【摘要】：合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)自上個(gè)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(shí)、可以獲得二維高分辨圖像等優(yōu)勢(shì)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(cè)、抗震救災(zāi)等各個(gè)領(lǐng)域。SAR采用發(fā)射大時(shí)寬帶寬積信號(hào)的方式來獲得距離向高分辨,同時(shí)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(shì)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(shì):可以更容易地發(fā)射更大時(shí)寬帶寬積的信號(hào),從而獲得更高的距離向分辨能力;較小的合成孔徑即可實(shí)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(cè)慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。由于雷達(dá)平臺(tái)通過運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)合成孔徑,為了獲得理想的成像結(jié)果,需要雷達(dá)運(yùn)動(dòng)軌跡被精確地記錄下來。在實(shí)際中,雷達(dá)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡時(shí),運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償就成為SAR成像信號(hào)處理中的必要內(nèi)容。例如在飛機(jī)特別是直升機(jī)的飛行過程中,由于氣流、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等因素,SAR成像平臺(tái)除了存在頻率較低的運(yùn)動(dòng)誤差之外,還存在頻率較高的運(yùn)動(dòng)(振動(dòng))誤差。低頻運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(hào)處理中,由于波長遠(yuǎn)大于高頻運(yùn)動(dòng)誤差,因此高頻運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)SAR回波相位的影響可以忽略不計(jì);但在太赫茲波段SAR成像信號(hào)處理中,由于波長與高頻振動(dòng)振幅相比擬甚至小于高頻振動(dòng)振幅,導(dǎo)致高頻運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)回波相位的影響很明顯。因此,在太赫茲SAR成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中,不僅要考慮低頻運(yùn)動(dòng)誤差的影響,還必須要考慮高頻運(yùn)動(dòng)誤差的影響。本文以太赫茲SAR成像運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)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(gè)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(diǎn),在此基礎(chǔ)上建立了太赫茲SAR成像平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差模型,推導(dǎo)了同時(shí)受平臺(tái)高頻振動(dòng)和低頻運(yùn)動(dòng)誤差影響的回波信號(hào)的形式。采用距離-多普勒算法進(jìn)行太赫茲SAR成像處理,回波信號(hào)在經(jīng)過距離壓縮和距離徙動(dòng)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(hào)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(duì)平臺(tái)高頻振動(dòng)的各個(gè)參數(shù)對(duì)成像結(jié)果的影響進(jìn)行了分析,并通過仿真實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法在直接對(duì)太赫茲SAR成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中的局限性。2)研究了基于單分量簡諧振動(dòng)模型的太赫茲SAR成像平臺(tái)高頻振動(dòng)補(bǔ)償方案。在根據(jù)已知參數(shù)構(gòu)造參考信號(hào)將多普勒調(diào)頻率項(xiàng)去除后,在單分量簡諧振動(dòng)建模平臺(tái)高頻振動(dòng)的情況下,特顯點(diǎn)所在距離單元回波信號(hào)具有單分量正弦調(diào)頻信號(hào)的形式�；诖私Y(jié)論,研究了單分量正弦項(xiàng)相位調(diào)制信號(hào)的參數(shù)估計(jì)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(jìn),加入了提取回波時(shí)頻分布的時(shí)頻脊這一步驟,減小了運(yùn)算量。二是提出了基于自適應(yīng)Chirplet分解的正弦調(diào)頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)。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(yùn)算量實(shí)現(xiàn)了正弦調(diào)頻信號(hào)的參數(shù)估計(jì)。針對(duì)混合線調(diào)頻-正弦調(diào)頻信號(hào)的參數(shù)估計(jì)問題,提出了擴(kuò)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(hào)參數(shù)估計(jì)新方法。最后對(duì)各個(gè)方法進(jìn)行了對(duì)比分析和使用適用性說明。3)研究了基于多分量簡諧振動(dòng)模型的太赫茲SAR成像平臺(tái)高頻振動(dòng)補(bǔ)償方案。在根據(jù)已知參數(shù)構(gòu)造參考信號(hào)將多普勒調(diào)頻率項(xiàng)去除后,在平臺(tái)高頻振動(dòng)建模為多個(gè)簡諧振動(dòng)分量疊加時(shí),特顯點(diǎn)所在距離單元回波信號(hào)具有多正弦項(xiàng)相位調(diào)制信號(hào)的形式。針對(duì)該形式的信號(hào)提出了三種不同的參數(shù)估計(jì)新算法。先是采用改進(jìn)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(yùn)算量的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的參數(shù)估計(jì);二是結(jié)合正弦調(diào)頻傅里葉變換和最大似然發(fā)來實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的參數(shù)估計(jì);三是結(jié)合短時(shí)傅里葉變換和最大似然法來實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的參數(shù)估計(jì);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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的太赫茲SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償與成像算法,該運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法必須同時(shí)考慮低頻運(yùn)動(dòng)誤差和高頻運(yùn)動(dòng)誤差兩種運(yùn)動(dòng)誤差的補(bǔ)償。該算法首先采用前文提到的參數(shù)估計(jì)算法完成對(duì)平臺(tái)高頻振動(dòng)誤差的參數(shù)估計(jì),然后構(gòu)造參考信號(hào)補(bǔ)償平臺(tái)高頻振動(dòng)誤差。采用條帶相位梯度自聚焦算法實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)低頻運(yùn)動(dòng)誤差的補(bǔ)償。最后采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)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(gè)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(shí)、全天候狀態(tài)下工作等優(yōu)點(diǎn)，還可以獲得目標(biāo)或場(chǎng)景的二維高分辨圖像（后向散射系數(shù)）和檢測(cè)成像場(chǎng)景內(nèi)的動(dòng)目標(biāo)等功能。SAR 工作的基本原理是在距離向發(fā)射大時(shí)寬帶寬積的信號(hào)，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(shí)，在方位向通過雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)較大的“合成孔徑”，從而獲得等效的窄波束，實(shí)現(xiàn)高分辨。由于 SAR 的諸多優(yōu)勢(shì)，它廣泛應(yīng)用于軍事偵查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(jí)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(yàn)性質(zhì)的 225GHz 脈沖相參雷達(dá)，基于擴(kuò)展相互作用震蕩器發(fā)射機(jī)和四分之一次諧波混頻接收機(jī)，試驗(yàn)表明該系統(tǒng)的探測(cè)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(hào)，只能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)回波多普勒譜的測(cè)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN957.52

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2711096