星载多基线SAR成像与动目标参数估计

发布时间：2020-04-17 18:54

【摘要】：合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)作为一种重要的对地观测手段,能够不受时间、距离和天气的限制,完成高分辨对地观测,在民用和军用方面都有重要意义。随着微波技术和信号处理技术的日益发展,SAR的产品不仅仅局限于提供地面的二维高分辨图像,还能实现地面动目标检测及参数估计、三维及多维成像、全息成像等任务。分布式SAR、多基/站SAR和多航过SAR等数据获取模式是目前以及将来SAR成像技术发展的热点。由于这些SAR系统中的各个雷达或各个轨迹之间存在空间基线,它们可以看做是干涉技术在时间域和空间域上的扩展,可统一被看作为多基线SAR。然而,与图像域干涉处理技术不同,多基线SAR充分利用多基线空间分布构型优势,在回波信号的空间域、时间域或频率域实现对地面动/静目标的观测,其成像算法更加复杂。本文立足于多基线SAR数据获取模式,充分分析多基线SAR回波信号模型,结合多维信号处理技术、压缩感知技术和多项式相位信号处理技术、研究多基线SAR二维成像、三维成像、全息成像、动目标参数估计等一系列问题,并提出行之有效的多基线成像和动目标参数估计方案,提高多基线SAR成像和参数估计性能。主要研究内容和贡献如下:(1)建立低轨条件下多基线SAR回波的三维空-时信号模型,并根据其泰勒展开方程分析了回波信号各个相位对目标聚焦的影响;针对多基线SAR二维成像时回波数据量大、二维稀疏采样硬件实现困难等问题,提出了基于压缩感知的超低PRF二维成像算法,针对多基线SAR高度向孔径采样稀疏非均匀特点,结合压缩感知信号处理技术,利用凸优化理论实现多基线SAR三维重构,降低压缩感知重构算法对场景稀疏条件的要求,实现低采样条件下的图像三维重构。(2)提出星载SAR全息成像的概念。为实现SAR全息成像的多基线圆迹轨道物理条件,首先分析天基圆迹对地观测的形成机理,建立地球同步轨道条件下的多基线全息成像模型,并设计地球同步轨道运行参数;然后,针对圆迹地球同步轨道成像时合成孔径时间长、距离-方位严重耦合、非“停-走-停”数据获取模式等问题,提出基于子孔径BP-压缩感知的星载SAR全息成像算法,在时空域实现地面凝视场景的全息重构。(3)突破当前对动目标运动参数估计仅局限于二维速度(距离速度和方位速度)的现状,提出基于Fr FT(Fractional Fourier Transform)的动目标三维速度(距离速度、方位速度和高度向速度)估计方法。首先,建立多基线SAR地面动目标三维运动回波模型—二阶PPS(Polynomial Phase Signal)模型,并分析动目标三维速度对该PPS的一阶和二阶相位系数的影响;然后,通过Fr FT估计多基线SAR的各阶相位系数,并联立基线方程组优化求解动目标三维速度参数。本文所提方案考虑到空中运动、地面起伏和海面风浪等三维因素对运动目标速度向量的影响,实现距离向、方位向和高度向三维速度的估计,能够为动目标三维定位和未来运动趋势提供更丰富的参考信息。(4)拓展本文提出的动目标三维速度估计方法。为了精确地描述复杂运动目标的运动状态,进一步提出基于CPF(Cubic Phase Function)的三维加速度目标运动参数估计方法,利用多基线SAR有效估计运动目标的距离向、方位向和高度向的速度以及加速度。由于二阶PPS模型无法对多维加速运动信息进行有效估计,并考虑到六个运动参数之间的耦合特性,将动目标回波信号模型展开为更高阶多项式相位形式,充分分析六个参数之间的关联特性,逐步优化求解动目标的三维速度和加速度。以上所研究的星载多基线SAR成像及动目标运动参数估计技术均是针对当前分布式SAR、多基/站SAR、多航过SAR系统在执行对地观测任务中所面临的亟待解决的前沿问题和技术难题,在剖析系统多基线构型特点和回波解析模型的基础上,进行严谨的理论推导和科学的仿真及半实物数据实验,最终获得多基线SAR的二维、三维以及全息图像和动目标多维运动参数估计结果。通过本文的研究不仅能够充分发挥多基线SAR构型优势,扩展多基线SAR立体观测和动目标解析性能,而且所提出的多维信号处理技术、压缩感知技术、多项式相位信号处理技术对合成孔径声纳、超声波阵列等其它应用领域也具有一定的理论参考价值。
【图文】：

曲线,基线变化,斜距,误差

2 2A rn A rnr B r B 由上式可知，在主星(三维空间基线为 0 的卫星)零多普勒平面内，场景中心目标的斜距误差为 0；而在同一个慢时间位置，δR主要受目标位置和基线长度影响。在星载多基线 SAR 系统中，为保证各个雷达接收到的回波信号的相干性，空间基线一般在几十到几百米范围之内。下图给出模型斜距误差随目标参数和基线参数变化的曲线。

斜距,基线变化,误差,目标位置

图 2-2 斜距误差随三维基线变化关系Fig. 2-2 Variation of slant range error with 3D baselines
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.52

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