FMCW SAR运动目标检测与参数估计研究

作     者：赵悦 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王金伟;李民

授予年度：2024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：调频连续波 合成孔径雷达 动目标检测 参数估计 

摘      要：合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)作为一种先进的遥感技术,能够全天时、全天候的对特定区域进行高分辨率成像,调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)体制具有长时间连续观测的特点,将二者结合得到FMCW SAR,该系统兼具结构简单、体积小、低功耗和高分辨观测等优势,因此成为近年来SAR领域的研究热点。随着现代战争感知及智慧城市发展需求的不断增长,移动目标信息获取备受关注,地面运动目标指示技术(Ground Moving Target Indication,GMTI)应运而生并快速发展,将FMCW SAR与GMTI技术相结合,能够兼具二者优势于一体,实现轻小型载荷对地面环境的近距离成像与动目标检测,在现代城市建设管理、灾害预防、安全保障等民生领域及战场环境快速感知领域发挥着越来越重要的作用。然而,伴随FMCW SAR-GMTI技术的不断发展,新的技术问题也随之产生,主要集中在FMCW SAR动目标检测和参数估计方面。因此,本文针对动目标检测与参数估计中所出现的问题开展研究。主要研究内容如下: (1)作为研究基础,分析FMCW SAR运动目标指示基本原理。首先对合成孔径雷达距离向及方位向分辨率影响因素进行分析,并对传统SAR成像原理进行论述,进一步分析FMCW SAR成像基本原理。分别对单通道和多通道FMCW SAR动目标指示技术进行论述,并分析其优势及不足。通过实验验证了多通道FMCW SAR动目标检测效果。 (2)相对于FMCW SAR慢速运动目标参数估计,快速运动目标会出现方位多普勒谱模糊或频谱分裂现象,导致速度估计不准或虚假目标的出现。为了解决上述问题,本章提出了一种基于改进拉东-分数阶傅里叶变换(Radon-Fractional Fourier Transform,Radon-Fr FT)的FMCW SAR动目标参数估计方法。首先构建FMCW SAR运动目标回波模型,结合相位中心偏置天线(Differential Phase Center Antenna,DPCA)技术,完成FMCW SAR静止场景成像和静止杂波抑制;进行去除残余视频相位(Residual Video Phase,RVP)、多普勒频移补偿和距离弯曲校正处理,并采用改进的Radon变换快速估计目标的径向模糊速度,构造模糊偏差函数,并结合Keystone变换完成距离走动校正;对校正后的信号进行方位去斜处理,避免频谱分裂;利用分级迭代Fr FT并结合模糊径向速度,得到目标最终的径向速度和方位向速度,利用得到的二维速度完成目标的深度聚焦。 (3)为了克服传统单通道FMCW SAR在动目标检测方面的局限性,解决近距离城市环境背景杂波抑制问题,本章提出了一种基于鲁棒主成分分析的单通道FMCW SAR运动目标检测方法。该方法首先对回波信号进行解线频调处理,通过采用多普勒波束锐化方法,对FMCW SAR数据进行低分辨快速成像,然后利用子孔径划分方法结合动目标的稀疏特性,构建低秩和稀疏分解框架。在此基础上,通过鲁棒主成分分析抑制背景杂波,有效地实现了单通道FMCW SAR模式下的地面运动目标检测。最终,通过车载单通道FMCW SAR实测数据进行实验验证,与传统单通道FMCW SAR多波段抽取检测方法进行对比,验证了所提方法的有效性。