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《西安电子科技大学》 2016年
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多波段/多波形新体制SAR运动目标检测与成像

王金伟  
【摘要】:合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)具有远作用距离、宽测绘带、全天时和全天候对地高分辨二维成像的能力,将SAR技术与地面运动目标指示(Ground Moving Target Indication,GMTI)技术结合,可以兼具地面场景高分辨成像和地面运动目标指示的能力,从而可以更全面地监视所观测的场景信息,准确地把握观测场景的态势变化,以做出最有利的决策。因此,SAR-GMTI技术在战场监视和地面交通监管等领域中发挥着越来越重要的作用。但是,目前传统基于线性调频脉冲信号的单波段单通道/多通道SAR-GMTI技术趋于成熟,为了满足不同军事与民用应用中的目标检测和抗干扰等任务需求,多波段、多波形等新体制的SAR-GMTI系统逐渐出现。然而,新体制的SAR-GMTI在系统组成、发射波形和信号处理等方面有别于传统的基于线性调频脉冲信号单波段SAR-GMTI,因此,新体制SAR-GMTI在地面运动目标检测与成像的理论研究及其应用中将面临一些问题与挑战。本文将针对具体的多波段单通道SAR体制、调频率连续波SAR体制及频率分集阵列SAR体制下的动目标检测与成像问题进行了深入研究,并提出一系列解决方法,主要工作包括以下内容:1.作为本论文的研究基础,文中对SAR-GMTI的基本原理进行了论述与分析。首先,分析了几种典型的SAR工作模式及其优点;然后,建立了三通道运动目标信号模型,对地面静止目标和运动目标成像进行了理论推导和仿真分析,并研究了运动目标的方位Dechirp处理方法;其次,对常用的多通道SAR运动目标检测方法进行论述;最后,分析了SAR-GMTI的主要处理步骤,为后续多波段/多波形新体制下的SAR-GMTI论述提供理论基础。2.分析了传统的单通道SAR系统与多通道SAR系统在动目标检测方面的局限性,结合多波段单通道SAR系统,提出一种多波段单通道SAR的动目标检测方法。首先,建立了多波段单通道SAR-GMTI几何模型。然后,阐述了多波段单通道SAR-GMTI杂波抑制和运动目标的检测、参数估计、成像与定位等信号处理方法。最后,分析了运动目标检测中存在的速度盲区的问题,通过建立非线性的数学优化模型,提出了基于遗传算法的多波段单通道SAR-GMTI系统参数优化设计方法。该方法大幅度地减小可检测速度盲区,提升了目标可检测速度范围,进而有效地提高了波段的利用率和运动目标的检测概率。3.针对调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)SAR中快速运动目标回波存在较大的距离徙动、频谱分裂,进而造成快速运动目标难以检测与成像的难题,提出了一种基于DPCA技术与方位去斜技术相结合的FMCW-SAR快速运动目标检测与成像新方法。首先,介绍了调频连续波SAR的工作原理及特点,建立了调频连续波SAR-GMTI几何模型,并对FMCW-SAR体制下的运动目标的回波信号进行分析。然后,结合多普勒频移补偿和偏置相位天线(Displaced Phase Center Antenna,DPCA)等技术完成运动目标的检测与粗成像。其次,针对连续波体制下快速运动目标出现的多普勒谱分裂问题,在对运动参数未知时的快速动目标成像问题进行分析的基础上,通过对快速动目标进行多普勒频移补偿、方位去斜、Keystone变换和模糊数估计等联合处理,提出了一种有效的FMCW-SAR体制下快速运动目标检测与成像方法。该方法有效地提高了运动目标的信杂噪比和检测概率,并具有对场景中模糊数相同的多个运动目标同时检测与成像的特点。最后,通过仿真实验验证了新的FMCW-SAR体制下快速运动目标检测与成像方法的有效性。4.常规SAR-GMTI技术主要考虑静止杂波对运动目标检测的影响,当场景中存在欺骗干扰时,欺骗式干扰将严重影响真实运动目标的检测与标定。针对上述问题,提出了一种具有欺骗式干扰抑制能力的频率分集阵列(Frequency Diverse Array,FDA)SAR运动目标检测方法。首先,建立了频率分集阵列合成孔径雷达模型,并对其特性及FDA-SAR成像原理进行了分析。然后,在分析FDA-SAR体制下距离-角度域信号的二维分布特性的基础上,提出了频率分集阵列SAR欺骗干扰抑制方法,该方法综合利用回波信号的距离、方位和空间角度信息对欺骗式干扰进行抑制,有效地降低了在干扰抑制过程中造成SAR图像质量下降的问题。其次,基于DPCA技术进行地面杂波抑制,完成了对真实运动目标的检测与定位。最后,仿真实验表明,所提出的基于FDA-SAR的运动目标检测方法可以有效地抑制了欺骗干扰和杂波,准确地检测运动目标,提高了复杂电磁环境中的运动目标检测能力。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN957.51

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