1、基于多模式复合的弹载 SAR/MTI 研究 张阳 杨健 王新民 西北工业大学自动化学院 中国运载火箭技术研究院 摘 要： 针对传统弹载 SAR 系统无法实现运动目标检测及信息提取的问题, 基于高超声速滑翔式飞行器平台, 提出一种适应 SAR/MTI 处理的多模雷达末制导工作流程。首段为广域扫描 SAR 模式, 可实现运动目标的多次重复访问, 实现大探测范围内目标的快速检测定位;中段为大前斜视 SAR/MTI 模式, 对感兴趣区域成像的同时完成运动目标的再次检测和高精度成像识别;末段为单脉冲跟踪, 引导平台实现对目标精确打击。根据各模式的工作特点, 分析了各模式下运动目标的回波模型, 提出了一种
2、多模式复合的运动目标检测算法, 通过仿真验证了算法的有效性。关键词： 弹载合成孔径雷达; 广域扫描; 大前斜视成像; 动目标检测; 作者简介：张阳 (1982-) , 男 (汉族) , 陕西人, 博士研究生, 主要研究方向为导航、制导与控制;作者简介：杨健 (1986-) , 男 (汉族) , 辽宁人, 博士, 主要研究方向为雷达目标特性及成像处理;作者简介：王新民 (1951-) , 男 (汉族) , 江苏人, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为飞行控制与仿真技术、先进控制理论及应用。收稿日期：2017-06-15Novel Workflow and MTI Algorithm of a
3、Missile-borne SAR/MTI SystemZHANG Yang YANG Jian WANG Xin-min School of Automation, Northwestern Polytechnical University; China Academy of Launch Vehicle Technology; Abstract： Aiming at the shortcoming that a traditional missile-borne SAR system cannot detect moving targets, this paper presents a n
4、ovel terminal guidance workflow of a missile-borne SAR system based on a hypersonic-glide vehicle. In the proposed workflow, the SAR/MTI system firstly works in the wide-area surveillance mode, which allows one to detect the target rapidly in a wide area. Then, the SAR/MTI system works in high squin
5、t mode, which has the ability to obtain both the high-resolution image and the motion parameters of the target at the same time. Finally, the SAR/MTI system works in mono-pulse tracking mode, which guides the vehicle to the target. The signal modes of a moving target in each work-mode are establishe
6、d, and the Doppler characteristics are analyzed, and then a MTI algorithm for this workflow is proposed, the effectiveness of which is verified by simulations.Keyword： Missile-borne SAR; Wide-area surveillance; High squint imaging; MTI; Received： 2017-06-151 引言合成孔径雷达 (Synthetic Aperture Radar, SAR)
