本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高分寬幅sar體制下的動目標(biāo)檢測與成像技術(shù)，即gmti技術(shù)。

背景技術(shù)：

高分寬幅sar(hrws，highresolutionwideswath，高分寬幅；sar，syntheticapertureradar，合成孔徑雷達(dá))是一種可以同時獲取高分辨率和寬測繪帶的sar成像技術(shù)，可以應(yīng)用到土地規(guī)劃、海洋監(jiān)測、地圖繪制等要求大面積高精度的成像中。高分寬幅下的動目標(biāo)成像可以應(yīng)用到交通運(yùn)輸中檢測車輛及戰(zhàn)場偵察信息等，具有重要作用。其中，動目標(biāo)速度的準(zhǔn)確估計是其高質(zhì)量成像的關(guān)鍵前提，因此構(gòu)建高性能的動目標(biāo)速度估計方法及在此基礎(chǔ)上的動目標(biāo)成像是hrwssar成像應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

目前已公開發(fā)表的hrwssar動目標(biāo)成像相關(guān)論文中，最具有代表性的包括baumgartner總結(jié)hrws條件下利用窮舉搜索法來估計動目標(biāo)速度(見文獻(xiàn)1：baumgartnersv,kriegerg.simultaneoushigh-resolutionwide-swathsarimagingandgroundmovingtargetindication:processingapproachesandsystemconcepts[j].ieeejournalofselectedtopicsinappliedearthobservationsandremotesensing,2015,8(11):5015-5029.)；shuangxi-zhang等人提出在方位多通道條件下，基于最小熵的方法來估計動目標(biāo)速度(見文獻(xiàn)2：zhangsx,xingmd,xiaxg,etal.anovelmovingtargetimagingalgorithmforhrwssarbasedonlocalmaximum-likelihoodminimumentropy[j].ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing,2014,52(9):5333-5348.)；xiangyuwang進(jìn)一步總結(jié)了窮舉法估計動目標(biāo)速度的應(yīng)用(見文獻(xiàn)3：wangx,wangr,lin,etal.avelocityestimationmethodofmovingtargetforsarhigh-resolutonwide-swathmode[c]//geoscienceandremotesensingsymposium(igarss),2016ieeeinternational.ieee,2016:6819-6822.)。然而，上述動目標(biāo)速度估計方法中，窮舉法需要對每一個假設(shè)的動目標(biāo)速度，完成后續(xù)處理看最優(yōu)檢測結(jié)果，存在很多冗余的處理步驟，導(dǎo)致運(yùn)算量大，而且因為假設(shè)的速度有限，可能導(dǎo)致估計精度低；而另一類基于最小熵的方法，由于需要用最優(yōu)化的方法搜索滿足最小熵的最優(yōu)解，算法的運(yùn)算量也很大，為而且得到的最優(yōu)解也和算法收斂標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置有關(guān)，差的收斂標(biāo)準(zhǔn)也會直接導(dǎo)致速度估計精度降低。因此這兩類動目標(biāo)速度估計的方法都存在運(yùn)算量大和潛在的精度低的問題，會給后續(xù)動目標(biāo)成像處理帶來影響，導(dǎo)致成像質(zhì)量變差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有hrwssar動目標(biāo)成像中動目標(biāo)速度估計方法運(yùn)算量大的不足，而且彌補(bǔ)現(xiàn)有方法一般只能估計動目標(biāo)距離向速度的缺陷，抑制了動目標(biāo)方位向速度對成像結(jié)果的影響；通過將呂氏分布(lvd)方法應(yīng)用到hrwssar動目標(biāo)成像中，可以高效估計動目標(biāo)距離向和方位向速度，利用估計得到的動目標(biāo)速度信息結(jié)合多通道處理方法得到高分辨率動目標(biāo)成像。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高分寬幅sar動目標(biāo)速度估計與成像方法，包括：

s1、初始化方位多通道系統(tǒng)參數(shù)，通過仿真得到多通道回波數(shù)據(jù)；

所述初始化方位多通道系統(tǒng)參數(shù)具體為：發(fā)射信號脈沖寬度，記為tr；系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率，記為prf；信號采樣頻率，記為fs；通道數(shù)為n，n為偶數(shù)；發(fā)射信號帶寬，記為br；信號多普勒帶寬為bdop；平臺速度為vs；發(fā)射信號波長，記為λ；通道間隔為d；雷達(dá)中心頻率，記為f0；

