未来天基sar向大场景区域发展的运动目标指示

未来天基sar向大场景区域发展的运动目标指示

0传统的天基sar天线模型为了表示最小天线的面积，有必要将最小天线面积表示为如下所示。Amin=4vsλRctanΦiAmin=4vsλRctanΦi(1)其中:vs为平台的飞行速度;R为观测目标与雷达的斜距;Φi为目标处的入射角;λ为波长;c为光速。因此,传统的天基SAR,其天线孔径做得很大(例如,在方位向长达10m甚至更长),以在距离模糊和多普勒模糊(方位分辨率和观测带宽)之间进行折衷。这种大天线孔径SAR,在条带模式下就不可能得到高分辨率的地面场景图像(例如1m),如果在聚束模式下就需要昂贵的相控阵天线,而且不可能同时监视大面积区域。大观测带、高分辨率成像以及同时对地面运动目标进行指示(GMTI),这些都是天基SAR一直追求的目标。如果把传统的SAR天线划分成多个接收子阵(利用某一子阵作为发射子阵,而所有子阵只用来接收回波),并采用本文方法对接收数据进行处理可以同时满足上述所有目标。多个沿航向接收子阵可以提高方位分辨率,而多个垂直航向接收子阵可以提高观测条带。1运动目标的回波特点当天基SAR对地面观测时,地面固定场景回波多普勒频率fd与方位角θ的关系为fd=2vsλsinθfd=2vsλsinθ(2)若子阵的方位波束宽度为0.86°,vs=7000m/s,λ=3cm,且工作于正侧视模式,则波束主瓣的地面场景回波的多普勒谱限制在-3500Hz～+3500Hz的范围内。由于fd与sinθ成正比,地面固定场景的回波谱画在fd-sinθ的二维平面里为如图1a所示的粗斜直线。为了首先保证距离不发生模糊从而可以获得大观测区域,脉冲重复频率(PRF)可以选得比较低,例如fr=1400Hz,然而这会导致接收信号在多普勒域发生5次模糊,此时地面固定场景回波的空时二维谱如图1b中的多个粗斜直线段所示,这时对于同一个多普勒频率有5个不同方位角处的回波相叠加,也就是时域信号存在多普勒模糊。地面运动目标回波的多普勒频率fd与方位角θ有下列关系fd=2(vs+vat)λsinθ+2vctcosθλfd=2(vs+vat)λsinθ+2vctcosθλ(3)式中:vat为地面运动目标的沿航向速度分量;vct为垂直航向速度分量。式(3)可以理解为对于任一方位角θ,运动目标的多普勒频率相对于此方向的固定杂波有一个附加多普勒项;或对于某一多普勒频率fd输出,地面运动目标所在的方位角与固定杂波不同。地面运动目标的速度可以分解成两个分量:沿航向速度分量vat(切向速度)和垂直航向速度分量vct(径向速度)。这两种运动分量对动目标的回波信号有不同的影响,下面将进行简单叙述。径向运动对动目标的SAR成像会产生两种影响:一是动目标自身附加的多普勒项使其在SAR图像中的横向位置发生变化;二是动目标回波信号包络的自身移动,如果按静止目标进行距离徙动校正,则动目标自身运动导致的距离单元走动不能被完全校正,因此图像沿距离像扩散,方位分辨率降低。切向运动导致动目标的多普勒调频率与固定场景的多普勒调频率不同,如果按固定场景信号进行方位聚焦(压缩)时,动目标回波信号就不能被很好的聚焦,因此动目标在SAR图像上散焦,分辨率降低。星载SAR对运动目标的观测有一些独特的特点:卫星速度快,其天线波束扫过目标的时间非常短(例如,小于2s),因此可以认为在波束扫过期间内运动目标的速度不会发生太大变化;波束窄,运动目标的垂直航向速度在雷达视线方向上的投影分量的变化很小,即式(3)的第2项可以作为常数项;运动目标的沿航向速度分量远远小于卫星速度,运动目标的多普勒调频率2(vs+vat)2/(λR)与固定场景的多普勒调频率2v2ss2/(λR)相差较小,因此即使按固定场景的调频率对运动目标进行方位聚焦(即方位压缩),也能对运动目标进行相干积累,只是会降低运动目标的方位分辨率。图1中的细斜直线为运动目标的空时二维谱。从图1可以看出,由于运动目标本身附加的多普勒分量,使其与固定场景的二维谱分离开,这是运动目标能够利用本文方法进行检测的前提条件。由于式(3)的第2项可以用一个常数项近似,而且地面运动目标的切向速度与卫星速度相比小得多,因此地面动目标和固定场景回波的空时二维谱表现在图1中的斜率几乎相同。由于存在径向速度,动目标在一定的时间内会跑出一个距离单元,为了使相干积累时间变长,从而可以提高信噪比。文献中提出了一种Keystone变换方法,能够把场景中所有目标(包括动目标和固定目标)的线性运动分量统一补偿回来,从而完成距离走动校正。2sar图像的抑制方法由上面的分析可知,子阵接收的回波信号存在严重的多普勒模糊,不解决多普勒模糊问题就无法得到SAR图像。本文的思路是首先利用多子阵的空时自由度和空时波束把地面固定场景(又称为杂波)和运动目标的空时谱分量(即称一小段空时谱为空时谱分量,如图1b中圆环内的谱段)从图1b的空时平面中一个个取出来,将固定场景和运动目标分离开,再将所有取出的固定场景的空时谱分量和运动目标的空时谱分量分别拼接成宽空时谱信号,分别得到分离开的固定场景的宽谱信号和运动目标的宽谱信号。