分布式SAR动目标成像关键技术研究

发布时间：2017-10-02 01:04

  本文关键词：分布式SAR动目标成像关键技术研究

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【摘要】：星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)对地观测是完成资源勘探、环境保护、灾害预警以及国土防御等任务的重要手段。近年来,为满足空间对地观测由单任务向多任务发展的需求,基于小卫星技术的分布式SAR概念被提出。分布式SAR是将SAR的收、发天线分置于不同卫星,各卫星按一定的构形编队飞行并协同工作的多天线雷达体制,不仅具有单站星载SAR的全天时-全天候对地观测、对某些地物的穿透能力等特点,而且能够通过多基线、多视角、多波段、多极化等提供的互补信息,完成多种任务。其中,在民用与军事领域,动目标精确定位、测速与清晰成像对抢险救灾、交通路况监控、战场侦察等任务具有重要意义。分布式SAR对地面动目标的连续观测有助于运动信息的准确获取和成像分辨率的提高,而目前主要面临卫星姿态抖动引起的空间不同步、动目标参数估计精度低、成像分辨率提高与旁瓣增高的矛盾等难题。将分布式SAR看作一种多天线阵列,建立其回波阵列信号模型可将以上问题统一抽象为阵列信号的参数估计与波束形成问题。本文将研究基于多项式相位阵列信号(Polynomial Phase Array Signal,PPAS)的分布式SAR动目标成像关键技术,主要研究内容与贡献如下:(1)建立分布式SAR回波的阵列信号模型,并设计编队构形。用二阶PPAS来表示分布式SAR回波信号,命名为双站扩展空时模型(Bistatic Extended Space-Time Model,BESTIM),并根据BESTIM拟合误差最小准则对编队构形进行最优设计,将最优编队构形的BESTIM作为全文的理论基础。(2)基于PPAS完成卫星姿态抖动补偿,解决分布式SAR空间同步问题。首先分析卫星姿态抖动引起的相位误差,并在BESTIM的基础上建立含有抖动相位误差的高阶PPAS模型,接下来提出PPAS参数估计的HIM-MUSIC(High-order Instantaneous Moment-Multiple Signal Classification)方法,补偿抖动相位误差,最后用成像结果表明该方法优于传统的非参数化自聚焦方法。(3)基于BESTIM提出分布式SAR动目标参数估计的空-时-频联合处理方法,提高参数估计精度。首先提出Fr FT-STFD(Fractional Fourier Transform-Space-Time-Frequency Distribution)方法,估计距离向速度与初始方位,接下来提出Fr FT-CSMUSIC方法(Fractional Fourier Transform-Cross Spectrum Multiple Signal Classification,Fr FT-CSMUSIC),估计方位向速度。所提方法解决非线阵构形分布式SAR的多通道联合信号处理问题,并且比传统的VSAR(Velocity Synthetic Aperture Radar)、单站Fr FT等方法具有更高的参数估计性能。(4)基于BESTIM提出分数阶距离-多普勒频谱合成(Fractional Range Doppler Algorithm Spectrum Synthesis,Fr RDASS)的超分辨成像方法,使图像在获取更高分辨率的同时降低旁瓣,接下来给出分布式SAR回波半实物数据的模拟方法,用该数据验证所提成像方法的成像质量优于传统的距离-多普勒算法(Range Doppler Algorithm,RDA)。本文在分布式SAR现有的系统测控精度下实现动目标成像,在PPAS框架内提出卫星姿态抖动误差补偿、动目标参数估计、动目标超分辨成像的新方法,最终获得更高的动目标图像质量。通过本文的研究不仅能够更充分地发挥分布式SAR各卫星平台的信息互补优势,增强系统功能,并且所提出的PPAS信号处理方法对合成孔径声纳、超声波阵列、拖曳线列阵声纳等其它应用领域也具有一定的参考价值。
【关键词】：合成孔径雷达 多项式相位信号 分数阶傅里叶变换 动目标成像 回波仿真 参数估计
【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】：2015
【分类号】：TN957.52
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-34
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义14-16
