弹载SAR制导技术研究

论文摘要

随着现代武器对高精度和复杂背景下自动目标选择能力的需求,将SAR应用于导弹平台进行主动二维成像制导日益受到重视。与机载和星载SAR相比较,弹载SAR需要解决由其应用任务和平台的不同而产生的一些特殊问题,论文围绕曲线弹道SAR成像、摆动目标成像、弹体定位、目标定位以及抗干扰等弹载SAR制导技术走向应用亟需解决的关键问题开展研究。论文首先介绍了目前主要的弹载SAR制导系统,综述了弹载SAR制导技术的发展现状,分析了需要解决的问题:横向机动或俯冲引起的曲线航迹成像、恶劣海情下摆动舰船成像、基于单特征点单次观测的导弹定位、基于距离-多普勒的目标定位和抗干扰等。针对导弹横向规避或俯冲等机动引起的孔径非直线问题,首先分析了机动引入的相位误差,给出了曲线弹道补偿的定量条件;然后分析了横向规避和俯冲弹道条件下弹载SAR回波信号的特点,在合理近似的基础上,提出了基于距离-多普勒算法的横向规避和俯冲航迹弹载SAR成像方法,与直线孔径下的距离-多普勒算法相比,仅仅是修改了部分相位因子,没有因为孔径的非直线而增加成像算法的复杂度。针对恶劣海情下摆动舰船的成像问题,采用钟摆作为舰船的运动模型建立了摆动目标的回波信号模型;分析了摆动对回波信号调制的特点,得出了散射点三次相位误差的主要来源是相对速度在视线方向上的投影、中心频率偏移大的分量存在明显的三次相位项的结论;基于此结论提出了基于分数阶傅立叶变换和三次相位误差补偿的成像方法,先进行子孔径分数阶傅立叶变换检测各散射点并估计中心频率和调频率,然后进行全孔径分数阶傅立叶变换并构造带通滤波器分离各散射点信号,再估计三次相位误差进行补偿,在补偿后根据子孔径分数阶傅立叶变换对调频率的估计进行成像。针对导弹定位中可用图像少、数据率低和定位信息不足的问题,提出了高度信息辅助的基于单特征点单次距离-多普勒观测的导弹位置估计方法。采用发射点惯性坐标系作为导航坐标系推导了远程导弹位置求解的解析表达式,给出了详细的定位流程;在不需要考虑地球自转影响时以地心直角坐标系为导航坐标系推导了导弹位置求解的简化表达式;定量分析了高度测量对定位误差的影响,提出了通过加装一部天线作为测高通道的INS/双天线SAR组合导弹定位思路,通过估计弹下点高程提高了导弹定位精度。针对利用距离-多普勒估计弹目相对位置的问题,分析了不同弹道下弹目相对位置的可观测性,得出了要估计弹目三维相对位置导弹必须进行不“瞄准”目标机动的结论,分别研究了利用两次观测和利用观测序列的弹目相对位置估计方法,通过计算弹目相对位置估计的克拉美-罗下限分析了观测时间长度、初始弹目距离、导弹沿航向速度、垂直航向速度、沿航向加速度和垂直航向加速度对估计精度的影响,提出了INS速度输出存在偏差时的估计方法,分析了导弹匀速飞行时对视线角和视线转率的可观测性,提出了将DBS二维寻的制导和传统的单脉冲前视跟踪进行复合完成全程末制导的寻的制导技术,既利用了DBS对目标的检测和识别能力,又降低了末段对导弹制导控制系统的要求。针对SAR导引头抗干扰问题,提出了利用被动导引头辐射源参数测量能力和INS对成像区域“锁定”能力的对抗有源欺骗干扰和场景散射干扰方法;针对INS/被动微波/SAR复合导引头的交接班问题,通过定量描述成功交接班需要满足的条件建立了交接班成功概率的数学模型,并给出了交接班参数的求解方法。最后,对论文工作和研究方向的发展趋势、应用前景进行了总结,指出了需要进一步研究和解决的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词
• 第一章 引言
• 1.1 概述
• 1.2 弹载SAR 制导技术研究现状
• 1.2.1 弹载SAR 的主要应用方向
• 1.2.2 弹载SAR 制导系统研究现状
• 1.2.3 弹载SAR 制导技术研究现状
• 1.2.4 新体制导引头
• 1.3 弹载SAR 制导的基本原理与关键技术分析
• 1.3.1 弹载SAR 景象匹配辅助导航
• 1.3.2 弹载SAR 寻的制导
• 1.4 论文的研究内容和组织结构
