一种地基GNSS双基地雷达船舶目标SAR成像方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)成像技术领域，更具体的说是涉及一种地基GNSS双基地雷达船舶目标SAR成像方法。

背景技术

得益于GNSS卫星星座群，GNSS信号具备全球覆盖、持久稳定和高时空分辨率的独特优势，因此，以GNSS卫星作为外辐射源构建双基地雷达成为当前研究热点。由于不需要专门的发射机装置，仅接收GNSS信号，GNSS双基地雷达只需开发接收机装置即可，使得其成本低廉、体积小、功耗低、无需频率分配、无电磁辐射污染等优点，可灵活部署在地表、空中和卫星上，分别组成地基、空基和天基GNSS双基地雷达。GNSS双基地雷达已经在地表目标成像应用方面展现出潜力，其中，地基GNSS双基地雷达通过SAR成像技术可以实现对地表目标的长时间监测，典型的应用有相干变化检测。

目前，GNSS双基地雷达成像研究主要以地表静态目标为对象提出了一系列的SAR成像方法，而关于动目标SAR成像研究则极少。由于动目标的运动参数未知，现有的GNSS双基地雷达SAR成像方法难以直接应用于动目标成像，会造成目标在图像上出现散焦问题，不利于后续的分类识别处理。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种地基GNSS双基地雷达船舶目标SAR成像方法，实现对河道通航船舶目标长度估计从而识别过往船舶特征。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地基GNSS双基地雷达船舶目标SAR成像方法，包括以下步骤：

根据双基地的几何位置关系构建目标运动模型；

以GNSS直达波作为参考信号，对目标回波预处理；

沿着目标回波方位时间向进行能量积累处理，提取目标回波中目标所在距离单元处的方位信号，计算目标回波的多普勒率参数，结合目标运动模型和多普勒率参数解算目标运动速度；

根据目标运动模型、目标所在距离单元对应的方位信号和目标运动速度，生成方位向匹配滤波器，根据目标运动模型和运动速度，将双基地距离-方位时间域的目标回波转换到单基地距离-横向距离域，完成SAR成像。

可选的，根据双基地的几何位置关系构建目标运动模型，具体为：将GNSS双基地雷达接收机固定于岸边，选取能够产生后向散射回波的GNSS卫星作为外辐射源，利用船舶目标的运动轨迹形成合成孔径，等效于静止的接收机沿着目标运动反方向移动。

可选的，对目标回波预处理，具体为：对目标回波进行互相关运算，消除目标回波内的各种干扰项，包括大气延迟、接收机钟差、导航电文；根据等效脉冲重复间隔，将处理后的目标回波转换为二维双基地距离-方位时间域的SAR回波。

可选的，还包括对目标回波进行距离徒动校正。

可选的，对目标回波校正之后的表达式如下：

式中，r表示双基地距离，cf(·)表示互相关函数包络，R

可选的，方位向匹配滤波器的数学表达式如下：

式中，r表示双基地距离，f

可选的，将双基地距离-方位时间域的目标回波转换到单基地距离-横向距离域，转换公式如下：

式中，u表示观测时间，r表示双基地距离，r

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种地基GNSS双基地雷达船舶目标SAR成像方法，具有以下有益效果：

1.本发明解决了现有GNSS-SAR成像算法难以对动目标成像的问题，能够对动态船舶目标成像并估计其长度信息从而实现对其特征识别，扩大了GNSS-SAR的应用范围。

2.本发明提供的成像方法在频率域中进行，比GNSS-SAR广泛使用的时域方法——后向投影算法计算效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的成像双基地几何模型示意图；

图3(a)为本发明现场实验成像双基地几何构型俯视图；

图3(b)为本发明现场实验天线配置示意图；

图3(c)为本发明现场实验信号接收机前端示意图；

图3(d)为本发明现场实验船舶目标示意图；

图4(a)为本发明GPS PRN03 SAR成像结果图；

图4(b)为本发明GPS PRN22 SAR成像结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种地基GNSS双基地雷达船舶目标SAR成像方法，包括以下步骤：

S1：根据双基地的几何位置关系构建目标运动模型；

S2：以GNSS直达波作为参考信号，对目标回波预处理；

S3：沿着目标回波方位时间向进行能量积累处理，提取目标回波中目标所在距离单元处的方位信号，计算目标回波的多普勒率参数，结合目标运动模型和多普勒率参数解算目标运动速度；

S4：根据目标运动模型、目标所在距离单元和目标运动速度，生成方位向匹配滤波器，根据目标运动模型和运动速度，将双基地距离-方位时间域的目标回波转换到单基地距离-横向距离域，完成SAR成像。

进一步的，S1为目标运动模型建立：GNSS双基地雷达接收机固定于岸边，选取能够产生后向散射回波的GNSS卫星作为外辐射源，利用船舶目标的运动轨迹形成合成孔径，等效于静止的接收机沿着目标运动反方向移动。根据此双基地几何可以构建出目标运动模型。

进一步的，S2为目标SAR回波预处理：以接收机采集的GNSS直达波作为参考信号，对目标回波进行互相关运算，消除目标回波内的各种干扰项，包括大气延迟、接收机钟差、导航电文。然后，根据等效脉冲重复间隔，将处理后的目标回波转换为二维双基地距离-方位时间域的SAR回波。

