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机载合成孔径雷达运动目标检测方法研究

电子科技大学

硕士学位论文

机载合成孔径雷达运动目标检测方法研究

姓名:

赵洪冰

申请学位级别:

硕士

专业:

信号与信息处理

指导教师:

王建国

20070501

电子科技大学硕士学位论文

其中由雷达运动产生的多普勒频率为:

Z:

—2x—ovn磊-一2v2t（2-7”

五兄7Fh于目标运动而产生的多普勒频率为:

z=云卜m七q忖咖w坩掣]f]浯s,

所以,经过上述分析,可以得出由雷达运动产生的多普勒质心和调频率分别为:

=:

2XoVa

“砜（2—9

￡:

荨（2-10”

AR

由目标运动而产生的多普勒质心和调频率分别为:

丘:

—-2—（xov磊x+—y—oV,（2-11“

AR

‘=可-2（…2…一鹕%一掣]协脚

由上述分析可见,由于目标的运动,使其方位向的多普勒参数与静止目标不同,就不能再用静止目标的多普勒参数对动目标进行方位向压缩处理。

下面分析

2.3.2目标运动引起的多普勒质心变化对成像影响

由（2—9式和（2—11式可知,运动目标的多普勒质心为:

z钳厶=筹一驾掣

如果目标真实方位位置而=0,则:

12

（2-13

第二章SAP,运动目标回波信号分析

’:

-2YoVy

几矾（2-14根据SAK几何关系,目标地距向速度q和斜距平面内距离向速度vr（以后简称为距离向速度满足毒2虿Y0,由于而《足,所以足≈R,可得:

≈—-2—v,

动静目标多普勒质心之差就是目标运动引起的多普勒质心偏移,式,重新定义如下:

蜕=一鼍掣

如果目标真实方位位置%=0,则:

（2—15（2-16

蜕=警*孚（2-17

在静止目标的雷达图像上,目标的方位位置为毫:

’,,-2n-,将运动目标多普勒

句r,.L

质心代入,可得;

高=等陪一驾掣卜半浯㈣

所以运动目标在聚焦的静止目标SAR图像（常规SAR图像上的方位位置偏离其真实方位位置,偏离程度为:

缸:

高一而:

一业（2—19

如果目标真实方位位置而=0,此时方位位置偏离值为:

△x:

一!

业E。

一兰足（2—20上述分析表明,在相同距离门上,动目标和与其有一定方位向距离的静止目标的多普勒质心相同,因此它们在静止目标雷达图像上方位位置相同;动目标成

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像点将偏离其真实方位位置,而且偏离值与动目标的距离向速度v,成正比。

如果动目标的距离向速度较大,蚱/屹超过了天线水平波束宽度,则图像可以移过整数倍的波束宽度,以使目标位于照射波束之中。

从相位误差的角度来看,多普勒质心的变化会造成一次相位误差,一次相位误差会造成延时时间的误差,从而造成方位向的偏移。

在孤立点目标情况,一次相位误差不会造成图像失真。

但是,考虑到实际图像由许多点目标组成,一次相位误差将造成图像几何畸变,甚至局部地区分辨率下降“1。

2.3.3目标运动引起的多普勒调频斜率对成像影响

为了分析多普勒调频斜率误差对动目标成像质量的影响,我们假设动目标的多普勒中心频率精确已知。

由式（2—10、式（2—12可知,运动目标的多普勒调频斜率是:

厶l厶+厶。

意以2+风a+1,.2-2v.匕+%+匕2（2-21所以运动目标产生的多普勒调频率为:

瓯一厶一瓦2va2一云（聃+心2一札+嘣Ⅳ（2-22多普勒调频斜率决定图像的质量,调频斜率的微小误差都会使SAR图像变得

模糊,分辨率下降。

因此用静止目标的多普勒调频斜率对动目标进行聚焦成像,必然会导致动目标方位向散焦,其散焦程度随着魄的增加而增大。

从相位误差的角度来看,目标运动使得其多普勒调频斜率不同于静止目标的多普勒调频斜率,在常规SAR图像上相当于产生T--次相位误差,这个二次相位误差会造成目标压缩波形主瓣展宽,主瓣峰值下降,旁瓣电平升高,下面对此进行详细分析。

