FM-CW SAR信号处理关键技术研究

论文摘要

调频连续波（FM-CW）技术与合成孔径（SAR）技术的结合为发展体积小、重量轻、成本低的高分辨成像传感器提供了条件。今天,小型无人机已经高度成熟,然而到目前为止,这些平台一个主要的缺点就是承载能力受限。高度小型化的FM-CW SAR符合SAR系统低成本的发展趋势,具备结构简单、价格低廉、功耗低、截获概率低等一系列优点,非常适合有效载荷受严格限制的小型无人机平台的需要,因此,受到各个国家越来越多科研机构的关注。针对FM-CW SAR系统在理论和实践中亟待解决的关键技术问题,本文展开相关研究。“停-走-停”假设是目前脉冲SAR信号处理和理论分析的基础,然而,FM-CWSAR由于连续发射大扫频周期信号而使“停-走-停”近似失效。针对这一问题,论文首先分析了FM-CW SAR“停-走-停”工作模式的有效性判定问题,在“停-走-停”假设不成立的情况下建立去调频FM-CW SAR回波信号模型,在此基础上,提出了基于傅氏变换的分布目标回波模拟快速算法。残留视频相位（RVP）和斜置是去调频处理特有的产物,论文定量分析其对常规FM-CW SAR成像的影响,讨论了消除RVP的方法;针对脉内载机运动引起的快时间多普勒效应,结合距离—多普勒算法,讨论了快时间多普勒效应引起的距离走动问题,并给出校正方法;同时,分析了在大波束角或者斜视情况下导致算法性能下降的主要误差来源,提出一种适合FM-CW SAR系统的改进的距离-多普勒算法。距离-多普勒算法通过在方位频域插值校正快时间多普勒效应,由于受插值精度的影响,补偿效果不理想。针对这一问题,论文提出一种改进的距离-堆栈算法,该算法不需要插值,不存在几何失真,避免插值计算导致的精度损失,非常适用于近距离FM-CW雷达成像。FM-CW SAR系统另一个突出问题是系统对采样率、数据处理量有严格的限制。在采样率受限的条件下,传统脉冲体制下的FS算法直接应用到FM-CW SAR中来,会引起严重的距离维频谱混叠,导致无法成像。针对这一问题,论文提出一种改进的FS算法,在避免尺度变换导致距离频谱混叠的同时,矫正了脉内及脉间载机运动引起的距离走动和距离弯曲,实现了精确成像。运动目标检测是军用机载雷达的一项基本功能。为了保持FM-CW SAR体积小、重量轻的优点,同时充分发挥单天线FM-CW SAR系统的作用,用户更希望FM-CW SAR利用单通道数据达到检测地面动目标的目的。论文借鉴发射调频三角波信号构建双通道回波数据的思想,结合DPCA方法,提出利用DPCA方法单通道FM-CW SAR动目标检测算法。算法重点研究了在常规SAR成像时可以忽略的RVP,在DPCA方法进行动目标显示时引起通道相位失配问题,得到要获得较好的SCR,必须在成像过程中消除RVP影响的重要结论。最后论文从FM-CW SAR系统设计角度出发,对影响FM-CW SAR系统性能的关键因素—调频线性度以及相位噪声进行系统分析。通过定量分析线性度与峰值旁瓣比的关系,利用数据拟合得到线性度—峰值旁瓣比曲线,可方便的根据期望的峰值旁瓣比得到信号源线性度指标要求;同时,对振荡器相位噪声以及泄漏信号相位噪声对系统的影响进行分析,得到FM-CW SAR图像信噪比计算公式,用于指导工程实践。

