太赫兹SAR成像运动补偿及成像算法研究

发布时间：2020-06-13 11:17

【摘要】：合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)自上个世纪五十年代被提出以来,以其具有作用距离远、全天候全天时、可以获得二维高分辨图像等优势得到了快速发展,目前已经广泛应用于军事侦察、环境监测、抗震救灾等各个领域。SAR采用发射大时宽带宽积信号的方式来获得距离向高分辨,同时采用合成孔径的方式来获得方位向高分辨。近年来,随着太赫兹器件的高速发展,太赫兹波段SAR以自身的优势得到了关注。与传统微波波段SAR相比,太赫兹波段SAR至少具有如下优势:可以更容易地发射更大时宽带宽积的信号,从而获得更高的距离向分辨能力;较小的合成孔径即可实现方位向的高分辨;太赫兹波照射下目标的棱角效应更明显;微多普勒特征更明显,有利于检测慢速运动目标。由于雷达平台通过运动来实现合成孔径,为了获得理想的成像结果,需要雷达运动轨迹被精确地记录下来。在实际中,雷达运动参数由惯性制导系统记录,当惯性制导系统参数无法提供精确的雷达运动轨迹时,运动误差补偿就成为SAR成像信号处理中的必要内容。例如在飞机特别是直升机的飞行过程中,由于气流、发动机振动等因素,SAR成像平台除了存在频率较低的运动误差之外,还存在频率较高的运动(振动)误差。低频运动误差在一定的条件下可以由性能较好的惯导系统记录下来,而高频运动误差由于其频率高、幅度小等因素往往很难被记录下来。在传统X波段SAR成像信号处理中,由于波长远大于高频运动误差,因此高频运动误差对SAR回波相位的影响可以忽略不计;但在太赫兹波段SAR成像信号处理中,由于波长与高频振动振幅相比拟甚至小于高频振动振幅,导致高频运动误差对回波相位的影响很明显。因此,在太赫兹SAR成像运动补偿中,不仅要考虑低频运动误差的影响,还必须要考虑高频运动误差的影响。本文以太赫兹SAR成像运动误差补偿和成像算法为研究内容,所做的主要工作可以概括为以下几个方面:1)分析了太赫兹SAR成像与传统X波段SAR成像相比在成像指标方面的特点,在此基础上建立了太赫兹SAR成像平台运动误差模型,推导了同时受平台高频振动和低频运动误差影响的回波信号的形式。采用距离-多普勒算法进行太赫兹SAR成像处理,回波信号在经过距离压缩和距离徙动校正后,任一距离单元沿方位向上具有混合线调频-正弦调频信号的形式,导致方位向处理后出现鬼影等现象,严重恶化了成像结果。对平台高频振动的各个参数对成像结果的影响进行了分析,并通过仿真实验加以验证。最后,分析了以图像偏移法和相位梯度自聚焦法为代表的微波波段SAR成像运动补偿方法在直接对太赫兹SAR成像运动补偿中的局限性。2)研究了基于单分量简谐振动模型的太赫兹SAR成像平台高频振动补偿方案。在根据已知参数构造参考信号将多普勒调频率项去除后,在单分量简谐振动建模平台高频振动的情况下,特显点所在距离单元回波信号具有单分量正弦调频信号的形式。基于此结论,研究了单分量正弦项相位调制信号的参数估计算法。主要是三部分内容,一是在现有的基于逆Radon变换方法的基础上做了改进,加入了提取回波时频分布的时频脊这一步骤,减小了运算量。二是提出了基于自适应Chirplet分解的正弦调频信号参数估计。三是将离散正弦调频变换和模拟退火算法、粒子群优化算法等全局优化算法结合起来,以较低的运算量实现了正弦调频信号的参数估计。针对混合线调频-正弦调频信号的参数估计问题,提出了扩展Radon变换这一新的变换,且提出了基于该变换的混合调频信号参数估计新方法。最后对各个方法进行了对比分析和使用适用性说明。3)研究了基于多分量简谐振动模型的太赫兹SAR成像平台高频振动补偿方案。在根据已知参数构造参考信号将多普勒调频率项去除后,在平台高频振动建模为多个简谐振动分量叠加时,特显点所在距离单元回波信号具有多正弦项相位调制信号的形式。针对该形式的信号提出了三种不同的参数估计新算法。先是采用改进的离散正弦调频变换的方法,结合模拟退火算法等优化算法以在低运算量的前提下实现对该信号的参数估计;二是结合正弦调频傅里叶变换和最大似然发来实现对该信号的参数估计;三是结合短时傅里叶变换和最大似然法来实现对该信号的参数估计;最后分析了三种方法的异同和应用范围。4)研究了基于室内实测数据的太赫兹SAR运动补偿与成像算法,该运动补偿算法必须同时考虑低频运动误差和高频运动误差两种运动误差的补偿。该算法首先采用前文提到的参数估计算法完成对平台高频振动误差的参数估计,然后构造参考信号补偿平台高频振动误差。采用条带相位梯度自聚焦算法实现对平台低频运动误差的补偿。最后采用实测数据验证了新算法的有效性。
【图文】：

太赫兹波,位置,雷达

9]。图1-1 太赫兹波在电磁波频谱中的位置Fig.1-1 The location of terahertz band in electromagnetic spectrum合成孔径雷达（Synthetic aperture Radar, SAR）是上个世纪 50 年代发展起来的一种雷达[10-14]，，它不仅继承了雷达可以在全天时、全天候状态下工作等优点，还可以获得目标或场景的二维高分辨图像（后向散射系数）和检测成像场景内的动目标等功能。SAR 工作的基本原理是在距离向发射大时宽带宽积的信号，利用脉冲压缩技术使其在距离向具有高分辨力和较远的作用距离；同时，在方位向通过雷达平台的运动，形成一个较大的“合成孔径”，从而获得等效的窄波束，实现高分辨。由于 SAR 的诸多优势，它广泛应用于军事侦查、环境监测、抗震救灾等诸多领域，有着巨大的发展潜力，一直是国际雷达和遥感科学等领域的研究热门之一[15]。近年来

照片,坦克模型,光学,成像

哈尔滨工业大学工学博士学位论文米级别[30]。在 1991 年，美国佐治亚理工学院 Robert W. McMillan 等人研制出试验性质的 225GHz 脉冲相参雷达，基于扩展相互作用震荡器发射机和四分之一次谐波混频接收机，试验表明该系统的探测距离可达 3.5km，并且可以获得卡车和履带式车辆的多普勒谱。但是由于受到真空器件的限制，该系统无法发射大带宽信号，只能实现对目标回波多普勒谱的测量[31]。使用该系统获得的目标的多普勒谱如图 1-2 所示。
【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】：2019
【分类号】：TN957.52

【参考文献】