7、系统除具备微波系统全天候、全天时的优点外, 还具备高精度对地/海成像能力1, 是继电视、红外和激光成像制导技术之后又一重要的成像制导技术2。弹载 SAR 系统的理论研究和应用较晚, 受到平台机动能力、弹载 SAR 技术成熟度等的限制, 弹载 SAR 系统仅利用其高分辨成像功能, 对运动目标检测 (Moving Target Indication, MTI) 方面的应用研究尚少。滑翔式飞行器具有强机动能力和突防能力3, 发射后覆盖目标区域广, 为运动目标打击提供了良好的平台。将滑翔式飞行器与 SAR 导引头相结合, 将有效提升运动目标打击效果。弹载 SAR 技术研究始于 1990 年 Polge
8、4对导弹的非线性航迹导致的导引头 SAR成像中的距离走动和几何畸变问题的研究。此后, 国内外学者均开展了弹载SAR 的研究, 文献5提出了弹载 SAR 导引头三维 SAR 成像技术;文献6提出了弹载 SAR 的工作模式、成像方法和系统控制方式;文献7对弹载侧视 SAR 图像几何失真校正误差进行了分析;文献8对弹载 SAR 下降段成像算法进行了研究;文献9提出了一种基于运动补偿的前斜视成像算法;文献9提出了基于两维频谱匹配滤波的斜视 SAR 成像算法。现有文献多集中于某个场景下的 SAR 成像算法, 对于运动目标检测和运动估计较少提及。传统的弹载雷达末制导系统工作流程为:单脉冲扫描大前斜视 SA
9、R 成像单脉冲跟踪。这一流程中, 单脉冲扫描模式的主要功能是对目标区域进行大范围扫描, 并通过一维距离向等方式对目标进行粗略识别。然而, 单脉冲扫描模式识别能力差, 存在无法在集群目标中正确指出打击目标的风险。大前斜视 SAR 成像模式的主要功能是对目标区域进行高分辨成像。对于场景中的运动目标, 目前的处理方式是将其当作静止目标进行成像处理, 忽略了运动目标运动特性的影响, 同时无法提取目标的运动信息。本文对传统雷达末制导工作流程进行改进, 提出了一种新的基于滑翔式飞行器的弹载雷达末制导工作流程:广域扫描 SAR大前斜视 SAR/MTI单脉冲跟踪。在此基础上, 对广域扫描 SAR、大前斜视 S
10、AR/MTI 模式下的信号模型和回波特性进行分析, 提出了一种适合上述流程的多模式运动目标检测处理算法。最后, 通过仿真验证了算法的有效性。2 雷达末制导工作模式改进传统雷达末制导系统对运动目标的打击任务以“单脉冲扫描大前斜视SAR 成像单脉冲跟踪”为主要工作流程。这一工作流程中, 系统首先工作在单脉冲扫描阶段, 在对海打击任务中, 回波信号主要由舰船目标回波和海杂波构成, 不存在其它目标的回波干扰, 基于舰船目标的 RCS 高于海杂波的前提可快速获取目标的方位。该模式下目标识别主要依靠一维距离向信息, 然而一维距离向提供的信息有限, 系统难以在多舰船编队或高海清等复杂条件下准确识别目标。单脉
11、冲扫描模式获取目标方向后, 系统工作于大前斜视 SAR 成像模式, 对目标所在区域精确成像。该模式可获取成像区域内静止目标的高分辨率二维图像, 然而并未考虑目标运动特性对成像、定位精度的影响, 对运动目标的成像效果较差, 且无法实现目标运动参数的提取。针对运动目标的打击任务, 对雷达末制导工作流程进行改进, 将单脉冲扫描模式替换为广域扫描 SAR 模式, 将大前斜视成像替换为大前斜视 SAR/MTI 模式。新模式下工作流程如图 1 所示。图 1 新型雷达末制导工作流程示意图 下载原图1) BC 段, 广域扫描 SAR 工作段在弹目距离满足成像条件后, 主动雷达导引头工作在广域扫描 SAR 模式
12、。根据控制系统指令, 导引头在目标装订区域内进行扫描 SAR 成像, 输出目标区域图像、斜距、多普勒、视线角等信息, 并利用多帧图像信息进行运动目标检测和初步识别, 确定目标疑似区域, 为后续工作段提供初始成像方位。2) CD 段, 大前斜视 SAR/MTI 工作段确定目标疑似区域后, 主动雷达导引头工作在大前斜视 SAR/MTI 模式。根据控制系统指令, 导引头在 BC 段确定的目标疑似区域进行 SAR 成像, 输出目标区域图像、斜距、多普勒、视线角等信息, 同时对场景内的运动目标进行 MTI 处理, 提取目标的运动信息, 对目标进行精确成像。系统利用目标高分辨率图像和运动信息进行进一步识别
