本发明属于雷达回波数据处理技术领域，尤其涉及一种合成孔径雷达(syntheticapertureradar,sar)地面运动目标检测与成像方法。
背景技术：
地面运动目标检测是现代雷达要完成的基本功能之一。随着sar数据的广泛应用，基于sar平台的地面运动目标检测与成像无论在军事上还是在民用上都有广泛的应用前景。
目前，基于sar平台的地面运动目标检测方法面临着由于动目标径向速度模糊导致动目标检测需要在多幅散焦图像中进行的问题，多目标的重复检测极大地增加了计算量。同时，散焦的动目标不仅降低了检测信杂噪比，而且使得cfar检测算法面临杂波统计被临近目标污染的问题。此外，由于运动目标横向速度的存在，采用统一的载机平台的速度对动目标进行聚焦会导致运动目标方位向散焦的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种地面运动目标检测与成像方法，通过本方法避免了多动目标的重复检测，大大减小了计算量，同时本发明检测方法通过运动目标距离向完全聚焦以及方位向非相干积累，使得动目标能量得到有效积累，从而避免了检测信杂噪比低的问题。最后，利用二维窗函数提取已检测的动目标信号，并利用调频率搜索方法对提取的动目标信号进行方位向重聚焦操作，由于方位向聚焦是基于提取的小区域进行搜索聚焦，因而利用搜索进行重聚焦的方法并不会增加运算量。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种地面运动目标检测与成像方法，所述地面运动目标检测与成像方法包括如下步骤：s102：对地面雷达回波信号数据进行dpca相消处理；s103：对地面运动目标回波信号进行deramp处理；s104：对地面运动目标回波信号进行keystone变换；s105：构造不同模糊数的滤波器组，对目标信号进行校正处理；s106：构造方位积累窗对目标信号进行方位向积累；s107：对目标信号在距离向进行查分处理，实现动目标检测；s108：对方位向散焦的运动目标进行重聚焦处理。
根据一个优选的实施方式，所述步骤s108具体包括：利用方位剩余调频率搜索对运动目标回波信号进行重聚焦操作。
根据一个优选的实施方式，所述地面运动目标检测与成像方法还包括构建机载sar-gmti几何关系模型，并基于sar-gmti几何关系模型得到载机到动目标的瞬时斜距r(ta)，ta为方位向慢时间。
根据一个优选的实施方式，雷达发射信号为线性调频信号，动目标信号经距离压缩后表示为：
其中，σ为动目标后向散射系数，gr为动目标信号距离压缩增益，b为发射信号带宽，λ为信号波长，t为距离快时间，wa(·)为方位窗函数；
对回波信号进行dpca相消操作，忽略由于通道间距导致的干涉相位项，动目标信号形式不变，仍然由式
根据一个优选的实施方式，步骤s104包括：运动目标进行deramp操作后进行keystone变换去掉信号中线性分量，keystone变换进行(fc fr)(ta-t0)＝fc(ta-t0)修正。
根据一个优选的实施方式，步骤s104中，修正后动目标信号表示动目标完全聚焦信号s(t,f′a)与动目标运动造成的失配函数θ(t,f′a)的卷积形式：
其中，动目标完全聚焦信号s(t,f′a)表示为：
失配函数θ(t,f′a)表示为：
其中，f′a为keystone变换后新的方位频率坐标，gaz为动目标信号完全聚焦时的方位压缩增益，ta为动目标孔径驻留时间，τa为keystone变换后新的方位时间坐标，
根据一个优选的实施方式，步骤s105中包括：利用不同模糊数构造的滤波器组为：
