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高分辨SAR/ISAR成像信号补偿新技术研究

周芳  
【摘要】:合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)和逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)具有全天时、全天候工作,远距离探测,宽测绘带和高分辨成像的特点,在微波遥感领域具有巨大的发展潜力,在国防和国民经济中都具有举足轻重的意义。伴随着信息处理技术的发展和应用需求的提升,需要获得更高成像质量的雷达图像。为了获得更高分辨率更大成像场景的雷达图像,不仅需要对各种成像算法进行研究,还需要对信号补偿技术进行探索。几乎所有的SAR/ISAR成像算法都假设雷达或者目标在真空的理想路径上运动,雷达或者目标的运动位置和运动状态在观测时间内都精确已知。但在实际应用中,在雷达信号发射、传播、接收、处理的各个过程里,存在方方面面的误差干扰影响最终获得的雷达图像的效果。本文对高分辨率SAR和ISAR成像信号补偿的几种新技术进行了研究,主要包括三个部分:模型误差补偿,传播误差补偿和运动误差补偿。从对高分辨率ISAR成像模型的重新审视开始,到高分辨率SAR和ISAR信号处理,再到新型双基SAR的成像算法,逐步深入展开研究。具体来说,本论文的主要研究工作可概括如下:在模型误差补偿方面,针对快速运动的空间目标提出了一种ISAR成像的精确回波信号模型,并与“一步一停”近似模型进行了对比。精确回波信号模型充分考虑到雷达脉冲发射、传播和接收过程中目标的运动,由此引出了在“一步一停”近似回波模型中忽略的一些新问题,包括不同的步进频信号具有不同的多普勒模糊数和不同的频谱中心移动量等。这些新问题会造成距离向的散焦,降低距离向分辨率,并随着信号时宽带宽积(Time Bandwidth Product,TBP)的增大而越来越显著。为了解决精确回波信号模型下的新问题,提出了一种快速目标ISAR步进频率合成及补偿成像算法,可以对大TBP的步进频率信号完成快速运动目标的高分辨ISAR成像处理,得到高分辨的聚焦结果。在传播误差补偿方面,针对星载SAR对地面场景观测及地基ISAR对空间目标观测时,雷达电磁波穿透电离层会受到电离层影响的问题展开研究。首先对电离层进行建模,对电离层影响进行了分析。其次依据电离层在雷达回波中的附加相位,寻求从回波数据中提取电离层参数积分电子总量(Total Electron Content,TEC)的方法。最后提出了两种基于雷达回波数据的估计及补偿SAR和ISAR成像信号中电离层影响的算法。一是频域估计电离层TEC及电离层影响补偿方法,适用于星载SAR成像及地基ISAR成像;二是二维子带划分估计,适用于地基ISAR成像,并用实测数据进行了验证。此外还介绍了一种利用最小熵方法对电离层参数TEC进行精估计的方法。在运动补偿方面,研究了机载SAR平台中高分辨率圆迹SAR和聚束式SAR的运动误差补偿算法。在高分辨率圆迹SAR运动补偿中,推导了存在三维位置误差时点目标瞬时斜距的表达式,对斜距误差量随距离和方位的空变性进行了详细分析,提出一种基于惯导参数的圆迹SAR运动补偿方法,利用惯导参数反解隐函数得到斜距误差的2维空变表达,利用Chirp-Z变换完成空变的包络误差补偿和空变的相位误差补偿,最终得到聚焦良好的场景图像。在高分辨率聚束式SAR运动补偿中,根据经典极坐标算法(Polar Format Algorithm,PFA)和瞬时调频率估计,从雷达回波数据中估计得到雷达载机的运动误差并进行补偿,搭建一种适用于硬件实时处理的新型算法结构,并在FPGA+DSP的硬件系统中顺利实现了缺少惯导辅助数据条件下的高分辨率聚束式SAR实时运动补偿和成像。在新型双基SAR成像方面,对于发射雷达平台处于滑动聚束模式,接收雷达平台处于逆滑动聚束模式的新型双基SAR构型进行了研究。首先,利用级数反演法得到此双基构型下场景目标的高阶近似的2维频谱,再通过解析近似得到回波频谱随距离空变的规律,并根据谱分析技术有效地去除了回波信号的方位混叠。最后提出了此双基构型下回波数据多普勒域无模糊成像算法,并通过仿真数据进行了验证。


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