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混合基线构型阵列的地面运动目标检测与定位方法研究

文珺  
【摘要】:地面运动目标检测(GMTI)具有非常重要的军事意义和民用价值,一直都是国内外雷达领域的研究热点。机载雷达采用空时自适应处理技术有效抑制强地杂波,提高地面动目标检测性能。星载干涉合成孔径雷达(InSAR)通过多颗卫星编队飞行,能够在获取高精度DEM数据的同时实现地面运动目标检测,为地表大范围监视、侦察和目标检测定位提供了可能。机载/星载雷达为了实现多任务,通常采用非理想阵列构型来完成。 在提高地面运动目标检测性能的同时,机载/星载雷达在非理想构型下工作仍然面临许多问题。机载非正侧视阵雷达地杂波存在由于不同距离门的回波特性存在差异,导致其杂波谱在角度-多普勒域上出现二维展宽现象,此时不同距离环样本不再满足独立同分布特性,无法直接估计环境的二阶统计特性,极大降低了机载雷达杂波抑制性能。星载InSAR构型下进行地面运动目标检测时,由于存在混合基线,一方面长基线导致杂波的自由度随着地形起伏大大增加,使得地杂波抑制困难。另一方面运动目标速度产生的相位与地面高程相位耦合,使得地面运动目标速度估计困难。这些都给地面运动目标检测带来了新的挑战。本文针对这些非理想构型下的关键问题,对杂波抑制以及提高运动目标测速定位精度的信号处理方法展开了深入研究,具体工作安排如下: 1.建立了非正侧视阵雷达和混合基线构型下的杂波和信号模型,分析了非理想构型下影响杂波抑制和地面运动目标检测的因素,讨论了如何克服非理想构型下导致的杂波自由度增加和运动目标速度相位的耦合,为后续的有效杂波抑制方法和动目标测速定位方法研究提供理论指导。 2.针对机载非正侧视阵雷达近程杂波存在的严重距离依赖性,直接距离样本估计杂波协方差矩阵导致地面动目标检测性能下降问题,提出了一种基于回波数据的非正侧视阵雷达处理新方法,该方法通过远处距离门数据作为参考数据,利用最小二乘准则对近程距离门杂波数据进行最小二乘变换,然后再进行空时自适应处理(STAP)。该方法无需预知雷达的先验参数,对系统误差具有一定的稳健性,仿真数据验证了该方法的有效性和实用性。 3.针对星载雷达混合基线下的地面运动目标检测问题,提出了一种基于干涉合成孔径雷达构型的地面运动目标检测及测速定位新方法。该方法在高程相位和动目标相位耦合的情况下,充分利用相应像素对及其相邻像素对的相干信息进行高度补偿从而进行动目标参数估计。针对InSAR系统中由于长垂直基线导致杂波自由度随地形起伏大大增加导致杂波抑制困难问题,在杂波抑制过程中采用了联合像素法,进一步提高了动目标检测和测速精度。 4.针对干涉合成孔径雷达构型下动目标检测与测速中存在相位耦合以及地形起伏引起的杂波非平稳问题,本文提出一种新的动目标检测和目标速度和高程相位解耦合方法。该方法首先利用两幅SAR图像的相关性进行图像配准,然后进行去平地相位及高程相位补偿处理,采用噪声子空间投影法,有效抑制高程起伏杂波,实现了InSAR构型中地面运动目标检测,提高了地面动目标检测性能和速度估计精度。 5.针对多通道雷达系统地面慢速运动目标速度估计问题,提出了一种基于谱估计的多通道合成孔径雷达地面运动目标检测(SAR/GMTI)方法。该方法利用空间谱估计思想,通过统一Capon和MUSIC框架,很好地检测运动目标和对动目标的测速定位。与传统方法不同的是,所提方法降低了传统方法在杂波抑制和测速定位过程中存在的级联处理信息损失,实现了地面动目标检测和测速的联合统一处理,在一定程度上提高了目标检测性能和测速精度。另外,该方法还能有效地区分同一分辨单元的多个运动目标,在低信噪比情况下也有较好的性能,仿真数据验证了所提方法的正确性和有效性。


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