彈載合成孔徑雷達(dá)成像算法研究.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)成像是一種全天時(shí)、全天候的微波遙感技術(shù)，它能夠提供目標(biāo)區(qū)域的高分辨率、高精度的二維圖像。如果能通過裝載在導(dǎo)彈上的SAR獲取目標(biāo)區(qū)域圖像，則可進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，提取目標(biāo)形狀、尺寸等特征，進(jìn)而能夠?qū)酎c(diǎn)進(jìn)行選擇。利用該圖像作匹配處理修正彈上慣導(dǎo)系統(tǒng)的長時(shí)間積累誤差和初始定位誤差，能夠大大提高打擊效率。因此，彈載SAR成像技術(shù)是導(dǎo)彈制導(dǎo)技術(shù)目前的一個(gè)重要發(fā)展方向。由于攻擊目

2、標(biāo)以及規(guī)避敵方防空陣地等戰(zhàn)術(shù)需要，導(dǎo)彈在飛行過程中往往要做一定的機(jī)動(dòng)，在垂直方向存在一定的速度和加速度。這就使得現(xiàn)有的適用于機(jī)載、星載SAR等勻速直線運(yùn)動(dòng)的SAR成像算法對(duì)于彈載SAR平臺(tái)不再有效。另外，在導(dǎo)彈飛行末段成像時(shí)，導(dǎo)彈的飛行方向和信號(hào)發(fā)射方向重合，目標(biāo)的方位向和距離向存在耦合，這也為彈載SAR的成像帶來了困難。本文就是結(jié)合導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分別對(duì)彈載側(cè)視SAR、大斜視以及前視SAR的成像問題進(jìn)行研究，主要的研究工作包括以下幾個(gè)方

3、面：
　　 1)在分析SAR成像原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)彈載SAR平臺(tái)俯沖加速運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，建立了彈載側(cè)視SAR成像的幾何模型。通過該模型對(duì)目標(biāo)斜距在單個(gè)孔徑時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到了距離隨時(shí)間變化的一次、二次和三次分量。采用級(jí)數(shù)反演的方法推導(dǎo)了彈載SAR回波信號(hào)的二維頻域的精確表達(dá)式，構(gòu)造出了不同的補(bǔ)償函數(shù)，從而提出了一種適用于彈載SAR俯沖加速運(yùn)動(dòng)下的成像算法。該算法采用全孔徑處理并能夠精確的校正距離徙動(dòng)，仿真結(jié)

4、果驗(yàn)證了該算法的有效性。
　　 2)對(duì)于大場(chǎng)景目標(biāo)來說，由于彈載SAR平臺(tái)的俯沖加速運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成較大的距離徙動(dòng)，距離空變也是非線性的，補(bǔ)償函數(shù)的距離空變也復(fù)雜的多，因而其成像難度較大。根據(jù)彈載SAR平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，使用高階逼近模型建立了SAR的回波信號(hào)模型。考慮到大場(chǎng)景下的距離空變問題，對(duì)目標(biāo)斜距隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并結(jié)合級(jí)數(shù)反演法得到了彈載SAR回波信號(hào)的二維頻域的精確表達(dá)式。通過彈載SAR幾何關(guān)系近似得到了距離

5、空變量的解析表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上提出了一種適用于彈載SAR俯沖加速運(yùn)動(dòng)下的SR-ECS(SeriesReversion-Extended Chirp Scaling)大場(chǎng)景成像算法。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠?qū)Υ髨?chǎng)景進(jìn)行成像并取得了較好的成像效果。
　　 3)針對(duì)斜視角較大時(shí)，SAR成像結(jié)果發(fā)生散焦的問題，提出了一種改進(jìn)的斜視成像算法。結(jié)合Chirp Scaling算法的優(yōu)點(diǎn)，首先利用SAR系統(tǒng)和回波數(shù)據(jù)在時(shí)域內(nèi)的特性在時(shí)

6、域進(jìn)行距離徙動(dòng)校正，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行CS變標(biāo)處理，再在頻域進(jìn)行彎曲校正、距離壓縮、二次距離壓縮；在方位向匹配濾波時(shí)考慮了三次相位的影響，使方位向聚焦效果得到改善。通過對(duì)點(diǎn)目標(biāo)和點(diǎn)陣目標(biāo)分別進(jìn)行了成像仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。同時(shí)，還對(duì)大斜視SAR成像過程中的幾個(gè)問題進(jìn)行了分析和說明。
　　 4)從SAR成像原理上來說，要求其載體運(yùn)動(dòng)方向和波束的照射方向有一定的夾角。由于攻擊目標(biāo)的需要，導(dǎo)彈在飛行末段時(shí)轉(zhuǎn)為前視成像階段，目標(biāo)

7、位于導(dǎo)彈飛行方向的正前方。此時(shí)，導(dǎo)彈的飛行方向和雷達(dá)的照射方向一致，距離向和方位向存在嚴(yán)重耦合，在成像區(qū)域上存在固有盲區(qū)?；凇笆瞻l(fā)分置”的思想，提出了一種雙站彈載前視SAR成像模型。發(fā)射機(jī)、接收機(jī)分別放置于飛機(jī)和導(dǎo)彈上。導(dǎo)彈處于半主動(dòng)工作模式，不發(fā)射信號(hào)，只接收信號(hào)。通過對(duì)空間幾何構(gòu)型的分析，推導(dǎo)了雙站彈載前視SAR系統(tǒng)模糊函數(shù)的表達(dá)式。結(jié)合該模糊函數(shù)，對(duì)雙站彈載前視SAR的分辨率進(jìn)行了分析。分析了雙站幾何構(gòu)型和速度矢量對(duì)前視分辨率的

8、影響。理論分析與仿真結(jié)果表明雙站彈載前視SAR系統(tǒng)的分辨率不僅與發(fā)射信號(hào)帶寬、合成孔徑長度有關(guān)，還取決于雙站的構(gòu)型。
　　 5)針對(duì)彈載SAR無法對(duì)飛行路線正前方進(jìn)行高分辨率成像的問題，提出了一種雙站彈載前視SAR成像方法。通過使用高階逼近模型建立SAR的回波信號(hào)模型，推導(dǎo)了目標(biāo)距離的數(shù)學(xué)表達(dá)式，結(jié)合級(jí)數(shù)反演法，得到了彈載SAR回波信號(hào)的二維頻域的精確表達(dá)式，給出了各相位補(bǔ)償因子表達(dá)式及算法實(shí)現(xiàn)步驟，從而完成了該雙站彈載SAR前