基于ALPFT参数估计的运动目标高分辨率成像

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30502

电子电气工程与控制

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基于ALPFT参数估计的运动目标高分辨率成像

贺靖, 谭鸽伟()

华侨大学信息科学与工程学院，厦门 361021

收稿日期:2024-04-10 修回日期:2024-05-06 接受日期:2024-06-21 出版日期:2025-01-15 发布日期:2024-07-08
通讯作者: 谭鸽伟 E-mail:tangewei70@163.com
基金资助:
华侨大学人才项目(10BS312)

High resolution imaging of moving targets based on ALPFT parameter estimation

Jing HE, Gewei TAN()

College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China

Received:2024-04-10 Revised:2024-05-06 Accepted:2024-06-21 Online:2025-01-15 Published:2024-07-08
Contact: Gewei TAN E-mail:tangewei70@163.com
Supported by:
Huaqiao University Talent Program(10BS312)

摘要/Abstract

摘要：

针对调频连续波合成孔径雷达（FMCW SAR）对地面恒加速运动目标的运动参数估计及高分辨率成像问题展开研究。首先，建立FMCW SAR系统下的运动目标回波模型，提出自适应局部多项式傅里叶变换（ALPFT）对高达四阶的多普勒相位进行估计。其次，通过广义Keystone变换和Hough变换对距离徙动项进行校正，同时完成运动目标的速度信息估计。最后，通过补偿高阶多普勒相位以及方位重采样操作，实现对非中心目标的剩余空变相位的补偿，使场景中所有运动目标聚焦效果良好。仿真结果验证了所提方法的可行性和有效性。

关键词: 调频连续波合成孔径雷达, 恒加速运动目标参数估计, 自适应局部多项式傅里叶变换, 广义Keystone变换, Hough变换, 方位重采样

Abstract:

In this paper， the problem of parameter estimation and imaging of ground moving targets with constant acceleration for Frequency Modulated Continuous Wave Synthetic Aperture Radar （FMCW SAR） is studied. Firstly， the echo model of moving targets in the FMCW SAR system is established， and the Adaptive Local Polynomial Fourier Transform （ALPFT） is proposed to estimate the Doppler phase of echoes up to the fourth order. Secondly， the range migration terms are corrected by generalized Keystone transform and Hough transform， and the velocity information of moving targets is estimated at the same time. Finally， by compensating for the high-order Doppler phases and performing the azimuth resampling of non-central moving targets， all moving objects in the scene can be focused well. Simulation results verify the feasibility and effectiveness of the proposed method.

Key words: Frequency Modulated Continuous Wave Synthetic Aperture Radar (FMCW SAR), parameter estimation of moving targets with constant acceleration, Adaptive Local Polynomial Fourier Transform (ALPFT), generalized Keystone transform, Hough transform, azimuth resampling

中图分类号:

V243.2

贺靖, 谭鸽伟. 基于ALPFT参数估计的运动目标高分辨率成像[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 330502.

Jing HE, Gewei TAN. High resolution imaging of moving targets based on ALPFT parameter estimation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(1): 330502.

图/表 17

图 1

表1

图 2

图 3

表2

运动目标参数

运动目标	坐标/m	$v r$ / （m·s ^-1）	$a r$ / （m·s ^-2）	$v a$ / （m·s ^-1）	$a a$ / （m·s ^-2）
T1	（0，300，0）	15	2	20	3
T2	（100，400，0）	15	2	20	3
T3	（-100，200，0）	18	2	25	4

表2

图 4

图 5

图 6

图 7

表3

参数估计的边界值

$[v r, v a, a r, a a]$	$κ ̂ (t a)$
$[0,0, 0,0]$	$- 2.49 × 103$
$[0,40,0, 6]$	$- 1.31 × 103$
$[0,40,0, - 6]$	$- 3.35 × 103$
$[0, - 40,0, 6]$	$- 0.25 × 103$
$[0, - 40,0, - 6]$	$- 1.05 × 103$
$[40,0, 6,0]$	$- 5.37 × 103$
$[40,0, - 6,0]$	$- 2.18 × 103$
$[- 40,0, 6,0]$	$- 1.74 × 103$
$[- 40,0, - 6,0]$	$- 5.42 × 103$
$[40,40,6, 0]$	$- 3.66 × 103$
$[40,40, - 6,0]$	$- 0.60 × 103$
$[40,40,0, 6]$	$- 0.28 × 103$
$[40,40,0, - 6]$	$- 3.99 × 103$
$[40,40,6, 6]$	$- 2.57 × 103$
$[- 40, - 40, - 6, - 6]$	$- 1.30 × 103$

表3

图 8

表4

T1参数估计结果对比

方法	$v r$ 估计值/ （m·s ^-1）	误差率/%	$a r$ 估计值/ （m·s ^-2）	误差率/%	$v a$ 估计值/ （m·s ^-1）	误差率/%	$a a$ 估计值/ （m·s ^-2）	误差率/%
本文算法	14.98	0.13	1.96	2.00	20.17	0.85	3.07	2.33
三阶LPFT算法	14.96	0.27			20.22	1.11	3.08	2.67
3 dB信噪比情形下	15.05	0.33	2.04	2.00	20.22	1.11	3.07	2.33
-15 dB信噪比情形下	15.24	1.60	2.08	4.00	20.31	1.55	3.16	5.33

表4

表5

T2和T3参数估计结果

运动目标	$v r$ 估计值/ （m·s ^-1）	误差率/%	$a r$ 估计值/ （m·s ^-2）	误差率/%	$v a$ 估计值/ （m·s ^-1）	误差率/%	$a a$ 估计值/ （m·s ^-2）	误差率/%
T2	14.89	0.73	1.95	2.50	20.17	0.85	3.08	2.67
T3	17.98	0.11	1.94	3.00	25.17	0.68	3.97	0.75

表5

图 9

表6

图 10

表7

参考文献 26

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
载波频率/GHz	15
发射信号带宽/MHz	180
发射信号时宽/ms	1
脉冲重复频率PRF/Hz	1 000
载机飞行高度/m	1 200
载机速度/（m·s ^-1）	120
合成孔径时间/s	6

算法	中心目标T1	非中心目标T2	非中心目标T3
本文算法
2D-SCFT算法
三阶LPFT 算法

运动目标	算法	方位向			距离向
运动目标	算法	PSLR/dB	ISLR/dB	IRW/m	PSLR/dB	ISLR/dB	IRW/m
T1	本文算法	-13.21	-10.82	0.67	-13.19	-10.81	0.65
	2D-SCFT算法	-12.87	-9.65	0.74	-13.12	-10.64	1.21
	三阶LPFT算法	-12.31	-9.47	0.97	-13.19	-10.81	1.33
T2	本文算法	-13.15	-10.56	0.71	-13.01	-10.32	0.78
	2D-SCFT算法	-11.36	-8.98	1.24	-11.89	-9.21	1.15
	三阶LPFT算法	-10.21	-8.12	1.47	-11.19	-10.81	1.83
T3	本文算法	-12.66	-10.04	0.83	-12.95	-10.31	0.81
	2D-SCFT算法	-9.64	-7.94	1.91	-10.64	-8.64	2.32
	三阶LPFT算法	-9.21	-8.12	2.17	-9.19	-8.81	2.83

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基于ALPFT参数估计的运动目标高分辨率成像

High resolution imaging of moving targets based on ALPFT parameter estimation

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