm o v i n gt a r g e t sd e t e c t e dt oa t t a c kr l l o r e a c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l y t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t hd b si m a g i n g , s p a c e - t i m e a d a p t i v ep r o c e s s i n g ( s t a p ) a n dm o v i n gt a r g e td e t e c t i o na n dp o s i t i o ni nm u l t i c h a n n e l s c a n - g m t im o d e t h em a i nc o n t e n to f “sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w s f i r s t l y , t h et h e o r ya n dam e t h o di n c o r p o r a t i n gt h er a n g em i g r a t i o nc o r r e c t i o no f d b si m a g i n ga r ed e s c r i b e d ，a n daa l g o r i t h ma n da m b i g u i t yr e s o l u t i o nm e t h o do f d o p p l e rc e n t e re s t i m a t i o na r es t u d i e d ，a n daa p p r o a c ho fi m a g ec o m b i n a t i o nb a s e d o n i n e r t i a ln a v i g a t i o nd a t aw h i c hi su s e dt oc o m p e n s a t et h ea i r b o r n ep o s i t i o ne r r o ri s p r e s e n t e d ，o f w h i c ht h ee f f e c t i v e n e s si sv a l i d a t e db yt h er e s u l tf r o ms i m u l a t i o nd a t ao f l l i 曲f i d e l i t y s e c o n d l y , t h et h e o r ya n dr e d u c e d - r a n kp r i n c i p l eo fs t a pa r ed i s c u s s e d ，t h e n r e d u c e d r a n km e t h o d sa r ei n t r o d u c e d ，i n c lu d i n gt e m p o r a lr a n kr e d u c t i o n , w h i c hd e a l s w i t hs p a c e - t i m ej o i n td o m a i np r o c e s s i n ga p p r o a c ha f t e rd o p p l e rl o c a l i z a t i o n , a n d s p a t i a lr a n kr e d u c t i o n , w h i c hp r e s e n t ss u b a r r a yd i v i s i o na p p r o a c hw i t h i ne l e m e n t d o m a i n t h ec l u t t e rs u p p r e s s i o np e r f o r m a n c eo fr e d u c e d - r a n ks t a pi sd e m o n s t r a t e d b ys i m u l a t i o nr e s u l t s a tl a s t , t h ed e t e d t i o na n dp o s i t i o na p p r o a c h e so fm o v i n gt a r g e ti ss t u d i e du n d e r m u l t i - c h a n n e ls c a n - g m t im o d e t h i sd i s s e r t a t i o na p p l y st w o - d i m e n s i o nc f a r d e t e c t o rt oa c h i e v es i d e b o l ed e t e c t i o na l t e rs u p p r e s s i n gc l u t t e rb yu s in gs t a p t e c h n i q u e ，t h e nr e l o c a t i o n st h ed e t e c t e d m o v in gt a r g e t sw i t hi n t e r f e r e n c ep h a s e b e t w e e nc h a n n e l s ，a n da n a l y s e ss e v e r a lf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h el o c a t i o na c c u r a c y k e y w o r d s ：d o p p l e rb e a ms h a r p e n i n gg m t l ( g r o u n dm o v i n gt a r g e ti n d i e a t i o n ) s p a c e - t i m ea d a p t i v ep r o c e s s i n g r a n k - r e d u c t i o ns t a pc l u t t e rs u p p r e s s i o n 目錄 v 目錄 摘要i a b s t r a c t 一i i i 目錄v 第一章緒論l 1 1 研究的背景和意義1 1 2 研究的歷史和現(xiàn)狀。