采用调频连续波的高速动目标检测方法

书书书收稿日期：２００７０８０１基金项目：国家自然科学青年基金资助（６０５０２０４４）；教育部重点项目资助（２００５１００９）作者简介：梁　毅（１９８１），男，西安电子科技大学博士研究生，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．采用调频连续波的高速动目标检测方法梁　毅，周　峰，邢孟道，保　铮（西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室，陕西西安　７１００７１）摘要：调频连续波雷达的低发射功率使其具有低截获、隐蔽性好、抗反辐射导弹能力强的特点．提出了一种利用三角波调制调频连续波进行地面高速运动目标检测的新方法，根据三角波调制调频连续波正、负调频导致动目标成像结果在径向反向移动的特点，通过对正、负调频信号分别成像，在补偿了载机平台的连续运动以及正、负调频信号之间的时间差对图像的影响后，将两幅图像通过偏置相位中心天线（ＤＰＣＡ）处理，检测出高速动目标．当检测出动目标后，进一步提取出两幅图中的动目标图像，将动目标图像作相关处理，估算出动目标成像结果的径向移动量，解算出动目标的径向速度，完成对动目标的真实定位．仿真数据的处理结果验证了本方法的有效性．关键词：地面高速动目标检测；三角波调制调频连续波；相关处理中图分类号：ＴＮ９５８．９４；ＴＮ９５７．５２　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００１２４００（２００８）０４０５８６０６犎犻犵犺狊狆犲犲犱犵狉狅狌狀犱犿狅狏犻狀犵狋犪狉犵犲狋犱犲狋犲犮狋犻狅狀狉犲狊犲犪狉犮犺狌狊犻狀犵狋狉犻犪狀犵狌犾犪狉犉犕犆犠犿狅犱狌犾犪狋犻狅狀犔犐犃犖犌犢犻，犣犎犗犝犉犲狀犵，犡犐犖犌犕犲狀犵犱犪狅，犅犃犗犣犺犲狀犵（ＫｅｙＬａｂ．ｏｆＲａｄａｒＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖ．，Ｘｉａｎ　７１００７１，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：　ＴｈｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ（ＦＭＣＷ）ｒａｄａｒｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｗｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ，ｇｏｏｄｈｉｄｄｅｎｐｒｏｐｅｒｔｙａｎｄａｂｉｌｉｔｙｔｏｃｏｕｎｔｅｒａｎｔｉｒａｄｉａｔｉｏｎｍｉｓｓｉｌｅｓ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｒｏｕｎｄｍｏｖｉｎｇｔａｒｇｅｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｕｓｉｎｇｔｒｉａｎｇｕｌａｒＦＭＣＷｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｒｅｖｅｒｓｅｒａｎｇｅｓｈｉｆｔｉｎｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｕｐｓｌｏｐｅａｎｄｄｏｗｎｓｌｏｐｅｏｆｔｒｉａｎｇｕｌａｒＦＭＣＷｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｕｐｓｌｏｐｅａｎｄｄｏｗｎｓｌｏｐｅａｒｅｉｍａｇｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｆｔｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｕｐｓｌｏｐｅａｎｄｄｏｗｎｓｌｏｐｅｓｉｇｎａｌｓｆｏｒｉｍａｇｉｎｇ，ｔｈｅｍｏｖｉｎｇｔａｒｇｅｔｃａｎｂｅｄｅｔｅｃｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｄｉｓｐｌａｃｅｄｐｈａｓｅｃｅｎｔｅｒａｎｔｅｎｎａ（ＤＰＣＡ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｗｈｅｎｔｈｅｍｏｖｉｎｇｔａｒｇｅｔｉｓｄｅｔｅｃｔｅｄ，ｗｅｅｘｔｒａｃｔｔｈｅｍｏｖｉｎｇｔａｒｇｅｔｉｍａｇｅ，ａｎｄｕｓｅｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｏｇｅｔｔｈｅｒａｎｇｅｓｈｉｆｔ，ｗｈｉｃｈｃａｎｈｅｌｐｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｔａｒｇｅｔｒａｎｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙ，ａｎｄｔｏｆｉｎｄｔｈｅｒｅａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄ．犓犲狔犠狅狉犱狊：　ＧＭＴＤ；ｔｒｉａｎｇｕｌａｒＦＭＣＷｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ调频连续波（ＦＭＣＷ）技术与合成孔径雷达（ＳＡＲ）技术的完美结合，促使了重量轻、成本低、功耗低的高分辨成像雷达的诞生［１］，使其易于安装在小型无人机上，甚至于航模飞机．由于接收端采用了去斜（Ｄｅｃｈｉｒｐ）接收体制，产生了较小的差频带宽，从而降低对视频接收通道、后端Ａ／Ｄ采集设备和信号处理速度的要求．另外，采用调频连续波技术便于实现雷达系统的微型化，例如德国ＥＮＤＳ研制的“ＭｉＳＡＲ”系统天线前端仅重４ｋｇ左右．地面运动目标检测（ＧＭＴＤ）是雷达的一项重要任务，也是战场监视的主要内容．传统的单通道ＳＡＲ一般采用频域滤波法进行动目标检测，这就要求很高的脉冲重复频率，而且对于速度模糊的情况一般很难检测，尤其当动目标模糊后落入主瓣杂波内时将更难检测．因为不可能设计滤波器既能筛选出动目标信号，同时又能剔除地面静止场景回波信号．笔者研究了基于三角波调制调频连续波进行地面高速运动目标检测的方法，适用于２００８年８月第３５卷　第４期　西安电子科技大学学报（自然科学版）犑犗犝犚犖犃犔　犗犉　犡犐犇犐犃犖　犝犖犐犞犈犚犛犐犜犢　Ａｕｇ．２００８Ｖｏｌ．３５　Ｎｏ．４动目标速度有模糊的情况．通过对动目标回波信号特征的分析，阐明正、负调频信号可以导致动目标成像结果在径向向相反方向移动这一特点，利用该特点，经过一些补偿后，两幅图像相减判断是否存在高速运动目标，如果存在，则提取出动目标的图像，将两块动目标图像作相关处理，估算出动目标成像结果的径向移动量，从而解算出动目标的径向速度，完成对动目标的真实定位．文献［２］中提到用干涉的方法，但是由于偏移量有可能远大于波长而发生２π模糊，这样就不能估计出真实的径向移动量，从而不能对目标进行真实定位．１　三角波调制调频连续波（犉犕犆犠）信号描述ＦＭＣＷ信号的频率是时间的函数，两种广泛应用的调制形式是锯齿波和三角波调制，为了完成对运动目标检测的功能，笔者采用三角波调制的ＦＭＣＷ信号．如图１所示，实线为发射信号的瞬时频率，虚线为接图１　三角波调制调频连续波信号频率变化图收信号的频率，下图为两者的差频信号．从图中可知，发射信号频率随时间按线性三角变化，目标回波为发射信号的复制波，双程回波延迟τ＝２犚／犆，其中犚为目标距离，犆为光速．在调制周期犜ｐ内，差拍频率一部分为正，一部分为负，这是由于正、负调频所致．对于静止目标，差拍频率是一个与距离成正比的单频信号，因此，差拍信号含有目标的距离信息，其表达式为犳ｂ＝（Δ犳／犜ｐ）（４犚／犆）　，（１）其中，犳ｂ为发射信号与回波信号的差频．当目标相对于雷达有径向运动速度时，其接收信号频率将沿频率轴上移或下移，此时差频信号含有距离信息和速度信息．图２　动目标几何模型２　三角波调制调频连续波动目标信号模型分析调频连续波雷达发射信号是时间的函数，其特殊的工作体制决定了其在一个扫频周期内连续的发射信号．对于动目标来说，径向速度会造成目标距离向的图像模糊，方位向速度和距离向加速度会造成图像的方位向散焦［３］．以下分析中，主要考虑目标径向速度的影响，而对径向加速度以及方位向速度暂不考虑，其几何模型如图２所示，瞬时斜距的表达式为犚′（狋，犚０）（＝（犚０－狏狉狋）２＋（狏狋））２１／２　，（２）其中犚０为目标的最近斜距，狏狉为目标的径向速度，狏为载机的飞行速度，狋为全时间，且狋＝狋犿＋＾狋，狋犿为方位慢时间，＾狋为距离快时间，将犚′（狋，犚０）在狋＝０附近作二阶泰勒展开，得犚′（狋，犚０）≈犚０－狏狉狋＋狏２狋２／（２犚０）　，（３）把狋＝狋犿＋＾狋代入上式，得犚′≈犚０－狏狉狋犿－狏狉＾狋＋狏２狋２犿２犚０＋狏２＾狋２２犚０＋狏２狋犿犚０＾狋（≈犚２０＋狏２狋２）犿１／２＋狏２＾狋２２犚０＋狏２狋犿犚０＾狋－狏狉狋犿－狏狉＾狋　，（４）上式中，狏２＾狋２２犚０的值很小，可以忽略不计，令犚（＝犚２０＋狏２狋２）犿１／２，则有狏２狋犿犚０＾狋约等于狏２狋犿犚＾狋，此时犚′可以表示为犚′≈犚＋（狏２狋犿／犚）＾狋－狏狉狋犿－狏狉＾狋　．