无人机雷达SAR/GMTI技术探讨

无人机雷达SAR/GMTI技术探讨

栗国华胡东

西安市勘察测绘院陕西西安710054

摘要：SAR/GMTI雷达既能提供高分辨的雷达图像，又能检测出地面动目标，有着很强的军事用途。通常，单通道和多通道SAR系统都能用于运动目标检测。单通道SAR系统（即只有一个接收天线的系统）有如下优点川：较低的硬件成本、数据处理时计算量较小、重量较轻，更适合无人机、预警机的快速机动飞行。

关键词：无人机雷达；SAR/GMTI；技术

机载雷达的天线多为前向阵，其静止杂波回波特性具有距离空变性，相较于正侧面阵雷达更为复杂，这使得基于正侧面阵雷达的多通道SAR/GMTI技术难以直接应用在前向阵雷达系统中。未来战争中复杂多变的战场形势要求前向阵雷达具备SAR/GMTI能力，现有基于前向阵雷达的多通道SAR/GMTI方法除STAP外公开发表的较少，而STAP在实际工程中难以实现。SAR/GMTI方法利用改进的DPCA技术实现动目标检测、测速与定位，具有较高性能且相对于STAP方法更容易在工程上实现，是对基于前向阵雷达的SAR/GMTI方法的有效补充。

一、SAR/GMTI原理

当SAR工作在GMTI模式时，天线将在方位向扫描。设雷达载机以速度，前进，雷达主波束方位角，俯仰角为口，雷达与地面点斜距为R，主波束方位向宽度为，雷达波长为入，脉冲发射重复频率。我们在方位向上通过处理，即可实现方位向分辨，距离向分辨则通过发射的线性调频信号进行脉冲压缩来实现。这就是SAR在GMTI模式下成像的基本原理，事实上在这种扫描模式下的成像处理等效于成像方法，当把SAR中的聚焦处理方法引进到成像方法中能有效提高雷达图像质量（限于篇幅，另文详述）。根据多普勒理论，由于载机与地面场景存在相对径向速度，则静止目标回波在频谱上有频移，而天线波束中心所照射到的目标回波反映在频谱上的位置就是杂波谱的中心位置。由于天线处于扫描状态，我们可以将方位向数据等间隔的划分为若干个相干处理单元，则动目标可能在跨越的连续几个GMTI中出现。通过点迹凝聚技术冈，可以减少同一目标不必要的重复处理。我们可以得到每帧（即每次天线扫描）数据的动目标检测结果，结果中含有距离向、方位向位置信息，动目标多普勒信息（反映了动目标径向速度），当然结果中也可能包含虚警。对连续的几帧数据，根据动目标的多种信息，进行帧间相关处理（也称为航迹相关处理），帧间相关处理是根据前一帧动目标的距离、方位、多普勒信息，在下一帧的一个合适的搜索域范围内寻找可能的相关目标（同一目标），然后以此方法继续在连续的几帧内寻找。这样大量虚警将在连续的帧间相关处理中消除，从而得到各动目标的运动参数、运动轨迹和运动趋势预测等。

二、无人机雷达SAR/GMTI技术

1.DCPA技术分析。DCPA是针对慢速运动目标的检测方法。DCPA对消法要求在平台的运动方向上有数个分开一定距离放置的接收天线和相应的接收通道，工作时这些通道独立地接收目标的回波，然后这些通道的回波将被相干处理。依据雷达在方位向分开放置的天线和接收通道的数量，对消分为两通道对消和三通道对消。三通道比两通道更好的动目标检测性能，目标运动参数的估计精度也更高。此外，在处理对消的盲速问题时，三通道比两通道有更多的选择余地。DCPA具体技术处理原理如下。假设雷达平台的运动速度，目标的径向速度雷达接收为两个子天线，雷达的脉冲重复频率满足主杂波在距离维和多普勒频率维不重叠。在SAR图像域检测动目标时，主要通过对图像插值和配准消去杂波，所以对雷达平台速度，天线中心间距和脉冲重复频率PRF之间不必严格满足DPCA条件的关系，扩大了DPCA在实际中的应用范围。同时由于在图像域动目标得到部分聚焦，提高了信杂比，更加有利于信号检测，所以本文将讨论图像域DPCA方法进行动目标检测。首先对两个通道回波数据分别进行SAR成像处理，得到两幅图像，分别进行插值处理，然后对两幅图像进行配准，配准后对两幅图像进行时间校准，将图像1时移一定时间，然后将二者相减消去杂波，使图像仅有噪声和动目标信号，此时就可通过设置一定的门限进行动目标检测。检测精度与图像插值、配准精度有关，插值和配准的精度越高，杂波消去程度越好，动目标检测效果越好。