2 1 3 本文研究內(nèi)容5 第二章d b s 成像和圖像拼接7 2 1 引言7 2 2d b s 基本原理7 2 2 1d b s 的基本原理和幾何模型7 2 2 2d b s 相干積累點(diǎn)數(shù)的確定1 0 2 3d b s 成像方法1 2 2 3 1 距離走動校正1 2 2 3 2 多普勒中心估計及解模糊12 2 3 3d b s 成像方法1 4 2 4 圖像拼接15 2 5 本章小結(jié)2 0 第三章s t a p 降維處理的原理和方法研究2 l 3 1 引言2l 3 2 空時自適應(yīng)處理和降維原理2 2 3 2 1 空時自適應(yīng)原理2 2 3 2 2 降維處理原理2 5 3 3 時域降維方法2 7 3 3 1 多普勒局域化后的空時聯(lián)合處理方法( m d t ) 2 7 3 3 2s t a p 時域降維方法的性能分析2 9 3 4 空域降維方法3 2 3 4 1 相控陣天線子陣劃分原理3 2 3 4 2 均勻子陣劃分方法3 4 3 4 3 重疊子陣劃分方法3 6 3 4 4 非均勻子陣劃分方法3 8 v i 目錄 3 5 本章小結(jié)4 0 第四章目標(biāo)檢測和定位方法研究4 l 4 1 引言4l 4 2 目標(biāo)檢測方法4 1 4 3 目標(biāo)定位方法4 3 4 3 1 目標(biāo)定位方法4 3 4 3 2 目標(biāo)定位誤差原因分析4 5 4 4 本章小結(jié)4 8 第五章工作總結(jié)與展望4 9 5 1 工作總結(jié)4 9 5 2 工作展望4 9 致謗 5l 參考文獻(xiàn)5 3 第一章緒論 第一章緒論 1 1 研究的背景和意義 合成孔徑雷達(dá)( s a r ：s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ) 是一種高分辨率的微波成像 系統(tǒng)，不受氣候、晝夜因素的影響，具有全天時、全天候、探測距離遠(yuǎn)、穿透能 力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，在軍事上和民用上都有廣泛的應(yīng)用前景。 對于軍事應(yīng)用而言，合成孔徑雷達(dá)運(yùn)動目標(biāo)檢測與定位具有至關(guān)重要的意義。 在未來戰(zhàn)爭環(huán)境中必須對更加廣闊的區(qū)域進(jìn)行快速、實(shí)時、有效的監(jiān)視，它不僅 要獲得監(jiān)視區(qū)域的雷達(dá)圖像，從中尋找有價值的固定目標(biāo)，還要具備運(yùn)動目標(biāo)檢 測、定位、識別和跟蹤的能力。而在民事應(yīng)用領(lǐng)域，s a r 的運(yùn)動目標(biāo)檢測也同樣 具有重要意義。例如，監(jiān)視地面上車輛與海面上船只等的運(yùn)行狀況，為交通管制、 海上救援和緝私等提供有效信息。 在未來復(fù)雜多變的現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭環(huán)境中，戰(zhàn)場局勢瞬息萬變，及時、準(zhǔn) 確的獲取戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)兩種信息關(guān)系到未來戰(zhàn)爭的成敗。軍事目標(biāo)在實(shí)戰(zhàn)中通常都 處于運(yùn)動狀態(tài)，從而要求戰(zhàn)場信息感知系統(tǒng)必須具備運(yùn)動目標(biāo)指示( m t i ： m o v i n g t a r g e ti n d i c a t i o n ) 能力，包括地面運(yùn)動目標(biāo)指示( g m t i ：g r o u n dm o v i n g t a r g e ti n d i c a t i o n ) 和空中運(yùn)動目標(biāo)指示( a m t i ：a i rm o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ) 。 機(jī)載雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)g m t i 功能時通常工作在下視狀態(tài)，由于雷達(dá)平臺的高速運(yùn)動( 如 預(yù)警機(jī)工作速度在9 0m s 2 0 0m s 之間) 使主瓣雜波譜在方位向出現(xiàn)多普勒展寬。 而g m t i 的特點(diǎn)是目標(biāo)的速度慢、多普勒低，它通常會淹沒在被展寬了的主瓣雜 波中，由于主瓣雜波通常遠(yuǎn)強(qiáng)于副瓣雜波和運(yùn)動目標(biāo)的回波，從而使g m t i 的實(shí) 現(xiàn)更加困難。有效地抑制雜波提高運(yùn)動目標(biāo)檢測性能成為機(jī)載雷達(dá)實(shí)現(xiàn)g m t i 功 能的前提條件，也是空間運(yùn)動平臺雷達(dá)信號處理的重要研究內(nèi)容。