在信号通带边缘,二次相位误差将达到最大值,对于运动目标而言,最大二次相位误差为:

纸一吮份-Tu-T,2。

意（W匕2讥+%'4"Vr2（2-23其中,Z为合成孔径时间。

14

第二章SAR运动目标回波信号分析

如果运动目标的速度较慢,可以认为:

匕《屹,K《%,咋《匕,则式（2一z3可以近似为:

九一了;,r-T,2云（民口,一玑攻（2一柳

+me.Is,2101]。

和Eop2（o】分别表示有无二次相位误差时的主瓣峰值,则其相对峰值为m:

墨:

【兰:

盟;

叫s2（o】旎。

石

式中c（・和s（.表示菲涅尔积分,其表达式分别为:

c（z2fcos（考t2dr,s（z。

‘s缸伊P

r2・25

假设ar=0,图2—5、图2—6分别给出了主瓣峰值随二次相位误差的变化曲线,与主瓣峰值随目标方位向速度变化的关系曲线。

我们给定一组参数:

H;6000m,K一200rals,A=0.03m,Ro=30594m,Z;3s。

岔

已

趔

誊

蘸

辛H

图2-5主瓣峰值随相位差变化曲线图2-6主瓣峰值随方位向速度变化曲线由图2-5可见,即使目标方位向速度较小,主瓣峰值仍然迅速下降,随着动目标方位向速度逐渐增大,主瓣峰值很快会下降到不能容忍的地步。

由式（2.23可见合成孔径时间对主瓣峰值下降程度也有一定影响:

在目标方位向速度相同的条件下,合成孔径时间越长,二次相位误差越大,主瓣峰值下降越快。

除了主瓣峰

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值下降外,由于二次相位误差的影响,主瓣波形还将展宽,旁瓣电平也会迅速增加,其中对合成孔径雷达成像影响较大的是主瓣波形的展宽以及旁瓣电平的增加。

由于各项指标迅速恶化,使得图像质量非常差,因此要对运动目标聚焦成像,需要精确估计每一个动目标的调频斜率,减少二次相位误差。

在实际中,因为目标的高次相位误差对成像质量影响较小,可以忽略不计。

所以一般情况下,我们只需分析、补偿一次和二次相位误差。

2.4目标运动引起的距离徙动分析

随着SAR技术的发展与成熟,距离向和方位向的分辨率越来越高,目标横向穿过波束所产生的距离变化量越来越大,也就是说成像处理中的距离徙动校正成为不可忽略的部分。

下面分析动目标的距离徙动效应,在分析中不考虑地球自传的影响。

假设目标以恒定的速度运行,即a=,.,=,则从

式得到目标运动x0a0（2-2的轨迹可以表示为:

R2（f=焉一2（xo（v._一yovyt+（（屹_2+哆2f2

（2—26

在合成孔径时间内最大距离徙动量为:

ARa去（（-2%（匕一+2yovyT,+（（v4一2+。

2互2

（2_27假设t=0时刻,目标位于方位向波束中心,即Xo=0,对于慢速且标而言,

匕《匕,~《匕,最大距离徙动量可以近似为:

监。

蠼+—2YoV—yT,

2Ro2R

（2-28其中第一项是由于载机运动引起的距离徙动,无论是静止目标还是运动目标都存在;第二项是由于目标距离向运动引起的距离徙动量。

假设距离分辨率为p,则距离徙动单元数为:

珑=AR/p,,将（2—28式代入,可得:

n:

