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合成孔径雷达地面运动面目标检测方法分析.pdf

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合成孔径雷达地面运动面目标检测方法研究Abstract●。。-。。。l。。●-。。。。。。。。_。_。。--。。●_--_●-___-●●______--___--_---____-●_。____-________________-______________-_●_-____---_一一~AbstractGround moving area targets detection based on synthetic aperture radarSARhasbeen studied in this dissertation.Ground moving target indicationGMTIis a hotresearch topic in the SAR community and plays an important role in both military andcivilian fields.The history and the development of SAR are reviewed first and then this dissertationstudies thoroughly two classical s of multi.channel SAR moving targetsdetection~displaced phase center antennaDPCAand adaptive matched filteringAMF.Subsequently this dissertation proposes a new for SAR moving targetsdetection in complex image domain which has two-parameter-weights based onextended targets with relatively low SNR.This uses the statistical-property ruleof the mean value and the variance.Therefore,the detection image can be obtained bymultiplying the mean value and variance of the test cell.Finally we detect the areatargets of the SAR image Can be detected by the global constant false alarm ratioCFARtechnique.By analyzing the detection of the area targets with low SNR,it is shown thatdetection perance of proposed is beRer than that of conventional CFARdetection algorithms for extended targets with low SNR by experimental results.Key wordsSynthetic aperture radarSARArea targets detection Displaced phasecenter antennaDPCAadaptive matched filteringAMFIVStudy on Ground Moving Area Targets Detection Based On Synthetic Aperture Radar目录目录第一章绪论.11.1合成孔径雷达的简介及发展历史l1.2运动目标检测和成像的意义和研究现状31.3低信噪比面目标检测技术的背景及意义51.4本文主要内容及安排.6第二章相位中心偏置天线DPCA技术动目标检测..72.1引言..72.2 DPCA基本原理72.3复图像域以及距离一多普勒域动目标检测原理及方法..82.4多种DPCA的实现形式技术1 22.4.1 DPCA的基本原理..122.4.2多相位中心DPCA技术.122.4.3多相位中心一多延迟处理DPCA技术.132.5 DPCA杂波对消动目标检测仿真.142.6小结l 