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1、中国科学:信息科学2011年第41卷第12期:1517{1528www.scichina.cominfo.scichina.com论文低重频采样SAR系统中地面运动目标参数估计刘燕¤,武其松,孙光才,邢孟道,刘保昌,保铮西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,西安710071*通信作者.E-mail:liuyan1028@163.com收稿日期:2010{06{07;接受日期:2011{04{21国家自然科学基金(批准号:60890072)资助项目摘要低脉冲重复频率(pulserepetitionfrequency,PRF)采样合成孔径雷达(syn
2、theticapertureradar,SAR)系统中运动目标回波信号存在Doppler谱模糊和Doppler中心频率模糊,这给运动目标参数估计带来了很大困难.由于杂波相消后的运动目标可以看作空间稀疏信号,基于压缩感知理论,本文提出一种低PRF采样SAR系统中的运动目标参数估计的新方法.首先采用基于Keystone变换的稀疏走动校正方法来实现包络走动校正和估计出引起整数倍PRFDoppler频率偏移的垂直航向速度分量,利用压缩感知(compressedsensing,CS)理论进行稀疏信号重建,将Doppler谱模糊的运动目标参数估计问题转化为求解优化
3、方程稀疏解,最后利用优化方法获得运动目标的速度以及方位位置.仿真实验和实测数据都验证了本文方法的有效性.关键词合成孔径雷达运动目标运动参数估计Keystone变换走动校正压缩感知1引言合成孔径雷达对地观测应用越来越广泛,为了降低数据量或实现宽测绘成像通常会采用低脉冲重复频率(PRF)采样.由SAR成像理论可知,PRF必须不小于Doppler带宽,否则将会导致Doppler谱模糊,因而方位高分辨与宽测绘带成像构成了一对矛盾.针对该问题国内外学者提出了许多解决方法.集中体现为利用低PRF获得距离不模糊的宽测绘带,对于低PRF引起的Doppler谱模糊,利用
4、零点控制[1¡3]、空域滤波[4¡6]以及多通道信号恢复方法[7]完成解模糊处理.但是上述处理方法仅限于对静止场景成像,没有考虑到场景中的运动目标信息.对于低PRF采样SAR成像中的运动目标,它的垂直航向速度还会引起Doppler中心偏移,当偏移量大于PRF时,就会导致Doppler中心模糊.对于存在Doppler谱模糊和Doppler中心模糊的运动目标的参数估计,传统的Doppler域参数估计方法[8;9]、分数阶Fourier变换[10]等非平稳信号处理方法都无能为力.文献[11]中提出空时自适应处理将地面运动目标的空时谱从空时平面上取出来实现运动
5、目标检测,但是该方法要求沿航向通道数必须大于Doppler模糊数.针对低重频采样的SAR运动目标参数估计困难的问题,基于压缩感知理论,本文提出一种低PRF采样SAR系统中地面运动目标参数估计的新方法.利用距离脉压后的数据进行杂波相消以此保留了运动目标信息;通过方位dechirp技术去除了由雷达载体速度产生的Doppler调频项,采用基于Keystone引用格式:刘燕,武其松,孙光才,等.低重频采样SAR系统中地面运动目标参数估计.中国科学:信息科学,2011,41:1517{1528刘燕等:低重频采样SAR系统中地面运动目标参数估计变换的稀疏走动校正的
6、方法对多个运动目标的包络进行走动校正同时估计出引起整数倍PRFDoppler频率偏移的垂直航向速度分量.由于杂波相消后的运动目标信号可以看作稀疏信号,可利用压缩感知理论对距离徙动校正后的信号进行运动参数估计.首先根据本文距离徙动校正后方位信号的表达形式构造冗余基,将稀疏分布的目标运动参数估计问题转化为求解优化方程稀疏解,最后利用优化方法给出稀疏解,从而获得运动目标沿航向分量速度、垂直航向分量速度和方位位置.2低PRF系统中地面运动目标回波信号分析为了便于说明,首先建立运动目标和SAR相对运动的几何模型,如图1所示.SAR雷达工作在正侧视模式,O为起始点
7、,雷达平台沿x轴方向飞行,速度为va,点目标Pn表示场景中的第n个运动目标,其坐标为(xn;Rn),垂直航向和沿航向速度分别用vyn,vxn表示,RB为雷达平台到场景中心线的距离,根据图1的几何结构可以得知,Pn的瞬时斜距Rn(tm)可以表示为qR(t)=(R¡vt)2+(vt¡vt¡x)2¼R¡vt+((v¡v)t¡x)2=(2R);(1)nmnynmamxnmnnynmaxnmnn其中tm=NTr为慢时间,N取整数,Tr为脉冲重复周期,Rn为雷达平台到运动目标的最近距离.假设雷达发射线性调频信号为s(t;t^)=rect[t=T^]exp(j2¼(
8、ft+°t^2=2));(2)TpcT¡1其中tT=MTr+t^为全时间,M取整数,Tr=PR
