一種基于Radon變換的運動目標徑向速度估計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提供了一種基于Radon變換的運動目標徑向速度估計方法，屬于雷達信號 處理技術領域，用于雷達目標檢測、參數(shù)估計、運動目標成像和定位等。
【背景技術】
[0002] 在合成孔徑雷達（synthetic aperture radar,SAR)-運動目標檢測系統(tǒng)中，運動 目標徑向速度無模糊估計是實現(xiàn)運動目標成像和精確定位的必要前提。
[0003]運動目標徑向速度無模糊估計分為多通道和單通道方法。多通道方法在沿航跡干 涉系統(tǒng)構(gòu)型下，通過多載頻或多基線構(gòu)造多組包含運動目標徑向速度的干涉相位，利用不 同載頻或基線的參差關系解徑向速度模糊。但多通道方法面臨以下問題：系統(tǒng)實現(xiàn)成本較 高，通道間誤差和配準誤差等非理想因素對估計性能影響較大。傳統(tǒng)的單通道方法基于包 絡信息，利用距離走動與運動目標徑向速度線性相關的思想，估計運動目標的徑向速度。由 于包絡信息不受相位纏繞問題影響，所以估計的徑向速度是無模糊的。在單通道SAR系統(tǒng) 下，利用Radon變換通過二維搜索估計運動目標信號包絡的斜率，可以實現(xiàn)運動目標徑向速 度無模糊估計。但基于包絡信息的單通道估計方法存在以下三點問題：（1)由于目標包絡信 息并不敏感于運動目標參數(shù)，所以估計精度較低；（2)通過二維搜索估計參數(shù)，運算量較大；
[3] 二維搜索步長和參數(shù)估計精度需要折衷考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于:克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于Radon變換的運動目標徑 向速度快速且穩(wěn)健的估計方法，以提高系統(tǒng)實現(xiàn)的實時性和穩(wěn)健性。
[0005] 本發(fā)明采用的技術方案為：
[0006] 一種基于Radon變換的運動目標徑向速度估計方法，步驟如下：
[0007] (1)對利用SAR接收的運動目標回波信號進行距離向脈壓處理，得到運動目 標距離脈壓域信號，其中，f為快時間，tm為慢時間；
[0008] (2)計算運動目標距離走動傾角Θ的最大范圍[-0m，0m]，該最大范圍即為Radon變換 角度范圍；
[0009] 其中，9m=atan(2fsrvrm/c · fsa)，fsr為SAR系統(tǒng)采樣頻率，fsASAR系統(tǒng)脈沖重復頻 率，C為光速，v rm為所述運動目標徑向速度vj/f屬范圍[_vrm，vrm]的邊界值，其中，v r = c · tan θ · fsa/2fsr；
[0010] (3)根據(jù)步驟(2)得到的Radon變換角度范圍，得到N次Radon變換的變換角度分別 為：…，αΝ]，其中，= ΘΜ，[αι，α2，α3,…，αΝ]為等間隔排列或者為不等間 隔排列；
[0011] (4)對運動目標距離脈壓域信號.以/乂,；)進行變換角度分別為[αι，α2，α3,…，α Ν]的Ν 次Radon變換，得到Ν次Radon變換結(jié)果Rn，η = 1，2，…，Ν，Rn對應的歸一化Radon變換結(jié)果分別 為m · · _ J、；且瓦=兄/max (/?")，其中，max( ·)表示取最大值操作；
[0012] (5)將步驟(4)中得到的歸一化Radon變換結(jié)果H疙,…,A分別與預設門限值 進行比較，6,/U,,·.·,瓦中大于門限值的數(shù)值的個數(shù)分別記為。，^，。，…，。，即為啦欠 Radon變換結(jié)災H…Λ的歸一化長度;所述預設門限值為0.4-0.6。
[0013] (6)由Ν次Radon變換的變換角度[cn，α2，α3，…，α Ν]構(gòu)造觀測矩陣A
[0015]由N次Radon變換的歸一化長度U，L2，L3，…，Ln構(gòu)造觀測值L
[0017] (7)利用最小二乘法，估計包含運動目標距離走動傾角Θ信息的矩陣
[0019]其中，[· Γ1表示矩陣求逆運算，[· ]τ表示矩陣轉(zhuǎn)置操作，Le為運動目標距離走動 軌跡在二維平面中的長度；
[0020]
計算運動目標徑向速度估計值 ?ν，從而完成所述基于Radon變換的運動目標徑向速度估計。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：
[0022] 1)與多通道估計方法相比，本發(fā)明利用單通道實現(xiàn)徑向速度估計，降低了系統(tǒng)實 現(xiàn)成本，并且不受通道間誤差和配準誤差的影響；
[0023] 2)與基于相位的估計方法相比，本發(fā)明不存在模糊估計的問題；
[0024] 3)與基于包絡的單通道估計方法相比，在運算量方面，避免了Radon變換的角度搜 索過程，利用少數(shù)幾次Radon變換即可實現(xiàn)運動目標徑向速度的快速估計，將現(xiàn)有Radon變 換方法的二維搜索降低為數(shù)次一維搜索，提高了參數(shù)估計的實時性；
[0025] 4)由于不存在Radon變換角度搜索過程，運動目標徑向速度的估計精度不受角度 搜索步長的限制，可以使得估計精度得到進一步提升；
[0026] 5)通過最小二乘方法，使得本發(fā)明具有較好的穩(wěn)健性。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明方法的流程圖；