其中mamb为模糊数，对步骤s104中动目标信号进行不同模糊数滤波器校正，得到多幅图像，且在各幅图像中只有模糊数与滤波器相匹配的动目标实现了距离向聚焦。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：在于通过本发明地面运动目标检测与成像方法，解决了由于动目标径向速度模糊导致动目标重复检测的问题，大大减小了计算量。同时本检测方法通过对运动目标距离向的完全聚焦以及方位向的非相干积累，使动目标能量得到了有效积累，有效地实现了低信噪比下对运动目标的检测。最后，利用二维窗函数提取已检测的动目标信号，并利用调频率搜索方法对提取的动目标信号进行方位向重聚焦，实现了对运动目标的精确聚焦。
附图说明
图1是本发明地面运动目标检测与成像方法构建的机载sar-gmti几何关系模型示意图。
图2是本发明地面运动目标检测与成像方法的流程示意图。
图3是本发明地面运动目标检测与成像方法的动目标粗聚焦结构示意图。
图4是本发明地面运动目标检测与成像方法中利用模糊数滤波器组得到的动目标距离向聚焦结果示意图。
图5是本发明地面运动目标检测与成像方法中动目标检测结果示意图。
图6是本发明地面运动目标检测与成像方法中动目标重聚焦结果示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
图1是本发明地面运动目标检测与成像方法构建的机载sar-gmti几何关系模型示意图。图2是本发明地面运动目标检测与成像方法的流程示意图。图3是本发明地面运动目标检测与成像方法的动目标粗聚焦结构示意图。图4是本发明地面运动目标检测与成像方法中利用模糊数滤波器组得到的动目标距离向聚焦结果示意图。图5是本发明地面运动目标检测与成像方法中动目标检测结果示意图。图6是本发明地面运动目标检测与成像方法中动目标重聚焦结果示意图。
实施例1：
本发明公开了一种地面运动目标检测与成像方法。
图1为机载sar-gmti几何关系模型示意图。载机飞行速度为v，飞行高度为h，x轴表示载机航线在场景平面的投影坐标轴，z轴表示沿载机高度方向的坐标轴；y轴在场景平面内与x轴和z轴垂直；场景波束中有一坐标位置为(x0,y0,0)的动目标p，载机到动目标的最近斜距为rb，
根据sar成像原理，载机航线与载机到目标斜距构成了成像平面。将载机航行方向设为横向，成像平面内与横向垂直的方向设为纵向，则动目标的运动可分解为沿径向和横向的运动，设径向和横向的瞬时速度分别为vr(ta)＝vr0 arta、va(ta)＝va0 aata，其中，vr0、va0分别为动目标沿径向和横向的初始速度，ar、aa分别为动目标径向和横向加速度，ta为方位向慢时间。
根据上述模型，载机到动目标的瞬时斜距r(ta)可表示为
参照图2，首先在步骤s102中，对地面回波信号进行dpca相消操作，以有效抑制地面杂波信号。这里假设发射信号为线性调频信号，那么动目标信号经距离压缩后可以表示为
其中，σ为动目标后向散射系数，gr为动目标信号距离压缩增益，b为发射信号带宽，λ为信号波长，t为距离快时间，wa(·)为方位窗函数。
对回波信号进行dpca相消操作，忽略由于通道间距导致的干涉相位项，动目标信号形式不变，仍然可由式(2)表示，此时将式(1)代入式(2)并通过近似可以得到动目标信号为：
其中，
在步骤s103中，对运动目标回波信号进行deramp操作。由于每一个动目标运动参数不同，检测之前只能利用场景参数对所有动目标进行统一处理，同时为解决动目标信号频谱偏移可能导致的频谱折叠问题，这里对运动目标回波信号进行deramp操作，deramp参考函数为
其中t0表示一个任意选定的方位时间。
在步骤s104中，对动目标回波信号进行keystone变换。对运动目标进行deramp操作后进行keystone变换去掉信号中线性分量，keystone变换进行(fc fr)(ta-t0)＝fc(ta-t0)修正，经过上述操作后动目标信号可以表示动目标完全聚焦信号s(t,fa')与动目标运动造成的失配函数θ(t,f′a)的卷积形式：
