第３３卷第２１期 甘肃科技 Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ－３３ Ｎｏ．２１ ＮＯＶ．２０１７ ２０１７年１１月 无人机雷达ＳＡＲ／ＧＭＴｌ技术探讨 张成锋 （甘肃长风电子科技有限责任公司，甘肃兰州７３００７０） 摘要：ＳＡＲ／ＧＭＴＩ技术同时具备对地面合成孔径（ＳＡＲ）成像，和指示地面运动目标（ＧＭＴＩ）指示两种功能，被广泛 运用于无人机雷达，实现对地杂波的有效抑制和远距离目标探测能力。简述了ＳＡＲ／ＧＭＴＩ一种实时处理方法。并给 出了仿真实验结果。 关键词：：无人机雷达；ＳＡＲ／ＧＭＴＩ；实时信号处理；ＤＣＰＡ 中图分类号：ＴＮ９５ １ 概述 ＳＡ ＧＭＴＩ雷达常常作为无人驾驶飞机重要传 感器。与空中运动平台、地面站，和雷达与地面站之 间的数据通过通信链路等一起．构成无人机ＳＡＲ／ ＧＭＴＩ侦察系统。它能连续提供清晰的目标图像，通 过实时高分辨力成像．既可探测固定军事目标和火 力基地。又可远距离探测、跟踪地面固定／运动目标。 是现代战争中实现连续和实时的战场监视和侦察， 获取战场控制信息权的最主要技术手段之一。 ＳＡ ＧＭＴＩ功能是雷达同时具备地面合成孔径 成像和指示地面动目标两种功能 处理基本流程可 简单归纳为：杂波抑制，参数估计和运动目标的聚 焦成像。通过杂波抑制，可以提高ＳＡＲ数据的信杂 比，它是参数估计和目标聚焦成像的基础；参数估 计首先应该进行的是运动目标回波的多普勒参数 估计．利用多普勒参数可以对目标的位置参数和运 动参数进行估计．不同的运动目标具备不同的参 数。所以。对每个不同的运动目标都需要做相应的 参数估计：确定目标的参数之后．就可以找到合适 的距离向和方位向参考函数．消除运动目标成像的 位置偏移，散焦和模糊，达到目标的清晰成像，最后 将其标注在静止场景的图像上。本文主要探讨在小 型无人机雷达上，如何应用简单、有效易于工程实 现的技术途径实现ＳＡＲ／ＧＭＴＩ功能 ２ ＳＡ ＧＭＴＩ雷达处理原理 ＳＡＲ／ＧＭＴＩ雷达对地面运动目标的探测．依据 目标的速度和地杂波抑制可采用不同的方法．有扫 描法、ＳＴＡＰ、ＤＰＣＡ等方案。 扫描法用雷达的波束对希望的侦察范围做扫 描．对扫描范围内的每－－４，区域．使波束有一定的驻 留时间。驻留时间内有多个脉冲被发射和接收。扫 描法适用于探测快速运动目标．通过把接收的信号 变换到多普勒域．在多普勒域中把固定目标回波多 普勒频率内的信号全部滤除．若回波中没有动目 标。滤除后的信号就没有了回波能量．若回波中有动 目标。滤除后信号中的多普勒成分．可以用来估计运 动目标参数。扫描法的特点是实现简单，但对慢速 运动目标无效 空时自适应（ＳＴＡＰ）法也是一种慢速运动目标 的探测方法。ＳＴＡＰ实现的硬件基础是系统方位向 由Ｎ个分开一定距离放置的接收天线和相应的相 参接收通道组成。该方法是在由Ｎ个不同到达角和 Ｍ个不同多普勒频率构成的二维空间上，固定目标 的回波出现在二维平面的对角线上．运动目标的回 波则一定不在对角线上。速度越慢的动目标回波．越 靠近对角线。