多相位中心接收SAR/GMTI技术研究

论文摘要

1971年R.Keith.Raney首次在他发表的论文中指出地面慢速运动目标对单天线合成孔径雷达（SAR）的图像质量有影响,从那时起30余年来各国学者对地面动目标检测问题进行了各个方面的研究,但真正认识到将SAR与地面动目标指示（GMTI）结合起来的重要性,应该是上世纪九十年代初,美军展示的E8A侦察样机JSTARS在海湾战争中的优异表现。从那时起,国内的高校和科研院所在各种背景项目的支持下,开展了不同程度的预研,取得了一定成果,但SAR/GMTI研究的实践性非常强,其理论成果需要大量的实测数据加以证实。在过去,由于国内没有这种体制的雷达,许多研究都是基于仿真数据的结果,或通过其它渠道获得的少量国外数据（如美国的MCARM数据）,从而限制了研究的进一步深入。近年来,随着各种新体制SAR预研工作的开展,GMTI大多成为要求它们必有的功能之一,人们意识到对GMTI的研究工作不能再停留在纸上谈兵的阶段。在国内,华东电子工程研究所（电子38所）首次实现了多通道SAR/GMTI多模战场侦察雷达试验样机的飞行试验,录取了多种工作模式大量的实测数据,本文的研究工作正是利用该试验样机在GMTI模式下获得的数据进行的,各章内容概述如下:第一章是绪论,通过对国内外SAR/GMTI雷达发展历程的综述,揭示了动目标检测的基本问题;给出了本文的主要研究内容,论文的创新点和结构安排。第二章论述了相位中心偏置天线（DPCA）、自适应DPCA（ADPCA）、沿航迹向干涉（ATI）、杂波抑制干涉（CSI）和空时自适应处理（STAP）这几种适用于多通道接收动目标检测处理的方法,比较了它们各自的优缺点并对适用性作出分析。通过对地面动目标最小可检测速度（MDV）的分析,得出了双通道（天线）接收GMTI处理的MDV要比单通道的MDV小4倍的结论。第三章研究机载三通道SAR/GMTI在“广域GMTI”和“同时SAR/GMTI”模式下的信号处理方法。对处理过程中的ADPCA最佳权值的计算、通道间的相位补偿和杂波对消、信号的相参积累、动目标多普勒频率的估计、CFAR检测、动目标定位、径向速度估计、性能分析等环节进行了详细论述,对部分环节提出了符合工程应用的近似简化,并对近似引起的误差进行了可行性分析。针对影响地杂波对消和动目标定位精度的问题,处理时运用数据预处理、MTD处理和解动目标方位模糊三项关键技术予以解决。提出在杂波对消后采用基于有序统计的VI-CFAR器进行动目标检测,以消除GMTI对消后空间杂波剩余的分布不均匀和多普勒特性各不相同带来的影响。两种动目标检测模式均分别用计算机仿真验证了处理方法的有效性。第四章主要研究SAR/GMTI半实物仿真测试平台的构建方法,推导了仿真用的回波信号模型,用逐点叠加法和二维卷积法分别对点目标和面目标进行仿真;通过对半实物仿真测试平台采集到真实数据的分析,给出了对系统性能评估的内容、步骤、方法和结果。第五章详细、深入的研究了宽带系统I、Q通道校正和通道间幅相均衡校正的处理方法。从对点频信号的镜频分析入手,揭示了宽带线性调频（LFM）信号的镜像频谱具有对称性的特点,为了能有效地观察到线性调频信号的镜像频谱,本文提出了“时域切分”的观点,并据此给出了三种针对宽带雷达镜像处理和评估的方法,即幅度不变校正法、镜像切除法和归一化校正法。针对通道间幅相不均衡给GMTI处理带来不利影响这一棘手问题,论文结合实际多通道接收系统,提出了一套从雷达前端有源相控阵天线内的T/R组件到多通道接收机末级的完整解决方案,通过天线自动校正和通道间接收信号的均衡校正,在实测数据的处理中取得了良好的效果,所提供的通道均衡处理方法对InSAR、多波段SAR、多极化SAR、宽观测带SAR的通道均衡均具有较大的实用价值。第六章主要是处理从试验用三通道机载SAR/GMTI多模战场侦察雷达采集到的实测数据。提出了一种基于改进能量峰值法的多普勒中心估计,其目的是避免受强反射点目标的影响,而导致多普勒中心估计不准。实时处理的多普勒调频率估计则根据不同场景采用子图相关和最大对比度相结合的混合式方法。在SAR成像方面,为适应实时条带成像处理,对RD算法进行了必要的改进;结合试验雷达具有方位向电扫功能的特点,将聚束成像通过解调函数Dechirp处理后转为条带成像,通过增加扫描波位驻留脉冲的方式提高合成孔径时间内的分辨率。在GMTI处理方面,给出了对“同时SAR/GMTI”模式处理后获得三个通道的子图像,通道间对消后的残差子图像,对动目标检测处理中点迹过滤、凝聚和参数估计的方法和准则进行了论述,对合作目标的试验结果进行了定量分析,同时提供了对乡间公路、高速公路和铁路这些典型场景检测到的非合作动目标与SAR图像叠加后的结果。在“广域GMTI”对合作目标的ADPCA处理中,从处理结果观察到通过空间相位差补偿使差波束在和波束的峰点（或接近峰点处）形成凹口,达到了较好抑制地杂波的目的,经检测后形成多帧连续的动目标轨迹。论文的结束语部分,对本文的主要研究工作和结果作了全面总结,给出了一些与本文相关但尚待进一步深入研究的内容。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 机载SAR/MTI 的发展史

