未來(lái)天基sar向大場(chǎng)景區(qū)域發(fā)展的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示

未來(lái)天基sar向大場(chǎng)景區(qū)域發(fā)展的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示

0傳統(tǒng)的天基sar天線模型為了表示最小天線的面積，有必要將最小天線面積表示為如下所示。Amin=4vsλRctanΦiAmin=4vsλRctanΦi(1)其中:vs為平臺(tái)的飛行速度;R為觀測(cè)目標(biāo)與雷達(dá)的斜距;Φi為目標(biāo)處的入射角;λ為波長(zhǎng);c為光速。因此,傳統(tǒng)的天基SAR,其天線孔徑做得很大(例如,在方位向長(zhǎng)達(dá)10m甚至更長(zhǎng)),以在距離模糊和多普勒模糊(方位分辨率和觀測(cè)帶寬)之間進(jìn)行折衷。這種大天線孔徑SAR,在條帶模式下就不可能得到高分辨率的地面場(chǎng)景圖像(例如1m),如果在聚束模式下就需要昂貴的相控陣天線,而且不可能同時(shí)監(jiān)視大面積區(qū)域。大觀測(cè)帶、高分辨率成像以及同時(shí)對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行指示(GMTI),這些都是天基SAR一直追求的目標(biāo)。如果把傳統(tǒng)的SAR天線劃分成多個(gè)接收子陣(利用某一子陣作為發(fā)射子陣,而所有子陣只用來(lái)接收回波),并采用本文方法對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以同時(shí)滿足上述所有目標(biāo)。多個(gè)沿航向接收子陣可以提高方位分辨率,而多個(gè)垂直航向接收子陣可以提高觀測(cè)條帶。1運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波特點(diǎn)當(dāng)天基SAR對(duì)地面觀測(cè)時(shí),地面固定場(chǎng)景回波多普勒頻率fd與方位角θ的關(guān)系為fd=2vsλsinθf(wàn)d=2vsλsinθ(2)若子陣的方位波束寬度為0.86°,vs=7000m/s,λ=3cm,且工作于正側(cè)視模式,則波束主瓣的地面場(chǎng)景回波的多普勒譜限制在-3500Hz～+3500Hz的范圍內(nèi)。由于fd與sinθ成正比,地面固定場(chǎng)景的回波譜畫(huà)在fd-sinθ的二維平面里為如圖1a所示的粗斜直線。為了首先保證距離不發(fā)生模糊從而可以獲得大觀測(cè)區(qū)域,脈沖重復(fù)頻率(PRF)可以選得比較低,例如fr=1400Hz,然而這會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)在多普勒域發(fā)生5次模糊,此時(shí)地面固定場(chǎng)景回波的空時(shí)二維譜如圖1b中的多個(gè)粗斜直線段所示,這時(shí)對(duì)于同一個(gè)多普勒頻率有5個(gè)不同方位角處的回波相疊加,也就是時(shí)域信號(hào)存在多普勒模糊。地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的多普勒頻率fd與方位角θ有下列關(guān)系fd=2(vs+vat)λsinθ+2vctcosθλfd=2(vs+vat)λsinθ+2vctcosθλ(3)式中:vat為地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的沿航向速度分量;vct為垂直航向速度分量。式(3)可以理解為對(duì)于任一方位角θ,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻率相對(duì)于此方向的固定雜波有一個(gè)附加多普勒項(xiàng);或?qū)τ谀骋欢嗥绽疹l率fd輸出,地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)所在的方位角與固定雜波不同。地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度可以分解成兩個(gè)分量:沿航向速度分量vat(切向速度)和垂直航向速度分量vct(徑向速度)。這兩種運(yùn)動(dòng)分量對(duì)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)有不同的影響,下面將進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述。徑向運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的SAR成像會(huì)產(chǎn)生兩種影響:一是動(dòng)目標(biāo)自身附加的多普勒項(xiàng)使其在SAR圖像中的橫向位置發(fā)生變化;二是動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)包絡(luò)的自身移動(dòng),如果按靜止目標(biāo)進(jìn)行距離徙動(dòng)校正,則動(dòng)目標(biāo)自身運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的距離單元走動(dòng)不能被完全校正,因此圖像沿距離像擴(kuò)散,方位分辨率降低。切向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致動(dòng)目標(biāo)的多普勒調(diào)頻率與固定場(chǎng)景的多普勒調(diào)頻率不同,如果按固定場(chǎng)景信號(hào)進(jìn)行方位聚焦(壓縮)時(shí),動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)就不能被很好的聚焦,因此動(dòng)目標(biāo)在SAR圖像上散焦,分辨率降低。