調(diào)頻連續(xù)波SAR信號(hào)處理.pdf

1、在機(jī)載對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，裝載于低空、小型無人機(jī)平臺(tái)，飛行高度低、觀測(cè)距離近的合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）受到廣泛關(guān)注。它要求雷達(dá)體積小、重量輕、成本低、功耗小。傳統(tǒng)的合成孔徑雷達(dá)采用脈沖體制。一般來說，脈沖體制雷達(dá)的構(gòu)造較為復(fù)雜，并且成本高，體積大。對(duì)于發(fā)射功率小的雷達(dá)，發(fā)射信號(hào)對(duì)接收通道阻塞的問題容易解決，而且調(diào)頻連續(xù)波（FrequencyModulated Continuous Wave，F(xiàn)M

2、CW）雷達(dá)具有體積小、重量輕、造價(jià)低的特點(diǎn)，與SAR技術(shù)的結(jié)合促使了重量輕、成本低的短程高分辨成像雷達(dá)的誕生，使其易于安裝在小型無人機(jī)上。同時(shí)，由于發(fā)射峰值功率低，又具有低截獲的特點(diǎn)。 這類雷達(dá)在接收端均采用Dechirp接收體制，回波信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生了較小的差頻帶寬，從而降低對(duì)視頻接收通道、后端A/D采集設(shè)備和信號(hào)處理速度的要求。常規(guī)的合成孔徑雷達(dá)以脈沖方式工作，在作用距離較遠(yuǎn)時(shí)，要求發(fā)射峰值功率較高，從而帶來的問

3、題是整個(gè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射系統(tǒng)、饋線系統(tǒng)要求較高，系統(tǒng)重量、功耗、成本較高，對(duì)適裝平臺(tái)的要求也較高。FMCW SAR在一個(gè)脈沖重復(fù)間隔內(nèi)連續(xù)地發(fā)射信號(hào)，這樣就不需要很高的峰值功率，用固態(tài)放大器就可以滿足要求，較低的發(fā)射功率也使其具有隱蔽性好、抗反輻射導(dǎo)彈能力強(qiáng)的特點(diǎn)。 在FMCW SAR中，由于雷達(dá)連續(xù)發(fā)射信號(hào)過程中平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)不能忽略，使得傳統(tǒng)SAR成像算法推導(dǎo)中基于的“停-走-?！苯颇Ｐ筒辉俪闪?，因此對(duì)于FMCW SAR，其成像算法

4、需要專門研究。本論文圍繞FMCW SAR回波信號(hào)分析和信號(hào)處理中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究，內(nèi)容涉及回波信號(hào)模型建立、各種工作模式下的成像算法研究、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)和成像，并通過計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)對(duì)相關(guān)理論分析和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。本論文具體內(nèi)容安排如下： 1．第一章為緒論，簡(jiǎn)要回顧了脈沖式SAR，并對(duì)FMCW SAR做了簡(jiǎn)單介紹，列舉了國(guó)內(nèi)外FMCW SAR的研究進(jìn)展，介紹了本文的研究工作。 2．第二章介紹了FMC

5、W雷達(dá)的工作特點(diǎn)，對(duì)Dechirp接收體制的無“停-走-?！奔僭O(shè)FMCW SAR回波信號(hào)進(jìn)行了建模。對(duì)于載機(jī)在雷達(dá)發(fā)射信號(hào)過程中連續(xù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移，分析表明該多普勒頻移等于方位向的多普勒頻率，并對(duì)多普勒頻移的影響進(jìn)行了研究。另外對(duì)于FMCW SAR發(fā)射信號(hào)固有的頻率非線性問題，針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，提出了一種改進(jìn)的校正方法。 3．第三章研究了單基FMCW SAR成像，包括斜視FMCW SAR成像和聚束式FMCW SAR成像。

