【摘要】：合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)作為一種重要的對地觀測手段,能夠不受時間、距離和天氣的限制,完成高分辨對地觀測,在民用和軍用方面都有重要意義。隨著微波技術(shù)和信號處理技術(shù)的日益發(fā)展,SAR的產(chǎn)品不僅僅局限于提供地面的二維高分辨圖像,還能實現(xiàn)地面動目標檢測及參數(shù)估計、三維及多維成像、全息成像等任務(wù)。分布式SAR、多基/站SAR和多航過SAR等數(shù)據(jù)獲取模式是目前以及將來SAR成像技術(shù)發(fā)展的熱點。由于這些SAR系統(tǒng)中的各個雷達或各個軌跡之間存在空間基線,它們可以看做是干涉技術(shù)在時間域和空間域上的擴展,可統(tǒng)一被看作為多基線SAR。然而,與圖像域干涉處理技術(shù)不同,多基線SAR充分利用多基線空間分布構(gòu)型優(yōu)勢,在回波信號的空間域、時間域或頻率域?qū)崿F(xiàn)對地面動/靜目標的觀測,其成像算法更加復(fù)雜。本文立足于多基線SAR數(shù)據(jù)獲取模式,充分分析多基線SAR回波信號模型,結(jié)合多維信號處理技術(shù)、壓縮感知技術(shù)和多項式相位信號處理技術(shù)、研究多基線SAR二維成像、三維成像、全息成像、動目標參數(shù)估計等一系列問題,并提出行之有效的多基線成像和動目標參數(shù)估計方案,提高多基線SAR成像和參數(shù)估計性能。主要研究內(nèi)容和貢獻如下:(1)建立低軌條件下多基線SAR回波的三維空-時信號模型,并根據(jù)其泰勒展開方程分析了回波信號各個相位對目標聚焦的影響;針對多基線SAR二維成像時回波數(shù)據(jù)量大、二維稀疏采樣硬件實現(xiàn)困難等問題,提出了基于壓縮感知的超低PRF二維成像算法,針對多基線SAR高度向孔徑采樣稀疏非均勻特點,結(jié)合壓縮感知信號處理技術(shù),利用凸優(yōu)化理論實現(xiàn)多基線SAR三維重構(gòu),降低壓縮感知重構(gòu)算法對場景稀疏條件的要求,實現(xiàn)低采樣條件下的圖像三維重構(gòu)。(2)提出星載SAR全息成像的概念。為實現(xiàn)SAR全息成像的多基線圓跡軌道物理條件,首先分析天基圓跡對地觀測的形成機理,建立地球同步軌道條件下的多基線全息成像模型,并設(shè)計地球同步軌道運行參數(shù);然后,針對圓跡地球同步軌道成像時合成孔徑時間長、距離-方位嚴重耦合、非“停-走-�！睌�(shù)據(jù)獲取模式等問題,提出基于子孔徑BP-壓縮感知的星載SAR全息成像算法,在時空域?qū)崿F(xiàn)地面凝視場景的全息重構(gòu)。(3)突破當前對動目標運動參數(shù)估計僅局限于二維速度(距離速度和方位速度)的現(xiàn)狀,提出基于Fr FT(Fractional Fourier Transform)的動目標三維速度(距離速度、方位速度和高度向速度)估計方法。首先,建立多基線SAR地面動目標三維運動回波模型—二階PPS(Polynomial Phase Signal)模型,并分析動目標三維速度對該PPS的一階和二階相位系數(shù)的影響;然后,通過Fr FT估計多基線SAR的各階相位系數(shù),并聯(lián)立基線方程組優(yōu)化求解動目標三維速度參數(shù)。本文所提方案考慮到空中運動、地面起伏和海面風(fēng)浪等三維因素對運動目標速度向量的影響,實現(xiàn)距離向、方位向和高度向三維速度的估計,能夠為動目標三維定位和未來運動趨勢提供更豐富的參考信息。(4)拓展本文提出的動目標三維速度估計方法。為了精確地描述復(fù)雜運動目標的運動狀態(tài),進一步提出基于CPF(Cubic Phase Function)的三維加速度目標運動參數(shù)估計方法,利用多基線SAR有效估計運動目標的距離向、方位向和高度向的速度以及加速度。由于二階PPS模型無法對多維加速運動信息進行有效估計,并考慮到六個運動參數(shù)之間的耦合特性,將動目標回波信號模型展開為更高階多項式相位形式,充分分析六個參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)特性,逐步優(yōu)化求解動目標的三維速度和加速度。以上所研究的星載多基線SAR成像及動目標運動參數(shù)估計技術(shù)均是針對當前分布式SAR、多基/站SAR、多航過SAR系統(tǒng)在執(zhí)行對地觀測任務(wù)中所面臨的亟待解決的前沿問題和技術(shù)難題,在剖析系統(tǒng)多基線構(gòu)型特點和回波解析模型的基礎(chǔ)上,進行嚴謹?shù)睦碚撏茖?dǎo)和科學(xué)的仿真及半實物數(shù)據(jù)實驗,最終獲得多基線SAR的二維、三維以及全息圖像和動目標多維運動參數(shù)估計結(jié)果。通過本文的研究不僅能夠充分發(fā)揮多基線SAR構(gòu)型優(yōu)勢,擴展多基線SAR立體觀測和動目標解析性能,而且所提出的多維信號處理技術(shù)、壓縮感知技術(shù)、多項式相位信號處理技術(shù)對合成孔徑聲納、超聲波陣列等其它應(yīng)用領(lǐng)域也具有一定的理論參考價值。
【圖文】：

2 2A rn A rnr B r B 由上式可知，在主星(三維空間基線為 0 的衛(wèi)星)零多普勒平面內(nèi)，場景中心目標的斜距誤差為 0；而在同一個慢時間位置，δR主要受目標位置和基線長度影響。在星載多基線 SAR 系統(tǒng)中，為保證各個雷達接收到的回波信號的相干性，空間基線一般在幾十到幾百米范圍之內(nèi)。下圖給出模型斜距誤差隨目標參數(shù)和基線參數(shù)變化的曲線。

圖 2-2 斜距誤差隨三維基線變化關(guān)系Fig. 2-2 Variation of slant range error with 3D baselines
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN957.52

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本文編號：2631188