2.在中等分辨率（例如10m×10m）下，典型地面运动目标可视为点目标，上述检测算法具有较好的检测性能，但是，它们均仅利用了动目标的径向速度信息．随着分辨率的提高，运动目标会占据多个分辨单元，呈现扩展目标特性（形状、尺寸等）；此外，雷达远距离探测时，运动目标因遮挡产生的阴影也凸显出来．静止目标阴影在SAR图像解译，包括SAR图像目标检测与识别等方面已经有广泛应用，动目标阴影信息的利用则相对较少，首先通过提取目标的正射阴影来得到目标形状信息，然后结合单幅SAR图像的强度检测结果与道路辅助信息来提高检测、定位性能。不过，该方法要求动目标在单幅SAＲ图像上可检测，即需要较高的信杂比；此外，实际SAR图像上的道路区域接近噪声电平，准确提取动目标的正射阴影较为困难。针对聚束模式，提出了利用多视SAＲ图像序列阴影位置变化来检测、跟踪动目标的方法，检测性能不受信杂比影响。

3.动目标轨迹再定位处理。当雷达图像中有动目标（含径向速度）时，它将在方位上产生移位，只要估算出了其运动参数，就可以通过多普勒搬移技术将其还原到它实际在图像上的位置。对点赋予一定的径向速度，则在图像上将出现一条运动轨迹，通过不同采样时间可得到其平均径向速度，这说明动目标可以通过多普勒搬移方法在图像中还原到它所在的实际方位位置。处理方法如下：首先通过方法检测到动目标，并得到动目标运动参数；然后通过雷达回波数据进行雷达成像，由于动目标已知，因此可以判知它在雷达图像中的距离向及方位向位置（此时方位向位置不准确，有位移）；最后通过雷达参数。对于地面运动目标而言，虽然成像后由于其径向速度导致目标方位向的位置偏移，以致难以直接找到与运动目标对应的阴影区域；但是利用目标测速和重定位以及运动目标几何尺寸与其阴影的对应关系，可实现目标与阴影的匹配处理。在图像域自适应抑制杂波后，采用恒虚警率技术（CFAＲ）初步检测出潜在运动目标的位置。然后通过聚类处理提取出潜在目标的形状信息，进而依据形成目标阴影的几何模型计算与目标形状相匹配的阴影模板，并利用目标径向速度估计值生成阴影位置匹配条件；同时利用图像分割与形态学处理对单幅SAＲ图像进行处理以获取处于噪声水平的闭合区域及其尺寸信息。根据阴影在形状与位置上的匹配模板，对定位后的搜索区域进行动目标阴影的匹配筛选，剔除虚假目标，降低虚警。如果潜在目标经过相应处理后同时满足上述两个匹配条件，则认为该潜在目标为感兴趣目标，进而可以利用与其相匹配的阴影区域重新估计目标的径向速度、方位向速度以及尺寸等信息；否则认为其为虚假目标，应予以剔除。

高分辨力实时机载雷达成像是目前较关注的研究领域，而SAR/GMTI技术不仅可以实时地获得大面积扇形区域的高分辨力雷达图像，也可对图像内动目标进行检测，因此引起了国内外研究无人机雷达工作者的关注。

参考文献：

[1]郑明洁.合成孔径雷达动目标检测和成像研究[D].[博士论文]，中国科学院电子学研究所，2016，6.