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机载合成孔径成像与地面动目标检测技术研究

林幼权  
【摘要】: 合成孔径成像和地面慢速运动目标检测技术是提高机载雷达空地性能的两个主要方面,随着机载火控雷达对空地性能要求的越来越高,必须在这一领域开展更为细致、更为深入的研究,这是本文选择机载合成孔径成像和动目标检测技术作为主要研究内容的原因。 本文第二章从阵列天线和回波信号的多普勒频率特性分析出发,简洁明了地分析了合成孔径成像技术的原理,具体比较了实孔径成像、非聚焦式合成孔径成像和聚集式合成孔径成像这三种成像方式,证明了合成孔径雷达的回波信号在距离和方位维存在耦合,随着分辨率的提高、成像斜角的增大、雷达工作频率的降低和作用距离的增加,回波信号的这种耦合会变得更强。由此产生了应用于不同场合的成像方法。 本文第三章从点目标回波的四种信号模型出发,集中推导了现有主要的几种成像方法,形成了较为完整统一的理论框架。从中可以认为这些成像方法的出发点是一致的,都是源于对点目标回波信号在两维频域下表达式的分析,只是具体处理的过程及补偿的精度有所差别。补偿的精度高些,成像的效果就好些,适用的范围相应就广些。 本章通过分析提出了距离多普勒等成像方法中信号带宽、工作频率和成像斜角之间存在的特定关系。这种关系表明雷达可用的信号带宽是有一定限制的,随着工作频率的下降和成像斜角的增大,可用的信号带宽会变得越来越小。这些结论对工程设计牛选择合适的工作参数,如载频、分辨率、成像斜角等具有较为重要的参考价值。 本章最后还提出了一种新的宽带成像方法,这种方法在正侧视或较小成像角时可采用较大的信号带宽,同时不用插值计算,因而有较好的运算效率,为宽带成像提供了新的选择。 本文第四章从合成孔径雷达所需要的分辨率等设计指标出发,具体分析了合成孔径雷达的主要设计参数的选择与要求,特别对惯导系统提供的速度、加速度、姿态角和载机高度等测量精度要求进行了详尽的分析。最后讨论了几种较为典型的自聚焦方法。 这些分析结果可以直接应用于合成孔径雷达的工程设计。同时也证明了一个重要的结论:从理论上讲,合成孔径成像的方位分辨率与作用距离、雷达工作频率等参数无关,但实际上,在分辨率保持不变的情况下,随着作用距离的提高,工作频率的下降,对雷达的功率孔径积、信号处理以及惯导精度的要求会越来越高,从而成像也会变得越来越困难。因此必须对合成孔径雷达和主要交链设备的参数进行认真分析、精心设计和合理选择,方能获得高质量的成像效果。 11 西安电子科技大学博士学位论文机载合成孔径成像与地面动目标检测技术研究 落入主杂波区的慢速运动目标的检测与定位一直是困扰机载雷达的一大难 题,长期来没有得到很好的解决。本文第五章在现有文献的基础上,考虑了实 际工程中存在的通道之间的幅相误差等因素,详细分析了三孔径干涉动目标检 测与定位技术的机理,修正了某些文献认为二孔径就能同时实现动目标检测和 定泣的观点,这些结论得到了计算机仿真的验证。 由本章的分祈和仿真我们可以认为这种于涉动目标检测方法在存在一定的工 程误差条件下,仍能较大程度地改善处在主杂波区域的慢速运动目标检测能力, 并且结构简单,没有收敛过程,能够适用环境回波变化较快的机载雷达,是一 种工程容易实现的动目标检测方法。 为了比较干涉动目标检测技术与相位偏置中心①PCA)技术,本文第六章按 机械扫描天线和相控阵天线两种情况,详细分析讨论了两者的性能差异,并进 行了计算机仿真。结果表明,无论是相控阵天线还是机械扫描天线,除正侧视 相控阵天线一种倩况外,采用DPCA技术时,脉冲重复频率必须随扫描角变化, 有的扫描角下,甚至无法满足所需条件,而且在同一位置处,不能采用多个脉 冲重复频率来消除盲速。但于涉动目标检测方法却不存在这种制约条件,且动 目标检测性能与DPCA最优状态下一致。因此是一种性能比较好的、值得推广 应用的慢速目标检测方法。 为了减小惯导精度对动目标检测性能的影响,本文第七章提出了一种新的干 涉动目标检测结构,它采用四个子孔径天线,对消两次。理论分祈和仿真结果 表明,与普通三孔径干涉对消处理相比,这种处理方法可有效地减小惯导精度 对系统性能的影响,非常适用于前向阵雷达,同时所增加的硬件设备量也不大, 是一种忧选的动目标检测方法。 本文第八章提出了一种具有一定自适应能力的干涉动目标检测方坛,它完全 使用雷达接收到的原始数据,并利用最小二乘解来估算对消杂波所需要的参数, 以及补偿接收通道的幅相不一致性。文中的方法比现有文献的方法应用的范围 更广些。由分析和仿真可知本章提出的方法具有良好的性能,可放松对通道幅 相一致性、惯导参数和天线指向估计精度的要求,同时计算量较小,工程上易 于实现。 本文第九章根据假设的使用条件,结合前几章的分析提出了一种机载有源相 控阵火控雷达合成孔径成像和地面动目标检测的技术方案,给出了相应的工作 参数,所提出的技术方案对制定合理的工程方案有直接的借鉴作用。


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