為了有可能實(shí) 現(xiàn)g m t i ，機(jī)載雷達(dá)一般都采用超低副瓣天線技術(shù)、脈沖多普勒( p d ：p u l s e d o p p l e r ) 技術(shù)，以減小副瓣雜波對目標(biāo)信號檢測的影響；采用大孔徑天線得到窄 波束，使擴(kuò)展了的雜波譜較窄；也可以采用天線相位中心偏置( d p c a ：d i s p l a c e d p h a s ec e n t e r a n t e n n a ) 技術(shù)和空時自適應(yīng)信號處理( s 吖一) 技術(shù)，使g m t i 更有 利于主瓣雜波與低速運(yùn)動目標(biāo)的分離。 將s a r 和g m t i 相結(jié)合可以更好地監(jiān)視場景中的靜止和運(yùn)動目標(biāo)，能夠顯著 改善對遠(yuǎn)程低空和地面慢速運(yùn)動目標(biāo)的探測性能，以便早期預(yù)警和采取相應(yīng)措施， 是現(xiàn)代戰(zhàn)場偵查的需要。 在s a r g m t i 系統(tǒng)以g m t i 模式工作時，為了兼顧各種速度的地面運(yùn)動目標(biāo)， 2 機(jī)載雷達(dá)的d b s 成像和g m t i 方法研究 將分辨率降低一些，速度較高的目標(biāo)仍能基本滿足在相干處理時間內(nèi)不發(fā)生越分 辨單元徙動( m t r c ) 的條件，甚至采用非聚焦s a r ，即多普勒波束銳化( d b s ) 技術(shù)。實(shí)際上g m t i 主要用于軍事目的，在飛行過程中要求對更廣闊的區(qū)域中的 動目標(biāo)分布以及運(yùn)動狀況分區(qū)域作多次觀測，在一次飛行過程中，對所需區(qū)域進(jìn) 行多次觀測，對地面動目標(biāo)形成軌跡，為此必須減少相干處理時間，低分辨率s a r 是最常用的。 一般的s a r 圖像只是產(chǎn)生動目標(biāo)的橫向偏移，而難以將動目標(biāo)從固定場景中 分離出來。為了更好地從固定雜波中檢測動目標(biāo)，還要進(jìn)行空域處理，因?yàn)槔走_(dá) 平臺以一定速度直線飛行時，對雷達(dá)回波作多普勒分析時，其多普勒輸出對應(yīng)一 定的指向。而對動目標(biāo)則不然，它是通過多普勒耦合將其他指向處的目標(biāo)呈現(xiàn)在 該多普勒輸出中。因此，如果用兩個或多個天線，對同一多普勒輸出作陣列信號 處理，使波束在地雜波對應(yīng)方向形成零點(diǎn)，這時該多普勒輸出的地雜波會受到很 大抑制，而同一多普勒輸出的動目標(biāo)則由于實(shí)際指向不同而保留下來。另一方面， 在戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)中，不僅要檢測地面動目標(biāo)，還要對目標(biāo)進(jìn)行精確定位，并將目 標(biāo)真實(shí)位置標(biāo)注在雷達(dá)圖像上，判斷目標(biāo)的運(yùn)動方向、速度和軌跡，以便對戰(zhàn)場 態(tài)勢進(jìn)行評估。 由于s 刪g m t i 可以獲得觀測場景靜態(tài)和動態(tài)兩種信息，實(shí)現(xiàn)廣域監(jiān)視，在 軍事和民用上都有廣泛應(yīng)用前景，使其成為了當(dāng)前國內(nèi)外機(jī)載和星載對地觀測雷 達(dá)研究的一個熱點(diǎn)。國內(nèi)外對s a 剛g m t i 的關(guān)注與研究也愈來愈多。美國啟動了 多項(xiàng)與s a r g m t i 有關(guān)的研究計劃，德國f g a n 已成功研制出能夠?qū)崿F(xiàn)廣域 g m t i 功能的p a m i r 系統(tǒng)【1 ，2 ，3 l ( p h a s e da r r a ym u l t i f u n c t i o n a li m a g i n gr a d a r ) 。國 內(nèi)也了對s a r g m t i 雷達(dá)系統(tǒng)的需求，最近幾年進(jìn)行了機(jī)載多通道s a r g m t i 系統(tǒng)掛飛實(shí)驗(yàn)，錄取了一批數(shù)據(jù)以供研究。因此研究s a r g m t i 模式下的雜波抑 制、運(yùn)動目標(biāo)檢澳, j j 定位以及運(yùn)動目標(biāo)參數(shù)估計就顯得十分迫切。本文就是在上述 背景下開展的工作，研究了利用機(jī)載雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對地面運(yùn)動目標(biāo)檢測、定位與成像 的方法。 鑒于國際上s a 剛m t i 雷達(dá)的迅速發(fā)展和國內(nèi)對s a 剛m t i 雷達(dá)的迫切的軍事 需求。國內(nèi)從“八五”開始，針對地面慢速運(yùn)動目標(biāo)檢測及定位這一關(guān)鍵技術(shù)， 開展了s a r m t i 雷達(dá)的預(yù)先研究。“八五”“十五”期間，多家科研單位對地 面靜止目標(biāo)的s a r 成像、s a r 模式下的地面運(yùn)動目標(biāo)檢測以及掃描模式下的地 面運(yùn)動目標(biāo)檢測等方面的研究取得了豐碩的的成果。 1 2 研究的歷史和現(xiàn)狀 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，掌握制空權(quán)是贏得戰(zhàn)爭勝利的重要保證，預(yù)警飛機(jī)在其中起 第一章緒論 著舉足輕重的作用。在最近幾次局部戰(zhàn)爭中，預(yù)警飛機(jī)顯示了強(qiáng)大的威力，其核 心就是機(jī)載預(yù)警( a e w ：a i r b o r n ee a r l yw a r n i n g ) 雷達(dá)。