多普勒频谱模糊情况下的星载方位向多通道高分宽幅SAR-GMTI杂波抑制方法

张双喜 乔宁 邢孟道 吴亿峰 吴玉峰

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多普勒频谱模糊情况下的星载方位向多通道高分宽幅SAR-GMTI杂波抑制方法

    作者简介: 张双喜(1984–),男,福建东山县人,现为西北工业大学电子信息学院副教授,硕士生导师。2014年获西安电子科技大学博士学位,2014年至2016年在新加坡国立大学从事博士后研究工作。博士论文获得中国电子教育学会首届优秀博士论文和陕西省优秀博士学位论文。主要研究:星载高分辨宽测绘带雷达成像、雷达预警。获2020年“陕西省青年科技新星”。任《雷达学报》青年编委,APSAR-2019分会场主席,APMC-2019分会场主席,ACES-china 2017分会场主席及召集人。E-mail: shuangxizhang1984@163.com;乔 宁(1997–),女,河南洛阳人,西北工业大学本科生。研究方向为:空时2维信号处理,雷达预警。E-mail: qning@mail.nwpu.edu.cn;邢孟道(1975–),男,浙江嵊州人,博士生导师、教授,现任西安电子科技大学前沿交叉研究院副院长。2002年获西安电子科技大学工学博士学位并留校工作,2004年破格评为教授。2018年成为中国电子学会会士。曾获国家杰出青年科学基金、国防科技卓越青年人才基金、中青年科技创新领军人才。曾获陕西省科学技术奖一等奖、陕西省创新团队。主要研究雷达成像,侧重于精细成像、灵活成像和大斜视成像等。先后主持国家973、863计划以及预研等多个项目。近五年在TGRS和JSTAR等国际遥感期刊发表论文113篇,SCI他引1617次,H因子42。培养和协助培养“百优”和“省优”博士论文6篇。任IEEE TGRS副主编、IEEE Fellow等。近五年连续入选Elsevier电子和电气工程领域“中国高被引学者榜单”。E-mail: xmd@xidian.edu.cn;吴亿锋(1988–),男,中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所高级工程师,主要从事自适应信号处理、人工智能等相关研究。E-mail: yifengw@126.com;吴玉峰(1985–),男,浙江衢州人,博士,高级工程师。现为中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所系统设计师,主要研究方向为SAR系统设计、SAR成像算法。E-mail: wyf1176@163.com.
    通讯作者: 张双喜 zhangsx@nwpu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然基金(61801387);中国博士后科学基金(2019M653741);航空科学基金(ASFC-20172053018)

  • 中图分类号: TN95

A Novel Clutter Suppression Approach for the Space-borne Multiple Channel in the Azimuth High-resolution and Wide-swath SAR-GMTI System with an Ambiguous Doppler Spectrum

    Corresponding author: ZHANG Shuangxi, zhangsx@nwpu.edu.cn
  • Fund Project: The National Natural Science Foundation of China (61801387), The Postdoctoral Science Foundation of China (2019M653741), The Aeronautical Science Foundation of China (ASFC-20172053018)

    CLC number: TN95

  • 摘要: 该文提出了一种在多普勒频谱模糊情况下的星载方位向多通道高分宽幅合成孔径雷达地面运动目标检测(SAR-GMTI)系统的杂波抑制方法。首先,利用方位解线性调频对方位向多通道(HRWS) SAR-GMTI系统中的回波进行处理,得到杂波和动目标的粗聚焦图像。然后,将多通道SAR系统的粗聚焦图像表示为矩阵形式,并估计出相应的协方差矩阵。之后,用杂波协方差矩阵构造杂波空间的正交矢量,即最小特征值对应的特征向量。该方法需要一个冗余的通道自由度。由于杂波空间的正交矢量与杂波空间向量是正交的,因此可以用来抑制杂波。最后,通过仿真和实测数据实验结果验证该文所提杂波抑制方法的有效性。
  • 图 1  方位向多通道HRWS SAR-GMTI系统的几何模型

    Figure 1.  The geometry for the multi-channel in azimuth HRWS SAR-GMTI system

    图 2  单平台多通道HRWS SAR系统的杂波抑制

    Figure 2.  Clutter suppression for the single-platform multi-channel HRWS SAR system

    图 3  基于单平台MC-HRWS SAR实测数据的杂波抑制

    Figure 3.  The clutter suppression processing for the real measured single-platform MC-HRWS SAR data

    表 1  单平台方位向多通道HRWS SAR系统的主要仿真参数

    Table 1.  Main system parameters for the simulation single-platform multi-channel in azimuth HRWS SAR system

    参数数值参数数值
    载波频率5.4 GHz通道数7
    SAR的有效速度7552 m/s平台高度600 km
    中心线距离800 km多普勒模糊数6
    脉冲重复频率(PRF)400 Hz发送信号的带宽200 MHz
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    表 2  实际机载验证系统(单平台方位向多通道HRWS SAR系统)主要参数

    Table 2.  Main system parameters for the airborne real single-platform multi-channel in azimuth HRWS SAR system

    参数数值参数数值
    载波频率5.0 GHz通道数6
    SAR的有效速度110 m/s平台高度5.5 km
    中心线距离15 km多普勒模糊数5
    PRF200 Hz发送信号的带宽150 MHz
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-13
  • 录用日期:  2020-02-24
  • 网络出版日期:  2020-03-07

