机载多通道CSSAR地面运动目标运动参数估计方法与流程

本发明涉及雷达信号处理领域，尤其是一种合成孔径雷达地面运动目标运动参数估计方法。
背景技术：
：机载圆轨迹条带合成孔径雷达(circularstripmapsyntheticapertureradar，cssar)具有覆盖范围广和周期性重访的特点，因而适合用于地面运动目标指示(groundmovingtargetindication，gmti)。目标运动参数估计是gmti系统的基本任务之一，因此有必要研究适用于机载cssar的地面运动目标运动参数估计方法。现有的适用于常规直线轨迹合成孔径雷达(syntheticapertureradar，sar)的地面运动目标运动参数估计方法通常是根据目标的方位调频率估计目标的方位向速度，根据目标的多普勒中心频率估计目标的距离向速度。然而，对于机载cssar，它的圆形的运动轨迹导致目标的位置和速度之间出现了耦合，使得上述用于直线轨迹sar的运动参数估计方法无法直接用于机载cssar。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明为机载多通道cssar提出一种能应对目标位置和速度之间的耦合的运动参数估计方法。针对机载cssar下地面运动目标的位置和速度存在的耦合导致现有地面运动目标运动参数估计方法无法用于机载cssar的问题，提出一种能够应对目标位置和速度之间的耦合的运动参数估计方法，实现机载多通道cssar下地面运动目标运动参数的准确估计。本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤为：步骤1、假设：(1)杂波已被机载多通道cssar系统采用偏置相位中心天线(displacedphasecenterantenna，dpca)方法抑制；(2)距离压缩后的目标信号已被提取，且目标信号位于原始数据域；对距离压缩后的目标信号进行距离向傅里叶变换，将目标信号变换到方位时域距离频域，进入步骤2；步骤2、对步骤1变换到方位时域距离频域的目标信号进行基带多普勒中心补偿，包括如下步骤：a)方位时域距离频域的目标信号sdpca(fr,ta)表示为其中，wr(·)为距离频率包络，wa,1(·)为参考通道的收发双程天线方向图，fc为雷达发射信号的载频，fr为距离频率，ta为方位慢时间，c为光速，λ为波长，tb为目标位于参考通道等效相位中心的正侧视方向的时刻，rb为tb时刻目标到雷达的距离，ka为目标的多普勒调频率，fac为目标的多普勒中心频率，且fac可表示为fac＝fac,b+m·prf，其中fac,b为目标基带多普勒中心频率，m为目标多普勒模糊数，prf为雷达的脉冲重复频率；b)假设目标基带多普勒中心频率fac,b的估计值为则根据方位时域距离频率域目标信号的表达式，基带多普勒中心补偿函数可构造为将式(1)的目标信号与公式(2)的补偿函数相乘即可实现基带多普勒中心补偿；步骤3、对步骤2中基带多普勒中心补偿后的目标信号进行方位向傅里叶变换，将目标信号变到二维频域；步骤4、估计目标的多普勒模糊数和多普勒调频率，得到的多普勒模糊数和多普勒调频率的估计值分别为和步骤5、利用步骤4估计的目标多普勒模糊数和多普勒调频率构造二维频域的参考函数，将步骤3中的目标信号与该参考函数相乘进行目标成像，然后对相乘后的信号进行二维傅里叶逆变换将目标信号变到图像域；二维频域参考函数构造为：其中fa为基带方位频率，且满足-prf/2≤fa≤prf/2，和分别为目标多普勒调频率和多普勒模糊数的估计值；步骤6、根据目标在图像域中的位置估计正侧视时刻目标的位置参数，包括如下步骤：a)图像域目标信号表示为：其中，tr为距离快时间，pr(·)为距离压缩冲激响应函数，pa(·)为方位压缩冲激响应函数；b)根据公式(4)的图像域目标信号的表达式，正侧视时刻目标的位置参数rb和方位角θb由下式估计得出：其中，和分别为rb和θb的估计值，ta,img和tr,img为图像域中目标的方位向位置和距离向位置，ω为雷达运动的角速度；步骤7、根据目标的多普勒中心频率、多普勒调频率和正侧视时刻目标的位置参数估计目标的运动参数，采用如下公式估计目标的运动参数：式(7)和式(8)中，其中，为vx的估计值，为vy的估计值，vx和vy分别是目标沿x轴和y轴的速度，为fac的估计值，为rb的估计值，rb为正侧视时刻目标到坐标原点的距离，ra是雷达运动轨迹的半径，h为雷达的高度。