多發(fā)多收合成孔徑雷達(dá)成像及動目標(biāo)檢測技術(shù)研究.pdf

1、多輸入多輸出（MIMO）雷達(dá)是近年來備受關(guān)注的一種新型雷達(dá)技術(shù)。該體制雷達(dá)綜合利用天線陣列空間分集和波形分集的特點(diǎn)，能夠獲得遠(yuǎn)多于實(shí)際天線數(shù)目的等效觀測通道和空間自由度，在目標(biāo)檢測、參數(shù)估計(jì)、成像識別以及抗干擾等方面具有優(yōu)于傳統(tǒng)體制雷達(dá)的總體性能?；谝陨险J(rèn)識，MIMO技術(shù)與合成孔徑雷達(dá)（SAR）相結(jié)合，為解決常規(guī)SAR面臨的方位向高分辨率與寬測繪帶指標(biāo)相互矛盾以及場景中慢速運(yùn)動目標(biāo)難以檢測等實(shí)際問題提供了更為有效的技術(shù)途徑。經(jīng)過多年的

2、理論探索和實(shí)驗(yàn)研究，國內(nèi)外學(xué)者對于MIMO雷達(dá)的基本概念、系統(tǒng)組成、信號處理方法以及性能評估等已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，然而基于MIMO雷達(dá)技術(shù)的SAR成像以及動目標(biāo)檢測（GMTI）技術(shù)還很少涉及。為解決常規(guī)SAR的固有體制約束問題，論文圍繞MIMO-SAR系統(tǒng)概念、理論模型、高分辨率寬測繪帶成像以及運(yùn)動目標(biāo)檢測方法等關(guān)鍵問題開展研究，主要工作概括如下：
　　第一章：概述了MIMO雷達(dá)概念、分類以及其在成像領(lǐng)域的應(yīng)用；綜述了MIMO-

3、SAR系統(tǒng)概念、研究歷史及現(xiàn)狀，歸納和總結(jié)了MIMO-SAR的若干關(guān)鍵技術(shù)問題。
　　第二章：介紹了MIMO SAR成像的基礎(chǔ)理論。首先從虛擬陣列概念出發(fā)分析了MIMO-SAR陣列特性，從理論上闡述了MIMO雷達(dá)的體制優(yōu)勢；介紹了收發(fā)分置天線等效相位中心概念，推導(dǎo)了等效相位誤差補(bǔ)償?shù)墓?；以方位向多天線MIMO-SAR為例，闡述了系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取方式、回波數(shù)據(jù)表示以及成像策略等；針對MIMO-SAR同時(shí)發(fā)射多波形的特點(diǎn)，闡述了信號正交

4、原理，討論了回波信號分離策略和分離方法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了信號正交性對SAR成像性能的影響；本章最后從雷達(dá)方程角度，推導(dǎo)了MIMO-SAR雷達(dá)方程。
　　第三章： MIMO-SAR多天線、多波形的特點(diǎn)，使得常規(guī)SAR分辨特性分析方法難以直接應(yīng)用于該系統(tǒng)，迫切需要探索新的度量工具和分析方法。本章建立了MIMO-SAR系統(tǒng)回波信號的數(shù)學(xué)模型，提出了基于廣義模糊函數(shù)（GAF）的MIMO-SAR分辨特性分析方法。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

5、MIMO-SAR系統(tǒng)廣義模糊函數(shù)可分解為 MIMO陣列空間模糊函數(shù)與常規(guī)單站 SAR模糊函數(shù)的乘積形式，系統(tǒng)分辨率不僅取決于發(fā)射波形的帶寬和合成孔徑長度，還與發(fā)射/接收天線的陣列流形密切相關(guān)。
　　第四章：良好性能的波形集是MIMO雷達(dá)性能提升的基礎(chǔ)，采用什么樣的正交策略、什么樣的調(diào)制方式對系統(tǒng)性能有著重要影響。適用于合成孔徑雷達(dá)的波形需要具備以下特點(diǎn)，即大時(shí)寬-帶寬積、常模、較高的多普勒容限、易于產(chǎn)生和處理等。綜合MIMO雷達(dá)和

6、SAR系統(tǒng)對波形的性能要求，本章提出了兩種基于OFDM信號體制的正交波形集，主要內(nèi)容包括：（1）提出了基于交叉子載頻的OFDM正交波形集（I-OFDM），闡述了波形集調(diào)制、解調(diào)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，分析了波形集相關(guān)函數(shù)以及模糊特性等；（2）為了克服頻域交叉波形設(shè)計(jì)方法只能生成兩個(gè)正交波形的缺點(diǎn)，利用OFDM信號子載頻之間固有的正交性，通過隨機(jī)抽取OFDM若干子載頻信號組成新的波形，從而生成一組正交波形集，稱為基于隨機(jī)子載頻的OFDM正交波形

7、集（R-OFDM）；（3）提出了一種基于蒙特卡洛思想的R-OFDM信號優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，獲得了具有良好自相關(guān)和互相關(guān)特性的R-OFDM波形集。
　　第五章：針對常規(guī)SAR面臨的方位向分辨率與測繪帶寬相互制約的問題，本章提出了基于方位向多天線MIMO-SAR的解決方案。該方案的基本思想是：系統(tǒng)首先采用低脈沖重復(fù)頻率確保測繪帶寬內(nèi)不發(fā)生距離模糊，再通過對所有收發(fā)組合數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合相參處理，利用回波信號包含的空間信息恢復(fù)出方位向不模糊的多普勒

8、頻譜。主要內(nèi)容包括：（1）建立了方位向多天線MIMO-SAR信號模型，分析了不同收發(fā)組合回波信號之間的相位關(guān)系，為方位向頻譜重構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)；（2）提出了基于迭代自適應(yīng)算法（IAA）的方位向多普勒頻譜重構(gòu)方法，研究表明該類方法具有收斂速度快、重構(gòu)精度高、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)；（3）提出了方位向多天線MIMO-SAR綜合成像策略，實(shí)現(xiàn)了高分辨率寬測繪帶SAR成像。
　　第六章：針對常規(guī)SAR難以實(shí)現(xiàn)場景中慢速運(yùn)動目標(biāo)檢測的問題，本章提出

9、了基于方位向多天線MIMO-SAR的解決方案。主要內(nèi)容包括：（1）建立了MIMO SAR成像模式下運(yùn)動目標(biāo)的回波模型，分析了運(yùn)動目標(biāo)以及靜止雜波的信號特性，為利用自適應(yīng)陣列技術(shù)抑制雜波奠定了理論基礎(chǔ)；（2）將陣列信號處理的理論和方法引入到MIMO-SAR動目標(biāo)檢測問題中，提出了基于MIMO-SAR圖像的自適應(yīng)運(yùn)動目標(biāo)檢測方法；（3）運(yùn)動目標(biāo)徑向速度反映在陣列空域?qū)蚴噶恐?，目?biāo)徑向速度估計(jì)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)回波信號的空間譜估計(jì)問題?；谠撜J(rèn)識，