星载宽幅SAR及目标检测算法研究

【摘要】：合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)的全天时、全天候以及两维高分辨成像等优势使其在军事、民用等领域有着广泛的应用。对于星载SAR而言,在战场环境监测、军力部署等军用领域,在冰川检测、植被测量、土壤检测、地震监测等民用领域,数米的分辨率就能够达到应用需求。此时星载SAR的测绘带宽度就显得格外重要,这关系到SAR的广域覆盖能力,关系到SAR能否在短时间内完成广域场景的观测和侦察。星载宽幅SAR成像及目标检测技术已成为SAR成像的一个重要研究方向。本文以星载宽幅SAR成像及目标检测发展需求为目的,以星载SAR成像及目标检测算法框架为基础,针对星载宽幅SAR成像及目标检测中的关键问题展开研究,论文的主要内容概括为以下四个部分:1.针对模糊分量随基带频率变化且导向矢量未知的情况,提出一种基于多普勒谱估计的多通道SAR盲重构方法,该方法首先利用空间谱估计原理估计出各个基带频率处Capon谱,并将这些谱构造成多普勒谱结构图,然后对各个基带频率处的模糊分量进行编号,最后根据模糊分量位置构造导向矢量和最优权值完成方位信号重构。接着对该算法的盲重构性能进行了分析,当采用恒定不变的模糊分量个数进行多普勒重构,就有可能引入过多的噪声,降低信噪比(过重构)或者造成信号频谱损失,降低方位分辨率(欠重构),而该方法能够保持多普勒谱的完整性,并且提高重构信号的信噪比。该算法是对现有算法的改进和扩展,可以作为预处理步骤和现有方法相结合。该算法能够估计出方位天线方向图,为进一步计算多普勒中心、方位模糊比等其他系统参数提供基础,并且提出了实际应用中可能出现的问题。2.根据方位相位编码(Azimuth Phase Coding,APC)原理,提出采用一种距离相位编码多波形信号,发射此种多波形信号,能够在距离频域有效区分距离模糊信号与目标回波信号,进而构造滤波器滤除距离模糊频谱,抑制距离模糊能量。接着针对SAR系统方位过采样率不能过高,APC方法距离模糊抑制效果有限,提出一种基于两维相位编码的距离模糊抑制技术,将距离相位编码多波形信号与APC相结合,通过发射两维相位编码信号,造成距离模糊信号相对于目标信号在两维频域都产生频谱偏移。再针对目标信号频谱支撑区构造滤波器,滤除部分距离模糊信号频谱,抑制距离模糊能量。该方法能够同时在距离频域和方位频域实现模糊能量的抑制,且信号处理过程简单有效,对点目标及分布式目标都有较好的模糊抑制效果。最后对于提出的两维相位编码距离模糊抑制方法,从距离模糊比(Range Ambiguity to Signal Ratio,RASR)的定义出发,给出了该方法的距离模糊抑制性能,并详细分析了距离模糊抑制效果。3.针对传统单元平均恒虚警率(Cell Averaging Constant False Alarm Rate,CA-CFAR)检测算法计算背景杂波矩估计时,算法复杂度高且运算效率较低,提出一种基于卷积构型的单元平均恒虚警率(Cell Averaging Based on Convolution Constant False Alarm Rate,CCA-CFAR)快速检测算法。该算法根据背景杂波分布模型计算待检测SAR图像统计量矩阵,通过对CA-CFAR检测器构建卷积模型,利用卷积计算实现传统CA-CFAR算法逐像素点滑窗估计背景杂波分布参数,并确定详细的背景杂波分布函数。再根据分布函数计算出每个像素的检测阈值,并对所有待检测像素是否为目标点进行判定。接着详细分析了所提CCA-CFAR快速检测算法的运算复杂度,具体给出了各个步骤所需的计算量,并与原始CA-CFAR算法及对比文献方法进行对比。从算法结构上说明了该算法在精确得到背景杂波的分布模型参数估计的同时,能够最快速地实现SAR图像目标检测。最后通过仿真实验对算法具体的检测速率提升倍数进行了性能分析,该性能由SAR图像、背景杂波数据窗以及保护窗的尺寸共同决定。CCA-CFAR算法是对现有算法的改进和扩展,可用于图像目标快速预检测和现有方法相结合,且适用于不同分布模型下所有采用CA-CFAR检测器的目标检测算法。4.针对超宽幅SAR成像的应用需求,提出一种新的环扫SAR工作模式,该模式利用天线作环扫运动,形成广域的环状成像区域,实现星载SAR的超宽幅成像。该方法根据环扫SAR的波束扫描方式,建立了环扫SAR运动的几何模型,并对环扫SAR的系统参数进行了分析,提出了最优测绘带宽度模式和最优分辨率模式,并分别对其模式下的环扫SAR系统参数进行了论证设计,通过分析得到最优测绘带模式和最优分辨率模式下的最佳系统参数,为环扫SAR的工程化应用提供基础。