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多输入多输出合成孔径雷达关键技术研究

王力宝  
【摘要】:合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)已经成为遥感领域的前沿科技,受到了世界各国学者的广泛关注,其在军事侦察以及国民经济中发挥着重要作用。作为SAR的两大重要功能需求,高分辨率宽测绘带静态场景成像和运动目标检测与成像一直是SAR领域研究的热点问题。然而,传统单通道SAR中高分辨率和宽测绘带两个指标存在着严重制约关系,同时受强地物杂波的影响,单通道SAR实现地面运动目标的有效检测非常困难。为此,基于单发多收的多通道SAR体制和算法相继提出,其系统自由度取决于接收通道数目。但是,受运动平台尺寸和载荷的限制,接收通道数目和阵列尺寸不能过大,并且下一代SAR对多功能设计和功能复合具有着迫切需求,因此急需提出新思路、新理论和新方法。 MIMO(Multi-Input Multi-Output)雷达是近年来提出的一种新体制雷达,由于使用了多个互异的发射波形探测目标,引入了远多于阵元数目的等效观测通道和信号处理自由度,从而在目标检测、参数估计和目标成像等环节上,相对于传统雷达获得了显著的增益,极大地提高了雷达的总体性能。 融合MIMO雷达与SAR的各自特点,可构成新体制的MIMO-SAR(SAR based MIMO)成像雷达。MIMO-SAR能够充分发挥收发阵列多阵元的优势,进一步提高系统自由度,因此其可为全面提高SAR工作能力提供一条更有效的解决途径。不过,MIMO-SAR作为一种新兴的雷达成像手段,国内外都处于研究起步阶段,许多关键问题还有待深入研究和突破。本文将围绕MIMO-SAR的若干关键技术开展研究,研究工作主要包括以下几个方面: 针对MIMO-SAR对正交波形集高分辨率、良好相关特性及低截获特性的应用需求,提出两类新的正交宽带混合编码波形集,依次为伪随机相位-有符号线性调频(Polyphase Signed-Chirp,PSC)与伪随机相位-离散频率(Polyphase Discrete- Frequency,PDF)编码正交波形集。与传统正交伪随机相位编码(Polyphase Coding,PPC)波形集相比,PSC波形集具有更好的宽带和相关特性;与传统正交离散频率编码(Discrete Frequency-Coding,DFC)波形集相比,PDF波形集具有更好的相关特性。另外,以一次收发等效期间MIMO-SAR等效空间采样均匀及系统自由度最大为优化目标,提出并论证了一种MIMO-SAR优化线性阵列配置方案。 针对MIMO-SAR等效相位中心误差问题,首先定量分析得到MIMO-SAR等效相位中心误差的解析表达式,其次深入分析了等效相位中心误差对SAR方位成像质量的影响,指出周期性的二阶等效相位中心误差将会造成SAR方位像存在“假峰”效应。另外,基于SAR图像质量指标,提出了MIMO-SAR等效相位中心误差界确定方法,从而可为系统设计与后续信号处理提供设计依据。 针对高分辨率宽测绘带静态场景成像的应用需求,基于收发同置和收发分置阵列配置条件,研究了频分MIMO-SAR和码分MIMO-SAR的静态场景成像方案。为提高信号分选能力及成像质量,研究了码分MIMO-SAR优化接收滤波器设计问题。定量分析比较了MIMO-SAR与MPC-SAR两成像系统各指标性能。另外,为指导MIMO-SAR的多功能设计,提出了MIMO-SAR等效空间采样自由度权衡策略。 针对MIMO-SAR运动目标检测与成像的应用需求,提出MIMO-SAR等效通道运动目标回波信号新模型,指出主要受运动目标径向速度影响,运动目标的方位像也会存在“假峰”效应。为有效抑制运动目标“假峰”及静止杂波,分别基于DPCA(Displaced Phase Center Antenna)技术、ATI(Along Track Interferometry)干涉图和CSI(Clutter Suppression Interferometry)技术,提出了三种MIMO-SAR运动目标处理方法。第一种方法在信号域抑制杂波,并以补偿径向速度引入的误差信号的方式来消除“假峰”;第二种在图像域抑制杂波,并从限制“假峰”幅值出发,实现一种利用杂波来抑制“假峰”的技术途径;第三种方法在信号域抑制杂波,并利用“假峰”的干涉相位来提高运动目标定位精度,最终实现运动目标的检测、定位、测速以及聚焦成像的一体化处理。


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