高分辨寬測(cè)繪帶多通道SAR和動(dòng)目標(biāo)成像理論與方法.pdf

1、多通道合成孔徑雷達(dá)(Multi-Channel Synthetic Aperture Radar, M C-S A R)系統(tǒng)因其在高分辨寬測(cè)繪帶(High-Resolution and Wide-Swath, H R W S)成像、地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、全球數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, D E M)測(cè)量及干擾抑制等方向具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),已受到雷達(dá)成像和遙感等領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注,成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。HRWS對(duì)地觀測(cè)是

2、未來MC-SAR系統(tǒng),特別是星載MC-SAR系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的單通道S A R系統(tǒng)為了獲得方位的高分辨必須同時(shí)滿足方位天線面積最小且高脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency, P R F)要求。然而為了克服距離模糊影響獲得距離寬測(cè)繪帶,要求P R F不能過高。由此帶來了“天線最小面積約束”問題。結(jié)合數(shù)字波束形成技術(shù)(Digital Beam-Forming, DBF)多通道S A R系統(tǒng)可以有效地解決這個(gè)

3、問題來實(shí)現(xiàn)H R W S對(duì)地觀測(cè)。
　　本文以SAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)HRWS成像發(fā)展需求為目的,針對(duì)多通道SAR成像中存在的關(guān)鍵問題和難點(diǎn),圍繞國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金“高分辨雷達(dá)成像技術(shù)”、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金“天基高分辨率合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)”、民口973項(xiàng)目“稀疏微波成像信號(hào)處理方法研究”和國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“多維度微波成像信息處理研究”等項(xiàng)目的研究任務(wù),從 MC-SAR成像中存在的通道誤差校正、多普勒參數(shù)估計(jì)、

4、斜視成像、動(dòng)目標(biāo)雜波抑制和成像處理、干擾抑制等方面展開研究。
　　論文的內(nèi)容可概括為如下六個(gè)部分:
　　(1)MC-SAR的回波信號(hào)模型及通道誤差建模
　　本文第二章研究了 MC-SAR系統(tǒng)的回波信號(hào)模型。首先對(duì)理想情況下MC-SAR系統(tǒng)的回波信號(hào)進(jìn)行建模;接著考慮到在實(shí)際MC-SAR系統(tǒng)工作過程中會(huì)存在通道誤差,如幅度相位誤差、距離采樣時(shí)間誤差、天線位置測(cè)量誤差等,結(jié)合系統(tǒng)的回波模型對(duì)通道誤差進(jìn)行討論,同時(shí)把天線位置

5、測(cè)量誤差分解為沿方位向基線位置測(cè)量誤差和隨距離空變的相位誤差兩個(gè)部分;對(duì)已有的通道誤差校正方法如基于子空間的通道誤差校正方法和基于相關(guān)函數(shù)的通道誤差校正方法進(jìn)行討論,并對(duì)現(xiàn)有的方位多普勒解模糊算法如傳遞函數(shù)法、空時(shí)自適應(yīng)處理方法進(jìn)行介紹,同時(shí)提出了基于多個(gè)多普勒方向約束的解模糊算法,仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)的機(jī)載七通道SAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了提出的解模糊算法的可行性和有效性。
　　(2)MC-SAR空變的通道誤差校正技術(shù)
　　本文第三

6、章研究了在H R W S成像過程中,MC-SAR空變的通道誤差校正。首先提出了一種基于子空間且考慮隨距離空變的通道誤差校正方法,其包括通道誤差粗校正和通道誤差精校正兩個(gè)步驟。對(duì)于通道誤差粗校正,在兩維頻率域?qū)νǖ婪群拖辔徽`差、距離采樣時(shí)間誤差進(jìn)行估計(jì)和校正。在精校正過程中,將估計(jì)出沿方位向的基線位置測(cè)量誤差、距離空變的通道相位誤差。對(duì)于隨距離空變的通道相位誤差,把粗校正之后的本文第五章研究了在 D P C A(Displaced Ph

7、ase Center Antenna, D P C A)條件下,H R W S模式的MC-SAR中動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)模型,并提出了一種基于局部最大似然最小熵(Local Maximum-Likelihood M i n i m u m Entropy, L M L-M E)的動(dòng)目標(biāo)成像算法。在 M C-S A R中,動(dòng)目標(biāo)回波在不同通道之間存在一個(gè)隨距離頻率空變的相位誤差。為了校正該相位誤差,提出了基于LML-ME的相位估計(jì)算法。接著,利

8、用該相位誤差和距離頻率的線性關(guān)系來估計(jì)動(dòng)目標(biāo)斜距速度。在利用DPCA條件對(duì)動(dòng)目標(biāo)方位多普勒信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)和相位誤差補(bǔ)償之后,利用估計(jì)得到斜距速度進(jìn)行走動(dòng)校正和多普勒中心頻移校正。其次利用keystone變換進(jìn)行二次距離徙動(dòng)校正。最后進(jìn)行方位聚焦處理即可獲得聚焦的動(dòng)目標(biāo)成像結(jié)果。理論分析表明該過程無需插值處理。利用仿真實(shí)驗(yàn)和五通道海洋艦船SAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了該成像算法的有效性。
　　(5)在H R W S模式下MC-SAR穩(wěn)健的雜

9、波抑制和動(dòng)目標(biāo)成像技術(shù)
　　本文第六章研究了 M C-S A R中動(dòng)目標(biāo)和雜波回波在距離脈壓方位chirp傅里葉變換(Range-Compression and Azimuth Chirp Fourier Transform, R C-C F T)域的信號(hào)形式,并提出了穩(wěn)健的雜波抑制和動(dòng)目標(biāo)成像算法。首先,將 MC-SAR中動(dòng)目標(biāo)和雜波回波變換到RC-CFT域中,即獲得其對(duì)應(yīng)的粗聚焦圖像?？紤]到動(dòng)目標(biāo)在成像場(chǎng)景中稀疏且雜波回波和動(dòng)

10、目標(biāo)回波在空域中具有不同的信號(hào)特性,可以通過在空域中構(gòu)造一系列濾波器來提取動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)。為了估計(jì)動(dòng)目標(biāo)斜距速度,利用提取的動(dòng)目標(biāo)回波構(gòu)造兩組信號(hào)。接著,利用基帶多普勒中心估計(jì)算法和多視互相關(guān)多普勒中心模糊數(shù)求解方式來估計(jì)動(dòng)目標(biāo)斜距速度。利用估計(jì)得到斜距速度進(jìn)行走動(dòng)校正和方位聚焦處理之后,即可獲得聚焦好的動(dòng)目標(biāo)圖像。此外,該算法不僅適用于方位空域均勻采樣情況,同時(shí)也適用于非均勻采樣情況。最后仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的可行性,機(jī)載七通道SAR

11、回波數(shù)據(jù)處理結(jié)果同樣也驗(yàn)證了論文中的分析和該算法的有效性。
　　(6)MC-SAR成像中干擾抑制技術(shù)
　　本文第七章研究了 MC-SAR系統(tǒng)中干擾信號(hào)的特點(diǎn),提出了基于時(shí)頻變換的干擾抑制算法和基于波束形成的欺騙式干擾抑制算法。對(duì)于基于時(shí)頻變換的干擾抑制算法,其先在短時(shí)傅里葉(Short T i m e Fourier Transform, S T F T)域?qū)φ瓗Ц蓴_或?qū)拵Ц蓴_進(jìn)行瞬時(shí)譜估計(jì)。接著,利用小波變換對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行