13、, 剔除角反、诱饵等虚假干扰, 确定待打击目标及其方位, 为后续工作段提供精确交班条件。3) DE 段, 单脉冲跟踪段 (前视成像段) 根据控制系统指令, 主动雷达转入单脉冲跟踪工作模式, 锁定并跟踪待打击目标, 输出目标的斜距、视线角、视线角速度等信息;控制系统引导飞行器飞向目标。随着入射余角不断增大, 单脉冲跟踪精度受地杂波的影响随之变大, 主动雷达可转入前视成像模式, 制导控制系统利用前视图像以及斜距、多普勒、角度等信息估计目标位置、速度信息, 融合被动雷达信息、惯导信息输出导引信息, 控制飞行器进行寻的跟踪。表 1 将本文提出的工作流程与传统工作流程优缺点进行总结对比。可以看出, 本文
14、工作流程在扫描段提升了目标的成像识别能力, 同时具备运动目标检测、成像和信息提取能力;在成像段增加了运动目标检测、成像和信息提取能力, 对目标识别效能有更大提升。因此, 更适应滑翔式飞行器对运动目标的作战任务。表 1 弹载 SAR/MTI 工作模式对比 下载原表 3 回波建模与分析3.1 广域扫描 SAR 模式回波模型分析广域扫描 SAR 模式下, 天线发射大时间带宽积线性调频信号, 同时以一定机械转速 (或相控阵扫描) 沿方位向对地面区域往复扫描, 因此可以多次获取大面积成像区域内的静止地物和运动目标回波信息。广域扫描 SAR 模式下运动目标的几何关系如图 2 所示。广域扫描 SAR 模式下
15、, 运动目标的方位速度是造成回波方位二次相位误差的主要原因, 由于扫描体制造成的方位相干积累时间较短, 目标回波的方位向二次相位误差的影响可以忽略。因此, 本节分析中忽略目标方位速度的影响, 仅考虑目标存在径向速度的情况。图 2 扫描成像模式运动目标几何关系图 下载原图运动目标 P 的径向速度为 Vr, 经过方位时间 ta后, 飞行器从 O 点飞至 O1点, 运动目标移动至 P1点, 则此时运动目标的瞬时斜距 R (ta) 可以表示为对式 (1) 进行 Taylor 展开, 并忽略 ta的二次及以上项, 可以得到由式 (2) 可以得出, 由于二次相位误差可忽略, 方位相位误差主要由一次相位组成
16、。即:运动目标在广域扫描 SAR 模式下的方位相位主要为多普勒中心相位, 由于二次相位可忽略, 运动目标在广域扫描 SAR 图像中相比静止目标而言并没有明显的散焦。运动目标的多普勒中心频率为由于径向速度的 Vr存在, 运动目标的多普勒中心相对静止目标存在一个多普勒中心偏移。这一偏移直接体现在广域扫描 SAR 图像中, 表现为运动目标的像相对于静止目标的图像在方位向存在偏移, 且偏移量直接由 Vr决定。3.2 大前斜视 SAR/MTI 模式运动目标回波模型分析弹载雷达成像末制导系统一般采用大前斜视的工作模式。大前斜视 SAR/MTI 模式同样工作在大前斜视成像几何下, 视线方向与导弹飞行方向的夹
17、角最低为10。大前斜视 SAR/MTI 模式下弹载 SAR 运动目标几何关系建模为如图 3 所示。如图 3 所示, 运动目标的径向速度为 Vx, 方位向速度为 Vy。飞行器工作在大前斜视模式下, 波束中心指向与正侧视方向的夹角为 , 运动目标中心斜距为Rref。飞行器从 O 点飞行至 O1点时, 运动目标从 P 点运动到 P1点。可以推出此时运动目标的瞬时斜距 R (ta) 可以表示为对式 (4) 进行 Taylor 展开后, 可以得到运动目标保留到 ta的二次项, 可以得到图 3 运动舰船目标探测几何关系图 下载原图式 (5) 为运动目标的瞬时斜距展开式, 在大前斜视模式下, 运动目标的瞬时
18、斜距与静止目标存在不同。由于 SAR 系统中目标的多普勒信息隐藏在瞬时斜距公式中, 因此可以判断出运动目标的多普勒信息与静止目标存在差异。运动目标的多普勒参数由如下表示其中, f dc表示多普勒中心, f dr表示多普勒调频率。同理, 静止目标的多普勒中心和调频率分别为1) 多普勒中心频率影响分析比较式 (6) 和式 (8) 可知, 杂波的多普勒中心频率主要收到斜视角度的影响, 而大前斜视模式下运动目标的多普勒中心受到径向速度、方位向速度的影响, 相比杂波的回波多普勒中心存在偏移。在正侧视成像几何中, 运动目标的多普勒中心仅受到径向速度的影响, 而在大前斜视模式下, 方位向速度也会影响运动目标