论文目录

• 缩略语列表
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 FM-CW SAR研究及发展现状
• 1.2.1 国外研究发展状况
• 1.2.2 国内研究发展状况
• 1.3 FM-CW SAR关键技术分析
• 1.3.1 FM-CW SAR回波信号建模
• 1.3.2 FM-CW SAR原始回波模拟
• 1.3.3 FM-CW SAR专用成像算法研究
• 1.3.4 FM-CW SAR动目标检测技术
• 1.3.5 FM-CW SAR系统设计
• 1.4 论文的主要内容和创新工作
• 1.4.1 论文主要内容
• 1.4.2 论文创新工作
• 第二章 FM-CW SAR回波信号建模及原始回波模拟
• 2.1 引言
• 2.2 De-chirp FM-CW SAR成像原理
• 2.2.1 De-chirp处理与中频处理带宽
• 2.2.2 传统脉冲SAR宽带LFM信号De-chirp原理
• 2.2.3 FM-CW SAR宽带LFM信号De-chirp原理
• 2.3 De-chirp处理下的FM-CW SAR距离分辨率和处理增益
• 2.3.1 回波延迟对距离分辨率和处理增益的影响
• 2.3.2 减弱回波延迟对距离维处理影响的方法
• 2.4 De-chirp FM-CW SAR回波信号建模
• 2.4.1 LFM-CW SAR“停-走-停”假设的有效性判定
• 2.4.2 De-chirp FM-CW SAR回波信号模型
• 2.5 FM-CW SAR原始回波信号模拟
• 2.5.1 SAR目标模型
• 2.5.2 时域直接叠加算法
• 2.5.3 基于傅立叶变换的FM-CW SAR回波模拟快速算法
• 2.5.4 回波模拟仿真实验与分析
• 2.6 小结
• 第三章 FM-CW条带SAR距离-多普勒成像算法
• 3.1 引言
• 3.2 FM-CW SAR距离-多普勒算法
• 3.2.1 距离维信号处理
• 3.2.2 RVP和斜置对FM-CW SAR影响的定量分析
• 3.2.3 方位维信号处理
• 3.2.4 仿真实验
• 3.3 误差分析及算法改进
• 3.3.1 误差分析
• 3.3.2 改进的FM-CW SAR距离-多普勒算法
• 3.3.3 运算量分析
• 3.3.4 仿真实验
• 3.4 小结
• 第四章 FM-CW聚束SAR距离堆栈成像算法
• 4.1 引言
• 4.2 球形PM信号慢时间压缩与解压缩
• 4.2.1 聚束SAR回波多普勒带宽
• 4.2.2 球形PM信号慢时间压缩与解压缩
• 4.3 改进的距离堆栈成像算法
• 4.3.1 改进的距离堆栈算法原理
• 4.3.2 运算量分析
• 4.3.3 仿真实验结果
• 4.4 小结
• 第五章 基于改进FS算法的FM-CW SAR成像
• 5.1 引言
• 5.2 传统FS算法存在的问题
• 5.2.1 De-chirp FM-CW SAR中频信号带宽
• 5.2.2 传统FS算法存在的问题
• 5.3 改进的FM-CW SAR FS算法
• 5.3.1 回波信号的距离-多普勒域表示
• 5.3.2 改进的FM-CW SAR FS算法流程
• 5.3.3 运算量分析
• 5.4 仿真实验结果
• 5.5 小结
• 第六章 单天线FM-CW SAR动目标检测
• 6.1 引言
• 6.2 运动目标成像特征分析
• 6.2.1 地面运动目标回波信号分析
• 6.2.2 动目标在SAR图像上的表现
• 6.3 用于单天线FM-CW SAR进行动目标检测的DPCA方法
• 6.3.1 单天线FM-CW SAR DPCA方法MTI原理
• 6.3.2 动目标径向速度及方位向位置偏移的计算
• 6.4 RVP引起的相位失配对检测结果的影响及其消除
• 6.5 算法实现流程及步骤
• 6.6 单天线FM-CW SAR动目标检测仿真实验
• 6.7 小结
• 第七章 影响FM-CW SAR系统性能的关键因素分析
• 7.1 引言
• 7.2 典型的FM-CW SAR系统结构
• 7.3 调频非线性对FM-CW SAR距离维成像的影响
• 7.3.1 频率非线性的描述及仿真
• 7.3.2 非线性条件下差拍信号模型
• 7.3.3 距离脉冲压缩处理性能分析
• 7.3.4 L-PSLR曲线拟合
• 7.4 相位噪声对FM-CW SAR系统的影响
• 7.4.1 相位噪声模型
• 7.4.2 相位噪声下的中频信号频谱
• 7.4.3 中频信号自身相位噪声对系统性能的影响
• 7.4.4 泄漏信号相位噪声对系统性能的影响
• 7.5 FM-CW SAR功率预算
• 7.5.1 相位噪声功率计算
• 7.5.2 热噪声功率计算
• 7.5.3 信噪比计算
• 7.6 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 作者在学期间参与的课题项目