[发明专利]临近空间慢速平台SAR动目标检测方法及成像方法

权利要求书

1.一种临近空间慢速平台SAR动目标检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：成像系统参数初始化,

NSS-SAR的平台初始位置坐标记为(x_R,y_R,h_R)，其中,x_R、y_R和h_R分别为平台的x轴、y轴和z轴坐标；零时刻波束中心指向场景坐标系原点处，平台速度记为V；假设动目标P_m初始位置为坐标系原点，其速度矢量为v_p，在距离向和方位向上的分量分别为v_px、v_py；动目标P_m到平台的距离历史为：

R(t)=hR2+[(V-vpy)t]2+(xR+vpxt)2]]>

≈R0+[(V-vpy)2+vpx2]t22R0+xRvpxtR0]]>

其中，R₀为平台到目标P_m的初始最小斜距，t为方位向慢时间变量,对于地面任一静止目标P(x,y)，所述的距离历史表达式中的v_px=v_py=0；

步骤二：获取NSS-SAR回波表达式，

设NSS-SAR发射信号为脉冲线性调频信号：

s(τ)=rect[τTp]exp{j2πf0τ+jπKrτ2}]]>

其中，f₀为载频，T_p为脉冲宽度，τ为距离向快时间变量，K_r为发射信号的时间调频斜率，rect[·]代表距离时间窗；

动目标P_m的回波信号经解调至基带后，可表示为方位向慢时间变量t和距离向快时间变量τ的表达式，记为S(t,τ)：S(t,τ)=σps[τ-2R(t)c]ω[tTs]exp[-j4πλR(t)],]]>其中，σ_p为动目标P_m的后向散射系数，c为光速，ω[·]为方位时间窗，λ为载波波长，T_s为合成孔径时间；

设静止成像场景为Ω_s，场景回波信号经解调至基带后，可表示为：

Ss(t,τ)∫∫Ωsσ(x,y)rect[τ-τd(t;x,y)Tp]ω[t-td(y)Ts]]]>

×exp{jπKr[τ-2R(t;x,y)c]2}]]>

×exp{-j4πR(t;x,y)λ}dxdy]]>

其中，σ(x,y)为成像场景中任意点目标P(x,y)的后向散射系数，τ_d(t;x,y)为此点目标的距离时延迟，t_d(y)为此点目标的方位时延，R(t;x,y)为SAR平台到任意点目标P(x,y)的距离历史，其表达式为

R(t;x,y)=hR2+[(V-vpy)t-y]2+(xR+vpxt-x)2]]>

其中，x、y分别为成像场景Ω_s中任意点目标P(x,y)的x坐标和y坐标。

步骤三：计算动目标P_m回波的多普勒参数，

由动目标P_m回波S(t,τ)表达式，可得动目标P_m回波多普勒相位为对方位时间变量t求导可以得到方位多普勒频率：

fd=12πd(-j4πλR(t))dt=-2λdR(t)dt]]>

=-2λ{xRvpxR0+tR0[(V-vpy)2+vpx2]}]]>

对于静止目标，v_px=v_py=0，多普勒调频率为对于动目标P_m，多普勒质心为fdcm=-2xRvpxλR0]]>多普勒调频率为fdrm=-2[(V-vpy)2+vpx2]λR0,]]>则可得静止杂波多普勒带宽为：其中，R_min表示临近空间SAR平台到成像场景区域的最近斜距；

步骤四：设计多普勒滤波器，提取出动目标回波。

设计多普勒滤波器，其阻带为-B_amax/2～B_amax/2，即：

Ffilter(ft)=1;ft>Bamax/2andft<-Bamax/20;-Bamax/2<ft<Bamax/2]]>

将NSS-SAR回波在距离多普勒频域通过滤波器后，抑制掉静止杂波，提取出动目标回波，经过方位向傅里叶反变换，即可得到动目标时域回波S(t,τ)。

2.一种了临近空间慢速平台SAR成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：成像系统参数初始化,

NSS-SAR的平台初始位置坐标记为(x_R,y_R,h_R)，其中,x_R、y_R和h_R分别为平台的x轴、y轴和z轴坐标；零时刻波束中心指向场景坐标系原点处，平台速度记为V；假设动目标P_m初始位置为坐标系原点，其速度矢量为v_p，在距离向和方位向上的分量分别为v_px、v_py；动目标P_m到平台的距离历史为：

R(t)=hR2+[(V-vpy)t]2+(xR+vpxt)2]]>

≈R0+[(V-vpy)2+vpx2]t22R0+xRvpxtR0]]>

其中，R₀为平台到目标P_m的初始最小斜距，t为方位向慢时间变量,对于地面任一静止目标P(x,y)，所述的距离历史表达式中的v_px=v_py=0；

步骤二：获取NSS-SAR回波表达式，

设NSS-SAR发射信号为脉冲线性调频信号：

s(τ)=rect[τTp]exp{j2πf0τ+jπKrτ2}]]>

其中，f₀为载频，T_p为脉冲宽度，τ为距离向快时间变量，K_r为发射信号的时间调频斜率，rect[·]代表距离时间窗；

动目标P_m的回波信号经解调至基带后，可表示为方位向慢时间变量t和距离向快时间变量τ的表达式，记为S(t,τ)：S(t,τ)=σps[τ-2R(t)c]ω[tTs]exp[-j4πλR(t)],]]>其中，σ_p为动目标P_m的后向散射系数，c为光速，ω[·]为方位时间窗，λ为载波波长，T_s为合成孔径时间；

