方位多通道高分辨率寬測(cè)繪帶SAR成像及GMTI技術(shù)研究.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種以合成孔徑原理和脈沖壓縮技術(shù)為理論基礎(chǔ),具有二維高分辨率的成像雷達(dá)。SAR屬于主動(dòng)式微波遙感設(shè)備,具有全天候、全天時(shí)和遠(yuǎn)距離成像的特點(diǎn),大大提高了雷達(dá)信息獲取能力,為目標(biāo)檢測(cè)創(chuàng)造了前所未有的機(jī)會(huì),是現(xiàn)代雷達(dá)的一項(xiàng)突破性成就,在軍事、國(guó)防以及民用領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。作為一種先進(jìn)的成像系統(tǒng),SAR能夠從空中實(shí)時(shí)提供類似光學(xué)照片的二維地物地貌圖像,并且具有良好的空間分辨能力和輻射測(cè)量保真度。SAR對(duì)地面運(yùn)動(dòng)

2、目標(biāo)的檢測(cè)和成像研究是在合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,SAR最初是針對(duì)地面靜止場(chǎng)景成像的,在SAR圖像中,地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像會(huì)出現(xiàn)距離走動(dòng)、方位位置偏移、散焦等現(xiàn)象,動(dòng)目標(biāo)往往只能模糊的疊加在靜止場(chǎng)景的S AR圖像上。在實(shí)際的應(yīng)用中,特別是在軍事的應(yīng)用上,地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(GMTI)是 SAR系統(tǒng)必須具備的一項(xiàng)基本功能,人們總是希望通過(guò)SAR圖像來(lái)進(jìn)行地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè),并將其標(biāo)注在場(chǎng)景的SAR圖像上,因此誕生了SAR-GMTI技

3、術(shù)。沿航跡向多通道 S AR比單通道 S AR能夠提供更多的系統(tǒng)自由度,對(duì)于實(shí)現(xiàn) GMTI功能而言,雷達(dá)陣列沿航向直線分布為最優(yōu)構(gòu)型,可以獲得最優(yōu)的雜波抑制性能,能夠在地雜波或者海雜波中清楚地區(qū)分出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)并且能夠正確地估計(jì)出其運(yùn)動(dòng)參數(shù),因而廣泛地應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)感知和偵察中。
　　目前世界上許多國(guó)家都在大力發(fā)展多通道地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位技術(shù),積極研究先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)理論,并努力尋求各種高效、實(shí)用的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法。本文在深入分析國(guó)

4、內(nèi)外SAR-GMTI研究成果的基礎(chǔ)上,對(duì)合成孔徑雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和誤差估計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究和分析。重點(diǎn)針對(duì)方位多通道正側(cè)視雷達(dá)實(shí)現(xiàn)GMTI的功能,開(kāi)展了通道相位誤差估計(jì),對(duì)于SAR成像中拼接成大圖的子帶誤差估計(jì),運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位,以及參數(shù)估計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)研究。
　　論文以方位多通道高分辨率寬測(cè)繪帶SAR系統(tǒng)為對(duì)象,研究的主要內(nèi)容可概括為以下四個(gè)部分:
　　1.結(jié)合多通道地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè) GMTI的合成孔徑雷達(dá) SAR系統(tǒng)在

5、對(duì)大面積地物成像的同時(shí)可以完成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì),此時(shí)要求各通道間的特性完全一致。然而在實(shí)際情況中,由于各種各樣的原因,各通道間的特性不可能完全一致,這些非理想因素將嚴(yán)重影響運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)效果。論文針對(duì)這一問(wèn)題,提出兩種通道相位誤差估計(jì)方法。方法一利用雜波的信號(hào)特征向量與其導(dǎo)向矢量的線性關(guān)系直接進(jìn)行通道誤差估計(jì)。方法二通過(guò)對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行方位重采樣,然后利用雜波信號(hào)特征向量張成的空間(即信號(hào)子空間)與真實(shí)導(dǎo)向矢量張成的空間相同的原理進(jìn)行

6、誤差估計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明,兩種方法均能有效地進(jìn)行通道相位誤差估計(jì),并且方法二具有更高的估計(jì)精度。
　　2.合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)獲得距離高分辨率圖像,隨著分辨率要求的提高,發(fā)射信號(hào)的帶寬也隨之提高,發(fā)射大帶寬信號(hào)常用的解決方案為發(fā)射若干個(gè)不同載頻的子帶信號(hào),然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的方法將各個(gè)子帶信號(hào)進(jìn)行合成,從而得到寬帶信號(hào)。在實(shí)際情況中,由于系統(tǒng)硬件等不可避免地存在各種誤差,導(dǎo)致各子帶信號(hào)的不一致,從而影響合成信號(hào)質(zhì)量,因

7、此必須對(duì)各子帶信號(hào)誤差進(jìn)行估計(jì)并補(bǔ)償。論文針對(duì)子帶間的重疊頻譜問(wèn)題,提出一種子帶誤差估計(jì)方法,在利用步進(jìn)線性調(diào)頻信號(hào)合成大帶寬信號(hào)時(shí),對(duì)各子帶間的不一致性進(jìn)行補(bǔ)償。該方法通過(guò)對(duì)相鄰子帶間的重疊譜相位差進(jìn)行擬合得到子帶幅相誤差和延時(shí)誤差,并對(duì)各子帶回波進(jìn)行加窗處理以消除因子帶重疊引起的成對(duì)回波。
　　3.同時(shí)獲取高分辨率寬測(cè)繪帶(HRWS)合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像并進(jìn)行地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(GMTI)是合成孔徑雷達(dá)成像的發(fā)展趨勢(shì)。然而

8、傳統(tǒng)單通道星載SAR系統(tǒng)受最小天線面積的限制,為得到寬距離測(cè)繪帶而不產(chǎn)生距離模糊,要求脈沖重復(fù)頻率不能太高,而高方位分辨率又要求系統(tǒng)以高脈沖重復(fù)頻率工作,因此難以同時(shí)獲取方位高分辨和距離寬測(cè)繪帶。論文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,在存在多普勒模糊的情況下,詳細(xì)討論了如何利用多通道SAR系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè),并提出一種基于空時(shí)譜的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法,該方法根據(jù)雜波和動(dòng)目標(biāo)的空時(shí)譜關(guān)系構(gòu)造方位匹配函數(shù),方位匹配濾波后,再利用波束形成技術(shù)進(jìn)行雜波抑制,然后對(duì)運(yùn)

9、動(dòng)目標(biāo)的斜距歷程進(jìn)行擬合得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向。接著對(duì)雜波抑制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦處理,得到模糊的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像,并利用恒虛警檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)得到所有的模糊運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。最后根據(jù)模糊圖像的空間關(guān)系和估計(jì)出的運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)出真實(shí)目標(biāo)。
　　4.同時(shí)獲取方位高分辨和距離寬測(cè)繪帶是合成孔徑雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì),論文在實(shí)現(xiàn)S AR地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的基礎(chǔ)上,提出一種地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法。該方法首先利用空時(shí)自適應(yīng)處理方法進(jìn)行雜波抑制,然后再對(duì)雜波抑制