機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的研究早在 1 9 4 3 年就已經(jīng)開始了，最初通過將地基雷達(dá)安置在飛機(jī)上以實(shí)現(xiàn)防御低空或超低 空飛行目標(biāo)為目的。 由于機(jī)載雷達(dá)架設(shè)在高空飛行的飛機(jī)上，可謂“高瞻遠(yuǎn)矚”，因而其優(yōu)越性 是地基雷達(dá)所無法比擬的，但是它也面臨著一些問題。由于雷達(dá)處于下視工作， 其雜波分布范圍廣、強(qiáng)度大，尤其在丘陵和山區(qū)地帶，雜波強(qiáng)度可達(dá)6 0 d b 9 0 d b ： 同時由于載機(jī)運(yùn)動，導(dǎo)致主瓣雜波( 包括地雜波、海雜波) 譜展寬，從而淹沒了 主瓣區(qū)慢速運(yùn)動目標(biāo)的回波信號，雷達(dá)的目標(biāo)檢測性能受到嚴(yán)重影響。針對主瓣 雜波的多普勒效應(yīng)，早期機(jī)載預(yù)警雷達(dá)所采用雜波抑制方法有時間平均雜波相干 機(jī)載雷達(dá)( t a c c a r ：t i m ea v e r a g ec l u t t e rc o h e r e n ta i r b o r n er a d a r ) 及其有關(guān)方 法【4 】，有a n d r e w s 及b r e n n a n 等的自適應(yīng)運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)1 5 , 6 和相位中心偏置天線 ( d p c a ) 【7 8 l 技術(shù)等。t a c c a r 技術(shù)是由m i t 林肯實(shí)驗(yàn)室首創(chuàng)，用于修正與天 線波束方向軸平行的平臺速度分量。該方法能夠在時域去除窄帶主瓣雜波，但是 不能夠改善旁瓣區(qū)微弱目標(biāo)和主瓣區(qū)慢速運(yùn)動目標(biāo)檢測性能。d p c a 通過對天線 相位中心相對于沿航跡方向作偏置調(diào)整使天線等效相位中心與觀察場景保持相對 靜止，從而能夠有效抑制場景雜波。d p c a 的典型實(shí)現(xiàn)方式包括早期的物理位置 d p c a 、電子d p c a 以及現(xiàn)代的多相位中心d p c a 、多相位中心多延遲d p c a 和 頻域d p c a 等。 輒一 雖然早期d p c a 對慢速目標(biāo)檢測性能改善不明顯且易受通道誤差等非理想因 素影響，但是由它所引發(fā)的機(jī)載雷達(dá)陣列天線開始受到關(guān)注。由于機(jī)載雷達(dá)的場 景雜波譜具有空時耦合特性，這就決定了機(jī)載雷達(dá)雜波抑制基本屬于空時二維濾 波問題，而且，其二維處理需實(shí)時自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)，即雜波抑制需采用空時自適應(yīng)處 理( s t a p ) 。s t a p 技術(shù)是空域自適應(yīng)技術(shù)的延伸和發(fā)展，它是機(jī)載雷達(dá)抑制雜 波的有效方法。2 0 世紀(jì)6 0 年代末，l c v a n ，a t t a ，s p a p p l e b a u m 及b w i d r o w 等人了陣列自適應(yīng)處理的基本思想，其初衷是用來抑制空域干擾，由此產(chǎn)生了陣 列信號處理這一新的領(lǐng)域。1 9 7 3 年le b r e n n a n ，j d m a i l e r 和i s r e e d 首次了 空時二維自適應(yīng)處理的概念和理論【1 2 l ，將陣列信號自適應(yīng)處理的基本原理由陣元 信號推廣到脈沖和陣元采樣的二維數(shù)據(jù)域中。1 9 7 4 年它們發(fā)表的文章中又對 s t a p 在高斯獨(dú)立同分布( d ) 環(huán)境下的收斂性能進(jìn)行了研究，指出要使s t a p 輸出的信干噪比下降小于3 d b ，用來估計協(xié)方差矩陣的距離門樣本數(shù)l 應(yīng)該大于 等于2 m 3 ，m 是處理器的維數(shù)。1 9 7 6 年它們了與最大似然比( m l ) 檢測等效的 基于最大信干噪比準(zhǔn)則的最優(yōu)s t a p 處理器。但是，b r e n n a n 等人的全空時s t a p 系統(tǒng)，其設(shè)備數(shù)和運(yùn)算量是十分驚人的，目前只有理論意義，在工程上無法實(shí)現(xiàn)， 因此尋找能夠?qū)崿F(xiàn)的準(zhǔn)最優(yōu)的部分自適應(yīng)處理方法成了當(dāng)務(wù)之急。 4 機(jī)載雷達(dá)的d b s 成像和g m t i 方法研究 從8 0 年代起，德國的i lk l e m m 博士對s t a p 進(jìn)行了開拓性的理論研究1 9 - 1 4 l ， 通過對雜波特性進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)空時協(xié)方差矩陣的大特征值的個數(shù)不超過 n + k - 1 個，其中n 為陣元數(shù)，k 為時域脈沖數(shù)。這說明用于抑制場景雜波的全空 時s t a p 的確存在降維的可能，在此基礎(chǔ)上輔助通道法( a u x i l i a r yc h a n n e l r e c e i v e r - a c r ) 1 3 1 ，將處理器的維數(shù)由n k 降到n + k 1 。研究表明在無誤差情況 下，這種降維處理在性能上接近最優(yōu)的全空時處理。如果考慮空域誤差，雜波譜 會沿空域擴(kuò)展，使雜波維數(shù)明顯增大，處理性能明顯下降，從而限制了a c r 的 實(shí)際應(yīng)用。