星載SAR對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的觀測(cè)有一些獨(dú)特的特點(diǎn):衛(wèi)星速度快,其天線波束掃過(guò)目標(biāo)的時(shí)間非常短(例如,小于2s),因此可以認(rèn)為在波束掃過(guò)期間內(nèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度不會(huì)發(fā)生太大變化;波束窄,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的垂直航向速度在雷達(dá)視線方向上的投影分量的變化很小,即式(3)的第2項(xiàng)可以作為常數(shù)項(xiàng);運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的沿航向速度分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于衛(wèi)星速度,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒調(diào)頻率2(vs+vat)2/(λR)與固定場(chǎng)景的多普勒調(diào)頻率2v2ss2/(λR)相差較小,因此即使按固定場(chǎng)景的調(diào)頻率對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行方位聚焦(即方位壓縮),也能對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行相干積累,只是會(huì)降低運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方位分辨率。圖1中的細(xì)斜直線為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的空時(shí)二維譜。從圖1可以看出,由于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)本身附加的多普勒分量,使其與固定場(chǎng)景的二維譜分離開(kāi),這是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)能夠利用本文方法進(jìn)行檢測(cè)的前提條件。由于式(3)的第2項(xiàng)可以用一個(gè)常數(shù)項(xiàng)近似,而且地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的切向速度與衛(wèi)星速度相比小得多,因此地面動(dòng)目標(biāo)和固定場(chǎng)景回波的空時(shí)二維譜表現(xiàn)在圖1中的斜率幾乎相同。由于存在徑向速度,動(dòng)目標(biāo)在一定的時(shí)間內(nèi)會(huì)跑出一個(gè)距離單元,為了使相干積累時(shí)間變長(zhǎng),從而可以提高信噪比。文獻(xiàn)中提出了一種Keystone變換方法,能夠把場(chǎng)景中所有目標(biāo)(包括動(dòng)目標(biāo)和固定目標(biāo))的線性運(yùn)動(dòng)分量統(tǒng)一補(bǔ)償回來(lái),從而完成距離走動(dòng)校正。2sar圖像的抑制方法由上面的分析可知,子陣接收的回波信號(hào)存在嚴(yán)重的多普勒模糊,不解決多普勒模糊問(wèn)題就無(wú)法得到SAR圖像。本文的思路是首先利用多子陣的空時(shí)自由度和空時(shí)波束把地面固定場(chǎng)景(又稱(chēng)為雜波)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的空時(shí)譜分量(即稱(chēng)一小段空時(shí)譜為空時(shí)譜分量,如圖1b中圓環(huán)內(nèi)的譜段)從圖1b的空時(shí)平面中一個(gè)個(gè)取出來(lái),將固定場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分離開(kāi),再將所有取出的固定場(chǎng)景的空時(shí)譜分量和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的空時(shí)譜分量分別拼接成寬空時(shí)譜信號(hào),分別得到分離開(kāi)的固定場(chǎng)景的寬譜信號(hào)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的寬譜信號(hào)。最后利用這兩段寬譜信號(hào)分別完成對(duì)固定場(chǎng)景的SAR成像和地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的SAR成像與檢測(cè),同時(shí)得到無(wú)模糊、高方位分辨率、大觀測(cè)區(qū)域的固定場(chǎng)景SAR圖像和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)SAR圖像及對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。接收時(shí)回波信號(hào)中存在多個(gè)多普勒模糊,若直接對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行SAR成像處理,所得結(jié)果由于遠(yuǎn)近目標(biāo)重疊在一起,SAR圖像變得非常模糊,因此必須對(duì)多普勒模糊進(jìn)行抑制。本文不是簡(jiǎn)單地把多普勒模糊抑制掉,而是將所有多普勒譜(包括模糊過(guò)來(lái)的多普勒譜和非模糊的多普勒譜)取出來(lái)后拼接并展寬成一個(gè)寬多普勒譜信號(hào),實(shí)現(xiàn)全孔徑分辨率的SAR圖像。由于子陣的孔徑很小,因此本文方法可以獲得很高的方位分辨率,例如分辨率小于1m。而且利用此方法,還可以同時(shí)檢測(cè)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。本文方法的主要處理過(guò)程可以分解成如下4步:(1)把回波信號(hào)分隔成多個(gè)空時(shí)譜分量首先將每一子陣的接收回波信號(hào)在多普勒域分成很多小段(例如用FFT很容易實(shí)現(xiàn),以下將多普勒段稱(chēng)為多普勒通道),如圖1b中的陰影部分所示。對(duì)于每一多普勒通道輸出,所有固定場(chǎng)景譜分量和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)譜分量在空間方位角θ上就可以很好的分離開(kāi),而且每一譜分量都被限制在很小的角度范圍內(nèi)。