+——

（2一r22y民ov岛y_望Tv2T岛,2

2

92Ro16

第二章SAR运动目标回波信号分析

经过上述分析可见,距离徙动与距离向分辨率有关,距离向分辨率越高,徙动单元数越大。

距离徙动还与合成孔径时问有关,合成孑L径时间长,距离徙动大,合成孔径时间短,则距离徙动小。

距离徙动还与目标运动有关,距离向速度较大的目标会引起严重的距离单元移位现象,目标速度不同,距离徙动曲线也不同。

为了降低距离徙动量,可以通过降低距离分辨率或者减少积累时间来实现。

通过平滑高分辨率距离向数据或者部分数据脉冲压缩的方法,可以降低距离向分辨率,进而减少或消除距离徙动。

这样做还有一个好处是降低了数据率,降低了对转置存储器的容量要求,并且使方位向压缩时的运算量大大的减少。

减少积累时间同样可以减少距离徙动,但同时也降低了方位分辨率。

距离徙动校正可以在时域进行,也可以在频域完成。

在时域校正时,由于在同一距离不同方位上的目标的徙动轨迹互相重叠,在实现时有许多实际困难,所以往往采用在频域校正。

在频域校正要简单的多,首先把经过距离压缩后的数据变换到距离一多普勒域,然后采用插值处理来获得距离徙动轨迹上的回波数据,从而消除距离向和方位向的耦合。

插值有多种方法,如最邻域近似、多项式插值和sine插值等。

一般情况下距离走动校正在时域完成,而距离弯曲则在频域完成。

运动目标的距离徙动和运动目标的速度有关,不同速度的目标,距离徙动不同,只有确定了目标速度以后,才能对其进行校正。

经过距离徙动校正后,在距离一多普勒域中,同一距离上的目标回波重新被搬移到同一距离线内。

2.5SAR运动目标检测方法与成像

SAR的动目标检测方法有很多种,大致可以分为两大类叫1,见图2—7所示,17

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图2-7动目标检测方法分类

第一大类是根据动目标回波信号的特性来描述,这类方法主要应用在单通道SAR系统中。

其中又可分成三小类:

第一小类是基于多普勒滤波的方法,比如频域滤波法是基于动目标的多普勒质心偏离杂波多普勒质心来实现动目标检测;第--d'类是基于多普勒调频率滤波的方法,比如RDM（ReflectivityDisplacementMethod是根据动目标多普勒调频率不同,从杂波中判定动目标存在与否,截断平均方法（ShearAverage是将SAR复图像分成多个小块,通过对每一小块图像重新聚焦,根据图像锐化程度的改变,判定动目标是否存在,这正是利用了动目标多普勒调频率不同于静止目标多普勒调频率来实现的;第三小类是基于参数估计的方法,以Wigner-Ville分布（WVD方法、小波变化方法等为代表的时频分析方法是根据感兴趣的信号的时频特点将它与其它信号区分开来。

第二大类方法是从杂波抑制的角度考虑的,采用这类方法检测时,首先需要抑制杂波,然后从杂波抑制后的信号中检测动目标,进而获取目标的运动参数。

这类方法主要应用在多通道SAR系统中,利用几路接收通道同时接收回波信号,然后抑制杂波,就能够有效地检测出动目标。

根据杂波抑制方法可分成两小类,第一小类则是采用干涉处理方法来检测动目标,主要有沿航迹干涉（ATI处理及多孔径干涉处理等,第二小类是根据目标的空时特性来抑制杂波,进而检测出动目标,比较常用的方法有相位中心偏置天线（DPCA技术和空时自适应处理（STAP。

18

第二章SAR运动目标回波信号分析

2.6计算机仿真

在前面分析的基础上对一点目标进行了计算机仿真,参数选取如下:

载机高度h一6000m,载机速度%一200m/s,波长A,0.0313m,中心斜距R。

30594m,发射脉冲宽度f一2淞,发射带宽毋;150MHZ,快时间采样率f一200MHZ,发射脉冲重复频率.rf,800HZ。

仿真了一个点目标,图2-8为目标回波信号实部图,图2-9为点目标进行距离压缩以后图像,由图2-9可见,图像存在较大的距离徙动,在频率域对其进行距离徙动校正,结果如图2-10所示,距离徙动得到了很好的校正,图2一11为回波信号经距离压缩、距离徙动校正,方位压缩所成的三维图像。

图2_8静止点目标回波信号（实部碾

墅1000捌

钕

1,500

2{}00

S00

懈

殛1000

趔

钕

1S00

舢

1∞卸如4005∞

距离/像素

图2-9距离压缩后图像

1∞200300伽卯

距离/像素

…一图2一lO距离徙动校正后图像

图2-11方位向压缩后点目标成像

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模拟仿真一运动点目标,RD成像后分别如图2-12、图2—13所示,其中,心为目标方位向速度,”为目标斜距向速度:

