机载合成孔径雷达对地动目标检测技术的研究
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摘要
合成孔径雷达是一种重要的对地观测设备。自1971年R.Keith Rancy首次提出低速运动目标造成图像模糊和动目标检测的原理以来，动目标检测即成为合成孔径雷达领域中研究的热点之一。由于动目标运动的不可知性以及合成孔径雷达安装平台的运动造成杂波频谱的扩展等因素的影响，使动目标的检测变得异常困难。本文的研究内容是在真实机载SAR回波数据基础上，寻找一种适合处理这种数据的技术，来检测动目标。本文所做主要工作如下：
1．本文对合成孔径雷达的工作原理、目标运动对成像的影响、动目标信号的回波建模及单通道下动目标检测的性能做了较系统的研究和总结，并就两种较实用的动目标检测方法(反射特性位移法和前置滤波法)进行了研究和比较。
2．对机载SAR杂波锁定、自聚焦算法进行了研究和探索，并用它们处理真实回波数据，为进一步在强杂波环境下检测动目标研究提供了参考。
3．重点研究了将线性调频信号加随机噪声的模型引入动目标检测。根据雷达系统的主要工作参数，在近似的基础上，仿真了动目标数据。用仿真的数据作源数据，用WVD和Hough变换结合的方法来估计两个重要参数(多普勒中心频率和多普勒调频率)，实验表明在较高信噪比下可以取得较好效果。
Synthetic Aperture Radar is one of the important devices for surveying the ground. Since Mr. R.Keith Rany first proposed that the low moving targets cause the illegibility on the synthetic aperture radar (SAR) image and the theory of the moving targets detection in 1971, the moving targets detection has been one of major hot topics in the field of SAR technology. However, the detection on the moving targets becomes very difficult because of the clutter spectrum spreading due to the unknown targets moving and the radar's carrier moving. In this paper, we intended to find out a suitable technology based on the real SAR echo data to process that data. The main results we have gained in this topic included three aspects as following:
1. We have studied the systemic theories about this research project such as SAR imaging, the factors that affected the SAR imaging for the moving targets, modeling for the moving targets signal and the detection ability under single channel SAR system. More over I have studied and compared the practical (reflectivity displacement method) RDM and the digital pre-filter methods in SAR moving targets detection.
2. We processed the real data with Clutter Locking and Auto Focus algorithms and gained the experience for the further research. That gave a reference to the advance research of the moving targets detection on the condition of the heavy cluster.
3. We used chirp signal plus radon noise as signal model and have simulated the echo data by compute under the ideal conditions according to the real parameters of the SAR system. Two important parameters (Doppler center and Doppler shift) are estimated by the method of combining the Winger-Ville-Distribute (WVD) and Hough in the case of using the simulating data as source data, and it could get the effective results on high Signal-Noise Ratio (SNR) in the experiments.
1．本文对合成孔径雷达的工作原理、目标运动对成像的影响、动目标信号的回波建模及单通道下动目标检测的性能做了较系统的研究和总结，并就两种较实用的动目标检测方法(反射特性位移法和前置滤波法)进行了研究和比较。
2．对机载SAR杂波锁定、自聚焦算法进行了研究和探索，并用它们处理真实回波数据，为进一步在强杂波环境下检测动目标研究提供了参考。
3．重点研究了将线性调频信号加随机噪声的模型引入动目标检测。根据雷达系统的主要工作参数，在近似的基础上，仿真了动目标数据。用仿真的数据作源数据，用WVD和Hough变换结合的方法来估计两个重要参数(多普勒中心频率和多普勒调频率)，实验表明在较高信噪比下可以取得较好效果。
Synthetic Aperture Radar is one of the important devices for surveying the ground. Since Mr. R.Keith Rany first proposed that the low moving targets cause the illegibility on the synthetic aperture radar (SAR) image and the theory of the moving targets detection in 1971, the moving targets detection has been one of major hot topics in the field of SAR technology. However, the detection on the moving targets becomes very difficult because of the clutter spectrum spreading due to the unknown targets moving and the radar's carrier moving. In this paper, we intended to find out a suitable technology based on the real SAR echo data to process that data. The main results we have gained in this topic included three aspects as following:
1. We have studied the systemic theories about this research project such as SAR imaging, the factors that affected the SAR imaging for the moving targets, modeling for the moving targets signal and the detection ability under single channel SAR system. More over I have studied and compared the practical (reflectivity displacement method) RDM and the digital pre-filter methods in SAR moving targets detection.