即便如此，k l e m m 的研究還是具有很強(qiáng)的理論意義，對后來的降維處 理研究具有啟發(fā)作用。 j w a r d 了s t a p 的統(tǒng)一理論和實(shí)現(xiàn)模型【1 5 1 ，并進(jìn)一步給出了基于降維變換的 空時自適應(yīng)權(quán)值計算的統(tǒng)一數(shù)學(xué)表達(dá)式，將s t a p 根據(jù)處理域的不同分為四類， 即陣元脈沖域、波束脈沖域、陣元多普勒域和波束多普勒域處理系統(tǒng)，使得 s t a p 理論更加系統(tǒng)完善，且s t a p 已經(jīng)開始投入實(shí)際應(yīng)用。 2 0 世紀(jì)8 0 年代后期開始，s t a p 在國內(nèi)外引起了越來越多的關(guān)注，且在這方 面做了大量的研究工作。為了能對s t a p 及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行更深入的研究，從9 0 年代開始美國相繼實(shí)施了m o u b t a i nt o p 和m c a r m ( m u l t i c h a n n e la i r b o r n er a d a r m e a s u r e m e n t s ) 【1 6 1 7 1 ，獲得了大量的實(shí)測數(shù)據(jù)。這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工程使很多算法得到 了驗(yàn)證，也了新的方法，s t a p 的研究得到了極大的推動和廣泛的關(guān)注。 利用s t a p 技術(shù)進(jìn)行雜波抑制后就可以進(jìn)行運(yùn)動目標(biāo)檢測、定位處理，而動 目標(biāo)檢測技術(shù)的研究按通道數(shù)分為兩類，一類是單通道處理，它對硬件要求少， 數(shù)據(jù)處理量也相對較少，但其主要缺點(diǎn)是慢速目標(biāo)淹沒在場景雜波中難以檢測； 另一類是本文所研究的多通道處理，它利用多個天線來接收回波信號，再對回波 數(shù)據(jù)進(jìn)行多普勒波束銳化處理，然后對各銳化波束信號的相位進(jìn)行干涉或者利用 s t a p 技術(shù)來抑制場景雜波以檢測運(yùn)動目標(biāo)。采用多通道處理可以獲得更好的動 目標(biāo)檢測性能，且能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行精確定位，但其設(shè)備量和運(yùn)算量也較大。同時 為了實(shí)現(xiàn)廣域監(jiān)視，將掃描模式與g m t i 相結(jié)合，即采用s c a n - g m t i 模式對廣闊 場景進(jìn)行快速、實(shí)時觀測。由于動目標(biāo)的相干積累時間較短，再訪時間也較短， 可在一定時間內(nèi)對目標(biāo)進(jìn)行多次觀測，從而減小了動目標(biāo)的虛警概率，并可以形 成動目標(biāo)軌跡以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤。 s a r g m t i 的難點(diǎn)包括雜波抑制、運(yùn)動目標(biāo)檢測、定位和跟蹤以及運(yùn)動參數(shù) 估計等。載機(jī)運(yùn)動會使雜波譜展寬，導(dǎo)致慢速目標(biāo)淹沒在雜波譜內(nèi)，必須進(jìn)行雜 波抑制才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)檢測以及后續(xù)處理。相干積累時間較長時，運(yùn)動目標(biāo)回 波信號可近似為線性調(diào)頻信號，要實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)的成像，提高目標(biāo)的信雜噪比， 需要對運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行估計。而s c a n - g m t i 工作模式可以對目標(biāo)實(shí)施跟蹤，有助于 我們分析目標(biāo)的運(yùn)動狀況及運(yùn)動目的，及時了解戰(zhàn)場的動態(tài)變化。利用多通道方 第一章緒論 法來檢測和成像運(yùn)動目標(biāo)將成為今后的一個研究熱點(diǎn)，尤其以s t a p 在s a r 中的 應(yīng)用為代表，它能較好的解決雜波相消問題，但需要進(jìn)一步減少其運(yùn)算量以便實(shí) 時處理。 1 3 本文研究內(nèi)容 本文基于高保真仿真軟件得到的仿真數(shù)據(jù)研究了多通道掃描模式中的d b s 成像和運(yùn)動目標(biāo)檢測及定位，并對數(shù)據(jù)中存在的問題進(jìn)行了分析，介紹了一種基 于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的圖像拼接方法。并利用仿真數(shù)據(jù)對降維s t a p 的原理和方法進(jìn)行了 研究。本文分為五章，具體內(nèi)容安排如下： 第一章為緒論，概述了s a r g m t i 的背景和意義，綜述了國內(nèi)外s t a p 技術(shù) 以及動目標(biāo)檢測的發(fā)展概況，指出了s a r g m t i 處理的關(guān)鍵技術(shù)。 第二章研究了掃描模式下結(jié)合距離走動校正的d b s 成像方法，討論了基于慣 導(dǎo)數(shù)據(jù)的圖像拼接方法。首先，從掃描模式的幾何模型出發(fā)分析了d b s 成像的基 本原理。