19、的多普勒中心。然而, 由于飞行器的飞行速度远大于运动目标的方位向速度, 因此大前斜视模式下运动目标多普勒中心的变化规律与正侧视下基本相同。从回波信号的角度分析, 运动目标的多普勒中心主要导致了其回波能量的整体平移;从成像的角度分析, 多普勒中心主要导致运动目标的像在方位向出现错位。2) 多普勒调频率影响分析调频率直接影响到方位向的聚焦程度, 在静止目标成像时, 静止成像几何的调频率聚焦, 因此运动目标在静止地物的成像中必然出现散焦, 这散焦是由多普勒调频率不匹配所造成的二次相位误差带来的。二次相位误差会导致目标的主瓣展宽, 主瓣峰值下降, 旁瓣电平升高。比较式 (7) 和式 (9) , 运动目
20、标的多普勒调频率受到方位向速度和径向速度的影响。同样, 类比正侧视模式, 径向速度被引入到运动目标的多普勒调频率公式中。即:由于斜视角的存在, 使得目标的径向和方位向出现了更深层次的耦合, 且耦合随着斜视角的增大而增大。由于弹载平台的运动速度很快, 而运动目标的速度较慢, 因此二者的调频率变化很小, 散焦现象不明显。不过, 随着雷达末制导系统成像效果的不断升高, 将导致散焦现象对识别的影响越来越明显。4 基于多模式复合的 MTI 算法原理4.1 广域扫描 SAR 模式 MTI 算法在广域扫描 SAR 模式下, 通常采用多普勒波束锐化 (Doppler Beam Sharpening, DBS)
21、 技术进行成像。在 DBS 技术中, 成像结果是方位频域内的伪图像, 因此对于每一帧广域扫描 SAR 图像而言, 在伪图像域使用频域滤波法即可完成地杂波频谱的抑制。每帧图像中运动目标检测的具体步骤为:1) 对该帧数据进行 DBS 成像, 获取方位频域的 DBS 伪图像;2) 在方位频域对地杂波的多普勒中心进行估计, 并估计出该帧数据的天线波束指向;3) 以估计出的多普勒中心为中心, 通过频域滤波法及 CFAR 处理对运动目标实现检测。在扫描成像模式中, 相邻若干帧数据可能均会包含同一组运动目标的回波。因此, 在每帧图像 MTI 的基础上, 可以将各帧图像的检测结果进行关联, 具体原理与处理步骤
22、为:1) 对每帧 DBS 图像进行 MTI 处理, 确定各帧图像中运动目标的位置;2) 基于该帧数据扫描角和时间等参数, 得到两次相邻重访对应的两帧 DBS 图像, 这两帧图像中地杂波的位置基本相同;3) 由于两帧图像的获得经过一定的时延, 且此时载机也在匀速飞行, 因此两帧图像的地杂波位置不可能完全相同。在进行目标参数估计前, 需要对两帧图像进行配准。配准主要有两种方法:一种是通过两帧图像取互相关自动配准的方式, 这种方式通过求取两帧图像互相关最大值的方式对两帧图像进行配准。在后处理中, 还可以采取寻找特征点的简化方法, 即在图像中找到能量较强的静止地物作为参考点, 通过两帧图像中参考点的坐
23、标差来对两帧图像的位置进行调整;4) 求出相同运动目标在两帧图像中距离向位置的变化量 N r, 假设距离向采样间隔为 r, 两帧图像获取时间间隔为 t, 则径向速度可以估计为5) 根据估计出的 , 可以参照式 (11) 计算出径向速度造成的多普勒中心偏移 f dc, 并计算出方位向位置偏移点数 N a, 设每帧数据相干积累点数为 M, 则 N a表示为6) 将运动目标标注至其真实位置, 如存在多个运动目标, 对每个目标重复此操作。4.2 大前斜视 SAR/MTI 模式 MTI 算法在大前斜视 SAR/MTI 模式下, 根据运动目标的运动速度不同, 可根据运动目标回波与杂波在方位频域的相对位置关
24、系对运动目标进行分类。分类结果如图 4所示。图 4 运动目标分类图 下载原图根据上述分类, 对于回波能量被地杂波湮没的慢速目标, 拟采用子孔径对消技术实现地杂波抑制和目标检测;对于快速目标, 虽然在弹载平台下其回波无法完全移动至高频区域, 但其径向速度带来的距离走动斜率变化量可以与静止地物实现分辨, 拟通过 Hough 变换等方式对快速目标进行检测。运动目标检测及回波分量提取后, 可对其多普勒参数进行估计。为避免多个信号耦合及多阶相位误差无法准确估计等问题, 本文采用 Hough 变换估计多普勒中心、多阶 PFT 估计高频相位的方式, 实现目标参数的准确估计。根据估计的参数, 可完成目标方位定