设静止成像场景为Ω_s，场景回波信号经解调至基带后，可表示为：

Ss(t,τ)=∫∫Ωsσ(x,y)rect[τ-τd(t;x,y)Tp]ω[t-td(y)Ts]]]>

×exp{jπKr[τ-2R(t;x,y)c]2}]]>

×exp{-j4πR(t;x,y)λ}dxdy]]>

其中，σ(x,y)为成像场景中任意点目标P(x,y)的后向散射系数，τ_d(t;x,y)为此点目标的距离时延迟，t_d(y)为此点目标的方位时延，R(t;x,y)为SAR平台到任意点目标P(x,y)的距离历史，其表达式为：

R(t;x,y)=hR2+[(V-vpy)t-y]2+(xR+vpyt-x)2]]>

其中，x、y分别为成像场景Ω_s中任意点目标P(x,y)的x坐标和y坐标。

步骤三：计算动目标P_m回波的多普勒参数，

由动目标P_m回波S(t,τ)表达式，可得动目标P_m回波多普勒相位为对方位时间变量t求导可以得到方位多普勒频率：

fd=12πd(-j4πλR(t))dt=-2λdR(t)dt]]>

=-2λ{xRvpxR0+tR0[(V-vpy)2+vpx2]}]]>

对于静止目标，v_px=v_py=0，多普勒调频率为对于动目标P_m，多普勒质心为fdcm=-2xRvpxλR0,]]>多普勒调频率为fdrm=-2[(V-vpy)2+vpx2]λR0,]]>则可得静止杂波多普勒带宽为：其中，R_min表示临近空间平台到成像场景区域的最近斜距；

步骤四：设计多普勒滤波器，提取出动目标回波。

设计多普勒滤波器，其阻带为-B_amax/2～B_amax/2，即：

Ffilter(ft)=1;ft>Bamax/2andft<-Bamax/20;-Bamax/2<ft<Bamax/2]]>

将NSS-SAR回波在距离多普勒频域通过滤波器后，抑制掉静止杂波，提取出动目标回波，经过方位向傅里叶反变换，即可得到动目标时域回波S(t,τ)。

步骤五：估计多普勒模糊数

对NSS-SAR提取出的动目标回波S(t,τ)进行距离压缩，将距离压缩后的数据进行Radon变换，估计出目标轨迹的斜率k，则可求得多普勒质心的估计值：

f^dc=-VRkΔrΔlλ]]>

其中，Δr表示距离向采样间隔，Δl表示方位向采样间隔，则可得多普勒模糊数的估计为：M^amb=round(f^dcPRF),]]>round表示取整运算；

步骤六：多普勒模糊抑制

将动目标时域回波S(t,τ)进行距离向傅里叶变换得到动目标距离频域、方位时域回波S(t,f_τ)：S(t,fτ)=s(fτ)σpexp{j4πc(fτ+f0)R(t)},]]>其中，s(f_τ)为发射信号s(τ)的傅里叶变换表达式，f_τ为距离向频率变量；

将动目标回波距离历史泰勒展开，可得：

R(t)≈R0+R~0t+12R≈0t2]]>

其中，则动目标距离频域、方位时域回波S(t,f_τ)变为：S(t,fτ)=s(fτ)σpexp{j4πc(fτ+f0)[R0+R~0t+12R≈0t2]};]]>

构造多普勒模糊抑制函数：H=exp[j2πM^ambPRFfτ+f0f0];]]>

将S(t,f_τ)与H相乘，则消去多普勒模糊，消去多普勒模糊后的动目标距离频域、方位时域回波记为S_B(t,f_τ)，

SB(t,fτ)=s(fτ)σpexp{j4πc(fτ+f0)[R0+R~0′t+12R≈0t2]}]]>

其中，为去掉多普勒模糊后的残余距离展开的一次项；

步骤七：一阶keystone变换

在方位时域距离频域采用一阶keystone变换完成距离走动校正，变换关系为：其中，t_k为keystone变换后的方位向时间变量，变换后动目标回波表达式变为：S(tk,fτ)=s(fτ)σpexp{j4πc(fτ+f0)R0+j4πcR~0′f0tk+j2πcR≈0tk2(fτ+f0)};]]>

步骤八：变分辨多普勒调频率估计

首先对keystone变换后的动目标回波S(t_k,f_τ)进行低分辨距离压缩，压缩函数为

其中，压缩函数H（f_τ)的多普勒带宽B_rl<K_rT_p；

低分辨距离压缩后，动目标回波能量大部分聚集在同一距离单元，记此距离单元数据为x(t)，对此距离单元数据采用基于时间-调频率分布的方法来进行多普勒调率估计，首先对x(t)做如下变换：C(t,μ)∫0∞x(t+τ)x(t-τ)ej2πμτ2dτ,]]>其中，μ为调频率变量；

对于任意时刻t，都有当u=K_r时，C(t,u)具有极大值,则可根据C(t,u)的最大值估计出动目标回波的方位调频率K_r；

步骤九：距离弯曲校正，

利用估计出的方位调频斜率K_r可求得距离弯曲量为则对距离压缩后的动目标回波在距离频域乘以距离弯曲校正函数可完成距离弯曲校正，距离弯曲校正函数Rcmc为：Rcmc=exp{j4πRcurcfτ};]]>

距离弯曲校正后的动目标回波数据记为S_RCMC(t_k,τ)。

步骤十：方位压缩，

利用多普勒调频率估计值K_r，构造方位压缩函数，方位压缩函数为其中，为方位多普勒频率变量；

对S_RCMC(t_k,τ)进行方位傅里叶变换，得到方位频域、距离时域数据，将与方位压缩函数H_azi相乘，进行方位向傅里叶逆变换，得到聚焦的动目标图像S_p:Sp=IFFT[SRCMC(ftk,τ)·Hazi]=σpsinc(x)sinc(y),]]>其中，sinc(·)为辛格函数。