双基前视高机动平台SAR系统特性及成像算法研究

发布时间：2019-04-26 08:21

【摘要】：单基合成孔径雷达(SAR)可对侧向区域进行二维高分辨率成像,已在军事、民用等领域得到了广泛应用,然而在前视模式下由于距离和方位同方向而无法二维成像。而通过增加一个平台,即发射平台侧视或斜视、接收平台前视的双基前视SAR运动构型,可在距离和方位向形成一定夹角,平台的运动为接收机前视成像提供足够的多普勒带宽,进而可实现前视二维成像。高机动平台SAR是SAR成像技术的一个重要应用,飞行器处于末端俯冲段时,实时获取雷达正前方目标的特征信息尤为重要,尤其当打击如航母战斗群及舰船关键部位、近岸舰船编队等复杂背景目标时,背景船舶密集、海陆交接,目标分布复杂。现有单基平台末制导手段中,单脉冲雷达测角、斜前视合成孔径雷达成像等制导方式难以对正前方目标区域全程二维高分辨成像探测,因而很难实现对目标的有效分离。双基前视高机动平台SAR(BFHM-SAR)是一种将双基前视SAR成像体制应用于高机动平台的新型双基地成像模式,该模式可有效利用双基前视SAR成像体制的前视二维高分辨成像优势,通过合理规划运动轨迹可实现末制导阶段接收机对目标区域的全程二维高分辨探测。然而高机动平台具有高速度、大机动、远距离等特点,且高机动平台与双基前视成像体制的结合,收、发平台均具有较高速度和加速度,在高度下降的过程中完成双基前视成像探测,相较于传统机载单/双基SAR成像模式必将引入新的运动特性。本文针对高机动平台下的双基前视SAR开展系统特性、运动特性以及成像算法的研究。本文的具体研究内容主要包括以下几个方面：1. 针对特定构型下成像机理和系统特性的研究,与后期成像算法的研究和系统参数的设计密切相关。本文首先以单基SAR的距离空变性作为对比,对BFHM-SAR的二维空变特性进行了探讨,并针对不同方位位置、不同轨道夹角情形下的距离走动率、多普勒中心频率、调频率等参数进行理论和仿真分析。并在此基础上利用矢量梯度法和K-空间理论对其二维分辨率进行分析和计算,理论分析两种方法之间的差异,确定了梯度法在该构型下的近似误差,明确了该方法在BFHM-SAR下的适用性。2. BFHM-SAR成像结果与收、发平台相互制约,因此两平台的空间构型设计对BFHM-SAR能否成像至关重要。要形成满足成像分辨率要求的双基成像体制,需要根据接收机预设轨迹合理设计发射机飞行轨道,以确保收、发平台间的协同飞行。本文提出了基于线性衰减模型的发射机轨道设计方法。本方法基于矢量梯度法计算得到的地距和方位分辨率精确解析式,以接收机预设轨迹作为输入,将整个成像阶段划分为若干个子阶段,在每个子阶段计算二维分辨率,初始化轨道参量或调整衰减步长,直至完成整个成像探测阶段。最后通过仿真实验对所提设计方法进行了验证。3.复杂构型下有效的回波模拟是验证成像算法的重要手段,与传统机载平台不同,BFHM-SAR构型中收、发平台均具有较高速度和加速度,且高度不断下降,传统频域模拟方法不能直接应用于该构型。本文利用BFHM-SAR运动特点,提出了一种基于斜距等效及空变校正的快速回波模拟方法。利用修正双曲斜距模型对同时包含双根号及高阶项的距离历程中进行等效,简化为单根号斜距形式,并利用驻定相位原理(POSP)求解得到二维频谱。然后针对频谱相位中空变严重的方位脉压项和距离徙动项通过高阶拟合来消除空变。本方法以SAR图像作为输入,可有效获取高动态条件下双基前视SAR回波数据。最后通过点目标以及场景面目标仿真实验验证了所提方法的有效性和运算的高效性。4. 针对高机动平台下不同成像距离处的二维耦合特性以及距离／方位向脉冲压缩所对应的等效调频率随双基距离和的空变特性进行了探讨,并且针对该空变特性,提出了一种BFHM-SAR扩展场景成像算法。首先在校正距离走动后对距离历程进行精确近似,利用级数反演求解得到回波信号二维频谱。针对影响成像聚焦性能的各相位项进行定量分析,忽略空变量较小的距离等效调频率,考虑空变严重的方位等效调频率进行滤波器设计,以校正随双基距离和的空变性。最后利用点目标和场景面目标进行仿真,良好的聚焦效果验证了本文算法的可靠性。另外,针对双基高机动平台下的运动误差和时频同步误差对二维频谱和成像的影响特性进行了理论和仿真分析,揭示了各个误差分量的影响规律。5. 针对相控阵天线通道间幅相误差导致输出信号幅相失真的问题,提出了一种外界可变干扰环境下通道幅相误差在线校正方法。该方法在干扰抑制基础上通过对数据矩阵特征分解得到精确的未知目标导向矢量,在相邻两个更新周期之间在线计算幅度和相位误差,并更新权向量,进而对失真信号的幅度和相位进行在线校正。最后对三种不同的阵面天线形式通过计算机仿真进行了验证,结果证实了算法的有效性和稳健性。6. 发射平台(如卫星、空间站)与接收平台(如飞机)的结合,可形成“星-机”联合双基前视圆周SAR三维成像体制。针对双基前视圆周SAR前视方向的三维分辨能力进行了初步研究。基于梯度法和模糊函数理论,计算得出了场景任意位置点目标分辨特性的精确解析式,可有效指导成像场景最佳成像区域和平台最佳飞行时段的选取；并给出了影响分辨率的主要运动参数和系统参数的设计思想。
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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

【参考文献】