多普勒频谱模糊情况下的星载方位向多通道高分宽幅SAR-GMTI杂波抑制方法

    通讯作者: 张双喜 zhangsx@nwpu.edu.cn
    作者简介: 张双喜(1984–),男,福建东山县人,现为西北工业大学电子信息学院副教授,硕士生导师。2014年获西安电子科技大学博士学位,2014年至2016年在新加坡国立大学从事博士后研究工作。博士论文获得中国电子教育学会首届优秀博士论文和陕西省优秀博士学位论文。主要研究:星载高分辨宽测绘带雷达成像、雷达预警。获2020年“陕西省青年科技新星”。任《雷达学报》青年编委,APSAR-2019分会场主席,APMC-2019分会场主席,ACES-china 2017分会场主席及召集人。E-mail: shuangxizhang1984@163.com;乔 宁(1997–),女,河南洛阳人,西北工业大学本科生。研究方向为:空时2维信号处理,雷达预警。E-mail: qning@mail.nwpu.edu.cn;邢孟道(1975–),男,浙江嵊州人,博士生导师、教授,现任西安电子科技大学前沿交叉研究院副院长。2002年获西安电子科技大学工学博士学位并留校工作,2004年破格评为教授。2018年成为中国电子学会会士。曾获国家杰出青年科学基金、国防科技卓越青年人才基金、中青年科技创新领军人才。曾获陕西省科学技术奖一等奖、陕西省创新团队。主要研究雷达成像,侧重于精细成像、灵活成像和大斜视成像等。先后主持国家973、863计划以及预研等多个项目。近五年在TGRS和JSTAR等国际遥感期刊发表论文113篇,SCI他引1617次,H因子42。培养和协助培养“百优”和“省优”博士论文6篇。任IEEE TGRS副主编、IEEE Fellow等。近五年连续入选Elsevier电子和电气工程领域“中国高被引学者榜单”。E-mail: xmd@xidian.edu.cn;吴亿锋(1988–),男,中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所高级工程师,主要从事自适应信号处理、人工智能等相关研究。E-mail: yifengw@126.com;吴玉峰(1985–),男,浙江衢州人,博士,高级工程师。现为中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所系统设计师,主要研究方向为SAR系统设计、SAR成像算法。E-mail: wyf1176@163.com
  • 1. 西北工业大学电子信息学院 西安 710129
  • 2. 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 西安 710072
  • 3. 雷华电子技术研究所 无锡 214063
基金项目:  国家自然基金(61801387);中国博士后科学基金(2019M653741);航空科学基金(ASFC-20172053018)

摘要: 该文提出了一种在多普勒频谱模糊情况下的星载方位向多通道高分宽幅合成孔径雷达地面运动目标检测(SAR-GMTI)系统的杂波抑制方法。首先,利用方位解线性调频对方位向多通道(HRWS) SAR-GMTI系统中的回波进行处理,得到杂波和动目标的粗聚焦图像。然后,将多通道SAR系统的粗聚焦图像表示为矩阵形式,并估计出相应的协方差矩阵。之后,用杂波协方差矩阵构造杂波空间的正交矢量,即最小特征值对应的特征向量。该方法需要一个冗余的通道自由度。由于杂波空间的正交矢量与杂波空间向量是正交的,因此可以用来抑制杂波。最后,通过仿真和实测数据实验结果验证该文所提杂波抑制方法的有效性。

English Abstract

    • 随着星载多通道合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像技术的发展,具有高分宽幅成像和地面动目标检测(Ground Moving Target Indication, GMTI)功能的星载雷达系统越来越受到重视[1-6]。目前,方位向多通道技术可用于准确重建非模糊多普勒频谱,有效解决距离宽幅与方位向高分辨率之间的冲突,获得星载高分辨宽测绘带(High-Resolution and Wide-Swath, HRWS) SAR图像[3-6]。在GMTI处理中,可以利用方位向多通道SAR系统中的冗余通道自由度来抑制杂波[7,8]。因此,星载多通道方位向HRWS SAR系统具有GMTI能力。

      对于单平台星载多通道SAR系统,GMTI处理的关键问题是杂波抑制。典型的杂波抑制方法是位移相位中心天线(Displaced Phase Center Antenna, DPCA)算法[9,10]。采用DPCA技术抑制主瓣杂波时,在多级延迟行抵消器的第I级引入校正信号。然后,两个经过仔细校正的SAR数据或图像进行相干减除得到杂波抑制结果,用于检测动目标。在DPCA条件难以达到的情况下,提出了空时自适应处理方法(Space-Time Adaptive Processing, STAP)。空时滤波响应是根据输出信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)最大化进行自适应调整的,提高了雷达探测性能[11]

      针对方位向多通道HRWS SAR-GMTI系统中的实际杂波,本文提出了一种有效的杂波抑制方法。对于经典多信号分类(MUltiple SIgnal Classification, MUSIC)[12-14]算法,用于信号处理的观测空间可分为信号子空间和噪声子空间,其中噪声子空间与信号子空间正交。受MUSIC方法的启发,星载方位向多通道SAR-GMTI系统中的杂波协方差矩阵可以用于构造杂波空间的正交矢量。然后,利用正交矢量在杂波方向形成的凹口来进行杂波抑制。这种方法至少需要一个冗余通道自由度,对于多通道系统,则要求通道数大于多普勒谱模糊数。

    • 本章将讨论方位向多通道HRWS SAR-GMTI系统的信号模型,其中包含杂波、动目标、系统的几何特性和调频傅里叶变换。

    • 图1表示有$N$个通道的含动目标的SAR系统,接收通道的雷达以速度$V$沿X轴运动。对于单平台方位向多通道雷达系统,中间的通道用于发射信号,$N$个通道都可以接收回波。发射天线的坐标为$\left( {{x_0} + {d_{{n}}} + V{t_{\rm{m}}},0,H} \right)$,目标杂波的坐标为$\left( {{x_{{i}}},{y_{{i}}},0} \right)$,两者之间的斜距可以表示为

      图  1  方位向多通道HRWS SAR-GMTI系统