9第三章图像域多像素自适应匹配滤波AMF动目标检测2l3.1引言2l3.2数据模型..2l3.3双天线SAR系统动目标检测及定位估计233.4仿真验证..263.5小结29第四章双参数加权的低信噪比面目标检测方法314.1引言3 l4.2地面运动面目标信号模型..324.3算法描述..334.4参数确定354.4.1均值平滑窗的确定354.4.2方差平滑窗的确定374.5仿真结果与性能比较分析..384.6结{仑4 l第五章结束语.43致谢.45参考文献47合成孔径雷达地面运动面目标检测方法研究第一章绪论第一章绪论1.1合成孔径雷达的简介及发展历史合成孔径雷达Synthetic Aperture Radar,简称SAR是一种高分辨率的成像雷达,它通过发射大带宽信号或极窄脉冲来获得高的距离分辨率,利用合成孔径技术获得高的方位向分辨率,从而具有许多其他遥感设备所不具有的特点,在国民经济和军事领域有着广泛的应用Il圳。它是一种主动式雷达,可以进行全天候、全天时的成像,而且可以通过选择适当的工作波长,对植被覆盖的地物进行成像;同时由于其采用的是侧视成像方式,测绘带可以离航迹很远。SAR采用相关的雷达系统和单个以上的天线来模拟真实线性阵中所有的天线功能【5】。单个天线依次占据合成阵列空间的位置,将各个位置接收的信号的幅度和相位存储起来,再经过处理,生成被雷达所照射区域的地物的反射性图像。合成孔径的概念最初是1951年6月由美国Goodyear航空公司的Carl Wi ley在报告“用相干移动雷达信号频率分析来获得高的角分辨率”中首先提出了可以用频率分析的方法改善雷达的角分辨率,即“多普勒波束锐化”技术,这就是合、成孔径的最初思想16‘7l。人们利用载体的规则运动,将沿雷达载体航线上收集的回波数据相干迭加起来,等效成一个长的合成孔径产生的回波数据,来改善方位分辨率,这就是早在上个世纪五十年代就已经提出的突破性的技术一“合成孔径”。合成孔径的长度远远大于真实孔径,因而波束宽度将远远小于真实天线的波束宽度,大大改善了方位分辨率。将雷达安装在飞机或卫星上,在飞行过程中发射和接收宽频带的信号对固定的地面场景作观测,则将接收存贮的信号作合成阵列处理,便得到径向距离分辨率和横向距离分辨率均很高的地面场景图像,合成孔径雷达正是由此得名的。美国Michigan大学于1957年研制出第一个聚焦式光学处理机载合成孔径雷达系统,得到了第一幅全聚焦的SAR图像。从此SAR进入了实际应用阶段。六十年代初,SAR系统的分辨率在十米量级,采用非实时光学和模拟电子处理技术,七十年代随着电子技术的飞速发展,使得SAR数字处理成为可能。由于数字处理系统具有数据处理的灵活性,SAR实现了非实时数字成像处理,系统分辨率达到了米量级。进入八十年代,在对星载SAR开始发展的同时,对机载SAR的研究也不断的深入。多频、多极化、多模式工作体制的SAR系统,实时成像处理器技术,新体制的SAR系统,成为新的研究热点和方向。比如八十年代美国成功研制的一系列多频、多极化、多入射角的机载SAR,德国的E-SAR、丹麦的SAR2 合成孔径雷达地面运动面目标检测方法研究系统等。在国内,中科院电子所于1976年率先开始进行SAR技术的研究工作。1979年中国科学院电子学研究所在国内首次成功研制出机载SAR模样机,并获得我国第一幅SAR图像,图像距离向分辨率为180m,方位向分辨率为30m,光学记录,光学成像;1983年又由中科院电子所研制出单通道、单极化、单侧视机载SAR系统,雷达HH水平极化,图像分辨率为15x15m,光学记录,光学成像;1987年成功研制出多条带、多极化、双侧视机载SAR系统,可以从HH,HV,VI一1,VV四种极化形式中任选一种工作,有双侧视功能,分辨率为lOxlOm,光学记录、光学成像;1994年研制成功机载SAR实时成像处理器,实现了对现有10 m分辨率的机载SAR信号的实时成像处理,获得了我国第一批实时数字成像的机载SAR图像;1995年完成多极化同时成像的机载SAR研制,能够实现HH,HV或VV,VH两种极化同时成像的功能,图像分辨率为lOxlOm,光学记录,光学成像;1999年完成“机载成像雷达侦察系统设计方案”,两种分辨率模式,最高分辨率为2.5m,能实现数字记录和数字成像。2002年中国电子科技集团38所、14所等也成功获得高分辨率的SAR图像。从国内外的情况来看,可以说SAR经历了从光学记录成像到数字记录成像,从低分辨率到高分辨率,从单通道、单极化到多通道、多极化,从单频到多频、从单工作模式到多工作模式,以及向新体制系统的发展过程。