2. We processed the real data with Clutter Locking and Auto Focus algorithms and gained the experience for the further research. That gave a reference to the advance research of the moving targets detection on the condition of the heavy cluster.
3. We used chirp signal plus radon noise as signal model and have simulated the echo data by compute under the ideal conditions according to the real parameters of the SAR system. Two important parameters (Doppler center and Doppler shift) are estimated by the method of combining the Winger-Ville-Distribute (WVD) and Hough in the case of using the simulating data as source data, and it could get the effective results on high Signal-Noise Ratio (SNR) in the experiments.
引文
[1] 张澄波 综合孔径雷达原理、系统分析与应用[M] 科学出版社 1989年
[2] 杨士中 合成孔径雷达[M] 国防工业出版社1982年
[3] 张冰尘 合成孔径雷达实用化运动目标检测和成像技术的研究[J] 中科院电子所论文1999年
[4] 邓伟 综合孔径雷达二维运动目标检测、成像方法的研究[J] 中科院电子所论文
[5] 王豫斌 合成孔径运动目标检测方法的研究[J] 中科院电子所论文 1994年
[6] S.Barbarossa, Detection and Imaging of Moving Objects with Synthetic Aperture Radar, Part 1:Optimal detection and Parameter Estimation Theory[J], IEE Proc.F, 1992,vol1. 139,no. 1 February 1992,pp79-88
[7] R.K.Raney, Synthetic Aperture Radar and Moving Targets[J], IEEE Transactions on Aerosspace and Electronic System,vol,AES-7,no.3,May 1971,pp499-505.
[8] Freeman A,Currie A, Synthetic aperture radar images of moving targets[J] The GEC Journal of Resarch,vol.5,No.2 1987,pp106-115
[9] Kazuo Ouchi, On the Multilook Images of Moving Targets by Synthetic Aperture Radar[J], IEEE Trans
[10] Hern-Chung Chen and Clare D.Mcgillem, Target Motion Compensation by SpectrumShifting in Synthetic Aperture Radar[J], IEEE transaction on AES,vol.28, no.3,July 1992, pp895-901.
[11] J.R.Moreira and Wolfgang keydel, A new MTI-SAR approach using the reflectivity displacement method[J] IEEE Trans. On Geoscience and remote sensing,Vol. 33.No. 5,Sept. 1995,p 1238-1244
[12] W. Koch and R.Klemm Ground target tracking with STAP radar[J] IEE Proc.Radar,Sonar Naving.,Vol. 148,No.3,June 2001,pp 173-185
[13] 采用MATLAB的SAR成像算法[M] 华东电子工程研究所内部资料 2000年
[14] Curlander J. and McDnough R.,Synthetic Aperture Radar Systems and Signal Processing[J], New York:Wiley, 1991.
[15] 机载SAR系统仿真[M]华东电子工程研究所内部资料2001
[16] S.Barbarossa, Detection and Imaging of Moving Objects with Synthetic
Aperture Radar, Part 2: Joint Time-frequency analysis by Winger-Ville Distribution[J], IEE Proc.F, 1992,vol1.139,no. 1,February 1992,pp89-97.
