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基于回波序列最小二乘拟合的高分辨率SAR运动目标速度估计

王超 王岩飞 王琦 詹学丽

引用本文: 王超, 王岩飞, 王琦, 詹学丽. 基于回波序列最小二乘拟合的高分辨率SAR运动目标速度估计[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(5): 1055-1062. doi: 10.11999/JEIT180695 shu
Citation:  Chao WANG, Yanfei WANG, Qi WANG, Xueli ZHAN. Velocity Estimation of Moving Targets Based on Least Square Fitting of High-resolution SAR Echo Sequences[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2019, 41(5): 1055-1062. doi: 10.11999/JEIT180695 shu

基于回波序列最小二乘拟合的高分辨率SAR运动目标速度估计

    作者简介: 王超: 男,1983年生,博士生,研究方向为SAR信号处理等;
    王岩飞: 男,1963年生,研究员,博士生导师,研究方向为微波成像雷达系统及其理论、数字信号处理等;
    王琦: 男,1976年生,副研究员,研究方向为SAR信号处理等;
    詹学丽: 男,1976年生,副研究员,研究方向为SAR信号处理等
    通讯作者: 王超,wangchao_thu@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFB0503001),国家自然科学基金(61471340)

摘要: 运动目标速度估计是机载单天线高分辨率合成孔径雷达(SAR)实现运动目标成像和定位的关键环节。针对现有方法运算量大、易受距离徙动干扰等缺点,该文提出一种基于回波序列最小二乘拟合的速度估计方法。利用该方法,首先通过包络相关提取相邻回波序列的距离变化量,然后对其做最小二乘线性拟合,目标的距离向速度和方位向速度可由拟合系数计算得到。与传统方法相比,该方法不仅计算量小,而且无须先做距离徙动校正(RCMC)。该文给出了新方法的数学模型和参数选取原则,分析了该方法的估计精度、计算量和适用条件,并通过仿真和实际数据处理验证了该方法的有效性。

English

    1. [1]

      RANEY R K. Synthetic aperture imaging radar and moving targets[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1971, AES-7(3): 499–505. doi: 10.1109/TAES.1971.310292

    2. [2]

      LI Yake, WANG Yanfei, and LIU Chang. Detect and autofocus the moving target by its range walk in time domain[C]. Proceedings of 2011 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing, Nanjing, China, 2011: 1-5. doi: 10.1109/WCSP.2011.6096755.

    3. [3]

      王智睿, 张旭东, 许稼. 基于Radon变换的SAR地面运动目标径向速度估计[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2015, 55(8): 860–865. doi: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.08.008
      WANG Zhirui, ZHANG Xudong, and XU Jia. Radial velocity estimation based on Radon transforms for SAR images of moving ground targets[J]. Journal of Tsinghua University:Science and Technology, 2015, 55(8): 860–865. doi: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.08.008

    4. [4]

      SAMCZYNSKI P and KULPA K S. Coherent MapDrift technique[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010, 48(3): 1505–1517. doi: 10.1109/TGRS.2009.2032241

    5. [5]

      李亚超, 周峰, 邢孟道, 等. 一种直升机的舰船Dechirp实测数据SAR成像方法[J]. 电子与信息学报, 2007, 29(8): 1794–1798. doi: 10.3724/SP.J.1146.2005.01535
      LI Yachao, ZHOU Feng, XING Mengdao, et al. An effective method for ship dechirp data imaging in helicopter SAR system[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2007, 29(8): 1794–1798. doi: 10.3724/SP.J.1146.2005.01535

    6. [6]

      HUANG Penghui, LIAO Guisheng, YANG Zhiwei, et al. A fast SAR imaging method for ground moving target using a second-order WVD transform[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2016, 54(4): 1940–1956. doi: 10.1109/TGRS.2015.2490582

    7. [7]

      ZHOU F, WU R, XING M, et al. Approach for single channel SAR ground moving target imaging and motion parameter estimation[J]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2007, 1(1): 59–66. doi: 10.1049/iet-rsn:20060040

    8. [8]

      YANG Jiefang, ZHANG Yunhua, and KANG Xueyan. A Doppler ambiguity tolerated algorithm for airborne SAR ground moving target imaging and motion parameters estimation[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2015, 12(12): 2398–2402. doi: 10.1109/LGRS.2015.2478799

    9. [9]

      KIRSCHT M. Detection and velocity estimation of moving objects in a sequence of single-look SAR images[C]. Proceedings of 1996 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Lincoln, USA, 1996: 333–335.

    10. [10]

      盛蔚, 毛士艺. 一种合成孔径雷达对地面运动目标成像和精确定位的算法[J]. 电子与信息学报, 2004, 26(4): 598–606.
      SHENG Wei and MAO Shiyi. An effective method for ground moving target imaging and location in SAR system[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2004, 26(4): 598–606.