进一步的，S3为目标运动参数估计：首先，对S2生成的目标SAR回波进行距离徙动校正。然后，沿着目标SAR回波方位时间向进行能量积累处理以提高目标回波能量用于目标检测，从而确定目标所在的距离单元。提取目标SAR回波中目标所在距离单元处的方位信号，估计目标SAR回波的多普勒率参数。最后，结合目标运动模型和多普勒率参数解算目标运动速度。

进一步的，S4为目标成像：根据目标运动模型、目标所在距离单元和目标运动速度，生成方位向匹配滤波器，用方位向匹配滤波器消除目标SAR回波内的调制相位项从而实现方位向压缩。最后，根据目标运动模型和运动速度，将双基地距离-方位时间域的目标SAR回波转换到单基地距离-横向距离域完成SAR成像。

下面将结合附图和具体实施例，对本发明提供的地基GNSS双基地雷达船舶目标SAR成像方法作进一步详细地解释，具体流程如图1所示。

步骤一，如图2所示，GNSS双基地雷达接收机固定于岸边，其直达波天线视线指向天空；回波天线视线方向则指向河道且几乎与河岸线方向相垂直。以接收机所在位置为原点建立笛卡尔坐标系，X轴为回波天线视线方向，Y轴为河岸线方向。当船舶目标进入回波天线波束角照射范围后，以船舶运动轨迹作为合成孔径，等效于静止的接收机沿目标运动的反方向以相同的速度移动。目标运动的双基地距离历程表示为R(u)＝R

公式(1)中，

相应地，目标回波多普勒频率历程和多普勒率可以由公式(2)分别求一阶导数和二阶导数得到：

公式(3)和(4)中，λ是载波中心波长。

步骤二，如图2所示，接收机采集GNSS卫星发射的直达波。利用现有的软件接收机技术对采集到的直达波进行捕获和跟踪处理，提取信号的观测量参数，包括码相位、载波相位、多普勒频率、导航电文。利用观测量参数生成接近于无噪声的直达波副本。以直达波副本为参考信号，对接收的目标回波进行互相关运算。然后，根据GNSS信号测距码码长所对应的时间长度，即等效脉冲重复间隔，组成二维双基地距离-方位时间域的目标SAR回波，忽略信号幅度，其数学表达式为：

公式(5)中，r是双基地距离，cf(·)是互相关函数包络。

步骤三，由公式(5)可以看出，互相关函数包络会随方位时间在双基地距离维度上产生偏移，即距离徙动。因此，首先，对目标SAR回波进行距离徙动校正，使得其互相关函数包络对齐同一个双基地距离门单元。以u＝u

由于河道目标监测距离较短，目标SAR回波能量相对较强，因此，对目标SAR回波执行傅里叶变换在方位时间维度积累目标回波能量用于目标检测，从而确定目标所在的双基地距离门单元，记为r

然后，提取公式(6)中r＝r

X(f

公式(8)中，FT(·)表示关于t的傅里叶变换，实际运算中使用快速傅里叶变换，f

公式(9)中，PRI表示等效脉冲重复间隔，T表示方位时间。最后，结合公式(2)、(4)、(7)和(9)可以解算目标速度，表示为：

步骤四，方位向匹配滤波器的其数学表达式为：

公式(11)中，f

公式(12)中，IFT(·)表示逆傅里叶变换，实际运算中使用快速逆傅里叶变换。最后，将公式(12)表示的双基地距离-方位时间域转换到单基地距离-横向距离域，通过如下式子实现：

公式(13)中，r

下面以GPS L1信号为信号源的现场实验为例，对本发明所提出的方法进行验证。本发明现场实验如图3(a)所示。图3(a)中的接收机固定于岸边同时接收GPS直达波和过往船舶目标反射的目标回波，其中，船舶目标运动轨迹几乎与接收机回波天线视线方向相垂直。图3(b)和图3(c)为本发明现场实验的接收硬件装置，包括直达波天线(圆盘形状)、回报天线(方块形状)和双通道接收机前端。双通道接收机前端将采集的射频信号进行下变频和采样处理，转换为数字中频信号方便计算机处理。图3(d)为现场实验选择用于成像的船舶目标。表1为船舶自动识别系统提供的该船舶目标运动参数，作为真值参考。

表1现场实验船舶目标运动参数

GPS PRN03卫星和GPS PRN22卫星为信号源生成该船舶目标SAR图像，分别如图4(a)和图4(b)所示。从图4(a)和图4(b)中可以明显地看到区别于背景噪声的"亮斑"存在，即为船舶目标。在两幅图中，一方面，"亮斑"所处的单站距离为800-900m之间，与表1列出的到接收机最近距离参数之间误差不超过GPS L1最佳距离分辨率(约150m)；另一方面，可以通过测量"亮斑"的横向距离长度估计船舶目标长度，很明显，两幅图中的"亮斑"横向距离长度为200m左右，与表1列出的船长度参数非常接近。因此，可以通过估计船舶长度从而识别不同船舶目标特征。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。