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弹载合成孔径雷达成像及系统设计研究

作　者: 俞根苗
导　师: 吴顺君
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 合成孔径雷达(SAR) 弹载SAR 噪声等效散射系数（NEσ0）脉冲重复频率(PRF) 雷达成像几何失真校正误差分析
分类号: TN958
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

在现代高技术战争中,精确制导武器已广泛使用,在现代空中打击力量中扮演重要角色。随着现代化战争攻防对抗日益激烈、战场环境日趋复杂,对精确制导武器的要求也越来越高。远程精确制导武器正在向高精度、高速度、高突防能力、高智能化、高毁伤能力和低成本方向发展。精确制导技术是精确制导武器的核心技术,已广泛应用于许多战略和战术导弹中,它的应用大大提高了武器系统的作战效能。随着对打击精度及作战环境要求的不断提高,单一的制导技术已难以满足需要,组合制导技术已成为精确制导技术的重要发展方向,已出现了以惯性导航为主,以全球定位系统(GPS)、光学、红外、地形匹配等为辅的多种组合制导技术,这些技术都有各自的一些特点和局限性,难以满足在恶劣电磁环境以及气象条件下的任务要求。合成孔径雷达(SAR)是一种主动微波遥感器,能全天时、全天候工作,可以在能见度极差的气象条件下获得类似于光学照相的高分辨率的地面目标图像,并且SAR本身的工作体制具有较好的抗干扰能力。如果能通过装载在导弹上SAR获取目标或目标附近典型地物地貌特征信息,形成实时图,并与预先准备好且存储在导弹中的基准图进行图像匹配处理,根据处理结果和相关信息推算出导弹当前的精确位置信息,利用该位置信息对惯性导航系统(INS)积累误差进行修正,从而控制导弹精确命中目标,则可大大提高导弹的攻击能力。SAR和INS的组合既可用于导弹的末段制导,也可为导弹的中段导引控制提供信息。将SAR和其它导航系统组合起来应用于导弹的制导是导弹制导技术目前的一个重要发展方向,而SAR是SAR导引头的关键设备,因此对弹载SAR技术的研究也就具有重要的现实意义。本文就是针对SAR用于导弹载的匹配制导相关技术问题进行研究。本文讨论的弹载SAR和通常的机载和星载SAR在平台运动上有较大差别,本文就是研究平台在高速、非水平直线运动情况下,弹载SAR成像、图像的几何校正、几何校正误差以及系统设计等问题。全文的主要工作概括如下：第二章简要说明了合成孔径雷达的基本理论和本文研究的弹载SAR面临的特殊问题。首先介绍了常规的合成孔径雷达成像的基本原理和成像几何关系,接着给出了合成孔径雷达的信号模型,从信号分析的角度说明了合成孔径雷达方位向信号的特性,揭示了利用信号多普勒信息提高方位分辨率的实质,给出了方位分辨率一般表达式。接着说明了本文所讨论的弹载SAR平台的运动特点以及SAR所面临的特殊问题,主要包括SAR系统设计以及成像处理、几何失真校正等方面。第三章重点研究弹载SAR的几何模型、信号模型和成像问题。针对弹载SAR平台在要求成像时的运动特点,建立了弹载SAR成像的几何关系,在此基础上建立了弹载SAR目标距离的一般表达式即数学模型,并对目标距离在孔径时间内随时间的变化关系进行了细致地分析,得到了距离随时间变化的一次、二次和三次分量；根据距离变化的各分量在设定的导弹运动参数下对弹载SAR的回波信号的多普勒参数进行了仿真分析,得到了在成像过程中多普勒参数变化的特点；采用子孔径成像处理方法对弹载SAR的成像处理进行了仿真,验证了采用子孔径成像处理可以得到聚焦的SAR图像。由于弹载SAR在成像过程中,弹体的高度在不断变化,经常规的成像处理后获得的SAR图像存在严重的几何失真,图像的几何失真对后续的图像匹配处理影响较大,因此需要对图像进行几何校正。第四章重点对图像的几何失真校正方法进行研究,建立了几何校正的几何模型,根据几何模型并结合距离-多普勒(Range-Doppler,简称R-D)成像算法和扩展的CS (chirp scaling)成像算法分别推导出了不同算法下的几何校正的数学模型,并根据几何校正的数学模型对图像的几何失真的校正进行了仿真分析,验证了几何校正方法的正确性。第五章重点对图像的几何校正误差进行了分析,针对子孔径R-D算法和扩展的CS算法,分别推导了误差分析的数学表达式,根据设定的参数,分析了平台高度误差、水平速度误差、垂直速度误差以及斜距误差对图像几何校正误差的影响,得出了一般性的结论；并针对两种成像算法,对图像的几何校正误差分别进行了仿真试验,验证了误差分析的正确性。第六章重点讨论了与弹载SAR的系统设计有关的问题。首先重点对子孔径成像时整个系统的噪声等效散射系数性能进行了深入的分析,经推导得到了子孔径成像时系统的信噪比和系统噪声等效散射系数的表达式；介绍了弹载SAR的基本组成、主要指标和系统设计过程；举例说明了根据主要系统指标进行部分系统参数设计的方法。脉冲重复频率是SAR系统的一个重要参数,其设计需要综合考虑多个方面的因素。第七章对弹载SAR的脉冲重复频率的设计进行了详细地讨论,分别重点分析了脉冲重复频率与模糊度、脉冲重复频率与信号发射和回波信号接收间的时序约束关系以及脉冲重复频率与天线尺寸的关系,并针对脉冲重复频率与信号发射和回波信号的接收间的时序约束关系举例进行了仿真分析；最后针对弹载SAR的特点对弹载SAR脉冲重复频率的设计方法和步骤进行了总结。最后对本文的工作进行了总结,并给出了作者对后续研究工作的建议。