    11. [11]

      WANG Zhirui, XIA Xianggen, XU Jia, et al. Ground moving target imaging based on 2-D velocity search in high resolution SAR[C]. Proceedings of 2017 IEEE Radar Conference, Seattle, USA, 2017: 68–72.

    12. [12]

      GU Dandan, LIANG Zichang, WU Yajun, et al. Efficient motion compensation of moving targets in SAR imaging[C]. Proceedings of 2017 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium, Suzhou, China, 2017: 1–2.

    13. [13]

      SHI Hongyin, YANG Xiaoyan, ZHOU Qiuxiao, et al. SAR slow moving target imaging based on over-sampling smooth algorithm[J]. Chinese Journal of Electronics, 2017, 26(4): 876–882. doi: 10.1049/cje.2017.06.005

    14. [14]

      SU Jia, TAO Haihong, WANG Ling, et al. Coherently integrated cubic function based Doppler parameters estimation for moving-target imaging[C]. Proceedings of 2017 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium, Suzhou, China, 2017: 1–2.

    15. [15]

      LI Dong, ZHAN Muyang, SU Jia, et al. Performances analysis of coherently integrated CPF for LFM signal under low SNR and its application to ground moving target imaging[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2017, 55(11): 6402–6419. doi: 10.1109/TGRS.2017.2727508

    16. [16]

      WANG Hanyun and JIANG Yicheng. Real-time parameter estimation for SAR moving target based on WVD slice and FrFT[J]. Electronics Letters, 2018, 54(1): 47–49. doi: 10.1049/el.2017.1740

    17. [17]

      LI Zhongyu, WU Junjie, LIU Zhutian, et al. An optimal 2-D spectrum matching method for SAR ground moving target imaging[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2018, 56(10): 5961–5974. doi: 10.1109/TGRS.2018.2829166

    18. [18]

      DELISLE G Y and WU Haiqing. Moving target imaging and trajectory computation using ISAR[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1994, 30(3): 887–899. doi: 10.1109/7.303757

    19. [19]

      STRUTZ T. Data Fitting and Uncertainty: A Practical Introduction to Weighted Least Squares and Beyond[M]. Wiesbaden, Vieweg + Teubner, 2011: 89–91.

    20. [20]

      王琦, 王岩飞. 利用短时FFT的距离-多普勒域SAR运动目标检测[J]. 电子与信息学报, 2006, 28(4): 628–631.
      WANG Qi and WANG Yanfei. Moving target detection with short time FFT for SAR[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2006, 28(4): 628–631.

    1. [1]

      姜文, 牛杰, 吴一戎, 梁兴东. 机载多通道SAR运动目标方位向速度和法向速度联合估计算法. 电子与信息学报, 2020, 42(6): 1542-1548.

    2. [2]

      刘新, 阎焜, 杨光耀, 叶盛波, 张群英, 方广有. UWB-MIMO穿墙雷达三维成像与运动补偿算法研究. 电子与信息学报, 2020, 41(0): 1-8.

    3. [3]

      李根, 马彦恒, 侯建强, 徐公国. 基于子孔径Keystone变换的曲线轨迹大斜视SAR回波模拟. 电子与信息学报, 2020, 41(0): 1-8.

    4. [4]

      吕晓德, 孙正豪, 刘忠胜, 张汉良, 刘平羽. 基于二阶统计量盲源分离算法的无源雷达同频干扰抑制研究. 电子与信息学报, 2020, 42(5): 1288-1296.

    5. [5]

      宋晨, 周良将, 吴一戎, 丁赤飚. 基于时频集中度指标的多旋翼无人机微动特征参数估计方法. 电子与信息学报, 2020, 42(0): 1-8.

    6. [6]

      李根, 马彦恒, 侯建强, 徐公国. 基于Keystone变换和扰动重采样的机动平台大斜视SAR成像方法. 电子与信息学报, 2020, 42(0): 1-8.

    7. [7]

      陈家祯, 吴为民, 郑子华, 叶锋, 连桂仁, 许力. 基于虚拟光学的视觉显著目标可控放大重建. 电子与信息学报, 2020, 42(5): 1209-1215.

    8. [8]

      刘政怡, 刘俊雷, 赵鹏. 基于样本选择的RGBD图像协同显著目标检测. 电子与信息学报, 2020, 42(0): 1-8.

    9. [9]

      吴奇, 陈鸿昶. 软件定义网络容错控制平面的最小覆盖布局方法. 电子与信息学报, 2020, 42(0): 1-8.

    10. [10]

      张凯, 陈彬, 许志伟. 基于多目标进化策略算法的DNA核酸编码设计. 电子与信息学报, 2020, 42(6): 1365-1373.