根據(jù)初始化的方位多通道系統(tǒng)參數(shù)，通過仿真得到n個通道回波數(shù)據(jù)；所述每個通道回波數(shù)據(jù)均為na×nr維的矩陣；na,nr分別為方位向和距離向采樣點數(shù)；

s2、將步驟s1得到的各通道的回波數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行距離壓縮，得到各通道壓縮后的回波數(shù)據(jù)；

s3、將步驟s2得到各通道回波數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩校準(zhǔn)，得到各個通道校準(zhǔn)后的回波數(shù)據(jù)；

s4、對步驟s3得到的各通道校準(zhǔn)后的回波數(shù)據(jù)抑制雜波，得到n/2組回波數(shù)據(jù)；

s5、選取一組步驟s4得到的回波數(shù)據(jù)，通過呂氏分布方法，估計動目標(biāo)速度；

s6、根據(jù)步驟s5得到動目標(biāo)速度，對s4雜波抑制后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行多通道重建、抑制動目標(biāo)方位模糊，得到方位模糊抑制后的數(shù)據(jù)；

s7、根據(jù)步驟s6得到的方位模糊抑制后的數(shù)據(jù)，以及步驟s5估計的動目標(biāo)速度，實現(xiàn)動目標(biāo)聚焦成像。

進(jìn)一步地，步驟s1所述單個通道的回波數(shù)據(jù)表達(dá)式為：

se,i(τ,t)＝aexp{-j4πf0ri(t)/c}exp{jπkr(τ-2ri(t)/c)²},i＝1,…,n；

其中，a是復(fù)系數(shù)；i表示通道序號；τ,t分別為距離快時間和方位慢時間；c為電磁波速度；kr＝br/tr為距離調(diào)頻斜率；j為虛數(shù)單位。

進(jìn)一步地，所述步驟s2具體為：首先利用傅里葉變換將各通道回波數(shù)據(jù)逐行變換到距離頻域；然后構(gòu)建參考函數(shù)，并將該參考函數(shù)變換到頻域；將各通道變換到距離頻域的回波數(shù)據(jù)與變換到頻域的參考函數(shù)相乘，最后經(jīng)反傅里葉變換得到n個通道各自距離壓縮后的回波數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述步驟s3具體為：將步驟s2得到的各通道回波數(shù)據(jù)進(jìn)行方位傅里葉變換，根據(jù)傅里葉變換的時移性質(zhì)，構(gòu)建時延式，將變換到方位頻域的各通道回波數(shù)據(jù)乘以時延式，得到各通道兩兩校準(zhǔn)后的回波數(shù)據(jù)。

更進(jìn)一步地，所述時延式為：

exp{-j2πfd/2/vs}；

其中，d/2是通道間隔，f表示方位向頻率，vs是平臺速度。

進(jìn)一步地，所述步驟s4具體為：對步驟s3得到的各通道校準(zhǔn)后的回波數(shù)據(jù)，進(jìn)行方位向和距離向離散采樣，得到每個通道采樣信號對通道校準(zhǔn)后的兩個通道都在(a,r)位置采樣，組成二維的向量

