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第２８卷第６期 ２００６年６月 电子与信息学报 Ｖ＿０１．２８ＮＯ．６ Ｊｕｎ．２００６ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 顺轨双天线机载ＩｎＳＡＲ的地面运动目标检测研究 李道京 汤立波 吴一戎 丁赤飚 （中国科学院电子学研究所微波成像技术国家重点实验室 北京１０００８０１ （中国科学院研究生院北京１０００３９） 摘 要基于高分辨率顺轨双天线机载ＩｎＳＡＲ，研究了地面运动目标检测问题。采用双通道干涉处理，抑制地面 静止杂波。针对高分辨率ＩｎＳＡＲ合成孔径时间较长的特点，将运动目标成像处理的概念引入运动目标检测过程， 刘运动目标信号实施距离徙动校正后，再聚焦成像，从而改善检测信噪比和信杂比，并进一步提高测速精度。ＩｎＳＡＲ 仿真数据的处理结果表明了该方法的有效性。 关键词合成孔径雷达，干涉合成孔径雷达，地面运动ＦＩ标检测，地面运动ＦＩ标成像，干涉处理 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９．５８９６（２００６）０６．０９６１。０４ 中图分类号：ＴＮ９５８ Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｌｏｎｇ Ｔｒａｃｋ Ａｉｒｂｏｒｎｅ ＩｎＳＡＲ ｗｉｔｈ Ｔｗ０ Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｌｉ Ｄａｏ－ｊｉｎｇ Ｔａｎｇ Ｌｉ—ｂｏ Ｗｕ Ｙｉ—ｒｏｎｇ Ｄｉｎｇ Ｃｈｉ—ｂｉａｏ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＭｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆＥｌｏｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｆＳｃｉｏｅｎｃｅｓ，ＢｅＯｉｎｇ １ ０００８０，Ｃｈｉｎａ） （Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｆＣｈｉｏｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＢｅＯ＇ｉｎｇ １ ０００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ ｌｎｄｉｃａｔｉｏｎ（ＧＭＴＩ）ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｌｏｎｇ ｔｒａｃｋ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｉｒｂｏｒｎｅ ＩｎＳＡＲ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ａｎｔｅｎｎａｓ．Ｔｈｅ ｔｗｏ ａｎｔｅｎｎａ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｇｒｏｕｎｄ ｃｌｕｔｔｅｒ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｏｒ ＧＭＴＩ ｏｆ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＩｎＳＡＲ ｗｉｔｈ ｌｏｎｇｅｒ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｆｏｃｕｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｒ ｆｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｓｉｇｎａｌｓ ａｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ—ｎｏｉｓｅ ｒａｔｅ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ—ｃｌｕｔｔｅｒ ｒａｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅｉｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ＩｎＳＡＲ ｄａｔａ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＳＡＲ，ＩｎＳＡＲ，Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ ｆＧＭＴＩ），Ｇｒｏｕｎｄ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｉｍａｇｉｎｇ，ｌｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ １ 引言 顺轨双天线机载干涉合成孔径雷达（１ｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ，ＩｎＳＡＲ）原理上可实现在较短的时 距离徙动带来的影响，或者在ＧＭＴＩ场合下，采取降低ＳＡＲ 分辨率的手段。而事实上，在高分辨率情况下，由于合成孔 径时间较长，即使地面运动目标速度较低，也会产生较大的 距离徙动，进而造成较大的信噪比和信杂比的损失并导致检 测概率的下降。 间间隔内，在同一窄间位置，对地面目标的两次观测，进而 完成地面运动目标检测（Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ， ＧＭＴＩ）￣［Ｉ目标运动速度测量。与单天线合成孔径雷达相比， 它在检测处于地面主杂波区内的低速运动目标方面具有明 显的优势 ’＋ ，故ＩｎＳＡＲ—ＧＭＴＩ一直是国内外合成孔径雷达 研究工作的一个重要方面。 目前往ＩｎＳＡＲ—ＧＭＴＩ研究上，一种技术途径为先利用顺 本文研究了高分辨率顺轨双天线ＩｎＳＡＲ中的地面运动 目标的检测和速度测量问题，在处理过程叶１引入了运动目标 成像的概念ｆ４】Ｉ从而提高了运动目标信号的检测能力。 ２ 基本理论 顺轨双天线ＩｎＳＡＲ的工作模式较多，通常两个天线具 有同时接收能力，也可具有交替发射信号能力。采用两天线 轨双通道信号的干涉处理抑制地面静止杂波，然后再实施对 运动目标的检测 １２１；另一种技术途径为直接刈＿两幅ＳＡＲ图 像进行干涉处理，利用运动同标干涉相位的变化在复平面完 成对其检测 。两种技术途径相比较，前者具有鲜明的空－ 时二维滤波特征，后者具有和ＳＡＲ图像应用紧密结合的特 交替发射模式时，会使等效基线变长，有利于提高测速精度， 但同时使等效的ＰＲＦ降低。本文研究假定一个天线始终发 射，两天线同时接收，这样做可降低高ＰＲＦ时两天线交替 发射对天线转换开关速度的要求。 由于地面低速运动目标通常处于地杂波区，其信号强度 点。但无论上述哪一种处理方法，都很少考虑地面运动目标 又较小，在ＩｎＳＡＲ—ＧＭＴＩ处理ｒｌ１首先进行地杂波的对消将有 ２００５．０４—２９收到，２００５．０８．３Ｏ改 Ｊ 维普资讯 http://www.cqvip.com
９６２ 电子与信息学报 第２８卷 利于对低速运动目标的检测。地杂波的对消可在ＳＡＲ的图 像域完成，也可在信号的距离．方位多普勒频率（ｒ， ）域内 完成，与前者相比，后者具有可同时处理高速运动日标的优 点。 与其它主要用于地面低速运动目标检测的机载雷达不 同，ＩｎＳＡＲ的主要任务是获取高分辨率干涉图像，高分辨率 成像要求长的合成孔径时间，这使得在ＧＭＴＩ中常用的缓解 地面运动目标距离徙动影响的予孔径相干处理ｌ０Ｉ方法并不 实心。 基于上述考虑，小文方法将首先进行运动目标的距离徙 动校正和成像处理，并在（ｒ， ）域完成地杂波的干涉对消。 进一步实现运动目标信号检测和速度测量，提出的一个顺轨 双天线ＩｎＳＡＲ０．ＧＭＴＩ信号处理方案如图ｌ所示。 ｌ信号处理流程框图 Ｆｉｇ．１ Ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｉａｇｒａｍ 假设ＩｎＳＡＲ天线基线长度为ｄ，下倾角为 ，载机速 度为 ，斜视角为 ，目标斜距离为ｒ，方位时『日Ｊ为ｔ ， 距离频率为ｆ，方位多普勒频率为 ，两通道的回波信号 分别为ＳＡ（ｒ，ｔ ）和 （ｒ。 ），信号处理基本步骤如下： （１）运动日标的距离徙动校正 运动目标的距离徙动包 括距离走动和距离弯曲两部分 对信号ＳＡ ｒ， ）和ＳＢ ｒ，，＾）在 （厂，ｔ ）域分别进行ＫＥＹＳＴＯＮＥ变换【４Ｊ，即令 ｒ【 厂—惫 、 （ ） 其中 为信号的载频，ｒ为新的方位时间。 ＫＥＹＳＴＯＮＥ变换可消除运动目标信号的距离．多普勒 线性耦合作用，从而实现运动目标距离走动校正。进一步， 构造相位函数 （１厂，ｒ）＝ｅｘｐＩ一＿，靠 ／（１＋厂／ ）Ｉ （２） 其中 为地面静１１：目标信号的调频率。 由于通常ＳＡＲ载机的飞行速度远大于地而运动目标的 力‘位 速度，距离弯曲（主要是－－－．