【摘要】：合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)自上個世紀(jì)五十年代被提出以來,以其具有作用距離遠(yuǎn)、全天候全天時、可以獲得二維高分辨圖像等優(yōu)勢得到了快速發(fā)展,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、抗震救災(zāi)等各個領(lǐng)域。SAR采用發(fā)射大時寬帶寬積信號的方式來獲得距離向高分辨,同時采用合成孔徑的方式來獲得方位向高分辨。近年來,隨著太赫茲器件的高速發(fā)展,太赫茲波段SAR以自身的優(yōu)勢得到了關(guān)注。與傳統(tǒng)微波波段SAR相比,太赫茲波段SAR至少具有如下優(yōu)勢:可以更容易地發(fā)射更大時寬帶寬積的信號,從而獲得更高的距離向分辨能力;較小的合成孔徑即可實現(xiàn)方位向的高分辨;太赫茲波照射下目標(biāo)的棱角效應(yīng)更明顯;微多普勒特征更明顯,有利于檢測慢速運動目標(biāo)。由于雷達(dá)平臺通過運動來實現(xiàn)合成孔徑,為了獲得理想的成像結(jié)果,需要雷達(dá)運動軌跡被精確地記錄下來。在實際中,雷達(dá)運動參數(shù)由慣性制導(dǎo)系統(tǒng)記錄,當(dāng)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)無法提供精確的雷達(dá)運動軌跡時,運動誤差補償就成為SAR成像信號處理中的必要內(nèi)容。例如在飛機特別是直升機的飛行過程中,由于氣流、發(fā)動機振動等因素,SAR成像平臺除了存在頻率較低的運動誤差之外,還存在頻率較高的運動(振動)誤差。低頻運動誤差在一定的條件下可以由性能較好的慣導(dǎo)系統(tǒng)記錄下來,而高頻運動誤差由于其頻率高、幅度小等因素往往很難被記錄下來。在傳統(tǒng)X波段SAR成像信號處理中,由于波長遠(yuǎn)大于高頻運動誤差,因此高頻運動誤差對SAR回波相位的影響可以忽略不計;但在太赫茲波段SAR成像信號處理中,由于波長與高頻振動振幅相比擬甚至小于高頻振動振幅,導(dǎo)致高頻運動誤差對回波相位的影響很明顯。因此,在太赫茲SAR成像運動補償中,不僅要考慮低頻運動誤差的影響,還必須要考慮高頻運動誤差的影響。本文以太赫茲SAR成像運動誤差補償和成像算法為研究內(nèi)容,所做的主要工作可以概括為以下幾個方面:1)分析了太赫茲SAR成像與傳統(tǒng)X波段SAR成像相比在成像指標(biāo)方面的特點,在此基礎(chǔ)上建立了太赫茲SAR成像平臺運動誤差模型,推導(dǎo)了同時受平臺高頻振動和低頻運動誤差影響的回波信號的形式。采用距離-多普勒算法進行太赫茲SAR成像處理,回波信號在經(jīng)過距離壓縮和距離徙動校正后,任一距離單元沿方位向上具有混合線調(diào)頻-正弦調(diào)頻信號的形式,導(dǎo)致方位向處理后出現(xiàn)鬼影等現(xiàn)象,嚴(yán)重惡化了成像結(jié)果。對平臺高頻振動的各個參數(shù)對成像結(jié)果的影響進行了分析,并通過仿真實驗加以驗證。最后,分析了以圖像偏移法和相位梯度自聚焦法為代表的微波波段SAR成像運動補償方法在直接對太赫茲SAR成像運動補償中的局限性。2)研究了基于單分量簡諧振動模型的太赫茲SAR成像平臺高頻振動補償方案。在根據(jù)已知參數(shù)構(gòu)造參考信號將多普勒調(diào)頻率項去除后,在單分量簡諧振動建模平臺高頻振動的情況下,特顯點所在距離單元回波信號具有單分量正弦調(diào)頻信號的形式�；诖私Y(jié)論,研究了單分量正弦項相位調(diào)制信號的參數(shù)估計算法。主要是三部分內(nèi)容,一是在現(xiàn)有的基于逆Radon變換方法的基礎(chǔ)上做了改進,加入了提取回波時頻分布的時頻脊這一步驟,減小了運算量。二是提出了基于自適應(yīng)Chirplet分解的正弦調(diào)頻信號參數(shù)估計。三是將離散正弦調(diào)頻變換和模擬退火算法、粒子群優(yōu)化算法等全局優(yōu)化算法結(jié)合起來,以較低的運算量實現(xiàn)了正弦調(diào)頻信號的參數(shù)估計。針對混合線調(diào)頻-正弦調(diào)頻信號的參數(shù)估計問題,提出了擴展Radon變換這一新的變換,且提出了基于該變換的混合調(diào)頻信號參數(shù)估計新方法。最后對各個方法進行了對比分析和使用適用性說明。3)研究了基于多分量簡諧振動模型的太赫茲SAR成像平臺高頻振動補償方案。在根據(jù)已知參數(shù)構(gòu)造參考信號將多普勒調(diào)頻率項去除后,在平臺高頻振動建模為多個簡諧振動分量疊加時,特顯點所在距離單元回波信號具有多正弦項相位調(diào)制信號的形式。針對該形式的信號提出了三種不同的參數(shù)估計新算法。先是采用改進的離散正弦調(diào)頻變換的方法,結(jié)合模擬退火算法等優(yōu)化算法以在低運算量的前提下實現(xiàn)對該信號的參數(shù)估計;二是結(jié)合正弦調(diào)頻傅里葉變換和最大似然發(fā)來實現(xiàn)對該信號的參數(shù)估計;三是結(jié)合短時傅里葉變換和最大似然法來實現(xiàn)對該信號的參數(shù)估計;最后分析了三種方法的異同和應(yīng)用范圍。4)研究了基于室內(nèi)實測數(shù)據(jù)的太赫茲SAR運動補償與成像算法,該運動補償算法必須同時考慮低頻運動誤差和高頻運動誤差兩種運動誤差的補償。該算法首先采用前文提到的參數(shù)估計算法完成對平臺高頻振動誤差的參數(shù)估計,然后構(gòu)造參考信號補償平臺高頻振動誤差。采用條帶相位梯度自聚焦算法實現(xiàn)對平臺低頻運動誤差的補償。最后采用實測數(shù)據(jù)驗證了新算法的有效性。
【圖文】：