其中，动目标完全聚焦信号s(t,fa')表示为：
失配函数θ(t,f′a)表示为：
其中，f′a为keystone变换后新的方位频率坐标，gaz为动目标信号完全聚焦时的方位压缩增益，ta为动目标孔径驻留时间，τa为keystone变换后新的方位时间坐标，
图3为国内某所录取的机载三通道sar-gmti实测数据的动目标粗聚焦图像，即对应公式(5)的结果，本雷达系统工作在x波段条带正侧视模式，采用全孔径发射三天线同时接收方式，主要工作参数载机速度为115m/s，脉冲重复频率为833hz。由于该数据雷达照射场景中包含一条高速公路，动目标径向速度较大，对运动目标进行上述操作后，只有基带速度对应的距离走动得到了校正，动目标信号并没有实现距离向聚焦。
在步骤s105中，构造不同模糊数的滤波器组对动目标信号进行校正。利用不同模糊数构造的滤波器组为
其中mamb为模糊数，对图3中动目标信号进行不同模糊数滤波器校正，可以得到图4所示的多幅图像，在每一幅图像中只有模糊数与滤波器相匹配的动目标实现了距离向聚焦。
在图4所示的图像中，虽然模糊数不匹配的动目标是距离向散焦的，散焦将导致能量密度的降低，但是由于目标后向散射系数以及方位散焦特性的不同，模糊数不匹配的动目标可能获得比模糊数匹配动目标更高的能量密度，直接通过能量密度对比难以区分出模糊数匹配的动目标信号。但是模糊数匹配动目标在距离向的聚焦特性导致信号幅度在聚焦距离单元的跳变，而模糊数不匹配的动目标沿距离单元的幅度是缓变的。同时方位积累将使距离向聚焦动目标的幅度跳变特性更加明显，利用这一特性差异可以区分出模糊数匹配动目标。
在步骤s106中，构造方位积累窗对目标信号进行方位向积累。从图3中可以看到，在第6000方位频率单元附近有较强的杂波剩余，而其中的动目标t13能量较弱，t13与模糊数为-2的滤波器相匹配，并在图4(b)中实现了距离向聚焦，所以接下来将在图4(b)中对t13进行检测。首先，构造图5(a)中所示的方位积累窗，沿方位向非相干积累窗内信号，积累窗的方位宽度由动目标方位散焦的频率单元数确定，积累窗沿方位向移动实现散焦图像的遍历。当方位积累窗移动到图5(a)中实线所示位置时，可以得到如图5(b)所示的信号积累结果，可以看到，由于动目标t13是距离向聚焦的，其沿方位积累的幅度最大，在第334个距离单元出现了的幅度峰值。而其它动目标(t2、t4)虽然是散焦的，但是由于本身散射能量较强，也具有较大的幅度。
在步骤s107中，对地面运动目标在距离向上进行差分处理实现动目标检测。由于t13的幅度是跳变的，而t2、t4的幅度是沿距离单元缓变的，这一跳变特性可以通过差分幅度体现。对图5(b)的幅度曲线作差分处理可以得到图5(c)所示的差分幅度曲线，从图5(c)可以看到，t13由于幅度跳变特性，差分后仍然具有较大的差分幅度，而t2、t4由于幅度缓变特性导致其差分幅度较小，此时设置一个差分幅度阀值，就可以实现t13幅度峰值的检测，同时可避免对目标t2、t4的重复检测，大大减小了计算量。
在步骤s108中，对方位向上散焦的动目标进行重聚焦操作。通过上述步骤确定t13的距离向位置，而方位向位置通过积累窗的方位移动可以获取，也就实现了t13的定位。定位后可以利用二维窗函数在图4(b)中对t13进行信号提取，提取结果如图5(d)所示。提取后的t13是距离向聚焦、方位散焦的，接下来将对t13进行重聚焦。从式(5)可以看到，动目标信号的方位散焦由失配函数造成。在距离分辨率较低时忽略δr造成的剩余徙动影响，动目标信号方位聚焦只需要补偿γmis引起的方位二次相位。由于二维窗提取的数据量较小，这里可以通过γmis搜索的方法实现动目标信号的方位聚焦处理。而动目标的聚焦效果可以通过图像熵值进行评估，我们定义一个图像|smis(t,f′a)|的熵为
其中