图2—12屹,O,咋一0,运动点目标成像图2一13Pr一0,匕一0,运动点目标成像由图2-12可见,由于运动目标方位向速度u的存在使得图像方位向出现明显的散焦且幅度下降;由图2-13可见,由于目标距离向速度的存在使得目标在方位向偏离真实位置,即出现移位现象。

通过以上的仿真可以验证前面的理论分析,即:

目标方位向速度的存在主要会引起回波信号的多普勒调频斜率的变化,从而引起SAIl图像方位向的散焦、模糊;目标距离向速度的存在则主要会引起运动目标回波信号的多普勒质心的变化,从而使锝目标偏离真实位置。

因此要对运动目标聚焦成像需精确估计出运动目标的多普勒参数。

2.7本章小结

本章主要研究了SAR成像的理论,分析了SAlt的运动目标回波模型,并在此模型的基础上,讨论了目标运动产生的多普勒参数的变化,以及这些变化对常规SAR图像的影响,指出目标运动会造成方位位置偏移,图像散焦,幅度下降。

然后详细分析了目标运动产生的距离徙动效应,指出距离徙动量和距离向分辨率有关,与相干积累时间有关,同时还要受到目标运动的影响,不同速度的目标,其距离徙动量不同。

同时介绍了目前SAR运动目标检测所运用的主要方法即单通道和多通道两类,最后通过计算机仿真验证了前面的理论分析。

20

第三章基于DPCA的运动目标检测技术

3.1前言

第三章基于DPCA的运动目标检测技术

由第二章介绍可知,SAR运动目标检测方法主要分为单通道方法和多通道方法两大类,但单通道SAR系统在进行运动目标检测时有下列缺点:

1、对于淹没在主瓣杂波谱内的慢速运动目标不易检测;

2、不能精确确定运动目标方位向位置;

3、要求脉冲重复频率比较高,增加了回波的数据量;

为了克服单天线SAR系统存在的不足,通常采用多通道S_A_R系统,即沿载机飞行轨迹放置多个接收天线,采用相位中心偏置天线（DisplacedPhaseCenterAntenna,DPCA技术、沿迹干涉（Along-TrackInterferometry,ATI技术、空时二维自适应（slm・技术等多通道处理方法来克服单天线SAP,系统存在的不足。

相位中心偏置天线（DisplacedPhaSeCenterAntenna,DPCA技术是空时自适应处理技术（STAP的一种特殊情况。

DPCA算法于1953年提出,在上个世纪七、八十年代在机载预警雷达中得到广泛使用,主要用来消除雷达与地面散射目标的相对运动所引起的地杂波频谱的展宽。

在SAR/GMTI领域引入DPCA技术,通过增加空域信息,可以在不同时域及不同空域获得相同的杂波信息,经过DPCA处理,杂波对消的同时,保留了运动目标的部分信息,提高了系统的信杂比（scR,DPcA已经成为多通道SAR系统动目标检测和成像的一个典型方法。

DPCA技术使用两个或多个相位中心,通过移位相位中心,补偿掉由于载机运动带来的多普勒展宽,使得杂波多普勒频谱带宽变窄,进而能够检测出运动目标,尤其是被主瓣杂波频谱遮挡的慢速运动目标。

由于使用该方法时要求载机速度、脉冲重复频率和相位中心间距之间必须满足严格的条件,使其在实际应用中受到了一定的限制。

近年来随着新技术的不断发展,该方法也不断得到更新、完善,使用范围进一步扩展。

DPCA技术在工程实践中很具优势,尤其是二单元DPCA,因其结构简单、运算量小,易于控制,在工程中应用最为广泛。

本章详细描述了三天线DPCA方法进行运动目标检测和运动参数估计的过程,通过对距离压缩后的回波信号插值和配准,使得载机速度、脉冲重复频率和相位中心间距不必满足上述严格关系,同时对于两路DPCA处理后的图象进行干涉处

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理,估计运动目标的运动参数,从而对运动目标聚焦成像;本章还分析了该方法的检测性能,最后通过计算机模拟,验证了该方法的可行性。

