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1、弹载前侧视SAR成像及运动补偿技术研究现代战场环境日益复杂 , 为实现末制导阶段的精确导航与打击 , 雷达导引头正发挥着越来越重要的作用。在末制导阶段 , 雷达导引头一般具有低分辨搜索、高分辨成像、高分辨跟踪的工作流程。在低分辨搜索阶段 , 雷达波束进行大范围扫描并实现目标初步筛选。转入高分辨成像模式后 , 雷达获取疑似目标的高分辨图像并进行目标识别 ,实现目标精确选择。 在高分辨跟踪阶段 , 对目标位置进行高精度测量 , 实现导航修正与攻击点选择 , 最终完成打击。本文围绕高分辨成像阶段的合成孔径雷达 (Synthetic Aperture Radar,SAR)成像这一关键技术展开研究。具体
2、研究内容包括以下几个方面 :1. 研究了前侧视快速时域成像方法。在现有快速分解后向投影 (Fast FactorizedSARBack-Projection,FFBP) 算法的基础上 , 提出了基于目标检测技术的自适应 FFBP(Adaptive FFBP,AFFBP)算法 , 提高了时域成像算法的处理效率。标准 FFBP算法执行逐像素点插值和积累 , 计算效率较低。AFFBP算法的核心思想是将目标检测技术嵌入 FFBP成像过程中 , 子孔径低分辨图像经过目标检测后 , 输出目标像素点坐标 , 后续处理便可以只对目标像素点进行插值和积累。为避免目标检测算法的重复运行,设计了多幅子孔径图像的自适
3、应目标检测方法。与传统“先成像后检测”的处理方式不同 ,AFFBP实现了“边检测边成像”, 它能够保留目标像素点并剔除杂波背景, 减少插值次数 , 提高计算效率。仿真与实测数据实验验证了所提方法的有效性和高效性。AFFBP算法适用于稀疏场景成像 , 如海面场景。2. 研究了前侧视 SAR的距离空变自聚焦算法。在传统图像偏置 (Map-Drift,MD)算法的基础上 , 提出了扩展的图像偏置 (Extended MD,EMD)算法 , 实现对距离空变相位误差的精确估计和校正。 MD算法适用于正侧视成像模式 , 且仅能估计非空变相位误差。弹载 SAR通常工作于前侧视模式 , 而且相位误差的距离空变
4、性通常是不能忽略的 , 这限制了 MD算法的应用 , 需要对其进行扩展。提出的EMD算法首先估计非空变相位误差, 然后估计距离空变相位误差。在距离空变相位误差估计过程中,EMD建立了线性空变运动误差模型, 并确定了最优线性空变系数, 最终实现前侧视SAR精确聚焦。实测数据实验验证了 EMD算法的有效性。 3. 研究了飞行平台的三维航迹误差估计算法 , 利用加权总体最小二乘 (Weighted Total LeastSquare,WTLS)估计核提高了三维航迹误差的估计精度。首先, 在雷达波束照射范围内 , 选择多个局部场景 , 并利用后向投影算法获得多幅局部图像。之后 , 建立了基于有限离散余
5、弦系数的锐度最优目标函数,并对局部图像进行锐度最优自聚焦处理, 获得多个局部相位误差函数。在局部相位误差函数估计过程中, 对锐度最优目标函数的梯度进行了加权估计 , 能够避免得到局部最优解。 接下来 , 根据三维航迹误差和局部相位误差函数之间的投影关系, 建立了线性方程组 , 并利用 WTLS估计核提高航迹误差求解精度。利用更新后的航迹参数进行成像, 能够获得聚焦良好的SAR图像。实测数据实验验证了所提方法的有效性。4. 研究了前侧视 SAR的距离 - 方位两维空变自聚焦算法 , 实现对两维空变相位误差的精确估计和校正。 首先建立了两维空变相位误差的多项式信号模型。为求解该模型 , 通过两维滑
6、窗自动选择多个局部图像。基于局部图像数据 , 利用加权斜视相位梯度自聚焦(Weighted SquintPhase Gradient Autofocus,WSPGA) 估计核获得多个局部相位误差函数。然后 , 将这些局部相位误差函数联立 , 并利用 WTLS估计核确定两维空变误差模型中的未知系数。 最后 , 在 FFBP成像过程中可以实现逐像素点相位误差校正 , 获得聚焦的图像。实测数据实验验证了所提方法的有效性。 5. 研究了前侧视模式下的运动目标聚焦问题 , 提出基于高阶相位误差校正的运动目标成像 (High-order Phase Correction-based Ground Movi
7、ng Target Imaging,HPC-GMTIm)算法。军事目标机动性较强 , 在前侧视 SAR观测期间 , 引入的高阶相位项是不可忽略的。 HPC-GMTIm算法在子孔径周期内假设目标匀速运动, 而全孔径周期内认为目标机动运动。因为子孔径周期很短, 匀速运动假设通常是成立的。基于匀速运动假设, 子孔径信号可简化为三阶多项式函数。利用 Hough变换估计多普勒中心 , 分数阶傅里叶变换抽取多普勒调频率后 , 可以获得运动目标在子孔径周期内的瞬时多普勒频率(Doppler Frequency,DF) 。基于子孔径的瞬时DF估计值 , 利用总体最小二乘估计核可以反演出全孔径周期内的运动目标信号, 进而实现校正与聚焦。与现有GMTIm算法相比 ,HPC-GMTIm算法能够估计更多高阶相位 , 提高运动目标的聚焦精度。仿真与实测数据实验验证了所提方法的有效性。