1.3 动目标检测的基本问题

1.4 论文创新点及内容安排

第2章机载MTI 处理技术

2.1 引言

2.2 DPCA 法

2.2.1 DPCA 的实现方式

2.2.2 和差波束形成原理

2.2.3 二单元ADPCA

2.2.4 和差波束ADPCA

2.2.5 和差波束双延迟ADPCA

2.3 ATI 法

2.4 CSI 法

2.5 STAP 法

2.5.1 最优STAP

2.5.2 空时二维Capon 法

2.5.3 先空时自适应后滤波处理

2.5.4 功率倒置处理

2.5.4 和差波束自适应处理

2.5.5 局域联合处理法

2.6 处理方法的适用性

2.7 MDV 分析

2.8 本章小结

第3章多相位中心接收动目标检测技术

3.1 几何模型

3.2 信号产生

3.3 广域GMTI 处理

3.3.1 和差波束形成

3.3.2 ADPCA 处理

3.3.3 CFAR 检测

3.3.4 动目标定位

3.3.5 径向速度估计

3.3.6 性能分析

3.3.7 计算机仿真

3.4 同时SAR/GMTI 处理

3.4.1 数据预处理

3.4.2 MTD 处理

3.4.3 解动目标方位模糊

3.4.4 计算机仿真

3.5 本章小结

第4章半实物仿真测试平台的构建

4.1 半实物仿真平台

4.2 回波信号的数学模型

4.3 信号仿真的方法

4.3.1 逐点叠加法

4.3.2 二维卷积法

4.4 仿真结果

4.4.1 点目标仿真

4.4.2 面目标仿真

4.5 半实物仿真系统实例及数据分析

4.5.1 通道主波信号的提取

4.5.2 SAR 通道信号分析

4.5.3 MTI 通道信号分析

4.6 本章小结

第5章通道校正与通道均衡技术

5.1 引言

5.2 幅相误差产生的镜像

5.2.1 点频信号的镜像

5.2.2 线性调频信号的镜像

5.3 幅度不变校正法

5.3.1 处理步骤

5.3.2 仿真结果

5.4 镜像切除法

5.5 归一化校正法

5.6 通道均衡的系统设计及相关技术

5.6.1 天线自动诊断测试

5.6.2 天线自动校正

5.6.3 自动校正的结果

5.7 通道间的信号均衡技术

5.8 实测数据的均衡处理

5.9 本章小结

第6章 SAR/GMTI 实测数据处理

6.1 引言

6.2 基于改进能量峰值法的多普勒中心估计

6.3 多普勒调频率估计

6.3.1 子图相关法

6.3.2 最大对比度法

6.4 条带SAR 成像

6.5 聚束SAR 成像

6.6 同时SAR/GMTI

6.6.1 子图像成像

6.6.2 残差子图像生成

6.6.3 动目标点迹凝聚

6.6.4 试验结果分析

6.7 广域GMTI

6.8 本章小结

结束语

参考文献

致谢

作者在攻读博士期间（合作）发表和完成的论文

攻读博士期间参加的科研项目与活动

多相位中心接收SAR/GMTI技术研究

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