3.2DPCA基本原理

DPCA原理图如图3.1所示,沿载机飞行方向放置两副天线,天线2以一定的脉冲重复频率发射线性调频信号,两副天线同时接收回波信号。

接收第一个回波信号时,天线2的接收相位中心在D2点,天线1的接收相位中心在0l点。

VrT

D1D2

亡=D===工口01’iD2’

亡=工Z===3口

图3—1DPCA原理图

若天线间距d、脉冲重复频率prf、载机飞行速度vd满足d=2my,/prf（m为整数,则天线2发射聊个脉冲后,天线2的接收相位中心移到D’’处,天线1的接收相位中心在01’处,而0l’和D2位于相同的方位位置,因此天线2接收的第一个脉冲回波与天线l接收的第m个脉冲回波都包含相同的静止日标信息,但是运动目标由于自身的运动而产生了额外的信息,所以,天线1与天线2所包含的运动目标信息不同,通过距离压缩后的回波信号的配准,对两路信号进行幅度相减,便能消除静止目标信息,保留运动目标信息。

上面简单介绍了DPCA的基本工作原理,在3.3节中详细介绍三天线SAR系统对运动目标检测和运动参数估计过程以及性能分析。

3.3三天线SAR系统运动目标检测及运动参数估计

第三章基于DPCA的运动目标检测技术

在双天线SAR系统中,系统能够检测到慢速运动目标,并且获得比较好的检测效果,但是无法精确确定动目标的方位位置。

本节引入三天线sAR系统,介绍了在使用三副天线的情况下,运用双路DPCA干涉的方法完成运动目标检测、定位和测速,进而对运动目标聚焦成像。

3.3.1工作原理

三天线SAR系统工作原理如图3-2所示:

雷达平台沿工轴方向飞行,SAIl工作方式为正侧式,平台高度为日,飞行速度屹,沿平台飞行方向放置三幅天线1,2,3,相邻天线相位中心间距为d,地面运动目标P以恒定的速度运行,方位向速度为匕,地距向速度为心,斜距平面内沿距离向速度为v,,在石一y平面内初始方位位置为（%,Yo。

叩

图3-2三天线SAR系统工作原理图

初始时刻天线2位于坐标原点,以脉冲重复频率P矿发射线性调频信号,三副天线同时接受回波信号.天线l与2,天线2与3之间间距均d,平台运动速度匕和脉冲重复频率之间满足DPC/I条件,即:

d=2m也/p矿,若不满足,可以通过插值的方法进行动目标检测,但无法进一步确定目标的运动参数。

在t=nT（T为脉冲重复周期时刻,目标运动到P’点,此时目标到三副天线的距离分别为:

墨（一D:

足+v,.万r+量玉[!

生!

塑!

j;;!

巡（3.1

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蜀（万D=R+咋・nr+羔玉L=!

翌!

尘量j掣蜘D时"n虹塑譬址型（3-2

（3.3对三副天线接收的回波信号进行距离压缩以后得:

跏力_G瓜丽.cxp（.伽枷.cxp（_弦啪州哥%篙静@4s:

（一,f=G・√;丽,exp（一,2z‘rz。

exp（一,万一（f—r:

2‘瓦‘!

:

;:

:

丢竺。

;;斧‘3・5’溉沪G.厕.cxp（.伽枷.exp（一弦砖陋,n蝎,%篙券@6’其中,7（Xo,足是目标后向散射强度,G是忽略收发天线距离向和方位向增益变化的常数增益,Z是载频,ro是发射脉冲宽度,t是发射信号线性调频斜率。

f。

、f2、t分别是回波信号延迟时间,并且:

气=（R（nT+R（nT/c,『2=2足（nT/c,码=（R（nT+是（nT/c,c是光速。

分别对天线1和天线2、天线2与天线3接收的回波信号进行DPCA处理,最终形成两路DPCA信号,此时,任何一路DPCA信号都可以完成运动目标检测。

为了得到运动目标的运动参数,将两路DPCA信号进行干涉处理,最终得到运动目标的运动参数、精确的多普勒参数,从而更好的将运动目标聚焦成像。

该检测过程如图3.3所示:

输入

输入亟互产忸丽忑订坠唑是c-z（n时移阶脉冲删!

