高速机动平台SAR成像算法及运动补偿研究

摘要

合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)是一种全天时、全天候的微波遥感技术。高速机动平台下的SAR成像由于其特殊的实际价值，已成为近年来的研究热点。一方面，SAR系统可有效提高高速机动飞行器的全天时、全天候的探测能力;另一方面，在复杂环境下，装载SAR系统的飞行器具有更强的自主性:在高速机动飞行条件下，SAR系统通过获取包含特征地貌的微波图像，将其与数据库中存储的基准图像进行匹配，从而由几何关系解算出飞行器自身的位置坐标，达到修正惯性导航系统(InertialNavigationSystem，INS)的累积误差、提高定位精度的目的;另外，装载在高速机动飞行器上的SAR系统还可直接获得重要区域的二维高分辨图像和散射信息，并由此对该区域的目标进行特征提取、分类和识别。
　　然而，与传统星载SAR和机载SAR不同，高速机动平台的飞行轨迹更为复杂，这使得传统星载SAR和机载SAR的成像方法往往不能直接应用于高速机动平台SAR。本文主要针对高速机动平台SAR成像中的方位聚焦深度限制的问题、高分辨成像算法问题、调频连续波体制下的成像算法问题展开了研究。此外，为了进一步提高飞行器自身的隐蔽性、反隐身能力以及散射信息获取能力，将双站SAR的构想移植到高速机动平台SAR成像已成为新的发展趋势。因此，本文也针对双站构型下的高速机动平台SAR的运动补偿问题展开了研究。取得的主要研究成果如下:
　　1.针对高速机动平台SAR下降段成像中的方位聚焦深度限制的问题，提出了一种有效的解决方法。在俯冲阶段，机动飞行器自身较大的俯冲下降速度和加速度导致SAR回波信号方位不变性的假设不再成立，给SAR成像处理带来困难。针对该问题，提出了一种基于方位非线性变标的高速机动平台SAR下降段成像算法:在完成距离徙动校正和距离脉冲压缩之后，通过方位向上的非线性交标操作，校正沿方位向变化的多普勒调频率，从而较为有效地改善了SAR图像的方位聚焦深度和聚焦质量。
　　2.研究了高速机动平台SAR全孔径成像方法。在俯冲阶段，机动飞行器较大的俯冲下降速度和加速度使得SAR回波信号的二维频谱表达式难以有效获得，给频域成像算法的设计带来困难。针对该问题，提出了一种基于双曲线性修正斜距模型的高速机动平台SAR成像方法。该方法通过构造双曲函数形式的斜距表达式并引入线性修正因子，对全孔径SAR斜距历程进行合理近似;并以修正后的斜距式为基础，采用驻相点原理直接求解SAR回波信号的二维频谱，并基于该频谱设计了高效的频域成像算法。该方法下的频谱推导较为简洁，所获得频谱的数学表达式清晰直观，利于成像分析和后续处理。最后通过点目标成像仿真验证了方法的可行性和有效性。
　　3.研究了高速机动平台条件下的调频连续波SAR(FMCW-SAR)成像算法。针对俯冲阶段的高速机动平台FMCW-SAR的特点，建立了回波信号模型;通过分析可知，与常规机载FMCW-SAR不同，在高速机动平台这一特定的条件下，雷达相对较高的运动速度使得差频输出信号中的二次耦合相位不能忽略，并且影响距离向的聚焦;针对该问题，提出了一种FMCW-SAR成像处理方法。在成像处理中，通过在二维频域构造相应的二次耦合相位补偿函数，较好地改善了距离向的聚焦质量。最后通过点目标成像仿真对方法的可行性和有效性进行了验证。
　　4.针对双站构型的高速机动平台SAR成像的运动补偿问题进行了研究。在双站构型下的高速机动平台SAR成像中，高速机动飞行器的运动误差和双站几何构型信息的不准确均会引入额外的相位误差，该相位误差将导致双站SAR(BiSAR)图像的聚焦质量显著下降。针对该问题，文中详细分析了运动误差和几何构型偏差对成像的影响，并提出了一种有效的运动补偿方法。该方法利用多普勒调频率估计，同时补偿由运动误差和几何构型偏差所引入的相位误差，从而较为有效地改善了BiSAR图像的聚焦质量。最后通过对机载BiSAR实测数据的处理与分析验证了所述方法的可行性和有效性。
　　5.研究了在双基角较大、信号特性沿方位变化较剧烈的情况下，双站构型的高速机动平台SAR成像的运动补偿方法。在双站构型下的高速机动平台SAR成像中，回波信号方位不变性的假设不再成立;完成距离徙动校正和距离脉冲压缩之后，同一距离单元处信号的多普勒调频率具有沿方位向变化的特性。该信号特性导致了传统的PGA方法对相位误差的估计精度显著下降。针对该问题，提出了一种改进的PGA方法。与传统PGA方法相比，该方法通过增加对样本信号的剩余二次相位补偿，有效减小了变化的多普勒调频率对相位误差估计的影响，从而提高了对相位误差的估计精度。最后通过对机载BiSAR实测数据的处理和分析，验证了所述方法能够获得更高聚焦质量的BiSAR图像。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 合成孔径雷达的发展与现状

1．3 高速机动平台SAR的发展与现状

1．3．1 高速机动平台SAR系统的发展与现状

1．3．2 高速机动平台SAR成像算法的发展与现状

1．4 论文的研究内容与安排

参考文献

第二章 基于方位非线性变标的高速机动平台SAR成像算法

2．1 引言

2．2 高速机动平台SAR下降段信号模型

2．3 成像分析

2．4 方位非线性变标处理

2．5 算法处理效率分析

2．6 仿真结果与分析

2．7 本章小结

参考文献

第三章 一种基于全孔径处理的高速机动平台SAR成像方法

3．1 引言

3．2 高速机动平台下降段SAR信号模型与修正的斜距表达式

3．2．1 高速机动平台SAR成像信号模型

3．2．2 线性修正下的双曲斜距表达式

3．3 高速机动平台SAR成像处理

3．3．1 SAR信号二维频谱推导

3．3．2 成像算法

3．3．3 运算量分析

3．4 仿真结果与分析

3．5 本章小结

参考文献

第四章 高速机动平台FMCW-SAR成像方法研究

4．1 引言

4．2 高速机动平台FMCW-SAR信号模型

4．3 高速机动平台FMCW-SAR成像处理

4．3．1 高速机动平台FMCW-SAR信号分析

4．3．2 高速机动平台FMCW-SAR成像算法

4．3．3 运算量分析

4．4 仿真结果与分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 一种适用于双站构型的高速机动平台SAR成像的运动补偿方法

5．1 引言

5．2 成像几何与信号模型

5．3 几何构型偏差对成像的影响

5．4 基于回波数据的运动补偿

5．5 实测数据处理与分析

5．6 本章小结

参考文献

第六章 双站构型下高速机动平台SAR成像的改进PGA方法

6．1 引言

6．2 BiSAR信号模型

6．3 BiSAR信号特性分析

6．4 改进PGA方法

6．4．1 沿方位变化的多普勒调频率对相位误差估计的影响

6．4．2 改进的PGA处理方法

6．5 实测数据处理与分析

6．6 本章小结

参考文献

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

致谢

攻读博士学位期间的研究成果

作者简介