１￣项）主要是由载机的运动 造成的。用 （＿厂，ｒ）在（厂，ｒ）域对ＫＥＹＳＴＯＮＥ变换后的信号 进行相位补偿，可获得经过距离弯曲校正的运动目标信号 （ｒ，ｔ ）平Ｉ】 （ｒ，ｔ ）。实际应用时，距离弯曲校正可在距离阳 分块进行，． 可以根据聚焦深度为参考进行调整。 （２１图像配准相位补偿【 Ｉ当ＩｎＳＡＲ工作在正侧视时， 阿通道静止杂波图像在方位多普勒频率向的位置误差配准， 可通过在方位时间域的棚位补偿实现，图像配准相位补偿表 达式为 （ （ｒ，ｆ）＝ＳＡ（ｒ，ｒ）ｅｘｐ［一ｊ２７ｒＶｄｒ／（Ａｒ）］ （３） （３）在（ｒ，／＝，）域内的杂波干涉对消 基于干涉处理的杂 波对消表达式为… （ｒ。． ，）＝Ｓ （０ ）一Ｗ（ｒ， ） （ ， ） （４） Ｗ（ｒ， ）＝ｅｘｐ［ｊ；ｃｄｆａＩ（Ｖｃｏｓ０，）】 （５） 当Ｗ（ｒ， ）＝一ｌ时，有 （ｒ，／＝，）＝Ｓ口（ｒ， ）＋Ｓ（，（ ， ，） （６） 此时的求和处理可．Ｌ｝Ｊ于对ｉ杂波区外高速运动Ｅ１标的 榆测。 （４）运动目标信号榆测 本文利用干涉处理完成地而静 止杂波对消，提高了运动Ｈ标的信杂比，运动目标的距离徙 动校正的实施，改善了运动目标的信噪比，从而为其在 （ｒ， ）域的恒虚警（ＣＦＡＲ）检测创造条件。 当地面运动Ｆ１标存存方位向速度，会产生散焦现象，并 导致信噪比降低。利用ＤＥＣＨＩＲＰ处理实现信号的 Ｒａｄｏｎ—Ｗｉｇｎｅｒ变换【６］，可完成信号的聚焦处理，此时信号的 ＣＦＡＲ检测范围拓展到距离一方位多普勒频率一多普勒调频率 域。 （５）选通条件下的干涉相差测迷利Ｊ｝ｊ ＣＦＡＲ检测结果 可在（ｒ， ）域形成选通门，供在选通条件下实施两通道信号 干涉相差测速，以减少干涉处理量和其它单元的相位干扰。 与此同时，运动ＦＩ标方位多普勒频率的估计，也给解决高速 运动日标干涉相位模糊问题带来方便 特别要指出的是，图ｌ方案中干涉十目差在ｒ， ）域获得， 在两通道信号进行干涉相差测量前，需首先完成卒域卡日位补 偿，即有 Ａ（ｐ（ｒ， ）＝Ｐｈａｓｅ［Ｓ￣（ｒ，／＝，） （ｒ， ） （，， ）］ （７） 其中Ｐｈａｓｅ为复信号的市Ｈ位计算函数，地而运动目标在地距 方 的速度为【 Ｊ ＝［Ａ（ｐ（ｒ，ｌ， ） ］／【２万 ｃｏｓ（ ）】 （８） 由文献［１］可知，当信号与杂波和噪声功率之比大于 １ ３ｄＢ时。在虚警率１０ 的条件下，对运动目标的发现概率 约为０．６。而信噪比越高，对下涉干爿差的估值精度越高，用 其萱犬得的测速精度也越高。信噪比１３ｄＢ时，干涉 差的估 值精度约为０．１６ｒａｄ。 完成运动目标检测和速度测量后，根据其参数的估讣 值，可在ＳＡＲ图像上对其进行标识。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第６期 李道京等：顺轨双天线机载ＩｎＳＡＲ的地面运动目标检测研究 ９６３ ３ 仿真结果 对小文给出的信号处理流程进行仿真，其参数设置如表 单元中，并使检测信噪比降低。图４给出了仿真信号未进 行距离徙动校正的处理结果，由于运动目标２的距离向速度 １所示。 表１仿真参数表 ＩｎＳＡＲ参数 地面静Ｉ｝＝目标（杂波）参数 信号 载频， ｌＯＧＨｚ 目标个数 ２４ 基线长度ｄ ０．６ｍ 方位间距 ２５０ｍ 载机速度Ｖ ７５ｍ／ｓ 距离间距 ３０ｍ 载机高度距离场景 Ｈ ５０００ｍ ｌ２０ｍ 尺寸 天线 方位场景 斜视角 Ｏ。（正侧视） 尺寸 ｌ０００ｍ 天线 场景中心 ３０。 ｌ０ ｋｍ 下倾角／ｕ， 斜距 ２７ｄＢ 重复频率 ｌ０００Ｈｚ 杂噪比 （脉冲压缩后） 距离分辨率 ｌｍ 地面运动目标参数 距离学 元 运动目标 Ｏ．５ｍ ２ 间隔 个数 合成孔径 运动目标 ４ｓ 场景中心 时问 位置 ０．７ｍ －０．５ｍ／ｓ 方位分辨率 目标１速度 （斜距１０ｋｍ） （地距方向） 目标１ ０ ｄＢ 信噪比 （脉冲压缩后） ７ｍ／ｓ 目标２速度 （地距方向） 目标２ －６ ｄＢ 信噪比 （脉冲压缩后） 根据图１给出的信号处理流程，图２给出了对仿真信号 的处理结果，图３给出了对两个运动目标信号在（ｒ，． ）域的 恒虚警检测结果。 运动Ｈ标在地距方向存在运动速度，会导致其图像在方 位多普勒频率上的偏移。在图２中，位于场景中心的运动目 标２，由于其运动速度较高，其成像位置的偏移量远大于运 动目标１。 鲁 鲁 一 暑０ 暑 Ｉ Ｊ… 占０ — Ｉ 口 ●＿ ■－一 ’ｆ 图２对仿真信号的处理结果 图３对运动目标的检测结果 Ｆｉｇ．２ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ Ｆｉｇ．３ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔｓ 运动目标的距离徙动会使信号能量分布在不同的距离 较高，距离走动较大，其在（ｒ， ）域的信噪比很低，不可能 被检测出来。另外，运动目标１的信噪比略有降低，说明距 离弯曲对信噪比的影响较小 由此可见运动目标距离徙动校 正对运动目标检测的重要性，也再次表明了ＩｎＳＡＲ—ＧＭＴＩ 问题的复杂性 图５给出了仿真信号未进行杂波干涉对消的处理结果。 由于位于场景中心的两个运动目标的信噪比与静止杂波的 杂噪比相差近３０ｄＢ，运动目标信号不能被观测到。尽管本 文方法在（ｒ， ．）域获得的成像结果存在较大的几何失真，但 这并不影响对运动目标信号的检测和在ＳＡＲ图像上的标 识。对比图２的处理结果，可看出干涉处理对静止杂波的抑 制能力是很强的。 鲁 一 ｇ 《 图４仿真信号未进行距离 图５仿真信号米进行杂波 徙动校 的处理结果 干涉对消的处理结粜 Ｆｉｇ．４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ Ｆｉｇ．５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｗｉ￣ｏｕｔ ｒａｎｇｅ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｌｕｔｔｅｒ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ 利用ＣＦＡＲ检测结果在（ｒ，． ）域形成选通门，获得的两 通道运动目标信号干涉相差分别约为０，６ ｒａｄ（运动目标１）和 ２．４ ｒａｄ（运动目标２），如图６所示。 理论上，运动目标１产生的干涉相差应为０．７３ ｒａｄ：运 动目标２产生的干涉相差应为一１０．２２ ｒａｄ（以２万为模处理后 应为２．３４ ｒａｄ ｏ实际的干涉相差处理结果和理论值较为接 近，说明了本文方法对运动目标测速的有效性。 ２ ５ 一 堇ｌ ５ －誊 ０．５ Ｉ 图６选通条件下两通道运动目标信号干涉相差 Ｆｉｇ．６ Ｔｗｏ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔｓ ｗｉｔｈ ｓｔｒｏｂｅ ｗｉｎｄｏｗ ４ 结束语 本章研究了高分辨率顺轨双天线机载ＩｎＳＡＲ的运动目 标检测问题。将对杂波的干涉对消处理和对运动目标的成像 处理两个概念相结合，对运动目标信号实施距离徙动校正， 聚焦成像处理后再进行ＣＦＡＲ检测，以提高信号与杂波和噪 声比。仿真结果表明了小文方法对低速和高速地面运动目标 维普资讯 http://www.cqvip.com
电子与信息学报 第２８卷 均具有较好的检测性能ｎ与此同时，在（ｒ， ）域基于选通处 理的干涉相差测量，也具有较高的测速精度。 参考文献 Ｙａｄｉｎ Ｅｌｉ．Ａ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａ ｔｗｏ ｐｏｒｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ＳＡＲ—ＭＴＩ，１９９６ ＩＥＥＥ Ｎｍｉｏｎａｌ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｍｉｃｈｉｇａｎ，１ ９９６：２６ １—２６６． 朱岱寅，朱兆达．机载干涉ＳＡＲ／ＩＳＡＲ对地面慢速目标成像研 究．电子与信息学报，２００３，２５（５）：５８５—５９０． 高飞，毛士艺，玉振明，裒运能．一种星载自动检测地面慢速 运动目标方法的性能分析．电子与信息学报，２００４，２６（增刊１： ３０３－３０９． Ｐｅｒｒｙ Ｒ只Ｄｉｐｉｅｔｒｏ Ｒ Ｃ，Ｆａｎｔｅ Ｒ Ｌ．ＳＡＲ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１ ９９９， ３５（１）：１８８－１９９． ［５】 郑明洁．合成孔径雷达动目标检测和成像研究．［博士论文］， 中国科学院电子学研究所，２００３年３月． 【６】 李道京，张麟兮，俞卞章．近程ＳＡＲ图像Ｌ｝Ｉ的地面运动目标 检测．西北工业大学学报，２００３，２ｌ（６）：７４４—７４８． 李道京： 男，１９６４年生，博士后，研究方向为雷达系统和雷达信 号处理． 汤立波： 男，１９７５年生，博士生，研究方向为合成孔径古达运动 目标检测与成像． 吴一戏： 男，ｌ９６３年生，研究 ，｝ 士生导师．主要研究方向为 信号与信息处理． 丁赤飚： 男，ｌ９６９年生，研宄员，博上生导师，主要研究方向为 信号与信息处理．