方位多通道高分辨率寬測繪帶SAR成像及GMTI技術(shù)研究.pdf

1、合成孔徑雷達(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。SAR屬于主動式微波遙感設(shè)備,具有全天候、全天時和遠距離成像的特點,大大提高了雷達信息獲取能力,為目標(biāo)檢測創(chuàng)造了前所未有的機會,是現(xiàn)代雷達的一項突破性成就,在軍事、國防以及民用領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。作為一種先進的成像系統(tǒng),SAR能夠從空中實時提供類似光學(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量保真度。SAR對地面運動

2、目標(biāo)的檢測和成像研究是在合成孔徑雷達成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,SAR最初是針對地面靜止場景成像的,在SAR圖像中,地面運動目標(biāo)圖像會出現(xiàn)距離走動、方位位置偏移、散焦等現(xiàn)象,動目標(biāo)往往只能模糊的疊加在靜止場景的S AR圖像上。在實際的應(yīng)用中,特別是在軍事的應(yīng)用上,地面運動目標(biāo)檢測(GMTI)是 SAR系統(tǒng)必須具備的一項基本功能,人們總是希望通過SAR圖像來進行地面運動目標(biāo)檢測,并將其標(biāo)注在場景的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,對于實現(xiàn) GMTI功能而言,雷達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)分出運動目標(biāo)并且能夠正確地估計出其運動參數(shù),因而廣泛地應(yīng)用于戰(zhàn)場感知和偵察中。
　　目前世界上許多國家都在大力發(fā)展多通道地面運動目標(biāo)檢測和定位技術(shù),積極研究先進的運動目標(biāo)檢測理論,并努力尋求各種高效、實用的運動目標(biāo)檢測方法。本文在深入分析國

4、內(nèi)外SAR-GMTI研究成果的基礎(chǔ)上,對合成孔徑雷達動目標(biāo)檢測和誤差估計進行了較為詳細(xì)的研究和分析。重點針對方位多通道正側(cè)視雷達實現(xiàn)GMTI的功能,開展了通道相位誤差估計,對于SAR成像中拼接成大圖的子帶誤差估計,運動目標(biāo)檢測和定位,以及參數(shù)估計等關(guān)鍵技術(shù)研究。
　　論文以方位多通道高分辨率寬測繪帶SAR系統(tǒng)為對象,研究的主要內(nèi)容可概括為以下四個部分:
　　1.結(jié)合多通道地面運動目標(biāo)檢測 GMTI的合成孔徑雷達 SAR系統(tǒng)在

5、對大面積地物成像的同時可以完成運動目標(biāo)檢測與參數(shù)估計,此時要求各通道間的特性完全一致。然而在實際情況中,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)重影響運動目標(biāo)檢測效果。論文針對這一問題,提出兩種通道相位誤差估計方法。方法一利用雜波的信號特征向量與其導(dǎo)向矢量的線性關(guān)系直接進行通道誤差估計。方法二通過對回波數(shù)據(jù)進行方位重采樣,然后利用雜波信號特征向量張成的空間(即信號子空間)與真實導(dǎo)向矢量張成的空間相同的原理進行

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

7、此必須對各子帶信號誤差進行估計并補償。論文針對子帶間的重疊頻譜問題,提出一種子帶誤差估計方法,在利用步進線性調(diào)頻信號合成大帶寬信號時,對各子帶間的不一致性進行補償。該方法通過對相鄰子帶間的重疊譜相位差進行擬合得到子帶幅相誤差和延時誤差,并對各子帶回波進行加窗處理以消除因子帶重疊引起的成對回波。
　　3.同時獲取高分辨率寬測繪帶(HRWS)合成孔徑雷達(SAR)圖像并進行地面運動目標(biāo)檢測(GMTI)是合成孔徑雷達成像的發(fā)展趨勢。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,因此難以同時獲取方位高分辨和距離寬測繪帶。論文針對這個問題,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)進行運動目標(biāo)檢測,并提出一種基于空時譜的運動目標(biāo)檢測方法,該方法根據(jù)雜波和動目標(biāo)的空時譜關(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)進行雜波抑制,然后對運

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