图6所示为t13方位剩余调频率搜索的聚焦结果，其中图6(a)～(e)给出了搜索调频率在γmis附近t13的聚焦结果，可以看到，搜索调频率越接近γmis，t13聚焦效果越好。从图6(f)中可以看到不同搜索调频率下的图像熵值曲线与t13的聚焦结果相吻合。
本发明提出的地面运动目标检测与成像方法。首先，在动目标粗聚焦的图像中，根据动目标方位散焦的频率单元数确定选取方位积累窗长度，然后沿方位向非相干积累窗内信号。此时得到的距离向聚焦的动目标信号幅度在距离向是跳变的，而距离向散焦的动目标信号其能量沿距离向是缓变的，这样通过差分操作就可以实现对距离向聚焦的动目标进行检测，而距离向散焦的动目标能量被淹没在噪声中无法被检测到，从而避免了多动目标的重复检测，大大减小了计算量。
同时本发明检测方法通过运动目标距离向完全聚焦以及方位向非相干积累，使得动目标能量得到有效积累，从而避免了检测信杂噪比低的问题。最后，利用二维窗函数提取已检测的动目标信号，并利用调频率搜索方法对提取的动目标信号进行方位向重聚焦操作，实现了对运动目标的精确聚焦。由于方位向聚焦是基于提取的小区域进行搜索聚焦，因而利用搜索进行重聚焦的方法并不会增加运算量。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种地面运动目标检测与成像方法，其特征在于，所述地面运动目标检测与成像方法包括如下步骤：
s102：对地面雷达回波信号数据进行dpca相消处理；
s103：对地面运动目标回波信号进行deramp处理；
s104：对地面运动目标回波信号进行keystone变换；
s105：构造不同模糊数的滤波器组，对目标信号进行校正处理；
s106：构造方位积累窗对目标信号进行方位向积累；
s107：对目标信号在距离向进行查分处理，实现动目标检测；
s108：对方位向散焦的运动目标进行重聚焦处理。
2.如权利要求1所述的地面运动目标检测与成像方法，其特征在于，所述步骤s108具体包括：利用方位剩余调频率搜索对运动目标回波信号进行重聚焦操作。
3.如权利要求2所述的地面运动目标检测与成像方法，其特征在于，所述地面运动目标检测与成像方法还包括构建机载sar-gmti几何关系模型，并基于sar-gmti几何关系模型得到载机到动目标的瞬时斜距r(ta)，ta为方位向慢时间。
4.如权利要求3所述的地面运动目标检测与成像方法，其特征在于，雷达发射信号为线性调频信号，动目标信号经距离压缩后表示为：
其中，σ为动目标后向散射系数，gr为动目标信号距离压缩增益，b为发射信号带宽，λ为信号波长，t为距离快时间，wa(·)为方位窗函数；
对回波信号进行dpca相消操作，忽略由于通道间距导致的干涉相位项，动目标信号形式不变，仍然由式
5.如权利要求4所述的地面运动目标检测与成像方法，其特征在于，步骤s104包括：运动目标进行deramp操作后进行keystone变换去掉信号中线性分量，keystone变换进行(fc fr)(ta-t0)＝fc(ta-t0)修正。
6.如权利要求5所述的地面运动目标检测与成像方法，其特征在于，步骤s104中，修正后动目标信号表示动目标完全聚焦信号s(t,f′a)与动目标运动造成的失配函数θ(t,f′a)的卷积形式：
其中，动目标完全聚焦信号s(t,f′a)表示为：
失配函数θ(t,f′a)表示为：
其中，f′a为keystone变换后新的方位频率坐标，gaz为动目标信号完全聚焦时的方位压缩增益，ta为动目标孔径驻留时间，τa为keystone变换后新的方位时间坐标，
7.如权利要求6所述的地面运动目标检测与成像方法，其特征在于，步骤s105中包括：利用不同模糊数构造的滤波器组为：
其中mamb为模糊数，对步骤s104中动目标信号进行不同模糊数滤波器校正，得到多幅图像，且在各幅图像中只有模糊数与滤波器相匹配的动目标实现了距离向聚焦。
技术总结