[17] L.Cohen, Time-Frequency Distributions -A Review, Proceedings of the IEEE,vol.77,no.7,July 1989,pp941-981
[18] 刘永坦著 雷达成像技术[M] 哈尔滨工业大学出版社1999年10月
[19] [美]H．L．范特里斯 著 毛士艺 周荫清 张其善 译 检测、估计和调制理论[M] 国防工业出版社 1983年6月
[20] 胡广书 编著 数字信号处理理论---算法与实现[M] 清华大学出版社1997年
[21] 楼顺天 陈生潭 雷虎民 编著 MATLAB5.X 程序设计语言[M] 西安电子科技大学出版社 2000，4
[22] [英]S．M 鲍齐克 著 凌去旦 译 数字滤波和卡尔曼滤波[M] 科学出版社1984年2月
[23] 鞠德航 林可祥 陈捷 信号检测理论导论[M] 科学出版社 1977年3月
[24] [美] A．D 惠伦 著 刘其培 迟惠生 译 刘有恒 吴德明 校 噪声中信号的检测[M] 科学出版社 1977年
[25] 何友 关键 彭应宁 陆大 著 雷达自动检测与恒虚警处理[M] 清华大学出版社 1999年3月
[26] 保铮等 机载雷达空时二维信号处理[J] 现代雷达1994年第1期pp38-pp48，
[27] D.J.Coe.et.al. "Experiment moving target detection results from a three-besm airborne SAR[C], EUSAR'96 Germany, April, 1996,419-442.
[28] 孙泓波等 基于互Wigner-Ville 分布的SAR运动目标检测[J] 电子学报 2002年3月第三期
[29] 姚天任 孙洪 现代数字信号处理[M] 华中理工大学出版社1999年
[30] 李景文 何峻湘 周荫清 WVD用于SAR运动目标检测和成象的参数据估计[J]，电子学报，vol.17，no.6，Nov 1995,pp585-590．
[31] Martin Kirscht, Detection,Velocity Estimation and Imaging of Moving Targets with Sigle-Channel SAR[C] EUSAR'97 pp587-590
[32] Tim J.Nohara Comparison of DPCA and STAP for Space-Based Radar pp113-119
[33] E.F. Stockburger and D.N Held, Interferometric moving ground target imaging [C] IEEE 1995 International Radar Conference,pp.438-443
[34] A．V 奥本海姆，R．W．谢弗， 数字信号处理[M] 科学出版社
[35] 尚宏达 徐林根 高逼真度雷达目标及其背景信号仿真软件包---原理．算法软件组成与使用 国防科技大学电子技术系 1986年
[36] 薛巍 江朝抒等 基于DPCA的机载雷达杂波抑制 系统系统工程和电子技术 vol.23 No．4 2001
[37] 李景文 何峻湘 周荫清 基于时空二维信号的处理的合成孔径雷达动目标检测[J] 电子学报 1995年Vol．23,No．9Sep，1995。
[38] 袁孝康 合成孔径雷达与动目标检测[J] 上海航天 2000年第1期
[39] 邹红星 戴琼海等 不含交叉项干扰且具有WVD聚性的时频分布之不存在性[J] 中国科学(E 辑) 第31卷 第4期
[40] 采用MATLAB 算法的SAR信号处理[M] 信息产业部电子第三十八所研究所2001年6月
[41] 雷达系统的建模和仿真[M] 华东电子工程研究所2002年5月
[42] 高分辩率雷达 华东电子工程研究所 2002年5月
[43] 楼顺天 李博菡 编著 基于MATLAB的系统分析与设计 ---信号处理[M] 西安电子科技大学出版社 2000年
[44] 郑君里 杨为理 应启珩 编 信号与系统[M] 高等教育出版社1981年7月
[45] 汤志伟 赵志钦 黄顺吉 SAR原始数据的模拟研究[J] 电子科技大学学报2000年2月第29卷第1期
[46] Dong Yongqiang TaoRan Zhou SI yong WangYU SAR Moving Target Detection Based on WVH Transform[J] Jouranlo of Beijing Institue of Technology, 1999,vol 1,8, NO.