本发明的步骤4采用基于最大对比度的方法估计目标的多普勒模糊数和多普勒调频率，具体步骤如下：a)将步骤3中基带多普勒中心补偿后的二维频域目标信号s(fr,fa)表示为其中wa(fa)为方位频率包络；b)采用如下基于最大对比度的方法估计目标的多普勒模糊数和多普勒调频率：式(4)中，s(tr,ta；ka,m)＝idft2{s(fr,fa)·h2(fr,fa；ka,m)}(14)其中，idft2(·)表示二维傅里叶逆变换，e(·)表示空间平均操作，contrast(·)表示图像的对比度，ka和m分别是构造二维频域参考函数h2(fr,fa；ka,m)时使用的目标多普勒调频率和多普勒模糊数。本发明的有益效果在于建立了目标位置和速度之间的耦合的精确关系式，并根据目标信号模型，提出利用目标的多普勒调频率、多普勒中心频率和目标在sar图像中的位置信息来解除目标位置和速度之间的耦合。本发明能准确估计出机载多通道cssar下地面运动目标的运动参数，还可用于地面运动目标成像。附图说明图1是本发明的流程示意图。图2是机载双通道cssar观测几何图，其中ra为雷达运动轨迹的半径，ω为雷达的角速度，h为雷达高度，vx和vy分别为目标沿x轴和y轴的速度，r0和θ0为零时刻目标到坐标原点的距离和目标的方位角。图3是目标1的成像仿真结果图，其中，图3(a)为聚焦好的目标图像，图3(b)为方位向剖面图，图3(c)为距离向剖面图。图4是目标2成像仿真结果图，其中，图4(a)为聚焦好的目标图像，图4(b)为方位向剖面图，图4(c)为距离向剖面图。图5是目标3的成像仿真结果图，其中，图5(a)为聚焦好的目标图像，图5(b)为方位向剖面图，图5(c)为距离向剖面图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明的流程示意图，本发明的具体步骤如下：步骤1、假设：(1)杂波已被机载多通道cssar系统采用偏置相位中心天线(displacedphasecenterantenna，dpca)方法抑制；(2)距离压缩后的目标信号已被提取，且目标信号位于原始数据域；对距离压缩后的目标信号进行距离向傅里叶变换，将目标信号变换到方位时域距离频域，进入步骤2；图2为机载双通道cssar观测几何图。雷达平台的运动轨迹是一个半径为ra的圆。雷达平台的角速度为ω，飞行高度为h。雷达波束始终垂直于速度方向并指向运动轨迹的外侧。假设目标匀速直线运动，且其沿x轴和y轴的速度分别为vx和vy。假设，在ta＝0时刻(ta为方位慢时间)，雷达通道1(参考通道)的等效相位中心位于(ra,0,h)，雷达通道2的等效相位中心位于(ra,-d,h)，目标位于(r0cosθ0,r0sinθ0,0)，其中，r0为ta＝0时刻目标到坐标原点的距离，θ0为ta＝0时刻目标的方位角，d为雷达相邻等效相位中心之间的距离(基线长度)。根据图2，目标到第i(i＝1,2)个通道的等效相位中心的瞬时距离ri(ta)可表示为式中，vta＝vycos(θb)-vxsin(θb)(19)其中，tb为目标位于参考通道等效相位中心的正侧视方向的时刻，即正侧视时刻，θb为ta＝tb时刻目标的方位角，rb为正侧视时刻目标到坐标原点的距离，vtr为正侧视时刻目标速度在雷达视线方向上的投影，vta为正侧视时刻目标速度在雷达运动方向上的投影，vt为目标的合速度。经载频解调和距离压缩后，第i个通道接收到的目标回波信号可表示为其中，pr(·)为距离压缩冲激响应函数，wa,i(·)为第i个通道的收发双程天线方向图，tr为距离快时间，λ为波长，c为光速。为表述简洁，忽略了目标信号中的常数幅度项。以通道1为参考通道，通道2配准后的目标回波信号可表示为式中，其中wa,1(ta)为参考通道(通道1)的收发双程天线方向图，r2(.)为通道2的目标距离方程，r2,reg(ta)为通道2配准后的目标距离方程。由于r2,reg(ta)与r1(ta)之间的差值，即vtrd/(raω)要远小于一个距离采样单元。因此在距离包络中可以忽略它们之间的差别，从而dpca杂波抑制后的目标信号可表示为对上式进行距离向傅里叶变换，可得方位时域距离频率域的目标信号：其中，fr为距离频率，fc为雷达发射信号的载频，wr(fr)为距离频率包络。步骤2、对步骤1变换到方位时域距离频域的目标信号进行基带多普勒中心补偿，包括如下步骤：a)首先将r1(ta)改写成式(26)中，其中，ka为目标的多普勒调频率，rb为tb时刻目标到雷达的距离，fac为目标的多普勒中心频率，而且fac可表示为fac＝fac,b+m·prf，其中fac,b为目标基带多普勒中心频率，m为目标多普勒模糊数，prf为雷达的脉冲重复频率。根据式(26)，方位时域距离频域的目标信号sdpca(fr,ta)表示为b)目标的基带多普勒中心频率可由常规的平均互相关系数(averagecrosscorrelationcoefficient，accc)方法估计出。这里需要注意的是，由于目标的距离徙动还未被校正，需在方位时域距离频率域利用accc方法估计目标的基带多普勒中心频率。