[0028]圖2是本發(fā)明與現(xiàn)有Radon變換方法在不同Radon變換次數(shù)下的對比仿真圖；
[0029]圖3為本發(fā)明與現(xiàn)有Radon變換方法在不同信噪比條件下的對比仿真圖；
【具體實施方式】
[0030]合成孔徑雷達-運動目標檢測（SAR-GMTI)系統(tǒng)廣泛應用于戰(zhàn)場偵察、交通管制等 應用中。在SAR-GMTI系統(tǒng)中，運動目標的徑向速度導致SAR成像處理后運動目標的方位位置 發(fā)生偏移;運動目標徑向速度導致的運動目標距離走動使得運動目標成像結(jié)果散焦，因此， 估計運動目標徑向速度是實現(xiàn)運動目標精確定位和高分辨率成像的必要前提。
[0031]沿航跡干涉(ATI)系統(tǒng)利用了徑向速度與干涉相位的關系，常用于估計運動目標 徑向速度。在常規(guī)沿航跡干涉系統(tǒng)中，由于干涉相位存在相位纏繞問題，當運動目標徑向速 度超過系統(tǒng)最大不模糊速度時，徑向速度估計就會出現(xiàn)模糊。為了在ATI系統(tǒng)中實現(xiàn)徑向速 度無模糊估計，研究人員通過利用多波長、多基線、多速度SAR等方法實現(xiàn)解模糊。但這些方 法需要在多通道SAR系統(tǒng)上利用多波長、多基線，或者利用不同速度的SAR運動平臺，構(gòu)成多 組徑向速度與干涉相位關系，實現(xiàn)相位解纏繞，從而無模糊的估計運動目標徑向速度。但這 些方法不僅增加系統(tǒng)成本、靈活性較差，而且估計性能精度受通道間誤差影響很大。為避免 以上問題，研究人員利用Radon變換估計運動目標徑向速度。由于運動目標導致距離走動， 該距離走動軌跡在二維平面上呈現(xiàn)為一條斜線，而運動目標距離走動軌跡的傾斜角度Θ(簡 稱距離走動傾角）與運動目標徑向速度Vr具有如下關系Vr = C · tan9 · fsa/2fsr，其中，fsr為 SAR系統(tǒng)采樣頻率，fsa*SAR系統(tǒng)脈沖重復頻率，C為光速。由于Radon變換能夠估計二維平面 上直線的傾角，研究人員利用Radon變換通過搜索所有可能的角度：當Radon變換角度與運 動目標軌跡距離走動傾角最為接近時，在Radon變換域的結(jié)果最大，此時的Radon變換角度 即可用于估計運動目標徑向速度，這就是現(xiàn)有Radon變換估計方法的核心思想。但在實際應 用中，由于Radon變換涉及到距離和角度的二維搜索問題，其運算量較大;而且搜索步長與 徑向速度估計精度和運算量都有關系:搜索步長越小，估計徑向速度所需的運算量越大，實 現(xiàn)的估計精度越高;而搜索步長越大，運算量越小，估計精度越差該方法實現(xiàn)簡單，但面臨 由于二維搜索而帶來的運算量大的問題，而且二維搜索步長與參數(shù)估計精度有關，在快速 估計參數(shù)的應用場合需要折衷選擇二維搜索步長，不便于工程實現(xiàn)。
[0032]針對以上問題，本發(fā)明公開了一種基于Radon變換的運動目標徑向速度估計方法， 該方法避免了 Radon變換的角度搜索過程，利用少數(shù)幾次Radon變換即可實現(xiàn)運動目標徑向 速度估計，將現(xiàn)有基于Radon變換的的運動目標徑向速度估計方法由二維搜索降低為數(shù)次 一維搜索，提高了參數(shù)估計的實時性；由于不存在Radon變換角度搜索過程，參數(shù)估計的精 度不受角度搜索步長的影響，可以使得估計精度得到進一步提升;該方法通過最小二乘方 法估計參數(shù)，使得本發(fā)明具有較好的穩(wěn)健性。采用本發(fā)明處理方式運算量較小，估計精度更 高，而且在較低SNR條件下即可實現(xiàn)較高的估計精度。因此，本發(fā)明可以滿足高實時性和穩(wěn) 健性要求。
[0033] 參照圖1，本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下：
[0034] 步驟1，獲取運動目標距離脈壓域信號5@/,"):。
[0035] la)利用單通道合成孔徑雷達(SAR)接收運動目標回波信號xf/j,,,；);
[0037] 其中，〇為運動目標的散射系數(shù)，,為距離窗函數(shù)，W(tm)為方位窗函數(shù)，exp (·)表示指數(shù)運算，j為虛部符號，f為快時間，tm為慢時間，γ為發(fā)射線性調(diào)頻信號的調(diào)頻 率，fc為載波中心頻率，c為光速，Rb為運動目標到雷達平臺運行軌道的最近距離，vr和V分別 為運動目標徑向速度和雷達平臺運行速度：
為運動目標到雷達平臺的 瞬時斜距；
[0038] lb)對接收到的運動目標回波信號進行距離向傅立葉變換，得到運動目標 距離向頻率域信號X( f r，tm)為：
[0039]
[0040] 其中，A(fr，tm)為運動目標距離向頻率域信號X(fr，t m)的幅度，fr為距離頻率；
[0041] 1C)將運動目標距離向頻率域信號X(fr，U)乘以距離向匹配函數(shù)Sr(fr)，并通過距 離向逆傅里葉變換，得到運動目標距離脈壓域信號5'(?，/,,,；)為：
[0043]其中，人;)為運動目標距離脈壓域信號的幅度，距離向匹配函數(shù)Sr(fr) 的表不公式為：
[0045] 步驟2，計算運動目標距離走動傾角Θ的最大范圍[-0m，0m]。
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