学报 V0L 25No.1 Jan. 2002 第23巷 第1期 2002年 1月 航空ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA 文章编号:1000—6893(2002)01—0033—05 利用分数阶Fourier域滤波的 机载SAR多运动目标检测 孙泓波,顾红,苏卫民,刘国岁 210094) (南京理工大学电子工程技术研究中心t江苏南京USlNG THE FlLTERlNG lN FRACTloNAL F0URIER DOMAIN FoR AIRBoRNE SAR MULTIPLE MoVING TARGE IS DETECTIoN SUN Hong—bo.GU Hong,SU Wei—min,LIU GUO—SUi (Research Center of Electronic Engineering Technology,Nangng University of Science and Technology,Nanjing 210094,China) 摘要:强度相差较大的多运动目标检测是机载音成孔径雷达(sAI1)技术的一个重点和难点t传统的额域滤 波和现代的时频分布方法都无法解决这个问题。首先分析了机载SAR运动目标回波本质上为线性调频信号, 据此提出一种基于分数阶Fourier域滤波的运动目标检测新方法t并且应用逐次消去的思想有教地解决了强 度相差较大的多耳标检测问题。仿真的结果验证了算法的有效性 美鬟词:分散阶Foumer变换;音成孔径雷达;运动目标检测;线性调额信号;滤波 中圈分类号:V243 文献标识码:A Al ̄tract:The detection of multiple moving targets whose scattering intensities difer evidently is difficult but important in airborne syathet ̄aperture radar(SAR)techniques.The traditional filtering method in the Ire— quency—domain and the modern time—frequency distribution technique can’t ach ̄ve this purpose.In this pa— per it is analyzed that the echo of a moving target is a chirp signal naturally.Thus t a new technique of SAIl moving target detection based on fractional Fourier transform is proposed.By eliminating large targeta one by one in the fractional Fourier domain,the small targets can be detected effectiveness.The simulation results prove the effectiveness of this technique Key words:fractional Four ̄r transform;synthetm aperture radar;moving target detection‘linear frequency modulation signal{filtering 机载台成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar—SAR)对地面运动目标的检测技术是当 前SAR技术的一个研究热点。Raney在其开创性 文章 中提出了经典的多普勒滤波思想,后来又 经Freeman加以完善 ]。但频域多普勒滤波方法 的性能难以满足要求。许多学者又提出了多种方 本文从一个新的思路出发,将分数阶Fourier 变换 引入机载SAR运动目标检测技术当中,首 先对各角度上回波信号的分数阶Fourier变换进 行一维搜索,检测出强目标,然后利用分数阶 Fourier域滤波从回波信号中逐个消去强目标的 信号分量,从而检测出小目标的存在。 法 ],但得到广泛应用的只有Wigner—Ville分布 技术 ,许多学者都利用其对线性调频信号良好 的时频聚集性进行SAR回波参数估计 但是,在 1机载SAR运动日标回波信号模型 假设SAIl处于正侧视工作状态,Ro为零时 刻雷达与目标的距离,V为载机运动速度。将目标 多目标存在的情况下,Wigner—Ville分布中的交 叉项将严重影响目标的检测,尤其是目标强度相 差过大时,小目标信号很容易被大目标的交叉项 淹没。尽管通过一些技术可以在一定程度上抑制 交叉项,但其分辨率也随之降低。 牧稿日期:2000—12—12}修订日期;2001 02—15 基盘珥目 国防科拄重点实验室基金资助项目(No.99JS01.4.1 DZ2401) 的运动分解为相对于飞机的径向分量和切向分 量, , 分别为径向速度和加速度, ,口 分别 为切向速度和加速度。在t时刻雷达与运动目标 的距离R(f)可近似为 2 R0):R0一 f+Z(v一仉) 一R0 3i ‘ 0 文章隔址,http ,, hkxb.nek en/Ekmh/2002/0l[00 ̄3/ (1) 首先考虑雷达发射连续渡的情况,忽略距离 维普资讯 http://www.cqvip.com
航空学报 第23卷 压缩的影响,接收的回波信号为 ( )一 Tg(t)exp(j ̄T)eXp(一j4xR(t)/3,) (2) 其中: 为目标散射系数; 为目标回波的起始 相位; ( )为雷达天线方向图调制项。这3项的影 Fourier变换检测线性调频信号的基本原理・实际 上动目标回波信号的调频斜率参数是不知道的, 此时需要对各角度进行搜索。 响一般不予考虑,认为回波的全部信息体现在相 位上。^为载波波长。将式(1)代入式(2)(再忽略 R。引入的常数相位项),得 5“)一exp(j2nfdot)exp(j ̄Kt ) (3) 图1线性嗣额信号在Fourier域的投髟 Fig 1 The projection of chirp signal ont。 Fo…ie domain 其中: 。一2口 /^为多普勒质心;K一2[( 一 )。 +R。n ]/O.R。)为调频斜率。由上式可见,正侧视 情况下机载SAR地面运动目标的回波可近似为 线性调频信号。 2基于分数阶Fourier变换的SAR运动 目标检测原理 分数阶Fourier变换(fractional Fourier transform FrFT)理论最早是由Namias于1 980 / ,, ,/、 /r \ \ ; 年建立的【 ,它和普通的Fourier变换都可统一 为如下定义的广义Fourier变换。信号 ( )具有角 度口一px/2的广义Fourier变换定义为 { 图2线性讨额信号在升数阶Fourier域的投影 Fig.2 The projection of chirp signal onto fraetiona L Fourier domain √ S )一 s( ) ( £) e即(j c。t . x 3基于分数阶Fourier域滤波的多运动目 标检测方法 当多个运动目标存在的情况下,仍然采用多 角度搜索的办法,根据不同角度回波信号分数阶 (j等c。t 】ex …c州 ≠n 一2 口一(2n 4-1) f4 Fourier变换峰值点的个数和位置,可以检测出目 标的数目并估计其多普勒参数。当各目标的散射 强度相差不大时,这种简单的一维搜索方法是很 有效的。但是,如果各目标散射强度相差较大,强 它具有下面两条最基本的性质: ①广义Fourier变换为线性算子,即有 F 】 ( )+c2g0)]:c1F ( )+ F gO) 目标信号在各角度上的分数阶Fourier谱有可能 都淹没了弱目标信号,从而使得弱目标无法检测 到。为了检测到弱目标的存在,很自然地想到,如 果先从回波信号中剔除强目标的信号分量,然后 再在各角度作分数阶Fourier变换进行搜索,弱 ②广义Fourier变换为加性算子,即有 Fp q—F F 限于篇幅,分数阶Fourier变换的其它重要 性质这里不再罗列,读者可参见文献E53。 由本文的讨论可知,机载SAR运动目标的回 波为线性调频信号,它在时频面上表示呈斜刀刃 状,具有明显的时频耦合特性。常规的Fourier变 换可肴作是信号的时频分布在频率轴,上的投 目标信号就可能被检测出来。不幸的是,弱目标的 频谱有可能与强目标的频谱有部分相互重叠,甚 至完全处于强目标频谱的内部,常规的频域滤波 无法实现强、弱目标频谱的分离。从理论上讲,只 要两个信号分量在时频平面上是可分的,就可以 利用时频二维滤波的方法实现分离 前面已经分 影,线性调频信号的谱被展宽,如图1所示。而分 数阶Fourier变换可看成是信号的时频分布在旋 转后的频率轴 上的投影,若旋转角度合适,就可 以得到线性调频信号能量高度聚集的分数阶 Fourier域分布,如图2所示。这就是利用分数阶 析过,运动目标的SAR回波近似为线性调频信号 的形式,在时频平面上表现为斜刀刃形,自然可以 用时频二维滤波的方法分离,从而滤除强目标的 维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 孙酗波等:利用分数阶Fourier域滤波的机载SAR多运动目标檀测 信号分量.再通过滤波反投影转换回原来的信号 域中,得到剔除强目标分量后的回波信号。以 Wigner—Ville分布为代表的双线性时颡分布对线 作各角度上的分数阶Fourier变换,此时弱目标 信号在某个角度的分数阶Fourier域中表现的 “冲击谱”显露出来,从而检测出弱目标。 (6)如有必要,重复步骤(2)~(5),直到检测 不出明显的目标信号为止。 