全文目录

中文摘要  5-7
英文摘要  7-12
第一章绪论  12-18
  §1.1 研究的背景和意义  12-13
  §1.2 国内外研究状况  13-16
  §1.3 本文研究内容  16-18
第二章 SAR原理及弹载SAR的特点  18-26
  §2.1 引言  18
  §2.2 SAR成像原理  18-24
  §2.3 弹载侧视SAR平台的运动特点  24-25
  §2.4 弹载侧视SAR的特殊问题  25
  §2.5 本章小结  25-26
第三章弹载侧视SAR信号分析及成像研究  26-42
  §3.1 引言  26
  §3.2 弹载侧视SAR几何关系及目标距离分析  26-29
  §3.3 参数计算分析  29-33
  §3.4 成像处理仿真  33-39
  §3.5 实际数据成像  39-41
  §3.6 本章小结  41-42
第四章 SAR成像的几何失真校正研究  42-57
  §4.1 引言  42
  §4.2 几何校正空间模型  42-44
  §4.3 几何校正数学模型  44-46
  §4.4 成像处理及几何校正仿真试验  46-54
  §4.5 实测数据成像及几何校正  54-55
  §4.6 本章小节  55-57
第五章 SAR图像几何失真校正误差分析  57-79
  §5.1 引言  57
  §5.2 图像几何失真校正的数学模型  57-59
  §5.3 子孔径R-D算法成像几何校正误差分析  59-63
  §5.4 扩展的CS算法成像几何校正误差分析  63-66
  §5.5 子孔径R-D成像算法几何失真校正误差仿真  66-72
  §5.6 扩展的CS成像算法几何校正误差仿真  72-77
  §5.7 本章小节  77-79
第六章弹载SAR系统设计  79-94
  §6.1 引言  79
  §6.2 子孔径成像系统噪声等效散射系数分析  79-84
  §6.3 弹载SAR系统的基本组成  84-85
  §6.4 弹载SAR主要指标与系统设计  85-90
  §6.5 弹载SAR系统设计举例  90-93
  §6.6 本章小结  93-94
第七章弹载SAR脉冲重复频率设计  94-104
  §7.1 引言  94
  §7.2 PRF设计概述  94-95
  §7.3 PRF与信号模糊性的关系  95-98
  §7.4 PRF与信号发射及接收之间的约束关系  98-101
  §7.5 PRF与天线尺寸的关系  101-102
  §7.6 PRF的设计步骤  102-103
  §7.7 本章小结  103-104
第八章结束语  104-108
  §8.1 工作总结  104-106
  §8.2 工作展望  106-108
致谢  108-110
参考文献  110-118
作者博士学习期间本人(及合作)撰写的论文及科研情况  118-121

弹载合成孔径雷达成像及系统设计研究

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