雙基前視高機(jī)動(dòng)平臺(tái)SAR系統(tǒng)特性及成像算法研究.pdf

1、單基合成孔徑雷達(dá)(SAR)可對(duì)側(cè)向區(qū)域進(jìn)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(gè)平臺(tái)，即發(fā)射平臺(tái)側(cè)視或斜視、接收平臺(tái)前視的雙基前視SAR運(yùn)動(dòng)構(gòu)型，可在距離和方位向形成一定夾角，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)為接收機(jī)前視成像提供足夠的多普勒帶寬，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)前視二維成像。高機(jī)動(dòng)平臺(tái)SAR是SAR成像技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用，飛行器處于末端俯沖段時(shí)，實(shí)時(shí)獲取雷達(dá)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(duì)等復(fù)雜背景目標(biāo)時(shí)，背景船舶密集、海陸交接，目標(biāo)分布復(fù)雜。現(xiàn)有單基平臺(tái)末制導(dǎo)手段中，單脈沖雷達(dá)測(cè)角、斜前視合成孔徑雷達(dá)成像等制導(dǎo)方式難以對(duì)正前方目標(biāo)區(qū)域全程二維高分辨成像探測(cè)，因而很難實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效分離。
　　雙基前視高機(jī)動(dòng)平臺(tái)SAR(BFHM-SAR)是一種將雙基前視SAR成像體制應(yīng)用于高機(jī)動(dòng)平臺(tái)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(shì)，通過合理規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡可實(shí)現(xiàn)末制導(dǎo)階段接收機(jī)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的全程二維高分辨探測(cè)。然而高機(jī)動(dòng)平臺(tái)具有高速度、大機(jī)動(dòng)、遠(yuǎn)距離等特點(diǎn)，且高機(jī)動(dòng)平臺(tái)與雙基前視成像體制的結(jié)合，收、發(fā)平臺(tái)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(cè)，相較于傳統(tǒng)機(jī)載單/雙基SAR成像模式必將引入新的運(yùn)動(dòng)特性。本文針對(duì)高機(jī)動(dòng)平臺(tái)下的雙基前視SAR開展系統(tǒng)特性、運(yùn)動(dòng)特性以及成像算法的研究。
　　本文的具體研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:
　　

4、1.針對(duì)特定構(gòu)型下成像機(jī)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(jì)密切相關(guān)。本文首先以單基SAR的距離空變性作為對(duì)比，對(duì)BFHM-SAR的二維空變特性進(jìn)行了探討，并針對(duì)不同方位位置、不同軌道夾角情形下的距離走動(dòng)率、多普勒中心頻率、調(diào)頻率等參數(shù)進(jìn)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(duì)其二維分辨率進(jìn)行分析和計(jì)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(tái)相互制約，因此兩平臺(tái)的空間構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)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(jī)預(yù)設(shè)軌跡合理設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)飛行軌道，以確保收、發(fā)平臺(tái)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(jī)軌道設(shè)計(jì)方法。本方法基于矢量梯度法計(jì)算得到的地距和方位分辨率精確解析式，以接收機(jī)預(yù)設(shè)軌跡作為輸入，將整個(gè)成像階段劃分為若干個(gè)子階段，在每個(gè)子階段計(jì)算二維分辨率

6、，初始化軌道參量或調(diào)整衰減步長(zhǎng)，直至完成整個(gè)成像探測(cè)階段。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所提設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　3.復(fù)雜構(gòu)型下有效的回波模擬是驗(yàn)證成像算法的重要手段，與傳統(tǒng)機(jī)載平臺(tái)不同，BFHM-SAR構(gòu)型中收、發(fā)平臺(tái)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(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，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(duì)同時(shí)包含雙根號(hào)及高階項(xiàng)的距離歷程中進(jìn)

7、行等效，簡(jiǎn)化為單根號(hào)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(duì)頻譜相位中空變嚴(yán)重的方位脈壓項(xiàng)和距離徙動(dòng)項(xiàng)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(dòng)態(tài)條件下雙基前視SAR回波數(shù)據(jù)。最后通過點(diǎn)目標(biāo)以及場(chǎng)景面目標(biāo)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性和運(yùn)算的高效性。
　　4.針對(duì)高機(jī)動(dòng)平臺(tái)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(duì)應(yīng)的等效調(diào)頻率隨雙基距離和的空變特性進(jìn)行了探討，并且

8、針對(duì)該空變特性，提出了一種BFHM-SAR擴(kuò)展場(chǎng)景成像算法。首先在校正距離走動(dòng)后對(duì)距離歷程進(jìn)行精確近似，利用級(jí)數(shù)反演求解得到回波信號(hào)二維頻譜。針對(duì)影響成像聚焦性能的各相位項(xiàng)進(jìn)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(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，以校正隨雙基距離和的空變性。最后利用點(diǎn)目標(biāo)和場(chǎng)景面目標(biāo)進(jìn)行仿真，良好的聚焦效果驗(yàn)證了本文算法的可靠性。另外，針對(duì)雙基高機(jī)動(dòng)平臺(tái)下的運(yùn)動(dòng)誤差和時(shí)頻同步誤差對(duì)二維頻譜和成像的影響特性

9、進(jìn)行了理論和仿真分析，揭示了各個(gè)誤差分量的影響規(guī)律。
　　5.針對(duì)相控陣天線通道間幅相誤差導(dǎo)致輸出信號(hào)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(duì)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(gè)更新周期之間在線計(jì)算幅度和相位誤差，并更新權(quán)向量，進(jìn)而對(duì)失真信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行在線校正。最后對(duì)三種不同的陣面天線形式通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證實(shí)了算法的有效性和穩(wěn)健性。