其中，a,r分別表示方位向和距離向采樣單元序號，r＝1,...,nr，a＝1,...,na；

分別選取待估計距離門的相鄰l個距離門的數(shù)據(jù)作為樣本，得到像素點(a,r)位置的雜波協(xié)方差矩陣r(a,r)；

其中，上標(biāo)h表示共軛轉(zhuǎn)置；

根據(jù)計算得到的雜波協(xié)方差矩陣，得到像素點(a,r)位置的權(quán)矢量w(a,r)；

其中，為動目標(biāo)空域?qū)б噶浚?imgfile="bda0001313644530000036.gif"wi="393"he="60"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>為空間頻率，θ,分別為俯仰角和方位角；

根據(jù)計算出的權(quán)矢量，對像素點(a,r)位置的采樣信號進(jìn)行線性濾波，得到雜波抑制后的結(jié)果sstap(a,r)；

進(jìn)一步地，所述步驟s5具體為：

選取一組步驟s4得到的雜波抑制后的回波數(shù)據(jù)，根據(jù)呂氏分布方法，得到位于域的信號

其中，a表示信號幅值，q是一個恒定的時延參數(shù)，h為一個標(biāo)量因子，域表示以為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)的頻域坐標(biāo)系，表示多普勒中心頻率變量，表示線性調(diào)頻斜率變量，f^d、γ^d分別表示實際估計出來的目標(biāo)回波信號的多普勒中心頻率值和線性調(diào)頻斜率值；

根據(jù)f^d和γ^d值，求解出動目標(biāo)速度信息v＝(vr,va)

其中，vr表示動目標(biāo)距離向速度，va表示動目標(biāo)方位向速度，(x,y)為動目標(biāo)初始位置，x0為場景中心到平臺軌跡中心的水平距離。

進(jìn)一步地，所述步驟s6具體為：根據(jù)步驟s5得到的動目標(biāo)距離向速度，計算動目標(biāo)的多普勒頻率；

其中，fa(-prf/2＜fa＜prf/2)是單通道模糊的方位向頻率，b(＝0,1,2)是劃分的多普勒頻帶標(biāo)號，prf為脈沖重復(fù)頻率，λ為波長，n是通道數(shù)，round表示取整；

然后構(gòu)建多通道傳遞函數(shù)矩陣h(f)，

其中，n表示通道數(shù)，f為方位頻率；

對多通道傳遞函數(shù)矩陣h(f)求逆得到重建矩陣p(f)，

p(f)＝h^-1(f)；

將雜波抑制后的數(shù)據(jù)sstap沿方位向進(jìn)行隔位補(bǔ)零，并變換到方位頻域得到而后和重建矩陣p(f)相乘，經(jīng)過方位向逆傅里葉變換可以得到重建結(jié)果為srec：

其中，為逆傅里葉變換算子。

更進(jìn)一步地，所述傳遞函數(shù)矩陣h(f)中的第(x,y)個元素hx,y通過下式計算得到：

其中，dy表示第y個通道和參考通道之間的間隔，y＝1,..,n，fx＝f+(x-1)prf，x＝1,..,n。

進(jìn)一步地，所述步驟s7具體包括：根據(jù)步驟s5得到的動目標(biāo)距離向和方位向速度；計算得到動目標(biāo)在整個合成孔徑時間內(nèi)的運(yùn)動軌跡；

根據(jù)計算得到的運(yùn)動軌跡結(jié)合平臺的運(yùn)動軌跡得到動目標(biāo)的斜距史；

根據(jù)動目標(biāo)的斜距史以及步驟s6得到的數(shù)據(jù)，采用bp成像方法對動目標(biāo)進(jìn)行聚焦成像。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的一種高分寬幅sar動目標(biāo)速度估計與成像方法，將lvd方法應(yīng)用在高分寬幅sar條件下，進(jìn)行動目標(biāo)速度估計，利用估計得到的動目標(biāo)距離向速度進(jìn)行重建，抑制動目標(biāo)方位模糊；利用估計得到的動目標(biāo)距離向和方位向速度改進(jìn)成像方法，抑制動目標(biāo)成像方位散焦，最終得到聚焦效果更好的動目標(biāo)成像；并且本申請只需要雜波抑制后的單個通道數(shù)據(jù)就可以估計動目標(biāo)速度，有效提高了處理效率，大大減少了運(yùn)算量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的處理流程框圖。