    11. [11]

      黄静琪, 胡琛, 孙山鹏, 高翔, 何兵. 一种基于异步传感器网络的空间目标分布式跟踪方法. 电子与信息学报, 2020, 42(5): 1132-1139.

    12. [12]

      张文明, 姚振飞, 高雅昆, 李海滨. 一种平衡准确性以及高效性的显著性目标检测深度卷积网络模型. 电子与信息学报, 2020, 42(5): 1201-1208.

    13. [13]

      陈根华, 陈伯孝. 复杂多径信号下基于空域变换的米波雷达稳健测高算法. 电子与信息学报, 2020, 42(5): 1297-1302.

    14. [14]

      刘汝卿, 蒋衍, 姜成昊, 李锋, 朱精果. 应用于激光雷达信号处理系统的放大电路接口设计. 电子与信息学报, 2020, 42(7): 1636-1642.

    15. [15]

      孙闽红, 丁辰伟, 张树奇, 鲁加战, 邵鹏飞. 基于统计相关差异的多基地雷达拖引欺骗干扰识别. 电子与信息学报, 2020, 42(0): 1-7.

    16. [16]

      张坤, 水鹏朗, 王光辉. 相参雷达K分布海杂波背景下非相干积累恒虚警检测方法. 电子与信息学报, 2020, 41(0): 1-9.

  • 图 1  运动目标和载机的几何关系

    图 2  回波序列示意图

    图 3  本文算法流程图

    图 4  最小二乘拟合结果

    图 5  运动目标与静止场景的合成SAR图像

    表 1  雷达仿真参数

    参数名称参数值
    距离向点数2048
    方位向点数32768
    中心频率(GHz)15.6
    距离向采样率(GHz)1
    信号带宽(MHz)700
    信号脉宽(μs)2
    飞机地速(m/s)80
    脉冲重复频率(Hz)1440
    中心斜距(km)15
    目标1距离向速度(m/s)3
    目标1方位向速度(m/s)–20
    目标2距离向速度(m/s)–10
    目标2方位向速度(m/s)–10
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    表 2  匀速运动目标距离向速度估计结果

    目标编号Hough变换速度估计结果 (m/s)Hough变换估计相对误差(%)本文算法速度估计结果(m/s)本文算法估计相对误差(%)
    目标13.3411.503.062.25
    目标2–10.171.75–9.920.80
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    表 3  匀速运动目标方位向速度估计结果

    目标编号MD速度估计结果(m/s)MD估计相对误差(%)本文算法速度估计结果(m/s)本文算法估计相对误差(%)
    目标1–20.502.54–20.713.58
    目标2–9.980.16–10.060.60
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    表 4  算法运算时间(s)

    目标编号Hough变换执行时间MD执行时间本文算法执行时间
    目标12.9632.260.50
    目标23.4424.780.34
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    表 5  加速运动目标距离向速度估计结果

    目标编号Hough变换速度估计结果 (m/s)Hough变换估计相对误差(%)本文算法速度估计结果(m/s)本文算法估计相对误差(%)
    目标3–13.5035.00–9.930.70
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    表 7  加速运动目标方位调频率估计结果

    目标编号MD速度估计结果(Hz/s)MD估计相对误差(%)本文算法速度估计结果(Hz/s)本文算法估计相对误差(%)
    目标3444.67313.3108.080.46
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    表 6  加速运动目标方位向速度估计结果

    目标编号MD 速度估计结果(m/s)MD估计相对误差(%)本文算法速度估计结果(m/s)本文算法估计相对误差(%)
    目标3–173.241632.40–45.49354.90
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    表 8  清除地杂波频谱后的速度估计结果

    波束角(°)距离向速度估计结果(m/s)距离向速度估计相对误差(%)方位向速度估计结果(m/s)方位向速度估计相对误差(%)
    12.932.33–21.839.15
    33.279.00–23.9019.50
    54.0133.67–24.9324.65
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    表 9  不同信噪比下的速度估计结果

    信噪比(dB)距离向速度估计结果(m/s)距离向速度估计相对误差(%)方位向速度估计结果(m/s)方位向速度估计相对误差(%)
    0–9.920.80–10.060.60
    –20–9.930.70–9.683.20
    –30–9.742.60–14.3043.00
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    表 10  实测数据参数

    参数名称参数值
    距离向点数733
    方位向点数32768
    中心频率(GHz)15.6
    距离向采样率(GHz)1
    信号带宽(MHz)700
    信号脉宽(μs)60
    飞机地速(m/s)78
    脉冲重复频率(Hz)1400
    中心斜距(km)33
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  • 通讯作者:  王超, wangchao_thu@163.com
  • 收稿日期:  2018-07-13
  • 录用日期:  2019-01-17
  • 网络出版日期:  2019-01-31
  • 刊出日期:  2019-05-01
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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