其次，分析了相干積累點(diǎn)數(shù)的選取原則，介紹了結(jié)合距離走動校正的d b s 成像方法，并對多普勒中心估計算法以及結(jié)合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對其解模糊進(jìn)行了介紹。 最后研究了一種基于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的圖像拼接方法，并通過高保真仿真數(shù)據(jù)對其進(jìn)行 了驗(yàn)證。 第三章研究了s t a p 的基本原理和方法。首先對空時自適應(yīng)原理和降維原理 進(jìn)行了討論，從中我們發(fā)現(xiàn)全空時自適應(yīng)處理雖然效果最優(yōu)，但目前只有理論意 義，要在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)，就必須進(jìn)行降維處理。其次，介紹了空域和時域降維 方法，時域降維討論了多普勒局域化后的空時聯(lián)合處理方法( m d t ) ；空域降維 討論了子陣劃分的一些方法。最后通過一組仿真數(shù)據(jù)的處理，對降維方法的性能 進(jìn)行了分析。 第四章研究了多通道g m t i 模式中的運(yùn)動目標(biāo)檢測和定位方法。首先利用 s t a p 技術(shù)抑制雜波，然后采用二維c f a r 檢測器來檢測目標(biāo)，最后利用干涉相 位對動目標(biāo)重新定位，并對定位誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。 第五章對全文進(jìn)行了總結(jié)和展望。 第二章d b s 成像和圖像拼接 7 第二章d b s 成像和圖像拼接 2 1 引言 多普勒波束銳化( d o p p l e rb e a ms h a r p e n i n g , d b s ) 技術(shù)是目前機(jī)載火控雷達(dá) 和導(dǎo)引頭雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對地面場景二維高分辨率成像的重要技術(shù)之一，在戰(zhàn)場偵察、 地形匹配導(dǎo)航、目標(biāo)識別等方面有著廣泛的應(yīng)用。如在合成孔徑雷達(dá)地面動目標(biāo) 指示( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r g r o u n dm o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n , s a r g m t i ) 模式 下應(yīng)用，可對運(yùn)動目標(biāo)定位，從而為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確打擊提供參考。d b s 是利用運(yùn)動平 臺上的雷達(dá)波束照射區(qū)內(nèi)不同方向目標(biāo)的回波具有不同的多普勒信息而達(dá)到波束 銳化的目的，從本質(zhì)上來說掃描模式的d b s 成像屬于非聚焦成像，因而其分辨率 較條帶模式和聚束模式低。但它具有在側(cè)視、大范圍掃描條件下計算負(fù)荷低，易 于實(shí)時實(shí)現(xiàn)，且可在較短的時間內(nèi)獲得較大覆蓋場景圖像的優(yōu)勢，因此在戰(zhàn)場監(jiān) 視等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 近幾十年來，我國也開展了該項(xiàng)技術(shù)的研究，文獻(xiàn)【1 8 】對d b s 技術(shù)中的若干 問題進(jìn)行了探討，文獻(xiàn)【1 9 貝j j 對d b s 技術(shù)的實(shí)時性作了詳盡研究，文獻(xiàn)【2 0 】對d b s 運(yùn)動補(bǔ)償問題進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)【2 l 】對d b s 技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)及圖像拼接做了研究， 文獻(xiàn) 2 2 1 對機(jī)械掃描雷達(dá)的d b s 成像和動目標(biāo)檢測進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)【2 3 】對 s a r g m t i 模式下的d b s 成像以及運(yùn)動目標(biāo)軌跡形成進(jìn)行了研究。本章主要討論 掃描模式下的d b s 成像和圖像拼接問題。 2 2d b s 基本原理 2 2 1d b s 的基本原理和幾何模型 d b s 技術(shù)是一種有效的雷達(dá)成像技術(shù)，由于雷達(dá)波束照射下的地面場景與機(jī) 載雷達(dá)存在相對速度，使回波產(chǎn)生類似線性調(diào)頻信號，依據(jù)多普勒分辨理論，得 到d b s 圖像。其工作方式與合成孔徑雷達(dá)( s a r ) 類似，不同之處在于天線處于 掃描模式。d b s 成像1 2 4 , 2 5 1 實(shí)質(zhì)是將一個實(shí)際天線的真實(shí)波束分裂成若干窄的子波 束，各子波束中心處目標(biāo)相對雷達(dá)的徑向運(yùn)動速度不同，從而造成了各子波束回 波間的多普勒頻差，若在頻域設(shè)置一組窄帶濾波器，且該濾波器的中心和帶寬都 對應(yīng)子波束的中心方位線和寬度，就可以實(shí)現(xiàn)多普勒分割，從而有效改善了方位 分辨率。通常用f f t 實(shí)現(xiàn)窄帶多普勒濾波器組，即用f f t 對橫向不同角度進(jìn)行分 辨。d b s 的工作原理如圖2 1 所示。 