理论上可以用足够大的Ｎ和Ｍ，使靠 近对角线慢动目标的回波与固定目标分离 此方法 的核心就是在二维平面上分离动、静目标。 多通道对消法，分为相位中心转移偏置（ＤＣＰＡ） 法和方位向干涉（ＡＴＩ）法 ＤＣＰＡ法的对消处理是依 据固定目标相位关系进行相减对消．在对消结果的 矢量图上远离原点的信号为动目标 ＡＴＩ法对消是 依据固定目标的相位关系共轭相乘进行对消．在对 消结果的矢量图上远离正实轴的信号为动目标。 上述方法中．扫描法的特点是实现简单．但对慢 速运动目标无效：ＳＴＡＰ方法要求的阵列天线和通道 ｌ８ 甘肃科技 第３３卷 成为系统硬件结构最复杂、技术要求最高、工程实 现难度最大的ＳＡＲ／ＧＭＴＩ技术．至今人们对ＳＴＡＰ ＝． 经过主杂波归一化后的目标多普勒频率为： 的实践经验还相当欠缺。对消法是理论探讨很多、 系统的技术复杂性适中、可实现的指数较高、工程 实现难度适中、目前实践积累最丰富的一种方法。 本文提出了通过图像域ＤＣＰＡ对消来实现ＳＡＲ／ ｛ ｅ＾ ｏｓ（ ＋ ）ｃＩ）ｓ ＋亏Ｉ丸 一｛Ｉ ’ｃｏｓＯｃｏｓ），≈一｛｝＾ ’ ｓｎｉ０ｃｏｓ；／＋￣ｌ 九 （２） 由Ａ－－Ａ得 ＧＭＴＩ处理方法 ３ ＤＣＰＡ原理分析 ＤＣＰＡ是针对慢速运动目标的检测方法 ＤＣＰＡ 对消法要求在平台的运动方向上有数个分开一定 距离放置的接收天线和相应的接收通道．工作时这 些通道地接收目标的回波．然后这些通道的回 波将被相干处理 依据雷达在方位向分开放置的天 线和接收通道的数量．对消分为两通道对消和三通 道对消。三通道比两通道更好的动目标检测性能。 目标运动参数的估计精度也更高 此外．在处理对 消的盲速问题时，三通道比两通道有更多的选择余 地 ＤＣＰＡ具体技术处理原理如下 假设雷达平台的 运动速度Ｖ，目标的径向速度为Ｖｔ：雷达天线的方 位指向与平台运动方向的夹角为０．天线俯仰角为 ，雷达接收为两个子天线，相位中心间距为ｄ；目标 偏离天线的方位指向角为０ｔ．与目标处在同一距离 门、多普勒门的杂波偏离天线的方位指向角为０ｃ． 并且满足，ｌ Ｉ≤Ｉ耐；Ｉ ｌ≤Ｉ耐；目标和杂波均有 相同的俯仰角 。雷达的脉冲重复频率满足主杂波 在距离维和多普勒频率维不重叠 目标、杂波和雷 达的几何关系如图１所示 图１ 目标、杂波和雷达的几何关系 令 为杂波多普勒频率 为目标多普勒频 率，那么经过主杂波归一化后的杂波多普勒为： １ １ 々 ￣Ｖ ｃｏｓ（０ ）。。 以 。删。 一 ｓｎ１ｏｃｏｓ （＼１－）／ ＝ 一—Ｆ ｓｍｍ ０Ｃ ０８．． （３） 而杂波和目标的回波信号到两子天线的相位差 分别为： ２／／ ： （４） ＝ ｅｔ ｓｕ （５）＼一／ 在时刻ｔ，两子天线接收到的多普勒频率为 （ ）的回波信号分别为 ｉｔ）＝Ｉ 鹏ｇ ＋ 。 Ｐ ＋”１（， 】ｌｌ＋ （６） ２０ ＝［ ｅ 崩＋。４ 鹏窖 。 ｅ觑４－１１２（ 】（＿ｌ十△ ２）ｅ 疤（７） 式中：Ａ ， ，Ａ ，／３ｃ，分别为目标信号、杂波的幅度 和初始； 和 。为两通道的噪声；△Ａ ，△ ，，△Ａ ， △ 分别为两路通道的幅度和相位偏离标准的程 度。 