最后利用这两段宽谱信号分别完成对固定场景的SAR成像和地面运动目标的SAR成像与检测,同时得到无模糊、高方位分辨率、大观测区域的固定场景SAR图像和运动目标SAR图像及对运动目标的检测。接收时回波信号中存在多个多普勒模糊,若直接对接收信号进行SAR成像处理,所得结果由于远近目标重叠在一起,SAR图像变得非常模糊,因此必须对多普勒模糊进行抑制。本文不是简单地把多普勒模糊抑制掉,而是将所有多普勒谱(包括模糊过来的多普勒谱和非模糊的多普勒谱)取出来后拼接并展宽成一个宽多普勒谱信号,实现全孔径分辨率的SAR图像。由于子阵的孔径很小,因此本文方法可以获得很高的方位分辨率,例如分辨率小于1m。而且利用此方法,还可以同时检测地面运动目标。本文方法的主要处理过程可以分解成如下4步:(1)把回波信号分隔成多个空时谱分量首先将每一子阵的接收回波信号在多普勒域分成很多小段(例如用FFT很容易实现,以下将多普勒段称为多普勒通道),如图1b中的阴影部分所示。对于每一多普勒通道输出,所有固定场景谱分量和运动目标谱分量在空间方位角θ上就可以很好的分离开,而且每一谱分量都被限制在很小的角度范围内。(2)取出所有空时谱分量对某一距离/多普勒单元输出,所有谱分量(包括固定场景和运动目标的模糊谱分量和非模糊谱分量)在空间方位角θ(fd)上可得到很好分离,因此我们就可以形成空间波束来分别取出所有空时谱分量。从某一多普勒单元中,利用空间波束取出某一谱分量既可以利用非自适应方法来实现,也可以利用自适应方法来实现。Capon自适应法的最优权为Wfd=R−1fdfd-1an(fd)(4)式中:-fr/2≤fd<fr/2,fr为脉冲重复频率(PRF);Rfd为从多普勒通道fd输出的地面杂波和噪声的协方差矩阵;an(fd)为所要取出的谱分量n(n=1,2,…,N,N为落入一个多普勒通道中的谱分量个数)的空间导向矢量,具有如下定义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为子阵等效相位中心(d1=0,m=1,2,…,M,M为子阵数目);sinθn(fd)为第n个谱分量方位角。(3)将取出的所有空时谱分量拼接成宽谱信号当如图1b所示的整个空时平面中的所有固定场景和运动目标谱分量都分别取出来后,再将取出来的固定场景谱分量和运动目标谱分量分别拼接成两段无多普勒模糊的宽谱信号。(4)SAR成像处理再对前面获得的固定场景宽谱信号和运动目标宽谱信号用传统的SAR成像处理方法分别进行SAR成像处理,例如,距离徙动校正、距离压缩、方位压缩等,最后得到大观测面积、全孔径方位分辨率的固定场景SAR图像和运动目标SAR图像。对于地面运动目标的SAR图像,还需要用恒虚警检测(CFAR)对地面动目标进行检测。3sar初始成像时的子阵直径和等效相位中心如果某一多普勒通道中有N个杂波谱分量,对于固定场景的SAR成像应用来说,至少需要N-1个空间自由度来抑制模糊分量(假定地面运动目标对固定场景的SAR图像影响很小),即所需的阵元数M应满足M≥N。如图1b中有5个杂波谱分量,所需的阵元数至少应为5。对于检测地面运动目标,需要抑制掉所有杂波谱分量,因此所需的阵元数应比SAR成像时增加一个,即必须满足M≥N+1。子阵孔径的大小应根据SAR的方位分辨率、观测带宽和功率要求来决定。例如子阵尺寸为2m×1m,可提供1m的方位分辨率(条带成像)和100km的观测条带。子阵等效相位中心(收发分置的子阵可以等效为收发在它们连线的中心位置,仅需补偿一个固定相位)要求在vsTr范围内较均匀分布(一个脉冲重复周期内的卫星行程,Tr为脉冲重复周期)。下面本文将举例如下:把一个10m×1m的传统星载SAR天线分成6个2m×1m的子阵,6个子阵的中心分别为:0,1.6114,6.3808,8.0000,4.6908,3.2065m,等效相位中心分别为:0,0.8057,3.1904,4.0000,2.3454,1.6032m,如果vs=7481.5m/s,Tr=1/1496s,则vsTr=5m,显然子阵的等效相位中心在5m范围内较均匀分布,此子阵配置满足本文的要求。4仿真参数设定下面我们利用仿真结果来验证本文方法。将一个10m×1m的传统星载SAR天线分成6个2m×1m的子阵,子阵中心的位置分别为0,1.6114,6.3808,8.0000,4.6908,3.2065m,利用第一个子阵作为发射子阵,6个子阵同时接收回波信号,且工作于正侧视模式。本仿真所用的参数如表1所示。为了说明本文方法把多普勒谱拼接展宽后能否达到理论的最高方位分辨率Da/2(Da为子阵的方位向孔径长度),本文在同一距离单元设置3个点目标,其两两方位间隔为2.5m。本仿真参数中Da=2m,因此理论可达到的方位分辨率为1m。图3为3个方位点目标的成像结果。从图2可以看出,基本上可以满足理论上的方位分辨率1m。下面再利用本星载SAR系统来仿真对地面运动目标的检测能力。利用本文方法得到的速度响应如图3所示。(注:改善