8 機(jī)載雷達(dá)的d b s 成像和g m t i 方法研究 第二章d b s 成像和圖像拼接 9 奶= 百2 vs i n ( 口+ j 1 0 ) c o s 緲一竽s i n ( 口一三啦。s 伊 = 2 v 了c o s 一( p 2c o s 口s i n 0 口) (23)2 名 、7 _ 2 v c 。s 秒c o s 緲a o 以 由公式( 2 - 2 ) 可知：天線波束指向的多普勒頻率厶o cs i n o ；多普勒頻率隨掃描 角0 的變化率警芘c o s l 9 。d b s 技術(shù)等效于對多普勒帶寬疋進(jìn)行分割，假設(shè)k 個 d 。 接收脈沖序列s ( n ) ，( n = o ，l ，2 ，k 1 ) ，天線掃描角為0 ，波束寬度為a o ， 則各個子波束的方位角為： 幺：o + k 6 0 ( 七：一i k ，i k 1 ) ( 2 4 ) 對應(yīng)的多普勒頻率為： 厶2 ；量蝣n b c 。s 緲2 弓 s i n ( 口+ 后韶) c 。s 緲 。2 5 ， = 署s i n 秒c 。s ( k 6 0 ) c 。s 伊+ 百2 1 j c 。s 秒s i n ( 七陽) c 。s 妒 卜叫 由于天線的半功率角一般都很小，因此( 2 5 ) 式可化簡為： 厶：竽s i n o c o s 緲+ 竽c 。s o c o s q ，- k j 0 ：厶+ 七暢 以以 一 其中 = _ 2 1 p c o s o c o s 緲8 0 則對應(yīng)于厶，k 個脈沖的相干積累為： x ( k ) = s ( n ) e x p ( - j 2 ，r f d k n r , ) = s ( n ) e x p ( - j 2 7 r f d 。n t ，) e x p ( j 2 z c s f a n i t , ) = s o ( n ) e x p ( j 2 7 r s f a n k t , ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 其中 s o ( n ) = s ( n ) e x p ( - j 2 z r f a 。 z ) ( 2 9 ) 式中z 表示脈沖重復(fù)周期，由式( 2 - 8 ) 可以看出，k 個脈沖的相干積累可以通過f f t 來實(shí)現(xiàn)。 1 0 機(jī)載雷達(dá)的d b s 成像和g m t i 方法研究 2 2 2d b s 相干積累點(diǎn)數(shù)的確定 若將實(shí)波束銳化倍，則相當(dāng)于應(yīng)用個互相鄰接的多晉勒濾波器組分割買 波束，可知每個多普勒濾波器的分辨率= 等。而f f t 的頻率分辨率取決于 相干積累時間z ，故有： 稅= 等= 1 z ( 2 - l o ) 式中，蛻為多普勒帶寬，z 為相干積累時間，n 為多普勒波束銳化比。由 互= k i = 參( 其中k 為相干積累脈沖數(shù)，z 為脈沖重復(fù)頻率) ，得盟n = 毒，則 角度分辨率為： 陽2 磊意愛面( 2 - 1 1 )2 勛c o s 臼c o s 口 由( 2 i i ) 式可以看出，要提高角分辨率必須提高相干積累脈沖數(shù)，但是由于 d b s 屬于非聚焦成像技術(shù)，因此相干積累脈沖數(shù)不能無限增加，必須滿足非聚焦 條件1 2 6 】，才能通過f f t 實(shí)現(xiàn)相干積累，否則分辨率降低。在討論d b s 相干積累 脈沖數(shù)選取原則前，先分析掃描中目標(biāo)的波束駐留時間。 實(shí)現(xiàn)波束掃描的基本方法有機(jī)械掃描和電掃描兩種 2 7 1 。實(shí)際情況中，大型相 控陣?yán)走_(dá)一般都采用電掃描方式，其掃描過程是階躍的，即在某一角度( 或波位) 持續(xù)發(fā)射一定數(shù)量的脈沖后再切換至另一角度。由于電掃描時某個波位發(fā)射的脈 沖數(shù)是確定的，且目標(biāo)的波束駐留時間也與發(fā)射的脈沖數(shù)對應(yīng)，因此在電掃描的 d b s 成像中采用該波位發(fā)射的脈沖數(shù)進(jìn)行相干積累。 假設(shè)在相干積累時間內(nèi)波束始終能夠照射到點(diǎn)目標(biāo)p ，由( 2 1 ) 式可得點(diǎn)目標(biāo) 回波信號為： 帆) 叫，一爭) c x p 【_ ，2 哪一爭) 】 彳( 卜堡) j 2 y r f , 一_ 4 7 【r 一( 2 - 1 2 ) e x p j 2 t 彳o 一k ) 一_ - 【r v t s i n o c o s t p + v z t 2 m ( 1 - - 面s i n 2 _ o c o s 2q q 】) 其中，z 為載頻，彳( f ) 為信號的復(fù)包絡(luò)。乙= m t ，( m = 一等，了k 1 ) 為慢時間， k 為相干積累脈沖數(shù)，r e 為脈沖重復(fù)周期，則相干積累時間為z = 觚。 第二章d b s 成像和圖像拼接 要進(jìn)行相干積累必須保證s ( f ) 中的二次相位項(xiàng)不超過詈，即要保證下式成立： 等生塑2 r o 型( 互2 ) 2 互2 ( 2 - 1 3 ) 力 、7、7 即要求 髯l 躒 p 若相干積累脈沖數(shù)為k ，脈沖重復(fù)頻率為z ，則有： k掣v一匝-sinjo-cos2 ( 2 1 5 ) 因此相干積累脈沖數(shù)的選取應(yīng)滿足( 2 1 5 ) 式的條件。當(dāng)k 取最大值時，可得 角分辨率為： 甜： 籃 ： 1 2 k v c o s o c o s ( p 2 c o s 8 c o s 則在斜距為r 處的橫向分辨率為： 萬尼：r占目：互x：42ro孽(1-sin28cos2 c o ) 多普勒銳化比為： = 籌= 等= 2 以v a o c o s o c o s c , o c = 2 以v a 0 c o s 8 c o s t , 萬k 6f 。