• 1.2 分布式SAR系统概述16-26
• 1.2.1 分布式SAR的国内外发展现状16-20
• 1.2.2 分布式SAR系统的特点20-22
• 1.2.3 分布式SAR系统的关键问题22-26
• 1.3 分布式SAR动目标成像的难点问题26-30
• 1.3.1 动目标参数估计26-28
• 1.3.2 动目标超分辨成像28-30
• 1.4 多项式相位信号的研究现状30-31
• 1.5 本文的主要研究内容及结构安排31-34
• 第2章 分布式SAR阵列信号建模与编队构形设计34-54
• 2.1 引言34
• 2.2 分布式SAR阵列信号模型建立34-41
• 2.2.1 空时扩展模型ESTIM34-36
• 2.2.2 双站空时扩展模型BESTIM36-37
• 2.2.3 BESTIM的误差分析37-41
• 2.3 分布式SAR编队构形设计41-48
• 2.3.1 相对运动的运动学方程41-43
• 2.3.2 编队构形确定方程43-45
• 2.3.3 编队构形最优化设计45-48
• 2.4 分布式SAR编队构形设计算例48-53
• 2.5 本章小结53-54
• 第3章 分布式SAR卫星姿态抖动补偿54-86
• 3.1 引言54
• 3.2 卫星姿态抖动对分布式SAR的影响54-71
• 3.2.1 卫星姿态抖动引起的天线波束指向抖动54-56
• 3.2.2 波束指向抖动对分布式SAR成像质量的影响56-71
• 3.3 姿态抖动误差校正的HIM-MUSIC法71-77
• 3.3.1 含有天线波束指向抖动的PPAS模型71-74
• 3.3.2 抖动误差补偿的HIM-MUSIC法74-77
• 3.4 抖动补偿的仿真实验77-85
• 3.4.1 点目标77-82
• 3.4.2 半实物数据中的特显点82-85
• 3.5 本章小结85-86
• 第4章 分布式SAR动目标参数估计86-112
• 4.1 引言86
• 4.2 信号检测的Fr FT方法86-92
• 4.2.1 Fr FT的定义86-87
• 4.2.2 离散分数阶傅里叶变换87-90
• 4.2.3 基于Fr FT的分布式SAR动目标信号检测90-92
• 4.3 基于Fr FT-STFD的距离向速度与初始方位估计92-104
• 4.3.1 参数估计的Fr FT-STFD方法92-98
• 4.3.2 Fr FT-STFD方法的仿真实验98-104
• 4.4 基于Fr FT-CSMUSIC的方位向速度估计104-111
• 4.4.1 分数阶傅里叶滤波器组105-106
• 4.4.2 互谱MUSIC106-108
• 4.4.3 Fr FT-CSMUSIC方法的仿真实验108-111
• 4.5 本章小结111-112
• 第5章 分布式SAR动目标超分辨成像112-148
• 5.1 引言112
• 5.2 动目标高分辨成像的Fr RDA法112-117
• 5.2.1 距离弯曲校正113-114
• 5.2.2 分数阶脉冲压缩114-117
• 5.3 动目标超分辨成像的Fr RDASS法117-128
• 5.3.1 分布式SAR频谱合成成像的基本原理117-122
• 5.3.2 分布式SAR超分辨成像的Fr RDASS方法122-128
• 5.4 分布式SAR半实物数据模拟128-136
• 5.4.1 参考星的分布目标数据模拟128-133
• 5.4.2 环绕星的分布目标数据模拟133-136
• 5.5 仿真实验136-147
• 5.5.1 点目标超分辨成像仿真实验136-139
• 5.5.2 星载SAR实测数据成像实验139-141
• 5.5.3 分布式SAR场景半实物数据模拟实验141-143
• 5.5.4 半实物数据的超分辨成像实验143-147
• 5.6 本章小结147-148
• 结论148-150
• 参考文献150-163
• 附录：ESTIM的推导过程补充163-165
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果165-168
• 致谢168-169
• 个人简历169

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈杰,周荫清,李春升;合成孔径雷达卫星姿态指向稳定度与图像质量关系的研究[J];电子学报;2001年S1期

2 徐华平,周荫清,李春升;基于频谱偏移估计的分布式星载SAR提高距离向分辨率的数据处理方法[J];电子学报;2003年12期

3 刘U，

本文编号：956652