其中有关分数阶Fourier变换的数值计算方 法和分数阶Fourier域中窄带滤波器的构造方法 参见文献[5],这里不再赘述。 性调频信号具有良好的时频聚集性,许多学者都 利用Wigner—Ville分布来进行线性调频信号的 检测 遗憾的是,信号之间交叉项的出现严重影响 了此类双线性时频分布的性能,几个强信号之间 的交叉项强度与强信号本身相当,并且分布很广, 弱信号分量淹没其中很难检测,即使采用交叉项 抑制技术也难以奏效。更为严重的是,目标的数目 4仿真实验结果 设雷达处于正侧视工作状态,选用如下的仿 真参数:雷达与目标的距离R。为10km,雷达载 机飞行速度 为200m/s,雷达波长 为3cm,脉 冲重复频率600Hz,处理脉冲数256个。这里假设 有3个点目标,其径向运动速度 分别为lm/s, 2.5m/s,3m/s;切向运动速度 分别为5m/s, 越多,信号之间的交叉项就越强,分布就越复杂, 弱目标信号就越难检测 由于上述原因,现代时频 分析技术也难以实现强、弱目标信号的分离。 从一个新的思路出发,在常规的Fourier域 中,强、弱目标信号的频谱都表现为宽带的矩形 谱,并且相互重叠,因而很难滤除。而在分数阶 Fourier域中,通过选择合适的角度,可以使强目 5m/s,10m/s;径向加速度a 分别为一0.sin/ 标信号的分数阶Fourier谱表现为类似于“单频 信号”的冲击函数形式,其“频带”极窄,而此时弱 s ,0、3m/s ,一2.1m/s ;切向加速度 不影响 回波信号的形式(见式(1)的近似),此处忽略不 计。这里选取较低的 是为了避免目标的多普勒 目标信号的分数阶Fourier谱要么仍为矩形的 宽带”谱,要么是与强目标相分离的“窄谱”。如果 象普通的频域滤波那样在分数阶Fourier域构造 一模糊,如果出现多普勒模糊,则只影响目标的参数 估计,与检测无关。3个目标中1,3为强目标(散 射系数为1),目标2为弱目标(散射系数为0.1), 仿真中还加入了零均值的高斯自噪声来模拟地杂 渡的存在,3个目标相对于杂波的信噪比分别为 8dB,一12dB和8dB。图3给出了回波信号的频 谱,从中可以很明显地看出强目标1和3的矩形 谱,而目标2由于较弱无法分辨。传统的Fourier 域滤波以及Wigner—Ville分布都无法检测出弱 目标2的信号分量。 下面应用本文提出的分数阶Fourier域滤波 个极窄的带阻滤波器,使其中心频率对准强目 标信号的窄谱,就可以将该强目标信号分量滤除, 同时对其它信号分量影响不大。通过这种方法就 可以逐个滤除强目标信号分量,然后检测出弱目 标来 该方法的具体步骤如下: (1)在0~2 范围内的各个角度上分别对回 波信号作分数阶Fourier变换,此时强目标信号 必定在某个角度的分数阶Fourier域中表现为很 窄的“冲击谱”,从而可以根据其频谱的幅度检测 出若干强目标。 (2)在检测出第1个强目标的分数阶Fourier 算法 首先在各角度上分别对回波信号作分数阶 Fourier变换,根据频谱幅度的大小检测出强目标 l'如图4所示。然后在该分数阶Fourier域中构 造一极窄的带阻滤波器,滤除强目标1的信号分 域中,构造一个极窄的带阻滤波器,其中心“频率” 对准第1个强目标窄谱的位置,在此分数阶 Fourier域中滤除第1个强目标信号分量,然后将 量,此时的分数阶Fourier谱如图5所示。再将滤 除强目标1后的时域回波信号变换到检测出强目 标3的角度上的分数阶Fourier域中,如图6所 其作分数阶Fourier反变换变回信号域。 (3)将滤除第1个强目标信号分量后的信号 从时域再变换到检测出第2个强目标的分数阶 示。然后按同样的方法,在该分数阶Fourier域中 构造一极窄的带阻滤波器,滤豫强目标3的信号 分量,滤除后的分数阶Fourier谱如图7所示。最 后,将滤除了强目标1和3之后的信号变换回时 域,再在各角度上分别对回波信号作分数阶 Fourier变换,重新进行搜索,检测出弱目标2,如 图8所示。 Fourier域中,按同样的方法构造一个带阻滤波器 滤除第2个强目标信号分量,然后将其作分数阶 Fourier反变换变回信号域。 (4)重复步骤(2)、(3),直到所有的强目标信 号分量都被滤除 (5)对滤除各强目标分量后的时域信号分别 维普资讯 http://www.cqvip.com