[47] 赵志钦 王建国 黄顺吉 合成孔径雷达的点目标模拟的研究[J] 电子科技大学学报 第28卷 第五期 1999年月10月
[48] 赵志钦 黄顺吉 Wigner-Ville分布在合成孔径雷达中的应用[J] 电子科技大学学报第24卷 第六期 1995年月12月
[49] 黄顺吉 赵志钦 吴井红 机载SAR运动目标的检测和成像处理[J] 电子科技大学学报 1995年8月第24卷增刊2
[50] 李春升 李景文 周荫清 空载合成孔径雷达技术及展望[J] 电子学报1995年10月第10期
[51] 郭华东 雷达对地观测技术与作用[J] 遥感技术与应用 1994年12月第9卷第4期
[52] 李凌杰 王建国 黄顺吉 基于真实场景的的SAR原始数据回波模拟[J] 电子科技大学学报 1996年12月第25卷 第六期
[53] [美]R．L 米切尔 陈训达译 雷达系统模拟[M] 科学出版社1982
[2] 杨士中 合成孔径雷达[M] 国防工业出版社1982年
[3] 张冰尘 合成孔径雷达实用化运动目标检测和成像技术的研究[J] 中科院电子所论文1999年
[4] 邓伟 综合孔径雷达二维运动目标检测、成像方法的研究[J] 中科院电子所论文
[5] 王豫斌 合成孔径运动目标检测方法的研究[J] 中科院电子所论文 1994年
[6] S.Barbarossa, Detection and Imaging of Moving Objects with Synthetic Aperture Radar, Part 1:Optimal detection and Parameter Estimation Theory[J], IEE Proc.F, 1992,vol1. 139,no. 1 February 1992,pp79-88
[7] R.K.Raney, Synthetic Aperture Radar and Moving Targets[J], IEEE Transactions on Aerosspace and Electronic System,vol,AES-7,no.3,May 1971,pp499-505.
[8] Freeman A,Currie A, Synthetic aperture radar images of moving targets[J] The GEC Journal of Resarch,vol.5,No.2 1987,pp106-115
[9] Kazuo Ouchi, On the Multilook Images of Moving Targets by Synthetic Aperture Radar[J], IEEE Trans
[10] Hern-Chung Chen and Clare D.Mcgillem, Target Motion Compensation by SpectrumShifting in Synthetic Aperture Radar[J], IEEE transaction on AES,vol.28, no.3,July 1992, pp895-901.
[11] J.R.Moreira and Wolfgang keydel, A new MTI-SAR approach using the reflectivity displacement method[J] IEEE Trans. On Geoscience and remote sensing,Vol. 33.No. 5,Sept. 1995,p 1238-1244
[12] W. Koch and R.Klemm Ground target tracking with STAP radar[J] IEE Proc.Radar,Sonar Naving.,Vol. 148,No.3,June 2001,pp 173-185
[13] 采用MATLAB的SAR成像算法[M] 华东电子工程研究所内部资料 2000年
[14] Curlander J. and McDnough R.,Synthetic Aperture Radar Systems and Signal Processing[J], New York:Wiley, 1991.
[15] 机载SAR系统仿真[M]华东电子工程研究所内部资料2001
[16] S.Barbarossa, Detection and Imaging of Moving Objects with Synthetic
Aperture Radar, Part 2: Joint Time-frequency analysis by Winger-Ville Distribution[J], IEE Proc.F, 1992,vol1.139,no. 1,February 1992,pp89-97.
[17] L.Cohen, Time-Frequency Distributions -A Review, Proceedings of the IEEE,vol.77,no.7,July 1989,pp941-981
[18] 刘永坦著 雷达成像技术[M] 哈尔滨工业大学出版社1999年10月
[19] [美]H．L．范特里斯 著 毛士艺 周荫清 张其善 译 检测、估计和调制理论[M] 国防工业出版社 1983年6月
[20] 胡广书 编著 数字信号处理理论---算法与实现[M] 清华大学出版社1997年
[21] 楼顺天 陈生潭 雷虎民 编著 MATLAB5.X 程序设计语言[M] 西安电子科技大学出版社 2000，4
[22] [英]S．M 鲍齐克 著 凌去旦 译 数字滤波和卡尔曼滤波[M] 科学出版社1984年2月
[23] 鞠德航 林可祥 陈捷 信号检测理论导论[M] 科学出版社 1977年3月
[24] [美] A．D 惠伦 著 刘其培 迟惠生 译 刘有恒 吴德明 校 噪声中信号的检测[M] 科学出版社 1977年
[25] 何友 关键 彭应宁 陆大 著 雷达自动检测与恒虚警处理[M] 清华大学出版社 1999年3月
[26] 保铮等 机载雷达空时二维信号处理[J] 现代雷达1994年第1期pp38-pp48，
[27] D.J.Coe.et.al. "Experiment moving target detection results from a three-besm airborne SAR[C], EUSAR'96 Germany, April, 1996,419-442.