假设估计出来的目标基带多普勒中心频率为则根据方位时域距离频率域目标信号的表达式，基带多普勒中心补偿函数可构造为将式(1)的目标信号与公式(2)的补偿函数相乘即可实现基带多普勒中心补偿。根据sdpca(fr,ta)和h1(fr)的表达式，基带多普勒中心补偿后的目标信号可表示为步骤3、对步骤2中基带多普勒中心补偿后的目标信号进行方位向傅里叶变换，将目标信号变到二维频域；利用驻地相位原理，对s(fr,ta)进行方位向傅里叶变换，可得二维频域目标信号：其中wa(fa)为方位频率包络；步骤4、估计目标的多普勒模糊数和多普勒调频率，得到的多普勒模糊数和多普勒调频率的估计值分别为和通过补偿公式(11)中目标信号表达式中的最后三个指数项，就可实现目标聚焦。因此，本发明采用如下基于最大对比度的方法估计目标的多普勒模糊数和多普勒调频率：式(4)中，s(tr,ta；ka,m)＝idft2{s(fr,fa)·h2(fr,fa；ka,m)}(14)其中，idft2(·)表示二维傅里叶逆变换，e(·)表示空间平均操作，contrast(·)表示图像的对比度，和分别为目标多普勒调频率和多普勒模糊数的估计值，ka和m分别是构造二维频域参考函数h2(fr,fa；ka,m)时使用的目标多普勒调频率和多普勒模糊数；步骤5、利用步骤4估计的目标多普勒模糊数和多普勒调频率构造二维频域的参考函数，将步骤3中的目标信号与该参考函数相乘进行目标成像，然后对相乘后的信号进行二维傅里叶逆变换将目标信号变到图像域；根据公式(3)中二维频域目标信号的表达式，二维频域参考函数构造为：根据该参考函数和二维频域目标信号的表达式，图像域目标信号可表示为：其中pa(·)为方位压缩冲激响应函数。可以看到，目标在图像域中没有出现方位向的位置偏移，这将有利于后续的目标运动参数估计。步骤6，根据目标在图像域中的位置估计正侧视时刻目标的位置参数。根据公式(4)的图像域目标信号的表达式，正侧视时刻目标到雷达的距离rb和目标的方位角θb由下式估计出：其中，和分别为rb和θb的估计值，ta,img和tr,img为图像域中目标的方位向位置和距离向位置，ω为雷达运动的角速度。步骤7，根据目标的多普勒中心频率、多普勒调频率和正侧视时刻目标的位置参数估计目标的运动参数，采用如下公式估计目标的运动参数：式(7)和式(8)中，其中，为vx的估计值，为vy的估计值，vx和vy分别是目标沿x轴和y轴的速度，为fac的估计值，为rb的估计值，rb为正侧视时刻目标到坐标原点的距离，ra是雷达运动轨迹的半径，h为雷达的高度。本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明：机载双通道ccsar系统参数见表1，仿真了三个点目标，参数见表2，三个目标的信噪比(signal-to-noiseratio，snr)均设为30db。在采用基于最大对比度的方法估计目标的多普勒模糊数和多普勒调频率时，参数m和ka的搜索范围分别设为[-1,1]和[563hz/s,634hz/s]，这能覆盖的目标速度范围为[-35m/s,35m/s]。参数m为整数，对其的搜索步长为1，参数ka的搜索步长δka设定为1hz/s，这能保证目标的方位压缩冲激响应函数的展宽小于2％(因为)。表1机载双通道cssar系统参数雷达平台速度150m/s飞行半径2.5km雷达平台高度10km场景中心距离20km载频10ghz发射信号带宽75mhz采样频率100mhz脉冲重复频率1500hz合成孔径时间0.9s相邻等效相位中心间距0.2m系统重访时间104.72ssnr20db表2目标参数vx(m/s)vy(m/s)r0(km)θ0(rad)目标1-241319.90.01目标2-3-420.10.04目标3-18319.8-0.02表3图像质量参数表4目标运动参数估计结果图3是目标1的成像仿真结果图，其中，图3(a)为聚焦好的目标图像，图3(b)为方位向剖面图，图3(c)为距离向剖面图。图4是目标2成像仿真结果图，其中，图4(a)为聚焦好的目标图像，图4(b)为方位向剖面图，图4(c)为距离向剖面图。图5是目标3的成像仿真结果图，其中，图5(a)为聚焦好的目标图像，图5(b)为方位向剖面图，图5(c)为距离向剖面图。图3为目标成像仿真结果，表3给出了测量的图像质量参数，其中包括冲激响应宽度(irw)、积分旁瓣比(islr)，峰值旁瓣比(pslr)。其中pslrl定义为主瓣与左边的最高旁瓣的高度比，pslrr定义为主瓣与右边的最高旁瓣的高度比。从表3可以看到，所有目标的方位向irw展宽均小于2％，而距离向irw展宽均为零，这说明本发明的成像结果很好，也说明本发明准确的估计出了目标的多普勒模糊数和多普勒调频率。表4给出了目标运动参数估计的仿真结果，可以看到，本发明的目标运动参数估计精度较高，估计误差的绝对值均小于0.4m/s。当前第1页12