• 第二章 曲线弹道弹载SAR 成像技术
• 2.1 引言
• 2.2 曲线弹道SAR 回波信号建模
• 2.2.1 回波模型
• 2.2.2 曲线弹道补偿的判断条件
• 2.3 横向规避弹道条件下成像
• 2.3.1 横向规避弹道下回波信号特点
• 2.3.2 成像算法
• 2.3.3 几何映射关系
• 2.3.4 仿真实验与分析
• 2.4 俯冲弹道条件下成像
• 2.4.1 俯冲弹道下回波信号特点
• 2.4.2 成像算法
• 2.4.3 几何映射关系
• 2.4.4 仿真实验与分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 弹载SAR 摆动目标成像技术
• 3.1 引言
• 3.2 摆动目标回波信号建模
• 3.2.1 一维摆动模型
• 3.2.2 三维摆动模型
• 3.3 摆动对回波信号调制的特点分析
• 3.3.1 成像平面内一维摆动的影响
• 3.3.2 三维摆动的影响
• 3.4 基于FrFT-CPEC 的摆动目标成像
• 3.4.1 基于FrFT 和分数阶Fourier 域滤波的信号分离
• 3.4.2 基于CPF 的三次相位误差补偿（CPEC）
• 3.4.3 成像步骤
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于单特征点单次观测的导弹位置估计
• 4.1 引言
• 4.2 基于单特征点单次观测的导弹位置估计原理
• 4.3 基于单特征点单次观测的导弹位置估计方法
• 4.3.1 坐标系的选择与坐标系之间的变换关系
• 4.3.2 导弹位置估计
• 4.3.3 仿真实验与分析
• 4.4 不考虑地球自转时的导弹位置估计方法
• 4.4.1 导弹与特征点的相对位置关系
• 4.4.2 导弹位置的求解
• 4.5 高度测量误差对定位误差的影响与抑制
• 4.5.1 高度测量误差对定位误差的影响
• 4.5.2 基于INS/双天线SAR 的高度测量误差抑制
• 4.5.3 仿真实验与分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于距离－多普勒的目标位置估计
• 5.1 引言
• 5.2 基于距离－多普勒的目标位置估计原理
• 5.2.1 目标位置与距离－多普勒的的关系
• 5.2.2 估计模型
• 5.2.3 可观测性分析
• 5.3 利用两次距离－多普勒观测估计目标位置
• 5.3.1 估计方法与估计精度
• 5.3.2 仿真与分析
• 5.4 利用距离－多普勒观测序列估计目标位置
• 5.4.1 滤波方程
• 5.4.2 估计精度
• 5.4.3 仿真与分析
• 5.5 INS 的速度输出存在偏差时的目标位置估计
• 5.5.1 存在垂直速度偏差时的估计方法
• 5.5.2 仿真与分析
• 5.6 导弹匀速飞行时对视线角和视线转率的可观测性
• 5.7 二维成像与前视跟踪复合的末制导方法
• 5.7.1 寻的制导过程
• 5.7.2 目标检测与识别
• 5.7.3 单脉冲前视跟踪
• 5.8 本章小结
• 第六章 INS/微波被动/弹载SAR 复合导引头抗干扰技术
• 6.1 引言
• 6.2 INS/微波被动/SAR 导引头抗场景散射干扰和有源欺骗干扰技术
• 6.2.1 干扰对弹载SAR 影响特点的分析
• 6.2.2 场景散射干扰和有源欺骗干扰的抑制
• 6.2.3 干扰抑制信号处理流程
• 6.2.4 仿真与分析
• 6.3 INS/被动微波/SAR 复合导引头的交接班问题
• 6.3.1 交接班需要满足的条件
• 6.3.2 交接班成功概率的数学模型
• 6.3.3 交接班参数的求解
• 6.3.4 仿真与分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 工作总结
• 7.2 下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 作者在攻读博士学位期间参与的项目