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分布式SAR运动目标检测雷达阵列误差估计方法研究

刘颖  
【摘要】: 二十世纪九十年代中后期,一种新的天基雷达体制受到了极大的重视,这就是编队飞行卫星群,也称为分布式卫星或星座。这种编队飞行的卫星群一般由若干颗小卫星作为伴随卫星和一颗中心卫星组成。这些小卫星构成一定形状的星座并按一定的构形运行,通过相互之间的协同工作来完成某种任务。经过适当的轨道设计,编队卫星可以在基本上不消耗燃料的情况下稳定可靠的沿特定的轨道运行。小卫星具有质量轻、体积小,研制周期短、成本低,发射灵活、启用速度快、抗毁性强,性能好、可靠性高等一系列优点。此外,利用多颗小卫星构成编队飞行还可以大大提高雷达探测的多项功能,如降低地面动目标检测(GMTI)的最小可检测速度(MDV)和提高地面高程测量(InSAR)精度,同时获得宽域、高方位分辨率的地面场景SAR图像等。然而分布式小卫星雷达具有很多优点的同时也面临着很多问题和挑战,例如空间阵列超稀疏分布、回波信号存在距离或/和多普勒模糊以及存在阵列位置测量误差等,必须克服这些困难才能把分布式小卫星雷达的优势发挥出来。 本论文研究了分布式小卫星系统的运动目标检测和阵列误差估计的问题。本论文的主要工作可以总结如下: 1、详细分析了影响分布式SAR运动目标检测性能的一些不利因素,并且指出利用传统的DPCA和ATI等方法进行动目标检测时其性能将受到严重影响。因此,本论文提出了一种基于图像域的多通道、多像素联合自适应处理的动目标检测及测速定位方法,该方法利用导向矢量的概念,将目标检测和测速定位联合起来实现,大大提高了杂波的抑制性能,对图像配准误差和杂波相关性等具有很高的稳健性,可以在不增加卫星数目和运算量的情况下同时实现对运动目标的检测和测速定位。 2、阵列误差的存在引起的导向矢量偏差会影响运动目标的检测以及运动参数的估计。因此,针对分布式SAR运动目标检测雷达,本论文提出了一种超稀疏阵列的误差估计方法,此方法利用地面特显点的回波信号,对沿航向误差和垂直航向及幅相误差分别进行估计,在估计过程中避免了迭代搜索运算,且不需要多次复杂的矩阵求逆,同时可以获得较高的误差估计精度。 3、在上述提出的误差估计与校正方法的基础上,分别从二维SAR成像和地面运动目标检测两个方面,分析了阵列误差对成像和目标检测性能的影响,通过仿真误差估计前后的二维SAR成像和动目标检测的性能,从实验的角度分析了不同误差对不同应用情况的影响程度。而利用上述所提出的误差估计方法对阵列误差进行估计与补偿之后,可以获得高精度无模糊的SAR图像和高性能的动目标检测结果,从而验证了该方法的有效性。 4、未来的天基合成孔径雷达不但要求对固定场景进行高分辨率三维测绘,而且要同时对地面运动目标进行检测。而这种空间三维立体阵在检测运动目标时会受地形高度起伏的影响,因此需要进行地面高程测量并将其引起的相位补偿掉。要获取精确的高程信息,需要精确的卫星基线参数。因此针对干涉合成孔径雷达本论文提出了一种基于子空间投影的InSAR基线误差估计方法,此方法对噪声具有良好的抑制作用,而且该方法不需要迭代搜索,可以得到基线误差的显式解,估计精度较高,且对干涉相位解缠具有较高的稳健性。 5、在上述工作的基础上,仍然利用相邻像素的联合处理,提出了一种稳健的动目标检测及高精度的测速定位方法。此方法将多个通道以及各个通道中的多个像素的联合数据等效为一个简单的阵列模型,通过空间投影的方法估计出存在图像配准误差情况下的运动目标真实的导向矢量形式,进而可以更精确的估计运动目标的径向速度与方位位置。 6、本论文针对动目标测速过程中存在的盲速和速度模糊问题分别进行了研究,提出可以通过优化卫星编队的基线组合从理论上消除盲速。而当实际中卫星数目较少时,可以通过在一定约束条件下对卫星沿航向基线组合进行优化的方法来减少盲速。而对于速度模糊问题也进行了理论分析并得出了优化卫星沿航向基线组合的理论公式。此外,当卫星数目较少时,针对本论文中提出的动目标测速方法,给出了一种可行的解速度模糊的方法。


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