6 e九 2 a f = 2 a 8 c o s o c o s ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 8 ) 由( 2 1 6 ) 式可以看出，提高相干積累脈沖數(shù)可以提高角分辨率，但是不能超出 ( 2 1 5 ) 式條件的限制，否則分辨率下降。因此式( 2 1 5 ) 至l j 式( 2 - 1 8 ) 就決定了一定系統(tǒng) 參數(shù)條件下相干積累脈沖數(shù)的選取原則。 從( 2 1 7 ) 式可以發(fā)現(xiàn)，由于d b s 屬于非聚焦成像技術(shù)，所以不同距離的方位 分辨率是不同的，距離越遠(yuǎn)，方位分辨率越差。銳化比是衡量d b s 性能的重要指 標(biāo)，由( 2 一1 8 ) 式可以看出，銳化比隨掃描角p 的變化而變化，而為保證分辨率恒 定，銳化比通常應(yīng)保持不變，因此要求頻率分辨率配應(yīng)隨伊成正弦關(guān)系變化， 實(shí)際處理是要么相干積累脈沖數(shù)k 恒定，隨掃描角變化；要么f 恒定，k 隨掃 描角變化。此外為了保證采樣信號不發(fā)生混疊，重頻f 應(yīng)大于多普勒帶寬， 通常取多普勒帶寬的3 4 倍。 1 2 機(jī)載雷達(dá)的d b s 成像和g m t i 方法研究 2 3d b s 成像方法 國內(nèi)外在d b s 成像算法方面的研究非常活躍。文獻(xiàn)【2 8 】討論了d b s 成像的 基本原理和相應(yīng)的成像算法。文獻(xiàn)【2 9 】 3 0 】詳細(xì)的介紹了s p e c a n ( s p e c t r a l a n a l y s i s ) 成像算法并通過實(shí)測數(shù)據(jù)得到了顯著的處理效果。在成像過程中，我們 需要考慮影響成像效果的一系列因素，如載機(jī)運(yùn)動補(bǔ)償、距離走動校正、多普勒 中心估計及解模糊等問題。 2 3 1 距離走動校正 在成像過程中，由于波束以一定傾斜角度照射場景目標(biāo)，從而產(chǎn)生了距離走 動，即在每一個波位，載機(jī)同目標(biāo)之間的距離是變化的，這種變化造成了在不同 波位，同一點(diǎn)目標(biāo)的回波信號在距離上的位置不同。 設(shè)在相干積累時間z 內(nèi)，點(diǎn)目標(biāo)總的距離走動量為欲【2 3 2 引，則 欲：一吾左z ：一v s i n 口c 。s 妒7 k ( 2 - 1 9 ) 若萬尺= 三2 b 為距離分辨單元，則基本上不發(fā)生距離走動的條件為： 1 ，s i n 口c 。s 伊。7 9 8 r 時，即在一個處理周期中，目標(biāo)的斜 距變化超過一個距離分辨單元，即出現(xiàn)越距離單元走動，則需要進(jìn)行距離走動校 正處理。設(shè)距離向壓縮后，每個點(diǎn)目標(biāo)回波信號為x ( m ， ) ( m 、以分別為距離 向、方位向采樣點(diǎn)位置) ，此時只需對x ( m ，n ) 乘一個距離走動校正因子日，就可 去掉距離走動效應(yīng)【3 1 】： 日一c 印【- 脅硒m n a 面rj ( 2 - 2 ) 其中，和口分別為距離向和方位向采樣點(diǎn)數(shù)。 2 3 2 多普勒中心估計及解模糊 多普勒頻率中心是子圖像中心，是子圖像拼接的參考點(diǎn)。理論上，在d b s 成像中，如果載機(jī)飛行平穩(wěn)且天線波束錐角和載機(jī)速度等參數(shù)都確知的情況下， 多普勒中心頻率可以根據(jù)式( 2 2 ) 計算求得，無需估計多普勒中心頻率。而工程上 由于實(shí)際提供的飛機(jī)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)存在較大誤差，不能滿足精度要求，因此必須通過 第二章d b s 成像和圖像拼接 1 3 實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)時地估計多普勒中心頻率。多普勒中心估計的目的是將子圖像的中心 校正到波束指向的中心，其估計的準(zhǔn)確性直接影響掃描角的準(zhǔn)確性、距離走動校 正以及圖像拼接的精確度，因此是很關(guān)鍵的一步。 目前，d b s 多普勒中心頻率估計方法主要包括時域法和頻域法 3 2 - 3 5 l 。時域法 主要是指相關(guān)函數(shù)估計法；頻域法主要是指能量均衡法和方位譜峰值估計法。一 般來說，相關(guān)函數(shù)法和能量均衡法要優(yōu)于方位譜峰值法，主要是因?yàn)榉轿蛔V的峰 值區(qū)域比較平坦，因此估計其準(zhǔn)確峰值位置就變得比較困難。從一般對實(shí)測數(shù)據(jù) 的處理經(jīng)驗(yàn)得出，利用相關(guān)函數(shù)法來估計多普勒中心頻率是可以滿足要求的，而 且運(yùn)算量不大，穩(wěn)健性也較高。本文選用相關(guān)函數(shù)多普勒中心頻率估計方法。 假設(shè)，= n f , 為快時間，z 為采樣頻率，乙= m t , 為慢時間，z 為載頻，則可 將接收回波信號表示為： s ( ) 彳。一爭) c x 山2 毗卜孕+ 半刪( 2 - 2 2 ) 根據(jù)式( 2 2 ) ，上式可簡化為： ( 研) = ( 刀，m ) e x p ( j 2 # f , m t ) ( 2 2 3 ) 式( 2 - 2 3 ) 的相關(guān)函數(shù)為： & ( 刀，七) = e ( 門，擾) s ；( 門，m 一七) ) = e ( 櫛，m ) 4 ( 刀，m - k ) e x p ( j 2 7 r f d c k t ) (