机动轨迹SAR动目标检测及参数估计方法研究

作     者：贾淑培 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张晓玲

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：合成孔径雷达 地面动目标指示 机动轨迹平台 动目标检测 动目标参数估计 

摘      要：合成孔径雷达地面动目标指示(SAR-GMTI)技术是SAR领域的一个重要研究方向,其在实现动目标检测、跟踪及定位的同时,还可获得动目标和场景的高分辨图像,具有广泛的应用前景。传统的SAR-GMTI技术通常要求SAR平台匀速直线飞行,才能获得比较满意的处理结果。但当SAR平台机动飞行(比如加/减速、转弯、拉升、俯冲)时,与传统直线轨迹平台受气流影响而产生的运动误差不同,平台的3维加速度将造成方位空域采样不均匀,通道等效基线时变,多普勒调频率变化等问题,采用传统SAR-GMTI方法处理将严重影响检测效果,增大参数估计误差,造成动目标图像畸变等。因此研究适用于机动轨迹平台的SARGMTI方法十分必要且意义重大。目前,机动轨迹SAR-GMTI领域的研究尚处于初步阶段,提出的方法主要只针对某种特定的机动轨迹,比如方位向恒加速机动轨迹等。因此,本文围绕建立适用于任意机动轨迹的SAR-GMTI统一信号模型问题,以及基于此模型的动目标检测、参数估计问题展开深入研究,主要内容和创新点如下:1.提出了一种多通道机动轨迹SAR动目标复图像域冲激响应信号模型,该模型建立了任意机动轨迹下动目标的冲激响应与雷达系统参数、几何模型、动目标参数之间的定量约束关系,为机动轨迹SAR-GMTI技术奠定了重要的理论基础。首先,建立了具有三维加速度分量的单/多通道SAR动/静目标统一信号模型,然后基于时域BP算法,推导了动目标复图像域冲激响应的解析表达式。通过理论分析发现,对于任意机动轨迹,动目标根据其2维速度分量的不同,会在复图像域呈现4种不同的冲激响应类型,分别为点形、直线形、面形、斜线形,不同的响应类型有着不同的方位、距离向包络和相位调制,本文将其统称为MTIR信号模型。平台三维加速度分量对动目标冲激响应的影响程度不同:方位向加速度的影响远大于距离向加速度的影响,高度向加速度的影响最小。当平台仅存在高度向加速度时(如拉升、俯冲机动轨迹)可等效于匀速直线运动的情况。论文仿真了四种典型轨迹平台下的动目标复图像域冲激响应结果,与理论分析一致,验证了理论推导的正确性。2.提出了一种基于图形辅助的机动轨迹SAR动目标参数估计方法。该方法首先将DPCA算法与MTIR模型结合,推导了双通道MTIR-DPCA动目标检测模型。该模型的距离向包络包含了动目标的多普勒模糊数信息,方位向包络包含了动目标方位向速度信息,相位包含了动目标模糊速度信息,由此可分别构建4种类型动目标2维参数估计式,从而可以利用动目标检测结果图形和估计式实现动目标2维速度参数的快速估计,无需盲搜。通过理论模型分析可以发现,该模型无需方位时移配准,无需满足DPCA条件,从而打破了传统DPCA方法无法用于机动轨迹的限制。由于强杂波和通道误差的存在,估计结果存在一定误差。为了进一步提高2维速度的估计精度,利用图像熵最小化准则构建基于MTIR模型的重聚焦模型进行小范围迭代搜索。该方法可在更加精确地估计出动目标2维速度分量的同时,得到动目标真实位置的估计值并实现动目标重聚焦。典型机动轨迹平台下动目标检测的仿真结果证明了所提方法的有效性。3.提出了一种曲线轨迹SAR动目标盲速估计方法。针对直线轨迹平台下的DPCA方法存在盲速问题,本文利用平台转弯时动目标复图像域冲激响应与雷达系统参数、几何模型、动目标参数之间约束关系改变,使得本处于盲速点的动目标能够被检测这一特点,提出了一种曲线轨迹双通道SAR动目标盲速估计方法。该方法首先推导了平台最小转角与CFAR检测器虚警概率之间的关系,然后根据最小转角抽取全孔径的部分数据为两个曲线子孔径,并结合MTIR-DPCA模型对动目标的2维速度参数进行子孔径联合估计来解决盲速问题。仿真实验表明,该方法能有效检测出处于盲速点的动目标,并估计出其2维速度与真实位置参数。总之,本文首次提出了一种机动轨迹SAR动目标复图像域冲激响应信号模型,利用该模型可以定量分析动目标在任意机动轨迹平台下的冲激响应特征,并基于该模型讨论了机动轨迹SAR动目标检测与参数估计问题,为机动轨迹SARGMTI领域提供了重要的理论基础。