圖2為本發(fā)明實施例提供的經(jīng)本申請方法處理得到的雜波抑制結(jié)果示意圖；

其中，圖2(a)為雜波抑制前，圖2(b)為雜波抑制后。

圖3為本發(fā)明實施例提供的經(jīng)本申請方法處理獲取的動目標(biāo)二維成像結(jié)果示意圖；

其中，圖3(a)為成像結(jié)果散焦；圖3(b)為重聚焦成像結(jié)果。

圖4為本發(fā)明實施例提供的經(jīng)本申請方法處理得到的動目標(biāo)成像結(jié)果剖面圖；

其中，圖4(a)為成像結(jié)果散焦；圖4(b)為重聚焦成像結(jié)果。

具體實施方式

為便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)一步闡釋。

為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作以下術(shù)語定義：

定義1、hrws多通道模型動目標(biāo)斜距

第i個通道在方位慢時間tm時刻斜距為

其中，r0是最短斜距，vr是動目標(biāo)距離向速度，vs是平臺速度，di是第i個通道與參考通道的間隔。

定義2、空時自適應(yīng)處理(stap)方法

stap處理過程可以表示為：

sstap(a,r)＝w^h(a,r)sr(a,r)(2)

其中，w(a,r)為權(quán)矢量，sr為距離壓縮后的數(shù)據(jù)，a,r分別表示距離向和方位向采樣單元序號，sr(a,r)表示多個通道在像素點(a,r)的采樣信號組成的向量最優(yōu)權(quán)矢量w(a,r)由下式計算：

其中，為動目標(biāo)空域?qū)б噶浚?imgfile="bda0001313644530000064.gif"wi="398"he="62"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>為空間頻率；θ,分別為俯仰角和方位角；

雜波協(xié)方差矩陣需要從多個距離門樣本中估計得到，像素點(a,r)位置的雜波協(xié)方差矩陣r(a,r)估計式如下

其中，l為距離門樣本數(shù)。

定義3、呂氏分布lvd方法

lvd估計的表達(dá)式可以表示為

其中，ak表示幅值，q是一個恒定的時延參數(shù)，h為一個標(biāo)量因子，為了使得估計的值令h＝1，依據(jù)以下呂氏分布參考文獻(xiàn)，qh＝1，則設(shè)置q＝1，分別表示第k個目標(biāo)回波信號的多普勒中心頻率和線性調(diào)頻斜率，可以通過下式計算

其中，(x,y)為動目標(biāo)初始位置，x0為場景中心到平臺軌跡中心的水平距離。

具體的呂氏分布可參考文獻(xiàn)“l(fā)vx,big,wanc,etal.lv'sdistribution:principle,implementation,properties,andperformance[j].ieeetransactionsonsignalprocessing,2011,59(8):3576-3591.”

定義4、動目標(biāo)多普勒頻率偏移

動目標(biāo)重建的方位頻率為

其中，fa(-prf/2＜fa＜prf/2)是單通道模糊的方位向頻率，b(＝0,1,2)是劃分的多普勒頻帶，prf為脈沖重復(fù)頻率，λ為波長，n是通道數(shù)，round表示取整。

定義5、多通道重建

多通道重建矩陣為p(f)＝h^-1(f)，其中h(f)為傳遞函數(shù)矩陣，形式如下

其中，n表示通道數(shù)，f為方位頻率，傳遞函數(shù)矩陣h(f)中的第(x,y)個元素hx,y通過下式計算：

其中，fx＝f+(x-1)prf，x＝1,..,n,y＝1,..,n，dy表示第y個通道和參考通道之間的間隔，各個通道間隔同為d，則三通道的間隔關(guān)系為d＝(0,d,2d)。

