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机载多通道雷达运动目标检测与参数估计方法研究

傅东宁  
【摘要】:机载预警与监视雷达机动灵活,可以在高空对远距离目标进行长时间无遮挡探测。传统雷达采用的运动目标检测(Moving Target Indication,MTI)技术,受地物杂波严重干扰,难以完成对小目标和机动目标(如地面装甲车、空中无人机、巡航导弹等)的检测与运动参数估计。空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing,STAP)与合成孔径雷达地面运动目标检测(Synthetic Aperture Radar Ground MTI,SAR-GMTI)是解决杂波背景下运动目标检测的关键技术:STAP技术可以自适应地在空时二维平面中的强杂波脊处形成凹口,从而获得良好的杂波抑制性能;SAR-GMTI技术可以在图像域进行杂波抑制和运动目标检测,进而获得目标运动参数和位置信息。本文主要围绕机载雷达复杂运动目标检测任务需求,针对基于STAP的中低空机动目标检测以及基于多通道SAR-GMTI的地面运动目标检测两个方面,开展机载多通道雷达运动目标检测和参数估计方法的研究工作,主要包含以下四部分内容:1)给出了机载多通道雷达运动目标检测一般信号模型。考虑机载多通道雷达工作在STAP处理和SAR-GMTI处理模式下的共性和差异,首先描述统一的空间几何关系模型、方向图模型以及运动目标和静止面目标回波基础模型。随后,针对机载多通道雷达回波信号在STAP模式下的窄带、平面波特点和SAR-GMTI模式下的宽带、球面波特点,进一步推导各自具体的建模方法和信号模型。最后,给出两种模型下的信号处理流程。2)基于STAP的机载多通道雷达对中低空机动目标检测过程中,机动目标加速度会引起导向矢量失配,并导致空时自适应滤波器响应失真,最终使得目标检测性能严重下降。针对上述问题,本文提出一种基于扩展空时导向矢量的自适应匹配滤波方法,该方法通过构造扩展空时导向矢量来应对机动目标在空域和多普勒域的扩展,并进一步提出加速度参数离散搜索方法。实验结果表明,相对于不考虑加速度因素的传统方法,在机动目标即使存在较大加速度情况下,采用所提方法的自适应滤波器响应依然聚焦良好,并以较少的计算量实现了运动参数的快速估计。3)针对非理想因素和强杂波条件下,基于沿航迹干涉合成孔径(Along-Track Interferometric SAR,ATI-SAR)的多通道雷达系统执行GMTI任务时,性能损失严重问题,本文提出基于改进的稳健主成分分析(Robust Principal Component Analysis,RPCA)法预检测和幅相联合后检测方法来实现运动目标检测。相对于传统RPCA类方法,所提方法通过矩阵分解技术有效降低计算复杂度,并在不提高虚警率的前提下放宽了超参数的选择范围。实验结果表明,所提方法有效提高了目标检测性能,具有良好的稳健性和工程适用性。4)载机偏航运动和低信杂噪比条件下,基于ATI的多通道SAR系统由于难以获得多通道雷达有效基线长度而导致目标运动参数估计性能严重下降。针对上述问题,本文提出一种载机偏航条件下的有效基线估计方法。该方法在完成跨轨误差校正和幅相联合运动目标检测后,在距离向脉冲压缩域采用小波平均中值滤波方法提高有效基线估计精度,并利用该有效基线对目标运动参数进行估计。实验结果表明,相对于传统方法,所提方法提高了有效基线和运动参数估计精度,实现了运动目标精细聚焦成像和准确重定位。


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