ＤＣＰＡ技术的原理是．子天线ｌ的输出经延迟 后与子天线２的输出相消．相消后的输出 ，ｔ－ ２（￡） （８） 式中：Ｔ为脉冲重复周期，为达到对消杂波的目 的．需满足 ＋２ｄＤＣｒ＝ｏ （９） 于是可得 ： 一 ２ ｓｉｎ０ｃｏｓ＾， （１０） 由于ｄ和Ｖ是固定的．所以Ｔ必须随扫描角变 化。１０Ｉ ０。Ｉ时，Ｔ ∞，这在实际工作中是难以满 足的。 同时．根据式（１ｏ）估计重复周期Ｔ也存在误差 ＡＴ．其均方根为 听＝１ ＋（ ］＋ ］ ］ ㈣ 式中， 为主杂波的多普勒频率估计误差，它 与多普勒滤波器的宽度直接相关；叮。为天线指向与 平台实际运动方位向夹角的估计误差，盯 为天线指 第２１期 张成锋：无人机雷达ＳＡＲ／ＧＭＴＩ技术探讨 １９ 向与平台实际运动方向在俯仰向夹角的估计误差， 为平台运动速度估计误差．这３个参数估计误差是 由惯性导航系统引起的．由此而产生的相位差为 ２￣Ｌ／ｘＴ。由式（８）和（９）可得相消后的输出信号为 ｘ≈４ Ｊ砗 Ｊ ＩｇＪ 一８Ｊ舜Ｉ＋Ａ ｅ：ｇｅＪ × （ ４１＋．，△ ＋．，２ △ 一△ 一 △ ）＋ （ｔ）＋ｎ２（ｔ） 输出信号与杂波加噪声之比 ｒ１ １ ４（ ／ ｓｌｆ￣２ｆ点ＡＶ ｓｉａｌＯｃｏｓ７』． 丽＋Ⅳ／ Ｄ ／Ⅳ）ｌ２ ＋ —２Ａ０ ＋—（２￣ｆ ｄｃｏ＇ｒ） ＋２ｌ（１（ ）２） ４利用图像域ＤＣＰＡ理论实现ＳＡＲ／ ＧＭＴＩ的处理方法 ４．１ 原理介绍 本文主要讨论一种易于工程实现．对平台要求不高 的ＤＰＣＡ算法一图像域ＤＰＣＡ方法 在ＳＡＲ图像域检 测动目标时．主要通过对图像插值和配准消去杂波，所以 对雷达平台速度 ，天线中心问距ｄ和脉冲重复频率 ＰＲＦ之间不必严格满足上述ＤＰＣＡ条件的关系．扩大 了ＤＰＣＡ在实际中的应用范围 同时由于在图像域动目 标得到部分聚焦，提高了信杂比，更加有利于信号检测， 所以本文将讨论图像域ＤＰＣＡ方法进行动目标检测。检 测流程图如图２所示 首先对两个通道回波数据分别进 ７ ６ ６ １ Ｏ Ｏ ４ １ Ｏ ｌ ６ ０ ∞ 胍 ％ ９ ６ 行ＳＡＲ成像处理，得到两幅图像。对图像１和图像２分 别进行插值处理然后对两幅图像进行配准 配准后对两 幅图像进行时间校准将图像１时移一定时间Ｔａ，然后将 二者相减消去杂波。使图像仅有噪声和动目标信号 此时 就可通过设置一定的门限进行动目标检测 检测精度 与图像插值、配准精度有关，插值和配准的精度越高，杂 波消去程度越好。动目标检测效果越好 图２ ＤＰＣＡ检测方法流程图 ４．２理论仿真 以下将基于ＳＡＲ仿真数据．通过图像域ＤＰＣＡ 方法进行动目标检测。具体参数见表１。 表１ 目标检测参数 名称 数值 载频／Ｈｚ 采样频率／Ｈｚ 带宽／Ｈｚ ＰＲＦ／Ｈｚ 脉冲时间宽度，ｓ 斜视角／ｏ 通道间隔／ｍ 距离采样点数 最近距离／ｋｉｎ 天线孔径／ｍ 载机速度／ｍ／ｓ ∞ ０ 如 载机高度，ｍ 仿真实验中总共布设１５个目标．其中９个位静 止目标，如图３所示，在静止目标的两侧布设６个动 目标，其初始位置如图中位置。这６个目标的速度 如下图所示。