雙基前視高機動平臺SAR系統(tǒng)特性及成像算法研究.pdf

1、單基合成孔徑雷達(SAR)可對側(cè)向區(qū)域進行二維高分辨率成像，已在軍事、民用等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，然而在前視模式下由于距離和方位同方向而無法二維成像。而通過增加一個平臺，即發(fā)射平臺側(cè)視或斜視、接收平臺前視的雙基前視SAR運動構(gòu)型，可在距離和方位向形成一定夾角，平臺的運動為接收機前視成像提供足夠的多普勒帶寬，進而可實現(xiàn)前視二維成像。高機動平臺SAR是SAR成像技術(shù)的一個重要應(yīng)用，飛行器處于末端俯沖段時，實時獲取雷達正前方目標(biāo)的特征信息尤為重

2、要，尤其當(dāng)打擊如航母戰(zhàn)斗群及艦船關(guān)鍵部位、近岸艦船編隊等復(fù)雜背景目標(biāo)時，背景船舶密集、海陸交接，目標(biāo)分布復(fù)雜?，F(xiàn)有單基平臺末制導(dǎo)手段中，單脈沖雷達測角、斜前視合成孔徑雷達成像等制導(dǎo)方式難以對正前方目標(biāo)區(qū)域全程二維高分辨成像探測，因而很難實現(xiàn)對目標(biāo)的有效分離。
　　雙基前視高機動平臺SAR(BFHM-SAR)是一種將雙基前視SAR成像體制應(yīng)用于高機動平臺的新型雙基地成像模式，該模式可有效利用雙基前視SAR成像體制的前視二維高分辨成像

3、優(yōu)勢，通過合理規(guī)劃運動軌跡可實現(xiàn)末制導(dǎo)階段接收機對目標(biāo)區(qū)域的全程二維高分辨探測。然而高機動平臺具有高速度、大機動、遠距離等特點，且高機動平臺與雙基前視成像體制的結(jié)合，收、發(fā)平臺均具有較高速度和加速度，在高度下降的過程中完成雙基前視成像探測，相較于傳統(tǒng)機載單/雙基SAR成像模式必將引入新的運動特性。本文針對高機動平臺下的雙基前視SAR開展系統(tǒng)特性、運動特性以及成像算法的研究。
　　本文的具體研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　

4、1.針對特定構(gòu)型下成像機理和系統(tǒng)特性的研究，與后期成像算法的研究和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計密切相關(guān)。本文首先以單基SAR的距離空變性作為對比，對BFHM-SAR的二維空變特性進行了探討，并針對不同方位位置、不同軌道夾角情形下的距離走動率、多普勒中心頻率、調(diào)頻率等參數(shù)進行理論和仿真分析。并在此基礎(chǔ)上利用矢量梯度法和K-空間理論對其二維分辨率進行分析和計算，理論分析兩種方法之間的差異，確定了梯度法在該構(gòu)型下的近似誤差，明確了該方法在BFHM-SAR下

5、的適用性。
　　2.BFHM-SAR成像結(jié)果與收、發(fā)平臺相互制約，因此兩平臺的空間構(gòu)型設(shè)計對BFHM-SAR能否成像至關(guān)重要。要形成滿足成像分辨率要求的雙基成像體制，需要根據(jù)接收機預(yù)設(shè)軌跡合理設(shè)計發(fā)射機飛行軌道，以確保收、發(fā)平臺間的協(xié)同飛行。本文提出了基于線性衰減模型的發(fā)射機軌道設(shè)計方法。本方法基于矢量梯度法計算得到的地距和方位分辨率精確解析式，以接收機預(yù)設(shè)軌跡作為輸入，將整個成像階段劃分為若干個子階段，在每個子階段計算二維分辨率

6、，初始化軌道參量或調(diào)整衰減步長，直至完成整個成像探測階段。最后通過仿真實驗對所提設(shè)計方法進行了驗證。
　　3.復(fù)雜構(gòu)型下有效的回波模擬是驗證成像算法的重要手段，與傳統(tǒng)機載平臺不同，BFHM-SAR構(gòu)型中收、發(fā)平臺均具有較高速度和加速度，且高度不斷下降，傳統(tǒng)頻域模擬方法不能直接應(yīng)用于該構(gòu)型。本文利用BFHM-SAR運動特點，提出了一種基于斜距等效及空變校正的快速回波模擬方法。利用修正雙曲斜距模型對同時包含雙根號及高階項的距離歷程中進

7、行等效，簡化為單根號斜距形式，并利用駐定相位原理(POSP)求解得到二維頻譜。然后針對頻譜相位中空變嚴(yán)重的方位脈壓項和距離徙動項通過高階擬合來消除空變。本方法以SAR圖像作為輸入，可有效獲取高動態(tài)條件下雙基前視SAR回波數(shù)據(jù)。最后通過點目標(biāo)以及場景面目標(biāo)仿真實驗驗證了所提方法的有效性和運算的高效性。
　　4.針對高機動平臺下不同成像距離處的二維耦合特性以及距離/方位向脈沖壓縮所對應(yīng)的等效調(diào)頻率隨雙基距離和的空變特性進行了探討，并且

8、針對該空變特性，提出了一種BFHM-SAR擴展場景成像算法。首先在校正距離走動后對距離歷程進行精確近似，利用級數(shù)反演求解得到回波信號二維頻譜。針對影響成像聚焦性能的各相位項進行定量分析，忽略空變量較小的距離等效調(diào)頻率，考慮空變嚴(yán)重的方位等效調(diào)頻率進行濾波器設(shè)計，以校正隨雙基距離和的空變性。最后利用點目標(biāo)和場景面目標(biāo)進行仿真，良好的聚焦效果驗證了本文算法的可靠性。另外，針對雙基高機動平臺下的運動誤差和時頻同步誤差對二維頻譜和成像的影響特性

9、進行了理論和仿真分析，揭示了各個誤差分量的影響規(guī)律。
　　5.針對相控陣天線通道間幅相誤差導(dǎo)致輸出信號幅相失真的問題，提出了一種外界可變干擾環(huán)境下通道幅相誤差在線校正方法。該方法在干擾抑制基礎(chǔ)上通過對數(shù)據(jù)矩陣特征分解得到精確的未知目標(biāo)導(dǎo)向矢量，在相鄰兩個更新周期之間在線計算幅度和相位誤差，并更新權(quán)向量，進而對失真信號的幅度和相位進行在線校正。最后對三種不同的陣面天線形式通過計算機仿真進行了驗證，結(jié)果證實了算法的有效性和穩(wěn)健性。