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弹载合成孔径雷达成像算法研究

易予生  
【摘要】: 合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像是一种全天时、全天候的微波遥感技术,它能够提供目标区域的高分辨率、高精度的二维图像。如果能通过装载在导弹上的SAR获取目标区域图像,则可进行目标检测,提取目标形状、尺寸等特征,进而能够对攻击点进行选择。利用该图像作匹配处理修正弹上惯导系统的长时间积累误差和初始定位误差,能够大大提高打击效率。因此,弹载SAR成像技术是导弹制导技术目前的一个重要发展方向。由于攻击目标以及规避敌方防空阵地等战术需要,导弹在飞行过程中往往要做一定的机动,在垂直方向存在一定的速度和加速度。这就使得现有的适用于机载、星载SAR等匀速直线运动的SAR成像算法对于弹载SAR平台不再有效。另外,在导弹飞行末段成像时,导弹的飞行方向和信号发射方向重合,目标的方位向和距离向存在耦合,这也为弹载SAR的成像带来了困难。本文就是结合导弹的运动特点分别对弹载侧视SAR、大斜视以及前视SAR的成像问题进行研究,主要的研究工作包括以下几个方面: 1)在分析SAR成像原理的基础上,针对弹载SAR平台俯冲加速运动的特点,建立了弹载侧视SAR成像的几何模型。通过该模型对目标斜距在单个孔径时间内随时间的变化关系进行了详细的分析,得到了距离随时间变化的一次、二次和三次分量。采用级数反演的方法推导了弹载SAR回波信号的二维频域的精确表达式,构造出了不同的补偿函数,从而提出了一种适用于弹载SAR俯冲加速运动下的成像算法。该算法采用全孔径处理并能够精确的校正距离徙动,仿真结果验证了该算法的有效性。 2)对于大场景目标来说,由于弹载SAR平台的俯冲加速运动,会造成较大的距离徙动,距离空变也是非线性的,补偿函数的距离空变也复杂的多,因而其成像难度较大。根据弹载SAR平台的运动特点,使用高阶逼近模型建立了SAR的回波信号模型。考虑到大场景下的距离空变问题,对目标斜距随时间的变化关系进行了详细的分析,并结合级数反演法得到了弹载SAR回波信号的二维频域的精确表达式。通过弹载SAR几何关系近似得到了距离空变量的解析表达式,在此基础上提出了一种适用于弹载SAR俯冲加速运动下的SR-ECS(Series Reversion-Extended Chirp Scaling)大场景成像算法。理论分析和实验结果表明,该算法能够对大场景进行成像并取得了较好的成像效果。 3)针对斜视角较大时,SAR成像结果发生散焦的问题,提出了一种改进的斜视成像算法。结合Chirp Scaling算法的优点,首先利用SAR系统和回波数据在时域内的特性在时域进行距离徙动校正,然后对信号进行CS变标处理,再在频域进行弯曲校正、距离压缩、二次距离压缩;在方位向匹配滤波时考虑了三次相位的影响,使方位向聚焦效果得到改善。通过对点目标和点阵目标分别进行了成像仿真,仿真结果验证了算法的有效性。同时,还对大斜视SAR成像过程中的几个问题进行了分析和说明。 4)从SAR成像原理上来说,要求其载体运动方向和波束的照射方向有一定的夹角。由于攻击目标的需要,导弹在飞行末段时转为前视成像阶段,目标位于导弹飞行方向的正前方。此时,导弹的飞行方向和雷达的照射方向一致,距离向和方位向存在严重耦合,在成像区域上存在固有盲区。基于“收发分置”的思想,提出了一种双站弹载前视SAR成像模型。发射机、接收机分别放置于飞机和导弹上。导弹处于半主动工作模式,不发射信号,只接收信号。通过对空间几何构型的分析,推导了双站弹载前视SAR系统模糊函数的表达式。结合该模糊函数,对双站弹载前视SAR的分辨率进行了分析。分析了双站几何构型和速度矢量对前视分辨率的影响。理论分析与仿真结果表明双站弹载前视SAR系统的分辨率不仅与发射信号带宽、合成孔径长度有关,还取决于双站的构型。 5)针对弹载SAR无法对飞行路线正前方进行高分辨率成像的问题,提出了一种双站弹载前视SAR成像方法。通过使用高阶逼近模型建立SAR的回波信号模型,推导了目标距离的数学表达式,结合级数反演法,得到了弹载SAR回波信号的二维频域的精确表达式,给出了各相位补偿因子表达式及算法实现步骤,从而完成了该双站弹载SAR前视成像算法。通过点目标的成像仿真验证了该算法能够完成弹载前视成像。


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