6、針對(duì)斜視FMCW SAR信號(hào)處理提出了改進(jìn)的距離多普勒算法和一種斜視數(shù)據(jù)等效正側(cè)視處理方法。改進(jìn)的距離多普勒算法基于時(shí)域校正距離走動(dòng)、頻域校正多普勒頻移和剩余距離徙動(dòng)的思想；等效正側(cè)視處理方法通過對(duì)斜視數(shù)據(jù)的預(yù)處理，將斜視數(shù)據(jù)按正側(cè)視的方法來處理，針對(duì)方位預(yù)處理帶來的方位聚焦深度的制約，采用方位非線性調(diào)頻變標(biāo)處理克服方位聚焦深度的限制，達(dá)到對(duì)超過方位聚焦深度的點(diǎn)也能良好聚焦的效果。對(duì)于聚束式FMCW SAR成像，針對(duì)其方位頻譜混疊的問題

7、，采用方位預(yù)濾波處理，實(shí)現(xiàn)采樣率的提高，由于預(yù)濾波可以實(shí)現(xiàn)方位的塊壓縮，實(shí)際中方位向的點(diǎn)數(shù)并沒有明顯增加，最后基于FS算法完成精確聚焦。 4．第四章研究了雙基FMCW SAR成像。首先介紹了結(jié)合頻率非線性校正的同航雙基FMCW SAR成像，利用瞬時(shí)多普勒頻率的概念，推導(dǎo)出同航線雙基FMCW SAP精確的二維波數(shù)域表達(dá)式，在一定近似條件下，給出了一種同航線雙基FMCW SAR的距離徙動(dòng)成像算法。此外本章也研究了基于FMCW的平行航

8、線雙基聚束式SAR成像，分析了回波信號(hào)模型，利用瞬時(shí)多普勒頻率的概念，通過引入最近距離和RB∑、最近距離差RB△以及半類雙基角β等變量，推導(dǎo)出基于FMCW的平行航線雙基聚束式SAR回波信號(hào)的二維波數(shù)域表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上提出了包含方位預(yù)濾波、多普勒頻移補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)頻率變標(biāo)算法。 5．第五章研究了正下視三維FMCW SAR成像，提出了一種正下視三維FMCWSAR成像的新方法。首先根據(jù)等效相位中心原理，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)，將雙基工作模式等效為單

9、基工作情況，之后對(duì)距離維、沿航向維和垂直航向維分別處理。對(duì)于距離維、沿航向維的處理采用頻域校正距離徙動(dòng)的RD算法；對(duì)于垂直航向維的處理采用等價(jià)子孔徑SAR分析，并引入“單點(diǎn)等效斜視模型”，通過公式推導(dǎo)與理論分析說明對(duì)同一距離單元的點(diǎn)，盡管等效斜視模型不同，但仍然能夠進(jìn)行統(tǒng)一處理。 6．針對(duì)前視FMCW雷達(dá)成像，第六章提出了一種基于二維Chirp-Z變換變標(biāo)的成像算法：該算法借鑒掃描SAR成像處理，首先對(duì)方位數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)零擴(kuò)展，然后

10、對(duì)距離向處理采用Chirp-Z變換變標(biāo)實(shí)現(xiàn)距離徙動(dòng)空變校正，方位向處理采用Chirp-Z變換變標(biāo)調(diào)整輸出采樣間隔，結(jié)合SPECAN算法完成方位聚焦。本章給出了算法的完整推導(dǎo)過程和各補(bǔ)償因子的表達(dá)式，整個(gè)算法只包含傅立葉變換和復(fù)乘操作，不涉及插值，易于工程實(shí)現(xiàn)。 7．第七章研究了采用三角波調(diào)制FMCw SAR進(jìn)行地面高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的方法，通過對(duì)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)特征的分析，闡明正、負(fù)調(diào)頻信號(hào)可以導(dǎo)致動(dòng)目標(biāo)成像結(jié)果在徑向產(chǎn)生異向移動(dòng)這