如圖1所示為本發(fā)明方法的流程圖，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種高分寬幅sar動目標(biāo)速度估計與成像方法，包括：

s1、初始化方位多通道系統(tǒng)參數(shù)，通過仿真得到多通道回波數(shù)據(jù)；

初始化方位多通道系統(tǒng)參數(shù)包括：發(fā)射信號脈沖寬度，記為tr；系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率，記為prf；信號采樣頻率，記為fs；通道數(shù)為n；發(fā)射信號帶寬，記為br；信號多普勒帶寬為bdop；平臺速度為vs；發(fā)射信號波長，記為λ；通道間隔為d；雷達(dá)中心頻率，記為f0。

通過仿真得到n個通道各自的回波數(shù)據(jù)為：

se,i(τ,t)＝aexp{-j4πf0ri(t)/c}exp{jπkr(τ-2ri(t)/c)²}，

其中，a是復(fù)系數(shù)；i表示通道序號，i＝1,…,n；τ,t分別為距離快時間和方位慢時間；c為電磁波速度；kr＝br/tr為距離調(diào)頻斜率；j為虛數(shù)單位，每個通道的回波數(shù)據(jù)維度均為：na×nr；

其中，na,nr分別為方位向和距離向采樣點數(shù)。

s2、距離壓縮

將步驟s1中得到的各通道回波數(shù)據(jù)se,i(τ,t)，首先逐行變換到距離頻域，然后構(gòu)建參考函數(shù)并將該參考函數(shù)變換到頻域后與變換到距離頻域的回波信號相乘，最后經(jīng)逆傅里葉變換(ifft)得到各通道距離壓縮后的回波數(shù)據(jù)

sr,i(τ,t)＝aexp{-j4πf0r(t)/c}。

s3、通道配準(zhǔn)

對步驟s2得到的距離壓縮結(jié)果sr(τ,t)進(jìn)行傅里葉變換(fft)得到方位頻域數(shù)據(jù)，然后利用傅里葉變換時移性質(zhì)，構(gòu)建時延式exp{-j2πfd/2/vs}，

其中，d/2是通道間隔，f表示方位向頻率，vs是平臺速度。

將變換到方位頻域的n/2個通道的回波數(shù)據(jù)和時延式相乘得到兩兩校準(zhǔn)后的n個通道的距離壓縮數(shù)據(jù)

s4、stap技術(shù)抑制雜波

對步驟s3得到的各通道校準(zhǔn)后的回波數(shù)據(jù)，進(jìn)行方位向和距離向離散采樣，得到每個通道采樣信號其中a,r分別表示方位向和距離向采樣單元序號，r＝1,...,nr，a＝1,...,na，對通道校準(zhǔn)后的兩個通道都在(a,r)位置采樣，組成二維的向量分別選取待估計距離門的相鄰l個距離門的數(shù)據(jù)作為樣本，參考式(4)估計得到像素點(a,r)位置的雜波協(xié)方差矩陣r(a,r)，

其中，上標(biāo)h表示共軛轉(zhuǎn)置；表示像素點(a,l)處的采樣信號；

然后參考式(3)相應(yīng)求出像素點(a,r)位置的權(quán)矢量w(a,r)，

參考式(2)對配準(zhǔn)后的兩通道數(shù)據(jù)進(jìn)行線性濾波得到雜波抑制后的結(jié)果sstap(a,r)，

因為這里是分別對n/2組配準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行雜波抑制，所以最終會得到雜波抑制后的數(shù)據(jù)為sstap,k,k＝1,…,n/2。

s5、lvd方法估計動目標(biāo)速度

選取一組步驟s4得到的雜波抑制后的數(shù)據(jù)，參考式(5)進(jìn)行l(wèi)vd變換處理，得到位于域的信號

其中，a表示信號幅值，q是一個恒定的時延參數(shù)，h為一個標(biāo)量因子，域表示以為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)的頻域坐標(biāo)系，表示多普勒中心頻率變量，表示線性調(diào)頻斜率變量，f^d、γ^d分別表示實際估計出來的目標(biāo)回波信號的多普勒中心頻率值和線性調(diào)頻斜率值；

