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《哈尔滨工业大学》 2010年
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高分辨SAR运动目标检测与成像若干技术研究

张云  
【摘要】: 合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)通过宽带脉冲压缩和合成孔径技术提高距离向、方位向分辨率,获得二维图像。随着军事民用领域需求提高以及SAR技术的发展,SAR系统上实现军事及民用运动目标的检测与成像并定位到背景图像上已成为可能。SAR对地面运动目标指示技术(Ground Moving Target Indicator, GMTI)成为SAR领域的研究热点之一,目前SAR-GMTI技术存在以下问题亟待解决:雷达平台的高速运动导致地物杂波的多普勒谱展宽,慢动目标被主杂波淹没而无法检测;目标的径向运动分量引起目标像发生位置偏移,其切向运动分量导致目标像在方位向上发生散焦,其加速度及自身转动分量使得目标回波表现为高阶相位信号形式,多普勒频率随时间作非线性变化,从而增加了目标检测与成像的难度;SAR系统的高分辨使得运动目标跨越距离单元现象更为严重,增加了距离徙动校正处理的复杂性;目前的SAR系统多采用较低脉冲重复频率以避免距离模糊,但低脉冲重复频率减小了目标径向可检测速度范围,不利于运动目标检测,因而SAR-GMTI系统中脉冲重复频率的选择存在距离模糊和测速范围之间的矛盾。如何有效地抑制地物杂波、改善运动目标检测性能、提高目标多普勒参数估计精度成为SAR-GMTI发展的关键技术,为探索上述问题的解决方法,本论文主要研究如下内容: 分析高分辨SAR对运动目标检测与成像存在的问题。建立运动目标回波模型,分析回波多普勒频率特性,指出引起运动目标位置偏移和散焦的原因。从雷达系统、地物背景杂波特性及目标自身运动特征三个方面,研究影响运动目标检测性能的因素,探讨运动目标成像时需要考虑的关键技术问题。概括高分辨SAR进行杂波抑制、目标检测与成像技术重点和难点,为运动目标检测与成像技术的研究工作做前期理论铺垫。 为解决单天线高分辨SAR系统中慢动目标难以检测、运动目标方位测不准等问题,提出子孔径处理方法。分析子孔径回波特征及合成阵列特性,建立等效子阵列模型,研究子孔径成像方法以及子孔径运动目标检测方法。分析子孔径回波中运动目标谱与杂波谱的关系,提出解决运动目标谱分裂问题的方法。利用子视图像序列,通过合成子阵的相位时间关系确定目标的位置。采用子孔径处理减小杂波谱宽,增强检测性能。 针对单天线SAR系统对地面慢速目标检测存在的问题,研究基于子孔径处理的杂波抑制方法。给出高分辨SAR系统下子孔径的选择方法,并研究相位补偿、时间对准、图像配准等处理方法,利用杂波对消和干涉联合处理方法对子孔径回波进行杂波抑制,提高慢速运动目标的检测性能。探讨低信杂比下的运动目标检测方法,利用仿真及实测数据验证方法的有效性。 研究运动目标的多普勒参数估计问题。针对多普勒中心频率估计,给出多普勒中心跟踪法以及基于距离徙动估计的多普勒解模糊方法。阐述匹配傅立叶变换原理,推导高阶匹配变换的数学表达,并对匹配傅立叶变换的多普勒参数估计进行统计特性分析。引入瞬时频率变化率的概念,提出基于复延时结构的时间-频率变化率分布的估计方法,对加速运动目标回波的高阶相位进行可靠估计。通过多普勒参数估计,实现对目标径向、切向速度和加速度的估计。针对非匀速直线运动目标,提出高阶传递函数成像算法,并通过仿真实验进行有效性验证。 研究高分辨率下非平稳运动目标的成像问题。以海上舰船目标作为研究对象,分析目标存在三维转动时的回波特性,理论推导回波多普勒频率形式,并揭示存在自身转动分量时成像处理的关键所在。提出短积累时间内从回波数据中估计多普勒参数的补偿方法,将平动分量补偿和转动分量补偿分别处理获得目标在不同时间段上的像。 通过研究,探讨了高分辨SAR-GMTI的地物杂波抑制和运动目标参数估计方法,改善了运动目标检测性能,提高了运动目标的成像质量,在军事和民用领域具有一定的应用价值和实际意义。 最后概括研究成果,并指出本领域需要进一步研究的问题和探讨方向。
【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】:2010
【分类号】:TN957.51

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