[28] 孙泓波等 基于互Wigner-Ville 分布的SAR运动目标检测[J] 电子学报 2002年3月第三期
[29] 姚天任 孙洪 现代数字信号处理[M] 华中理工大学出版社1999年
[30] 李景文 何峻湘 周荫清 WVD用于SAR运动目标检测和成象的参数据估计[J]，电子学报，vol.17，no.6，Nov 1995,pp585-590．
[31] Martin Kirscht, Detection,Velocity Estimation and Imaging of Moving Targets with Sigle-Channel SAR[C] EUSAR'97 pp587-590
[32] Tim J.Nohara Comparison of DPCA and STAP for Space-Based Radar pp113-119
[33] E.F. Stockburger and D.N Held, Interferometric moving ground target imaging [C] IEEE 1995 International Radar Conference,pp.438-443
[34] A．V 奥本海姆，R．W．谢弗， 数字信号处理[M] 科学出版社
[35] 尚宏达 徐林根 高逼真度雷达目标及其背景信号仿真软件包---原理．算法软件组成与使用 国防科技大学电子技术系 1986年
[36] 薛巍 江朝抒等 基于DPCA的机载雷达杂波抑制 系统系统工程和电子技术 vol.23 No．4 2001
[37] 李景文 何峻湘 周荫清 基于时空二维信号的处理的合成孔径雷达动目标检测[J] 电子学报 1995年Vol．23,No．9Sep，1995。
[38] 袁孝康 合成孔径雷达与动目标检测[J] 上海航天 2000年第1期
[39] 邹红星 戴琼海等 不含交叉项干扰且具有WVD聚性的时频分布之不存在性[J] 中国科学(E 辑) 第31卷 第4期
[40] 采用MATLAB 算法的SAR信号处理[M] 信息产业部电子第三十八所研究所2001年6月
[41] 雷达系统的建模和仿真[M] 华东电子工程研究所2002年5月
[42] 高分辩率雷达 华东电子工程研究所 2002年5月
[43] 楼顺天 李博菡 编著 基于MATLAB的系统分析与设计 ---信号处理[M] 西安电子科技大学出版社 2000年
[44] 郑君里 杨为理 应启珩 编 信号与系统[M] 高等教育出版社1981年7月
[45] 汤志伟 赵志钦 黄顺吉 SAR原始数据的模拟研究[J] 电子科技大学学报2000年2月第29卷第1期
[46] Dong Yongqiang TaoRan Zhou SI yong WangYU SAR Moving Target Detection Based on WVH Transform[J] Jouranlo of Beijing Institue of Technology, 1999,vol 1,8, NO.
[47] 赵志钦 王建国 黄顺吉 合成孔径雷达的点目标模拟的研究[J] 电子科技大学学报 第28卷 第五期 1999年月10月
[48] 赵志钦 黄顺吉 Wigner-Ville分布在合成孔径雷达中的应用[J] 电子科技大学学报第24卷 第六期 1995年月12月
[49] 黄顺吉 赵志钦 吴井红 机载SAR运动目标的检测和成像处理[J] 电子科技大学学报 1995年8月第24卷增刊2
[50] 李春升 李景文 周荫清 空载合成孔径雷达技术及展望[J] 电子学报1995年10月第10期
[51] 郭华东 雷达对地观测技术与作用[J] 遥感技术与应用 1994年12月第9卷第4期
[52] 李凌杰 王建国 黄顺吉 基于真实场景的的SAR原始数据回波模拟[J] 电子科技大学学报 1996年12月第25卷 第六期
[53] [美]R．L 米切尔 陈训达译 雷达系统模拟[M] 科学出版社1982