弹载合成孔径雷达成像关键技术的研究.pdf

国防科学技术大学
博士学位论文
弹载合成孔径雷达成像关键技术研究
姓名:彭岁阳
申请学位级别:博士
专业:信息与通信工程
指导教师:沈振康
2011-03
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国防科学技术大学研究生院博士学位论文
摘要
新一代精确制导武器不仅要求能快速突防并精确识别和打击高价值军事目
标,还必须具备全天候、全天时和远距离作战能力。因此,将合成孔径雷达应用
于弹载平台以进行二维成像制导的模式日益受到重视。与机载和星载平台相比较,
弹载平台具备高速度、大斜视和非匀直的特性,弹载 SAR 需解决一系列关键技术
问题,主要包括大斜视角 SAR 成像方法和非匀直弹道 SAR 成像方法等。同时,弹
载新体制 SAR 也是未来精确制导武器发展的重要内容,其中合成带宽 SAR 体制和
双基地 SAR 体制是最具前途的发展方向。一方面,需要解决弹载 SAR 中的普遍性
关键技术;另一方面,需要研究新体制 SAR 的特殊性关键问题。针对上述两个方
面的四个具体问题,本文围绕弹载 SAR 成像技术开展了以下研究工作:
1、研究了弹载大斜视角 SAR 成像方法。首先分析了瞬时斜距方程与二维频
谱的泰勒展开近似公式,从中得到耦合相位校正的关系,并由此导出了弹载条件
下的 Range Doppler 算法和 Chirp Scaling 算法。然后,提出了基于时域距离走动校
正的 CS 算法。并为适应更大斜视角下的成像,提出了冗余设计的策略,并对该算
法作了三次距离偏移相位校正的改进。最后,为获取更精确的成像参数,改进了
基于分数阶傅里叶变换的参数估计方法,并利用仿真实验验证了其有效性。
2、研究了弹载非匀直弹道 SAR 成像方法。首先通过分析非匀速直线运动弹
道,建立了距离向和方位向的速度分解模型。阐述了从非均匀数据重构虚拟均匀
数据的角度来解决变速直线运动 SAR 成像的原理,从这一思想出发,研究了弹载
平台变速直线运动时基于内插阵列变换 SAR 成像方法。阐述了将变速运动等间隔
时间采样的回波数据等效为匀速运动中非等间隔时间采样数据的原理,并由此导
出了基于非均匀傅里叶变换的变速直线运动 SAR 算法。其次分析了俯冲向运动和
横向规避运动在距离向的运动偏移方程,得出了其运动补偿函数。构建了非匀速
直线运动 SAR 成像的方案——距离向进行运动补偿,方位向采用非均匀方法处理。
然后,考虑到工程实践中测量误差的因素,阐述了基于弹道拟合方法获取弹道参
数的原理,并通过仿真实验验证了弹道拟合方法和非匀直 SAR 方案的有效性。最
后,讨论了末制导寻的阶段基于 PFA 算法的聚束 SAR 成像方法。
3、研究了基于合成带宽技术的成像方法。首先,提出了基于多频段子脉冲信
号合成带宽技术的 SAR 成像方法。为实现不同参数条件下的合成带宽,构建了合
成信号的非均匀采样模型,并通过 SINC 插值完成信号重建。讨论了带宽合成技术
在成像前处理和后处理的问题,认为前处理方式适合各子脉冲间参数不同的情况,
并给出了重新处理后的参数和成像流程。然后,研究了末制导跟踪段高重频随机
频率步进雷达成像的方法,解决了高重频条件下的频率匹配和运动补偿问题。提
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出了利用相邻良好距离像间具有强相关系数的特性判定回波是否正确混频的方
法,并设计了基于收缩式频率匹配搜索策略的算法流程。
4、研究了弹载双基地 SAR 成像方法。首先从弹载平台运动特点和作战样式
的可适应性出发,讨论双基地 SAR 各种组合模式和几何构形在弹载平台应用的可
行性,并研究平飞、一基固定一基飞行和双基斜飞等几何场景下的双基地 SAR 成
像算法。重点构建了斜飞双基地 SAR 的理论模型,分析了其中存在的距离向空变
误差,并为此设计了一阶近似法和模型近似法两种运动补偿的的方法。然后深入
分析了收发平台非匀速平飞模式下的非同步双基地 SAR 成像问题。该方法将非匀
速平飞双基地模型等效成单基地变速运动模型,并采用非均匀傅立叶变换处理变
速运动引起的非均匀采样的问题。
最后概括了本文的研究工作,对课题研究方向的发展趋势、应用前景作了总
结与展望,并指出了需要进一步研究和解决的问题。

关键词:弹载合成孔径雷达;大斜视角成像;非匀速直线弹道;运动补偿;
内插阵列变换;非均匀傅立叶变换;合成带宽技术;随机频率步进雷达;双基斜
飞模式;非匀速平飞双基地 SAR
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Abstract
New generation of precision guided weap