多通道雷达系统阵列误差校正方法研究

论文摘要

随着雷达技术的不断发展,对雷达的探测性能要求越来越高,涌现出多种多通道体制雷达,如分布式小卫星合成孔径雷达（SAR）体制、多输入多输出（MIMO）雷达体制等。对多通道信号进行相干处理能够增大系统自由度,从而得到比以往单通道雷达体制更为优越的性能。但多通道之间不可避免的幅度和相位不一致性会严重影响相干处理的性能,长期以来这个问题成为多通道雷达实际应用中获得理论上高性能的主要的一个瓶颈问题。本论文即重点针对分布式小卫星SAR系统、MIMO雷达系统开展多通道雷达误差校正问题的研究,以期解决一些实际问题,将对多通道阵列雷达发挥其潜在的高性能具有重要的意义。主要研究工作包括:1.在信源方向未知的情况下,其波达方向与阵列的幅相误差会发生耦合,从而导致两者的估计出现不可克服的误差。针对这一问题,提出了一种基于信源方向未知而其夹角已知的分时信源的幅相误差校正方法,该方法利用分时信源将信源波达方向与阵列幅相误差进行分离,克服了两者耦合带来的影响,并构造代价函数准确估计出波达方向与幅相误差。该方法不需迭代即能得到较好的估计结果,适用于任意阵形。2.针对分布式小卫星SAR系统地面运动目标指示（GMTI）模式沿航迹水平构型下基线误差与幅相误差的估计问题,首先提出了一种无需放置校正源、直接利用雷达接收回波信号实现分布式小卫星阵列误差估计的方法。该方法基于距离时间-方位多普勒域数据,通过先估计并补偿阵列的幅度误差,去除其与沿航向位置误差估计的相互影响,从而保证沿航向基线误差估计收敛到真实值附近;通过选择零多普勒单元的数据估计相位误差和沿航向基线误差,避免相位误差估计与沿航向基线误差估计之间的迭代,减小了运算量。针对距离维脉压后能够在一定程度上提高信噪比这一特点,在前面所提方法的基础上,提出了一种基于距离脉压后时间-方位多普勒数据域的分布式小卫星误差估计方法,该方法中的相位误差估计部分也能适用于无多普勒模糊的场合,同时针对分布式小卫星的特殊情况提出了一种幅度误差估计方法。3.为同时实现SAR/GMTI、InSAR功能,要求分布式小卫星SAR系统同时存在沿航向基线与垂直航向基线,即为立体阵,但两类基线的耦合使得基线误差估计更为困难。针对这一问题,提出了一种分布式小卫星立体阵三维基线误差图像域估计方法,该方法适用于大立体阵且不存在多普勒模糊的场合,需要场景中存在特显点。该方法利用图像配准分离沿航向与垂直航向基线,并通过图像配准与子空间分解的方法分别对两类基线误差进行估计。在此基础上,分析了不同卫星对于同一散射点的相位差的估计误差对基线误差估计的影响。4.针对MIMO雷达中,发射天线和接收天线的幅相误差必须同时考虑这一问题,提出了一种单基地MIMO雷达幅相误差估计方法。假设各天线发射正交信号,通过对阵列接收信号进行匹配滤波,分离得到与传统阵列类似的“虚拟阵列”,从而将问题转化为普通阵列校正问题,而后将发射阵列与接收阵列的幅相误差分别进行估计,并对估计残余误差进行了分析。该方法适用于任意阵列构型,简单可行,能够得到相对精确的估计值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究历史与现状
• 1.2.1 阵列误差校正研究历史与现状
• 1.2.2 分布式小卫星SAR 系统研究历史与现状
• 1.2.3 MIMO 雷达系统研究历史与现状
• 1.3 本文的主要内容及安排
• 本章参考文献
• 第二章 阵列雷达波达方向与幅相误差联合估计方法
• 2.1 引言
• 2.2 阵列雷达误差模型及典型算法
• 2.2.1 阵列雷达信号模型
• 2.2.2 误差模型
• 2.2.3 几种典型误差校正算法
• 2.3 基于分时信源的幅相误差校正算法
• 2.3.1 分时信源信号模型
• 2.3.2 相位误差与波达方向估计误差耦合分析
• 2.3.3 波达方向估计
• 2.3.4 幅相误差估计
• 2.3.5 仿真分析
• 2.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 分布式小卫星沿航迹水平构型下误差估计方法
• 3.1 引言
• 3.2 分布式小卫星阵列的信号处理特点
• 3.3 基于方位多普勒域回波数据的自校正方法
• 3.3.1 分布式小卫星沿航迹水平构型下信号模型
• 3.3.2 校正源提取与问题等效
• 3.3.3 阵列自校正方法
• 3.3.4 计算复杂度分析
• 3.3.5 非零多普勒单元的影响
• 3.3.6 仿真分析
• 3.4 基于距离脉压后时间－方位多普勒数据阵列自校正方法
• 3.4.1 幅相误差估计
• 3.4.2 沿航向基线误差估计
• 3.4.3 无多普勒模糊情况适用性讨论
• 3.4.4 仿真分析
• 3.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 分布式小卫星立体阵基线误差估计方法
• 4.1 引言
• 4.2 问题分析
• 4.3 立体阵基线误差估计方法
• 4.3.1 沿航向基线误差估计
• 4.3.2 垂直航向基线误差估计
• 4.4 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 MIMO 雷达幅相误差估计方法
• 5.1 引言
• 5.2 MIMO 雷达信号模型
• 5.3 MIMO 雷达幅相误差估计
• 5.3.1 波达方向估计
• 5.3.2 幅相误差估计
• 5.3.3 估计误差引入量分析
• 5.4 仿真分析
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 作者在读期间的研究成果