航空学报 第23卷 日i l 0 50 100 150 分数阶Fourier域采样点 图3回波信号的Fourier变换 Fig 3 The Fourier transform of ech0 图7漶除强目标3后的分散阶Fourier变换 rig.7 The FrFT when strong target3 is eliminated 越 孽 ● 兽 l互 日i 圈4检测出强目标1的分数阶Fourier变换 F .4 The FrFT when strong target一1 is detected 图8植梗I出弱目标2的分数阶Fourier变换 Fig 8 The FrFT when weak target一2 is detected 波思想的逐次滤除强目标信号分量方法可以很好 地解决机载SAR多运动目标检测问题。一方面它 具有传统Fourier滤波无法比拟的对线性调频信 号良好的时频聚集性,另一方面,分数阶Fourier 变换是线性算子,在多运动目标存在的情况下不 会象Wigner—Ville分布那样受到交叉项的影响。 另外,分数阶Fourier变换的数值计算可以借助 0 50 100 150 分数阶Fourier域采样点 图5 滤除强目标1后的分散阶Fourier变换 F .5 The FrFT when strong tal'get 1 is eliminated 常规的快速Fourier变换算法,运算量并不大。因 此,它是一种很有前途的机载SAR多运动目标检 测算法。 致谢 本文在研究过程中得到了信息产业部电子第 十四研究所王盛利高工的热情帮助,倪晋麟副总 越 孽 _ 工程师也给予了很多关心和支持,在此作者向他 们致以诚挚的谢意。 参考文献 [1]Raney R K.Synthetic aperture imaging radar a丑d moving 分数阶Fourier域采样点 图6橙涮出强目标3的分散阶Fourier变换 Fig.6 The FrFT when strong target 3 is detected  ̄aTgets[J3.IEEE Trans∞AES,IS71,AES一7(3)自499— 505 [2]Freeman A,Curme A Synthefic aperture radar(SAR)irn- ages of movi ̄targets[J].GEC Journal of Research, 5结束语 由上可见,提出的基于分数阶Fourier域滤 1987,5(2):106—115 [3_Sun H B,GuH,SuWM, a1.A review ofmovingtgr- get detection and imaging by airborne synthetic aperture 维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 孙拄6披等:利用分数阶Fourier域滤波的机载SAR多运动目标检旃 radar ̄AS.In.KeyaeI W Ed.Proceedings 0f EUSAR’Z000 [C].Munich Germany:German Aerospace Ceater 最虹(1967一)男,江苏启来人,南京理 Ⅲ 嘞 嘲 工大学电光学院酎教授,博士后-1995年获 西安电子科技大学通信与信息系统学辩博 (DLR). ̄000.544—548 Barbarossa S.Farina A Detection and imaging of mo ̄iag 士学位,主要研究方向为随机信号雷选系统 和现代重达信号扯理。 objects with synthetic aperture radar.Part 2:Joiat time freqoency ana]ysis by Wigner—Vi]]e distribution IJ].IEE Proceeding-F,1992,139(1):89—97. 张贤达.保铮.非平稳信号分析与址理[Mj.北京:国防工 业出版杜.1999.i86—223. (Zhang X O。Boo Z.The a ̄]ysis and processing of[ion— 苏卫民(1959)男,江苏启束^,南京理 工大学电光学院副教授,博士后,1998年获 南京理工大学通信与信息系统学科博士学 位.主要研究方向为阵列信号址理和自适应 信号处理。 stationary signal EM].Beijing;Nationa]De{ence Industry P删.1988.186—223.) Nami ̄s V The{racdoad Fout ̄r t㈨f Ⅱd its ap91 ̄ cation in quantum meehardcs[J .J Inst Math Its Applt 1980,25:241—265. 刘■岁(1933/男,江宁大连人,南京理 工大学电光学院教授t博士生导师,1953年 作者倚介: 孙泓玻(1975一) 男,河南郏州人,南京理 工大学电光学院博士研究生.1997年于南京 理工大学获电子工程专业学士学位,同年起 免试进^通信与信息系统学辩攻读博士学 位.主要研究方向为谥没威悼技术、时空二 维信号扯理、运动目标检旃和非平穗信号扯 理等。 毕业于解放军通信工程学院雷选工程幕,现 为中国电子学会舍士、中国兵工学会学术委 员舍委员、IEEE高级会员,主要研究方向为 雷选系境、随机信号址理、神经罔培与摸糊 系坑、雷造成像、目标讽嗣等. (责任编辑 龠教) 纛_
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