其中Ｖｘ表示沿Ｘ轴方向速度，Ｖｙ表 示沿Ｙ轴方向速度。。 詈 ３ ９１、静止目 厂————』—］ 动目标ｌ ・ ・ ・ 动目标４ 动目标２ ・ ・ ・ 动目标５ 动目标３ ・ ・ Ｉｔ， 动目标６ ６０ —３０ ０ ３０ ６０ Ｙ／ 图３ 目标仿真布局图 动目标１动目标２动目标３动目标４动目标５动目标６ Ｖｘ＝１ｍ／ｓ Ｖｘ＝２ｍ／ｓ Ｖｘ＝ｌ ｒｖ／ｓ Ｖｙ＝ｌｍ／ｓ Ｖｘ＝２ｍ／ｓ Ｖｙ＝２／ｓ Ｖｙ＝１ ｍ／ｓ Ｖｙ＝２ｍ／ｓ 首先通过成像域算法对仿真数据进行成像， 两个通道的成像结果如图４所示 其中９个静止 目标都很好的聚焦在仿真位置上，而动目标２、３、 ５、６则偏离了其初始位置，动目标Ｉ、４虽然还在 原来位置上．但是也出现了散焦 因为目标径向速 度会造成动目标位置偏离．目标的方位向速度会 造成目标散焦 Ｘ 朋 如 曼２０ 甘肃科技 第３３卷 ３、５、６则突显出来。６个动目标ＤＰＣＡ检测前后的信 杂比见表２。可见具有径向速度的动目标信杂比都 得到很大的提高，静止目标得到很好的抑制，证明了 图像域ＤＰＣＡ方法的有效性。 表２ ＤＰＣＡ处理前后信杂比 ∞ 瑚 ∞ ０ Ｒｍ ，ｍ ∞ ∞ ∞ 图４仿真数据成像图 图５ 图像域ＤＰＣＡ处理结果图 【５］ 朱岱寅，朱兆达．机载干涉ＳＡＲ／ＩＳＡＲ对地面慢速目标成 ，从上 中可以看到，图像域ＤＰＣＡ处理后，静止 目标被对消掉，同时只有方位向速度的动目标１和 动目标４也被对消掉，而具有径向速度的动目标２、 ～ 像研究【Ｊ】．电子与信息学报，２００３，０５． ［６１ 杨垒王彤，邢盂道，等．机载多通道ＳＡＲ—ＧＭＴＩ的杂波抑 制方法ｆＪ】电子与信息学报，２００８，１２． ．”●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…ｔ●…・●…・●…・●…・●…・●…－●…－●…・●…－●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…－●…・●…－●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…・●…－●・一 （上接第４３页） 将出峰时问延迟，使鞣酸小檗碱与干扰成分达到良 好的分离效果。 参考文献： ［１１ ｗｓ—ｌ（】（】Ｏｌ一（ＨＤ—ｌ０４６卜２Ｏ０２．鞣酸小檗碱【ｓ】．２００２，１４１． 檗碱含量［Ｊ】．河北中医，２０１２，３４（２）：２７２—２７３，２７９． 【４】 姜丽霞，张如松，郑元叨．高效液相色谱法测定烧伤止痛 膏中小檗碱含量【Ｊ】・药物分析杂志，２００１，２１（５）：３３７—３３９． ［５１ 蔡清字，张沂，郝特，等・ＨＰＬＣ法测定舒利通颗粒中巴马 ｆ２】 Ｅ其宁．无味数连素合成的工艺条件研 【 ．安徽化工， ２０１ １ ４：１６－１７． ，丁和小檗碱的含量［Ｊ］・中国实验方剂学杂志，２０ｌ０，１６（２）： ４２—４４・［３１ 钱伟．汪明志．高效液相色谱法测量创舒洗剂中盐酸小 ［６１ 孙光文瑚华明，杨先哲，等・ＨＰＬＣ测定黄连膏中小檗碱