SAR之所以能引起全世界科技界的普遍关注和重视是由于它显著的特点决定的,可以归结为以下几点1、它是一种主动式微波遥感设备,依靠本身的微波辐射工作,可以全天时、全天候成像,不受云、雾、阴、雨等气候条件及日照的影响;2、它能获得高分辨率和高的成像精度,其理论上的方位向分辨率只与天线方位向尺寸有关,与雷达工作波长、载机飞行高度、雷达作用距离无关,在太空或高空都能有效工作,这使得它的应用范围更大;3、它含多种散射信息,由于不同的目标往往具有不同的介电常数、表面粗糙度等不同的物理化学特性,它们对微波的不同频率、入射角及极化方式将呈现不J司的散射特性和彳i同的穿透性,因而不同的用户可以从图像中提取各自所需要的信息;4、它采用侧视成像方式,测绘带可以离航迹很远,有利于载体的飞行安全正是由于具有上述诸多的优点,使SAR成为不可替代的遥感工具。SAR在军事上具有广泛的应用,它作为军事侦察方面的有力武器,成为战场或战术侦察中不可缺少的工具。SAR在国民经济各领域亦有广泛的应用,它可以用来普查地址结构,研究地质、岩石及矿物的分布;可测绘大面积地图,研究地形地物的变迁;可研究海洋的污染、监视海藻、测绘海洋图;可用来测定土壤湿度及其分布可用于第一章绪论鉴别农作物,研究其生长,估计产量,防止病虫害等。总之,在各方面,SAR都发挥着越来越重要的作用。1.2运动目标检测和成像的意义和研究现状检测地面运动目标是现代雷达要完成的基本功能之一。合成孔径雷达地面运动目标检测与成像对于军事应用而言具有至关重要意义,其是SAR在军事应用中必须要解决的问题。SAP,作为战术侦察的一部分,必须要对战场进行连续、及时与清晰的监视,并且为势态评估、指挥与控制提供更多的有用的信息。由于战场上存在大量的运动目标如,地面上的汽车、海面上的舰只、坦克、火车等,因此监视这些运动目标是获知敌方军事意图的重要途径之一而这些军事设备的调遣,则可能意味着敌方有了新的军事意图,应该得到我们的高度的重视;此外,相对于静止目标而言,战场上的运动目标则更具有直接的危险性如移动式火箭发射器、军用车辆和自行火炮等机动武器,可能会对我方的雷达平台造成严重的。威胁。因此对于地面运动目标的监视与成像便成为了当前国内外机载和星载对地观测雷达研究的一个重中之重。而在民事应用领域方面,SAR图像的运动目标检测与成像也同样具有相同的重要意义。例如,通过监视陆地上的车辆与海面上的t船只的运行情况,可为交通管理提供必要的控制信息等。经过多年的研究和发展,SAR作为一种成像雷达,对地面静止目标或场景的成像技术己经趋于成熟和完善。但是,人们总是希望能够检测到地面运动目标并尽可能使地面运动目标重新聚焦成像,或者同时获得聚焦的地面运动目标和静止目标的雷达图像,并可将地面运动目标标注在静止目标图像上。但是大多数SAR系统不具备在得到静止目标成像的同时并可检测并聚焦运动目标的能力。在包含静止目标的雷达图像上,运动目标会出现模糊、散焦现象,并且地面运动目标的方位位置会发生偏移,此时对地面运动目标进行检测和成像基本上是不可能的,因此必须寻求和发展新的地面运动目标检测和成像技术。SAR系统利用雷达与地面场景之间的相对运动,通过信号处理和运动补偿的方法得到高的方位向分辨率。对静止目标而言,目标和雷达之11|J的相刘’速度是由雷达平台运动而引起,而运动目标则由于运动目标本身就具有一定的运动特性,使得运动目标在整个合成孔径内的变化情况与静止目标不相同,导致这两者的多普勒频率特性也不一致,因此如果用静止目标的参考函数对运动目标进行成像,必然会造成运动目标图像质量下降。但是由于实际中不知道运动目标的运动规律,也不能依赖于惯导系统提供的参数,因此就必须将动目标检测技术和SAR技术有效的结合起来,使其不仅能够区分出运动目标和静止目标,还能够高分辨率的显示包含静止目标和运动目标的图像。SAR运动目标检测和成像处理的基本步骤4 合成孔径雷达地面运动面目标检测方法研究为l、分离动静目标,抑制地杂波信号,提高运动目标的信杂比,从而能够以一定的检测概率和虚警概率检测运动目标;2、对分离后的运动目标信号进行分析,精确估计动目标的运动特性,提取相应的运动目标的参数3、对运动目标的多普勒信号进行运动补偿,根据估计的多普勒参数,对动目标进行重新聚焦成像处理。利用单天线单孔径系统进行杂波抑制比较困难,目前主要有两种方法,一种方法是利用静止场景中相邻分辨单元的彼此相关性,并利用运动目标的相邻区域的不相关性,可以使用线性预测法得到静止场景回波的估计值,再利用实际的分辨单元值减去之前估计出的估计值,就可得到运动目标的分量,该方法被称为逆相关矩阵法。