【摘要】：隨著雷達技術的快速發(fā)展,對曲線運動軌跡下的合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像的研究具有特殊的應用價值。與傳統(tǒng)勻速直線運動的載體受到氣流等因素的影響產(chǎn)生的運動誤差不同,曲線運動軌跡SAR具有較大的空間三維加速度以實現(xiàn)平臺的靈活控制及不同的應用需求。本論文針對現(xiàn)階段曲線運動軌跡SAR的成像問題和發(fā)展趨勢,從統(tǒng)一化的SAR模型研究入手,逐步深入展開研究。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：1.針對常規(guī)勻速直線飛行SAR成像模型及特性失效的問題,建立了描述曲線運動軌跡SAR的成像模型及特性。在曲線運動軌跡情形下,雷達的將無法沿直線飛行,速度也很難保持勻速,這也使得基于勻速直線飛行假設的常規(guī)成像模型及特性存在一定誤差。針對模型失效的問題,利用矢量分析法研究了適用性更廣的SAR成像模型,并根據(jù)該模型分析了曲線運動軌跡SAR波束指向控制的數(shù)學描述,有效地提高了波束指向控制的精度。針對成像特性問題,利用經(jīng)典物理學結合矢量分析法,對曲線運動軌跡SAR的分辨率、帶寬等成像特性參數(shù)進行分析及精確推導,并定量研究加速度補償?shù)募s束條件及精確要求,建立補償準則,為后續(xù)的算法設計奠定基礎,避免了傳統(tǒng)方法所面臨的誤差較大、精度不高的問題。此外,針對不同模型的應用,給出了相應的分析與說明。2.針對曲線運動軌跡情形下高分辨大斜視聚束SAR波數(shù)域方法不適用的問題,提出了改進的波數(shù)域方法,其本質是通過對曲線運動軌跡距離歷程的等效化處理以實現(xiàn)波數(shù)域算法的修正,有效地提高聚焦結果的質量,實現(xiàn)大斜視、高分辨成像。利用時頻分析法分析和挖掘了曲線運動軌跡聚束SAR內(nèi)部結構的變化及產(chǎn)生的問題,即頻譜混疊和常規(guī)波數(shù)域算法失效,建立了曲線運動軌跡情形下高分辨大斜視聚束SAR的數(shù)學模型。針對兩維頻譜混疊的問題,通過構造新的時頻旋轉函數(shù)調(diào)整采樣間隔,提出了基于傳統(tǒng)兩步處理技術的方位維預處理方法。針對波數(shù)域成像算法的特點,即相位線性化,推導出了等效化距離歷程,該等效化距離歷程的空變部分與傳統(tǒng)勻速直線飛行SAR具有相同的數(shù)學表達形式,避免了利用級數(shù)反演法推導二維頻譜和相位線性化等極其復雜問題,提出了改進的波數(shù)域成像處理算法,并將方位維預處理和改進的波數(shù)域成像處理算法相結合,可以有效地應用在曲線運動軌跡大斜視聚束SAR成像。3.在曲線運動軌跡波束指向SAR情形下,針對機載存在的頻譜混疊和空變特性問題,提出了基于更新的頻率域成像算法；針對星載存在的“走-�！蹦Ｐ筒贿m用和空變特性的問題,提出了兩維Keystone變換成像算法。在靈活波束指向發(fā)展趨勢下,條帶、聚束、滑動聚束及方位波束掃描(Terrain Observation by Progressive Scans, TOPS)等不同模式的SAR成像系統(tǒng)應運而生,統(tǒng)稱為“波束指向SAR"。建立曲線運動軌跡機載波束指向SAR的幾何模型,分析了影響其成像的若干重要因素,提出了基于方位維預處理和后處理的頻率域算法,算法處理的重點是推導精確的距離維更新表達式。所提方法可以有效的解決了方位維頻域混疊、方位維時域混疊及空變性等問題,提高了曲線運動軌跡機載波束指向SAR的成像質量。與機載SAR不同,曲線運動軌跡星載波束指向SAR需要考慮“走-停”假設帶來的誤差問題,針對“走-�！闭`差,分析了影響成像的因素,建立了數(shù)學模型,并提出了基于兩維Keystone變換的成像處理算法,算法的關鍵在于利用兩維泰勒級數(shù)展開獲得方位時域和頻域的各階系數(shù)關于零階系數(shù)、一階系數(shù)的線性描述關系,并根據(jù)該描述進行兩維信號重新分配,該方法考慮了衛(wèi)星飛行以及高階相位的影響,能夠有效地解決“走-�！奔僭O誤差和空變特性的問題,適用于不同軌道高度的星載SAR具有處理流程簡單、易理解的特點。需要特別說明的是,對曲線運動軌跡波束指向SAR統(tǒng)一化處理算法的研究結果具有較強的適用性、完整性和擴展性。4.針對曲線運動軌跡情形下任意構型雙基SAR存在的頻譜混疊和空變特性問題,提出了廣義極坐標成像處理算法(Generalized Polar Format Algorithm, GPFA)和擴展的方位維非線性變標(Azimuth Nonlinear Chirp Scaling, ANCS)(Extended ANCS, EANCS)算法兩種處理方法。GPFA將單基SAR的方位維預處理和后處理技術進行改進,并融合雙基SAR所需的插值映射函數(shù)進行成像聚焦,解決了任意構型雙基SAR的方位維頻域混疊、方位維時域混疊及空變性等問題,具有簡單易實現(xiàn)的特點,可以有效地提高成像聚焦的質量。針對傳統(tǒng)的ANCS算法無法精確的獲得方位時間與點目標方位位置的非線性關系等問題,提出了一種EANCS算法,該算法利用多相濾波器提高了非線性變標處理的自由度,并根據(jù)多普勒參數(shù)與多普勒中心的非線性關系推導了多階的變標因子并構造了擾動函數(shù),可以解決傳統(tǒng)ANCS算法對任意構型雙基SAR不適用的問題,并可以很好去除兩維空變特性的影響,有效地改善了任意構型雙基SAR,成像的質量和成像的范圍。
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【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN957.52

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本文編號：2436560