可以通過圖像中的位置確定信號的f^d和γ^d值，結(jié)合式(7)即可求解出動目標(biāo)速度信息v＝(vr,va)。

s6、多通道重建抑制動目標(biāo)方位模糊

利用步驟s5估計的動目標(biāo)速度vr，參考式(8)計算出定義4中動目標(biāo)的多普勒頻率fa,b，

然后參考式(9)構(gòu)建多通道傳遞函數(shù)矩陣h(f)，

對多通道傳遞函數(shù)矩陣h(f)求逆得到重建矩陣p(f)，p(f)＝h^-1(f)

將步驟s4得到的雜波抑制后的數(shù)據(jù)sstap沿方位向進(jìn)行隔位補(bǔ)零并變換到方位頻域得到而后和重建矩陣p(f)相乘，經(jīng)過方位向逆傅里葉變換可以得到重建結(jié)果為：

其中，為逆傅里葉變換算子，srec維度為(n/2*na)×nr。

s7、抑制動目標(biāo)方位散焦得到高分辨成像

對步驟s6得到的重建數(shù)據(jù)做成像處理，首先根據(jù)步驟s5利用lvd方法估計得到的動目標(biāo)速度v＝(vr,va)，計算出動目標(biāo)在整個合成孔徑時間內(nèi)的運(yùn)動軌跡ptar(t)＝vt，結(jié)合平臺的運(yùn)動軌跡ps(t)即可準(zhǔn)確得到動目標(biāo)的斜距史r(t)＝|ps(t)-ptar(t)|，最后利用bp成像方法對動目標(biāo)進(jìn)行聚焦成像。

如圖2(a)所示，雜波抑制前動目標(biāo)信息淹沒在雜波中無法識別，如圖2(b)所示，對配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行stap雜波抑制，雜波抑制后得到的動目標(biāo)距離壓縮結(jié)果，說明雜波已被有效抑制。圖3(a)反映了動目標(biāo)方位向速度對成像結(jié)果方位散焦的影響，如圖4(a)中實線所示，傳統(tǒng)動目標(biāo)估計方法忽略了動目標(biāo)方位向速度，直接成像導(dǎo)致最終的重建結(jié)果模糊抑制效果變差，成像方位向散焦。本發(fā)明的方法在利用lvd方法估計出動目標(biāo)的兩個方向的速度后，首先是利用距離向速度來重建抑制方位向模糊，然后在聚焦成像時結(jié)合動目標(biāo)速度v＝(vr,va)通過步驟s7得到完全聚焦的成像，對比結(jié)果如圖3(b)以及圖4(b)所示剖面結(jié)果，可以看到聚焦后動目標(biāo)方位散焦被抑制。

現(xiàn)有hrwssar動目標(biāo)成像中，動目標(biāo)速度估計方法主要是窮舉法和最小熵估計的方法。窮舉法需要假設(shè)動目標(biāo)速度，完成后續(xù)處理后看檢測效果，再假設(shè)動目標(biāo)速度如此循環(huán)取最終檢測效果最好的情況，運(yùn)算量大且估計精度較低；而最小熵方法運(yùn)算量為也存在運(yùn)算量大的問題。本發(fā)明將lvd方法應(yīng)用到hrwssar中，只需要雜波抑制后的單個通道數(shù)據(jù)就可以估計動目標(biāo)速度，有效提高了處理效率，運(yùn)算量為并且可以同時估計得到動目標(biāo)的距離向和方位向速度，在有效重建抑制動目標(biāo)方位模糊的前提下，還可以解決動目標(biāo)成像的方位散焦問題。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。