另外一种方法是在运动目标的回波频谱与静止目标的频谱是不重叠的假定的情况下,通过对整个回波信号进行一定的滤波处理,就可以完全分离出静止目标和运动目标频谱,从而将运动目标检测出来。上述两种方法虽然基本上能够抑制杂波,但是很难估计运动目标的运动参数,也无法对运动目标进行精确的聚焦成像。多天线多孔径SAR系统由于能同时接收两路或者多路回波信号,通过对多路信号进行处理就可有效地抑制地杂波,检测到动目标。目前多天线SAR系统动目标检测的方法主要有相位中心偏置天线技术、多像素自适应处理等。在多孔径的情况下还能够估计目标速度及位置,并对运动目标进行精确的聚焦成像。SAR-GMTI的关键技术突破于上个世纪七十年代,美国科学家R.Keith Raney在其论述机载SAR对地面运动目标检测方、法【8】中提出了一种基于多普勒滤波的检测方法一频率检测法;在提出这种方法的同时又提出了相位检测法,并且分析了运动目标方位向和距离向速度即加速度对SAR成像的影响。1984至1987年,A.Freeman提出了前置滤波法【9】。其基本原理是利用运动目标的频谱和地杂波频谱的不同来检测动目标和聚焦成像。1990年S.Barbarossa和A.Farina提出了用时频分析法中的WVD来检测运动目标【10。21,由此估计出的相位历程对高分辨率成像非常有用。此后人们在此基础上义提出比如采刚扩展WVD的方法、引入霍夫变换的WVDHT法等消除WVD交叉项的方法。1992年Hern-Chung Chen和C.D.McGillem认为图像中的运动目标可以通过雷达回波的频谱特性分析出来【131,将运动目标频谱移动到零频,从而实现运动目标的更好定位。1994年至1995年J.R.Moreira等提出了用RDM法来检测运动目标,并估计其运动参数的理论【H】,并给出了实验结果。1998年R.P.Perry等提出了用Keystone来消除目标回波中的线性位移项,继而消除高次项,从而获得运动目标图像的方法。第一章绪论上述给出了单通道运动目标检测和成像方法的发展状况,在单通道情况下,回波中大量的强杂波使得淹没在其中的动目标难以检测。并且仅由一个通道检测出来的运动目标无法正确确定目标位置所包含的所有信息。因此,自从上世纪七十年代提出多天线系统动目标检测和成像后,该技术就不断应用于运动目标检测。多通道SARGMTI比单通道运动目标检测更具有优势。1.3低信噪比面目标检测技术的背景及意义合成孔径雷达波照射地表,地表上的地物信息在SAR图像是以各种各样的形式表现出来。按照几种主要的分类标准,大体上可进行如下的分类按照目标几何形状的不同可分为点目标、线目标、面目标的组合。根据同一目标在不同分辨率下的成像特点,以及在同一分辨单元下不同目标的成像特点,点目标即为几何尺寸小于一个图像分辨单元的目标;线状目标是在SAR图像中往往具有一定形状的线性的目标,如铁路、公路、桥梁、输电线以及水路界限等,由于线性目标往往具有特殊的形状,所以不同线目标的处理方法通常具有其特殊性,适用于一种目标的方法对其他目标常常不适用;面目标是在图像中占有一定面积的目标,包括坦克、车辆以及小型的建筑物等。在SARGMTI工作模式中,提高SAR图像分辨率,可提高沿航迹获得的SAR图像对应分辨单元的杂波相干性,而且可以在限定的程度上减轻杂波分辨单元内地形高低起伏的影响,有利于利用杂波抑制方法消除杂波。但是在高分辨SAR图像中,一些目标如坦克、车辆、小型建筑物等因为占据多个分辨单元而成为面目标。地面面目标检测是一项具有挑战性的任务,现有的动目标检测方法主要针对点目标进行检测。通过仿真验证可得,在经过DPCA等经典的杂波抑制方法进行杂波抑制之后,发现运动面目标与运动点目标的改善因子存在差距,因此可得,在杂波抑制后,面目标相对点目标而言损失程度更大,因此SAR图像的地面面目标更难被检测出来。目前在多孔径动目标检测的实现算法申,相位中心偏置天线方法和多像素自适应匹配滤波方法是两种有效的多通道图像与运动目标检测方法。但是实验表明由于探测和跟踪的目标一般距离较远,因此目标亮度较低,并且同时受到云层、海洋、树木等背景噪声及与信号不相关的高斯白噪声的干扰,信噪比较低,在检测低信噪比的运动目标时发现在使用上述动目标检测方法时的检测性能不佳。针对此种情况,MariafUSl等人提出了基于小波变换的多分辨率分析在图像域抑制海杂波,改善了船舰目标的检测性能,但是,该方法主要针对单通道SAR海杂波干扰,针对地面杂波其检测性能不佳,并不能检测出隐藏在强噪声中的弱小目标。
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