曲线运动轨迹SAR成像方法研究

发布时间：2019-03-07 23:34

【摘要】：随着雷达技术的快速发展,对曲线运动轨迹下的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像的研究具有特殊的应用价值。与传统匀速直线运动的载体受到气流等因素的影响产生的运动误差不同,曲线运动轨迹SAR具有较大的空间三维加速度以实现平台的灵活控制及不同的应用需求。本论文针对现阶段曲线运动轨迹SAR的成像问题和发展趋势,从统一化的SAR模型研究入手,逐步深入展开研究。主要研究内容包括以下几个方面：1.针对常规匀速直线飞行SAR成像模型及特性失效的问题,建立了描述曲线运动轨迹SAR的成像模型及特性。在曲线运动轨迹情形下,雷达的将无法沿直线飞行,速度也很难保持匀速,这也使得基于匀速直线飞行假设的常规成像模型及特性存在一定误差。针对模型失效的问题,利用矢量分析法研究了适用性更广的SAR成像模型,并根据该模型分析了曲线运动轨迹SAR波束指向控制的数学描述,有效地提高了波束指向控制的精度。针对成像特性问题,利用经典物理学结合矢量分析法,对曲线运动轨迹SAR的分辨率、带宽等成像特性参数进行分析及精确推导,并定量研究加速度补偿的约束条件及精确要求,建立补偿准则,为后续的算法设计奠定基础,避免了传统方法所面临的误差较大、精度不高的问题。此外,针对不同模型的应用,给出了相应的分析与说明。2.针对曲线运动轨迹情形下高分辨大斜视聚束SAR波数域方法不适用的问题,提出了改进的波数域方法,其本质是通过对曲线运动轨迹距离历程的等效化处理以实现波数域算法的修正,有效地提高聚焦结果的质量,实现大斜视、高分辨成像。利用时频分析法分析和挖掘了曲线运动轨迹聚束SAR内部结构的变化及产生的问题,即频谱混叠和常规波数域算法失效,建立了曲线运动轨迹情形下高分辨大斜视聚束SAR的数学模型。针对两维频谱混叠的问题,通过构造新的时频旋转函数调整采样间隔,提出了基于传统两步处理技术的方位维预处理方法。针对波数域成像算法的特点,即相位线性化,推导出了等效化距离历程,该等效化距离历程的空变部分与传统匀速直线飞行SAR具有相同的数学表达形式,避免了利用级数反演法推导二维频谱和相位线性化等极其复杂问题,提出了改进的波数域成像处理算法,并将方位维预处理和改进的波数域成像处理算法相结合,可以有效地应用在曲线运动轨迹大斜视聚束SAR成像。3.在曲线运动轨迹波束指向SAR情形下,针对机载存在的频谱混叠和空变特性问题,提出了基于更新的频率域成像算法；针对星载存在的“走-停”模型不适用和空变特性的问题,提出了两维Keystone变换成像算法。在灵活波束指向发展趋势下,条带、聚束、滑动聚束及方位波束扫描(Terrain Observation by Progressive Scans, TOPS)等不同模式的SAR成像系统应运而生,统称为“波束指向SAR"。建立曲线运动轨迹机载波束指向SAR的几何模型,分析了影响其成像的若干重要因素,提出了基于方位维预处理和后处理的频率域算法,算法处理的重点是推导精确的距离维更新表达式。所提方法可以有效的解决了方位维频域混叠、方位维时域混叠及空变性等问题,提高了曲线运动轨迹机载波束指向SAR的成像质量。与机载SAR不同,曲线运动轨迹星载波束指向SAR需要考虑“走-停”假设带来的误差问题,针对“走-停”误差,分析了影响成像的因素,建立了数学模型,并提出了基于两维Keystone变换的成像处理算法,算法的关键在于利用两维泰勒级数展开获得方位时域和频域的各阶系数关于零阶系数、一阶系数的线性描述关系,并根据该描述进行两维信号重新分配,该方法考虑了卫星飞行以及高阶相位的影响,能够有效地解决“走-停”假设误差和空变特性的问题,适用于不同轨道高度的星载SAR具有处理流程简单、易理解的特点。需要特别说明的是,对曲线运动轨迹波束指向SAR统一化处理算法的研究结果具有较强的适用性、完整性和扩展性。4.针对曲线运动轨迹情形下任意构型双基SAR存在的频谱混叠和空变特性问题,提出了广义极坐标成像处理算法(Generalized Polar Format Algorithm, GPFA)和扩展的方位维非线性变标(Azimuth Nonlinear Chirp Scaling, ANCS)(Extended ANCS, EANCS)算法两种处理方法。GPFA将单基SAR的方位维预处理和后处理技术进行改进,并融合双基SAR所需的插值映射函数进行成像聚焦,解决了任意构型双基SAR的方位维频域混叠、方位维时域混叠及空变性等问题,具有简单易实现的特点,可以有效地提高成像聚焦的质量。针对传统的ANCS算法无法精确的获得方位时间与点目标方位位置的非线性关系等问题,提出了一种EANCS算法,该算法利用多相滤波器提高了非线性变标处理的自由度,并根据多普勒参数与多普勒中心的非线性关系推导了多阶的变标因子并构造了扰动函数,可以解决传统ANCS算法对任意构型双基SAR不适用的问题,并可以很好去除两维空变特性的影响,有效地改善了任意构型双基SAR,成像的质量和成像的范围。
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【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN957.52

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