25、位偏移量的计算与重定位。4.3 基于多模式复合的 MTI 算法根据上述多个工作模式下的运动目标检测算法, 可以得到本文提出的适合运动目标打击任务的弹载 SAR/MTI 系统运动目标信息处理算法, 算法流程如图 5 所示。图 5 基于多模式复合的 MTI 算法流程图 下载原图5 仿真结果与分析为了验证本文提出算法的有效性, 分别针对两种工作模式设计了两个仿真。针对广域扫描 SAR 模式, 仿真了 4 个点目标, 其中, 两个静止目标 ST1 和 ST2模拟地杂波, 2 个运动目标 MT1 和 MT2 分别以不同的速度在场景中运动, 四个目标的初始方位位置相同, 均设置在扫描波束中心指向处。具体的
26、仿真参数见表 2。表 2 广域扫描 SAR 模式仿真参数 下载原表 仿真结果如图 6 所示。图 6 (a) 为四个目标第一帧成像图, 可以看出, ST1 和ST2 在广域扫描 SAR 图像中位于原始位置, 而 MT1 和 MT2 的位置出现了偏移, 偏移量与速度大小成正比, 偏移方向由速度方向决定。图 6 (b) 为单帧 MTI 结果, 可以看出利用本文方法, MT1 和 MT2 被成功检测, 杂波能量得到了抑制。结合图 6 (a) 和 (b) , 可以证明, 由于广域扫描 SAR模式的单帧图像为方位频域伪图像, 因此两个静止目标位于零频附近, 而运动目标的位置均偏离了零频。利用此特性, 即可
27、完成单帧广域扫描 SAR 图像的运动目标检测。图 6 广域扫描 SAR 模式仿真结果 下载原图图 6 (c) 和 (d) 分别为初始帧后第 1s 和第 2s 的重访图像。结合图 6 (a) 、 (c) 和 (d) 可以看出, 静止目标在三幅图像中位置相同, 而运动目标成像位置出现变化, 通过对多帧图像中同一目标成像坐标变化, 即可对运动目标的速度进行估计, 估计结果的精度受重访时间长度、成像分辨率等影响。针对大前斜视 SAR/MTI 模式, 仿真了四个目标, 其中, 三个为运动参数不同的运动目标, 1 个为静止目标, 四个目标的初始方位位置均为波束指向中心。仿真参数如表 3 所示。表 3 大前
28、斜视 SAR/MTI 模式仿真参数 下载原表 图 7 为大前斜视 SAR/MTI 模式下的仿真结果。图 7 (a) 为不对运动目标处理的结果, 可以看出, 由于存在不同的径向速度, MT1、MT2 和 MT3 在方位向上存在不同程度的错位偏移, 且偏移量基本与目标的径向速度呈正比 (MT3 偏移量最大, MT2 最小) 。同时, MT1 和 MT3 的聚焦程度相较 MT2 和 ST 较差, 这是由于方位向速度的存在造成的。同时, MT1 的散焦程度比 MT3 更加明显, 证明了多普勒中心频率变化主要由方位速度决定。可以看出, 虽然在弹载条件下, 运动目标的方位散焦不明显, 但是仍会对分辨率产生
29、影响。因此, 图 7 (a) 的成像结果证明了本文对运动特性影响的分析, 同时证实了运动目标在弹载 SAR 体制下需要经过处理, 从而避免散焦和错位的发生。图 7 (b) 为采用本文提出的检测和参数估计算法对运动目标进行重新成像定位的结果, 可以看出本文算法将运动目标精确聚焦、并重新定位至原位, 证明了本算法的有效性。图 7 大前斜视 SAR/MTI 模式仿真结果 下载原图6 结论本文主要研究了弹载雷达末制导与运动目标检测成像问题。首先, 提出了新的滑翔式飞行器雷达末制导工作模式, 该模式提升了传统模式的成像能力, 更进一步的在雷达末制导工作初始段提升目标的检测与识别能力。同时, 在高分辨率成像段加入了运动目标检测与成像处理, 在传统处理流程的基础上提升了对于运动目标的处理能力。然后, 分析了各模式下运动目标的回波模型和多普勒特性, 针对广域扫描 SAR 和大前斜视 SAR/MTI 模式, 提出了基于多模式复合的MTI 算法, 为 SAR/MTI 系统的实现提供了理论基础。参考文献1秦玉亮, 王建涛, 王宏强, 黎湘.弹载合成孔径雷达技术研究综述J.信号处理, 2009, 25 (4) :630-635.
