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分布式SAR动目标检测关键技术研究

张雷  
【摘要】:合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)作为二战后新兴的一种全天时全天候天基雷达系统备受关注。近年发展起来的分布式SAR系统以其高空间自由度,多任务复用,低系统复杂度等系统优势成为了目前各国研究的重点。尤其是分布式SAR在地面动目标检测(Ground Moving Target Indication,GMTI)方面的优势更是日益显露。然而,随着现代战场瞬息万变的发展,一些技术难题也随之而来,其中以非平稳杂波抑制、非均匀杂波下的动目标检测和对动目标进行高分辨率三维成像等问题尤为紧迫。本文针对这些紧要问题,根据分布式SAR系统的构型特点及其接收信号的特性,结合空时联合处理、信号重构、相位补偿、压缩感知等先进信号处理技术,提出了一系列行之有效的GMTI新技术,旨在充分利用分布式SAR系统优势,提高GMTI性能。主要研究内容和创新如下:(1)建立了非均匀空间构型下分布式SAR点目标、杂波和动目标的信号模型;从理论上分析了目标运动对回波信号频谱的一系列影响;在剖析传统GMTI技术原理的基础上,指出了这些技术存在的问题。(2)针对传统杂波抑制技术无法适用于分布式SAR实际构型,并且对与距离相关的非平稳杂波抑制性能不佳的问题,提出了信号重构三维空时自适应处理杂波抑制技术。分析了回波信号的空时特性,结合分布式SAR实际构型指出了空间信号非均匀采样的问题;并利用信号重构技术将非均匀采样信号重构为均匀采样信号;推导了非平稳杂波的空时频谱特性,结合系统俯仰向的空间自由度和三维空时联合处理技术对非平稳杂波进行了有效抑制。(3)针对传统动目标检测技术需要待检测单元周围杂波满足独立同分布的问题,提出了相位补偿最大似然动目标检测方法。推导了由杂波造成的系统中各卫星平台之间的相位差,并利用相位补偿技术将其对消掉;推导了动目标造成的各卫星平台之间的相位差,并利用最大似然法将其中的动目标运动信息提取出来。该方法不需要杂波环境满足独立同分布条件,不需要计算杂波协方差矩阵及其逆矩阵,在低信噪比的环境下以较小的计算量实现了动目标检测,并提高了动目标位置和速度测量精度。(4)针对现有动目标三维成像技术,一方面由于数据采集受Nyquist理论限制导致所需数据量大,系统往往无法承受数据存储和传输带来的负担;另一方面由于需确定的目标位置参数多,信号恢复难度远大于二维成像,目前尚无完善的方法,导致无法得到高分辨率三维图像的问题,提出了过完备字典基追踪动目标三维成像方法。首先,建立了分布式SAR动目标回波离散模型;然后,根据系统构型特点和地面散射点分布情况,构造了三维过完备字典对动目标回波信号进行了稀疏表示;推导了从稀疏信号中恢复散射系数的欠定方程组表达式;针对传统方法无法适应实际噪声分布的问题,提出了改进的基追踪稀疏信号恢复法,对方程组进行求解;最终得到了高分辨率的动目标三维图像,实现了对动目标的准确三维刻画。以上所提的新技术均是针对分布式SAR系统在执行GMTI任务中遇到的实际技术难题提出的,在理解、剖析并利用系统自身构型特点和回波信号特性的基础上进行科学的推导,正确的实验而得来的。因此对于分布式SAR系统在GMTI上的发展具有较实际的应用意义,且所提的信号处理技术思路也可广泛扩展到其他信号处理应用领域,具有较普遍的理论参考价值。


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