（５）调频连续波Ｄｅｃｈｉｒｐ接收回波信号可以表示为［４］狊（＾狋，狋犿）＝犃·ｒｅｃｔ＾狋－２·犚′（＾狋，狋犿）／犆犜［］ｐ·ｅｘｐ－ｊ４πλ犚′（＾狋，狋犿［］）·ｅｘｐ－ｊ４π犆γ（犚′（＾狋，狋犿）－犚ｒｅｆ）＾狋－２犚ｒｅｆ（）［］犆·ｅｘｐｊ４πγ犆２（犚′（＾狋，狋犿）－犚ｒｅｆ）［］２　，（６）其中犃为复常数，犜ｐ为脉冲持续时间，λ为载波波长，犚ｒｅｆ为参考距离，一般选在场景中心，γ为距离向调频率，对于三角波调制的调频连续波信号，γ有正有负．将犚′表达式代入上式，化简得７８５第４期　　　　　　　　　　　　　　梁　毅等：采用调频连续波的高速动目标检测方法狊（＾狋，狋犿）＝犃·ｒｅｃｔ＾狋－２·（犚－狏狉狋犿）／犆犜［］ｐ·ｅｘｐ－ｊ４πλ（）犚·ｅｘｐ－ｊ４πλ狏２狋犿犚＾（）狋·ｅｘｐｊ４πλ狏狉狋（）犿·ｅｘｐｊ４πλ狏狉＾（）狋·ｅｘｐ－ｊ４π犆γ（犚－狏狉狋犿－犚ｒｅｆ）＾狋－２犚ｒｅｆ（）［］犆·ｅｘｐｊ４πγ犆２（犚－犚ｒｅｆ）［］２　．（７）分析上式，第１个指数项为方位向的相位历程，决定方位向的聚焦；第２个指数项为平台连续运动引入的多普勒频移项［５］，为方位慢时间的１次项，相当于多普勒频率项，该项会引起越距离单元徙动，一般在方位频域补偿掉该项；第３个指数项为目标的径向速度引入的关于方位慢时间的线性相位项，会引起动目标方位谱的搬移，其搬移量为犳Ｄ＝２狏狉／λ，会使动目标的位置产生方位向的偏移；第４个指数项为目标径向速度引入的关于距离快时间的线性相位项，对于距离Ｄｅｃｈｉｒｐ数据，由于是在距离频域成像，该项会使目标的成像位置产生径向移动，对于脉冲式ＳＡＲ，这一项的影响是可以忽略的，但是对于调频连续波ＳＡＲ，该项还是相当可观的，后面分析中可以看出这一点；第５个指数项为距离向信号，反映目标的距离向位置，其中狏狉狋犿＾狋项为距离、方位的耦合项，会造成动目标成像的距离向模糊；第６个指数项为ＲＶＰ项（残余视频相位），在调频连续波ＳＡＲ中，这一项的影响可以忽略或者补偿［６］．前面分析中提到过，第３个指数项会引起动目标方位谱的搬移，由此会引起目标方位位置的偏移，计算其偏移量为Δ狓＝犚０狏狉狏＝犚０λ２狏犳Ｄ＝犔狏犇２犳Ｄ＝ρ犪犳Ｄ犜犪　，（８）上式中犳Ｄ为动目标多普勒谱搬移量，狏为载机飞行速度，犔为数据支撑区长度（犔≈犚０θ３ｄＢ，θ３ｄＢ表示３ｄＢ方位波束宽度），犇为天线方位向孔径，ρ犪为方位向分辨率，犜犪为合成孔径时间．如果Δ狓超过犔／２就会造成模糊，模糊的Δ狓值为［２］Δ狓′＝Δ狓＋犔（）２ｍｏｄ（）犔－犔２　．（９）这主要是由于多普勒频率模糊所造成的．第４个指数项会引起动目标成像位置的径向移动，其移动量为Δ犚＝２狏狉λ·犆２γ＝犳犮狏狉γ＝犆２犅犳犮犆狏狉犜ｐ＝ρ狉犳ＤＰＲＦ　，（１０）其中犅为发射信号带宽，ρ狉为距离分辨率，ＰＲＦ为脉冲持续时间一半的倒数．需要说明的是，动目标成像位置的径向移动是调频连续波雷达所特有的，对于脉冲式ＳＡＲ，由于脉冲持续时间很短，Δ犚是很小的，可以忽略不计．Δ犚的符号与狏狉和γ的符号有关，对于正、负调频信号，Δ犚的移动方向是相反的．下一节的基于三角波调频连续波高速动目标检测就是利用Δ犚这个径向偏移．３　三角波调制调频连续波动目标检测原理对于三角波调制的调频连续波信号，可以用正、负调频信号分别成像，在获得的两幅图像中，当补偿了载机在发射信号和接收信号的过程中连续运动引入的多普勒频移项，以及正、负调频信号成像之间的时间差对图像的影响后（图像配准），两幅图像对静止目标和地面慢速目标成像相同，而对速度部分模糊或完全模糊的情况，相当于速度较高的情况下，两幅图像之间存在由于速度模糊次数引入的相位差，这样当两幅图像作ＤＰＣＡ处理相减时，对静止目标（杂波）和地面慢速目标可以完全相消，对于有模糊的情况，由于是矢量算术运算，仍有剩余（当速度模糊次数为奇次时，不仅是由于相位差不能抵消，同时还是由于径向的偏移；当速度模糊次数为偶次时，主要是由于径向偏移导致动目标图像不能对消）