塑塑

I姆

囱对第1路信号墨（万,f和第2路信号是（栉,f进行DPCA处理时,需要对墨（雄,f进

第三章基于DPCA的运动目标检测技术

行相位补偿,除去由于天线水平排列产生的相位偏差,补偿函数如下:

c=时J等象州啊砖嗳”釉,各参数含义蹴接下来需对墨进行移位,即将第1路信号向前时移m个脉冲得到墨（”+m,t,然后与相位补偿后的第2路信号相减,得到杂波对消后的信号是。

（以,f:

最l（捍,t=S2（n,f・C—Sl（n+m,t（3-7同样对2、3路信号采用DPCA方法处理,获得另外一路杂波对消信号&0,t:

对式3.1进行整理,由于!

坚坚在最大值附近变化很小,所以:

%伽,f=G√%（而,疋・To-

必fexp（-j2n"讹+恚・exp（啦（%一面d221（3.9’rtCt-『2’写l—exp（一,2砸属.‘巾砖（f一层:

‘J其中属=（Ro+珊+咒o+扰7c,属一f22‘豪r+2v,加刃7。

由于SAP,是对远距离目标检测和成像撤有:

置@D》d,足伽F》J,马@r》d,R（,lD“是0刃*马O乃,所以近似有fI“f2“毛・

设o-0=G.oi厕号觜,对于慢速运动目标而言,式（3-9

经过整理后可得:

最。

（彬=%・exp（√了271"（2是（栉+杀.（1一exp（-j-等2,,,小D（3-10同理:

黑:

（%f=cro・exp（√等（是（捍+足（咒・（1一exp（一J.2五n:

2咋m刃（3・11

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由于天线沿平台运动轨迹放置,方位位置存在偏差,杂波抑制后的两路运动目标信号在进行干涉处理前需要补偿由于这个位置偏差而产生的相位偏差,所以需要对置:

（rt,f进行相位补偿,补偿函数为:

q（玎:

既p（,—2_,7t"（皇二!

:

≥鱼,代入,整

“气

理后得:

1,n-

最l（,l,t=盯（%・（1一exp（-jS…-2v,mT

.酬警帆册垡竺型譬型粕m,&（阼,≠=a（xo.（1一怯p（-.,孕2_聊乃

.嘶和+Z12芏d2竺警2型（3彤,

由以上二式可以看出,对于静止目标而言,其距离向速度u为零,故最。

（%力,墨:

（n,f都等于零,静止目标被消除,杂波得到有效抑制,可以实现运动目标检测。

在杂波消除后,剩余运动目标信号的多普勒中心频率为:

丘一等+掣。

%（3-14

多普勒调频斜率是:

厶=一—÷（2（%一心2+2v2（3・15/L.K.

对（3—12、（3—13式去斜,即与参考函数呸（捍相乘,去除回波信号中由于平台运动产生的多普勒频率的线性调频项・其中:

c2（尼=exp（j堑堡害逆

与c20相乘后,整理得:

。

洲,训.州警∽矶焦名≥竭m一州等一@㈣&（彬:

矾砂唧㈠警@+即r+—xe2—-xo—d+jd"1+2ixun—T（—v-—v,+—9.（1一cxp（等2咿功（3-17

第三章基于DPCA的运动目标检测技术

爵罨

譬

褪

蛰

图3_9背景目标叠加点目标成像图3-10经检测后图像

2、天线间距d一1.25米,d_2my,/prf,其他参数不变,此时,对两副图象进行样条插值,插值后进行配准,检测结果如图3-12所示,由图可见,经过插值以后,即使d≠2mL/p矿,也能取得较好的检测效果。

图3—11检测图像三维图图3-12插值检测后目标所在距离门图像3、噪声对检测结果的影响:

增加系统噪声,使得杂噪比CNR为OdB,目标的信杂比SCR一-7.73d8,检测结果如图3-13所示,仍能检测到运动目标,但杂波抑制比大约只有5dB,检测效果明显下降。

继续增加噪声使CNR为一7dB,检测结果图3一14、图争15所示,可以看出目标基本淹没于噪声中,无法进行检测,说明背景噪声对该方法的影响较大。

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图3—13目标所在距离门图像图3-14目标所在距离门图像

图3—15CNR一一7dB检测结果三维图

4、运动参数估计

系统参数不变,分别在杂波中添加3个运动点目标