(2)取出所有空時(shí)譜分量對(duì)某一距離/多普勒單元輸出,所有譜分量(包括固定場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的模糊譜分量和非模糊譜分量)在空間方位角θ(fd)上可得到很好分離,因此我們就可以形成空間波束來(lái)分別取出所有空時(shí)譜分量。從某一多普勒單元中,利用空間波束取出某一譜分量既可以利用非自適應(yīng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn),也可以利用自適應(yīng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。Capon自適應(yīng)法的最優(yōu)權(quán)為Wfd=R?1fdfd-1an(fd)(4)式中:-fr/2≤fd<fr/2,fr為脈沖重復(fù)頻率(PRF);Rfd為從多普勒通道fd輸出的地面雜波和噪聲的協(xié)方差矩陣;an(fd)為所要取出的譜分量n(n=1,2,…,N,N為落入一個(gè)多普勒通道中的譜分量個(gè)數(shù))的空間導(dǎo)向矢量,具有如下定義an(fd)=[1,ej4πd2sinθn(fd)λ,?,ej4πdM(fd)sinθn(fd)λ]Tan(fd)=[1,ej4πd2sinθn(fd)λ,?,ej4πdΜ(fd)sinθn(fd)λ]Τ(5)式中:dm為子陣等效相位中心(d1=0,m=1,2,…,M,M為子陣數(shù)目);sinθn(fd)為第n個(gè)譜分量方位角。(3)將取出的所有空時(shí)譜分量拼接成寬譜信號(hào)當(dāng)如圖1b所示的整個(gè)空時(shí)平面中的所有固定場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)譜分量都分別取出來(lái)后,再將取出來(lái)的固定場(chǎng)景譜分量和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)譜分量分別拼接成兩段無(wú)多普勒模糊的寬譜信號(hào)。(4)SAR成像處理再對(duì)前面獲得的固定場(chǎng)景寬譜信號(hào)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)寬譜信號(hào)用傳統(tǒng)的SAR成像處理方法分別進(jìn)行SAR成像處理,例如,距離徙動(dòng)校正、距離壓縮、方位壓縮等,最后得到大觀測(cè)面積、全孔徑方位分辨率的固定場(chǎng)景SAR圖像和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)SAR圖像。對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的SAR圖像,還需要用恒虛警檢測(cè)(CFAR)對(duì)地面動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。3sar初始成像時(shí)的子陣直徑和等效相位中心如果某一多普勒通道中有N個(gè)雜波譜分量,對(duì)于固定場(chǎng)景的SAR成像應(yīng)用來(lái)說(shuō),至少需要N-1個(gè)空間自由度來(lái)抑制模糊分量(假定地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)固定場(chǎng)景的SAR圖像影響很小),即所需的陣元數(shù)M應(yīng)滿足M≥N。如圖1b中有5個(gè)雜波譜分量,所需的陣元數(shù)至少應(yīng)為5。對(duì)于檢測(cè)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo),需要抑制掉所有雜波譜分量,因此所需的陣元數(shù)應(yīng)比SAR成像時(shí)增加一個(gè),即必須滿足M≥N+1。子陣孔徑的大小應(yīng)根據(jù)SAR的方位分辨率、觀測(cè)帶寬和功率要求來(lái)決定。例如子陣尺寸為2m×1m,可提供1m的方位分辨率(條帶成像)和100km的觀測(cè)條帶。子陣等效相位中心(收發(fā)分置的子陣可以等效為收發(fā)在它們連線的中心位置,僅需補(bǔ)償一個(gè)固定相位)要求在vsTr范圍內(nèi)較均勻分布(一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)的衛(wèi)星行程,Tr為脈沖重復(fù)周期)。下面本文將舉例如下:把一個(gè)10m×1m的傳統(tǒng)星載SAR天線分成6個(gè)2m×1m的子陣,6個(gè)子陣的中心分別為:0,1.6114,6.3808,8.0000,4.6908,3.2065m,等效相位中心分別為:0,0.8057,3.1904,4.0000,2.3454,1.6032m,如果vs=7481.5m/s,Tr=1/1496s,則vsTr=5m,顯然子陣的等效相位中心在5m范圍內(nèi)較均勻分布,此子陣配置滿足本文的要求。4仿真參數(shù)設(shè)定下面我們利用仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證本文方法。將一個(gè)10m×1m的傳統(tǒng)星載SAR天線分成6個(gè)2m×1m的子陣,子陣中心的位置分別為0,1.6114,6.3808,8.0000,4.6908,3.2065m,利用第一個(gè)子陣作為發(fā)射子陣,6個(gè)子陣同時(shí)接收回波信號(hào),且工作于正側(cè)視模式。本仿真所用的參數(shù)如表1所示。為了說(shuō)明本文方法把多普勒譜拼接展寬后能否達(dá)到理論的最高方位分辨率Da/2(Da為子陣的方位向孔徑長(zhǎng)度),本文在同一距離單元設(shè)置3個(gè)點(diǎn)目標(biāo),其兩兩方位間隔為2.5m。本仿真參數(shù)中Da=2m,因此理論可達(dá)到的方位分辨率為1m。圖3為3個(gè)方位點(diǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果。從圖2可以看出,基本上可以滿足理論上的方位分辨率1m。下面再利用本星載SAR系統(tǒng)來(lái)仿真對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)能力。利用本文方法得到的速度響應(yīng)如圖3所示。(注:改善