9]。圖1-1 太赫茲波在電磁波頻譜中的位置Fig.1-1 The location of terahertz band in electromagnetic spectrum合成孔徑雷達(dá)（Synthetic aperture Radar, SAR）是上個世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的一種雷達(dá)[10-14]，，它不僅繼承了雷達(dá)可以在全天時、全天候狀態(tài)下工作等優(yōu)點，還可以獲得目標(biāo)或場景的二維高分辨圖像（后向散射系數(shù)）和檢測成像場景內(nèi)的動目標(biāo)等功能。SAR 工作的基本原理是在距離向發(fā)射大時寬帶寬積的信號，利用脈沖壓縮技術(shù)使其在距離向具有高分辨力和較遠(yuǎn)的作用距離；同時，在方位向通過雷達(dá)平臺的運動，形成一個較大的“合成孔徑”，從而獲得等效的窄波束，實現(xiàn)高分辨。由于 SAR 的諸多優(yōu)勢，它廣泛應(yīng)用于軍事偵查、環(huán)境監(jiān)測、抗震救災(zāi)等諸多領(lǐng)域，有著巨大的發(fā)展?jié)摿�，一直是國際雷達(dá)和遙感科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱門之一[15]。近年來

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文米級別[30]。在 1991 年，美國佐治亞理工學(xué)院 Robert W. McMillan 等人研制出試驗性質(zhì)的 225GHz 脈沖相參雷達(dá)，基于擴展相互作用震蕩器發(fā)射機和四分之一次諧波混頻接收機，試驗表明該系統(tǒng)的探測距離可達(dá) 3.5km，并且可以獲得卡車和履帶式車輛的多普勒譜。但是由于受到真空器件的限制，該系統(tǒng)無法發(fā)射大帶寬信號，只能實現(xiàn)對目標(biāo)回波多普勒譜的測量[31]。使用該系統(tǒng)獲得的目標(biāo)的多普勒譜如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN957.52

【參考文獻】

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本文編號：2711096