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侦察模式下星载SAR多普勒参数快速估计与工作模式鉴别

时间:2018-01-18 18:20来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是通信工程论文,本文研究了一种基于 Hough-Radon 变换的多普勒参数快速估计算法,并在此基础上又提出了通过估计方位向接收功率图和重建多普勒历程来鉴别星载 SAR 工作模式。
第一章 绪论
 
1.1 研究意义
合成孔径雷达是融合了多种现代技术于一身的新型高科技装备,不仅可以全天候、全天时的对地观测,而且具有高分辨率、宽刈幅和长观测带等优势[1-3]。与光学遥感不同的是,SAR 采用的信号波长较长,其穿透地面植被和覆盖物的能力比光学遥感强,因此广泛应用于地质勘测、国土资源检测以及军事中的导弹制导、打击效果评估等方面[4, 5]。随着 SAR 技术在军民领域的应用日益拓宽,SAR 技术得到了快速发展,系统性能不断提高,并向着多波段、多模式、多极化、超高分辨和三维重构等方向发展[6-11]。这给 SAR 干扰技术提出了更高的要求,另一方面也促使了 SAR 干扰技术的快速发展。在越来越严峻的国际形势下,我国不仅要大力发展更为先进的星载 SAR 侦察系统,以获取更多的情报信息,而且还要发展星载 SAR 的电子干扰系统,在未来的战争中破坏敌方的星载 SAR 侦察系统。SAR 干扰系统的有效性和作战效能,与侦察到的敌方作战对象的工作方式和信号参数等信息密切相关[12-15]。从雷达信号侦察的角度上讲,就是 SAR 信号的距离向参数(脉内参数)、方位向参数(脉间参数)和工作模式等信息。SAR 是一种相干性较强的雷达,通过对接收回波进行二维匹配滤波能够得到高分辨率的聚焦图像。为了对 SAR 进行有效干扰,不仅需要准确获取工作频率、调频斜率、信号带宽、脉冲结构、距离向分辨率等距离向参数,更需要获取脉冲重复频率、合成孔径时间、多普勒质心、多普勒调频斜率、多普勒带宽、方位向分辨率等方位向参数信息。另外,对 SAR 工作模式的侦察也具备极其重要的意义。当SAR 运行于不同的工作模式,其采用的成像算法、处理方法和信号参数有很大不同,对关键性参数的敏感程度具有显著区别,因此对 SAR 采用的电子战或者干扰方式也有很大差别[16]。SAR 作为现代战争中重要情报来源,其重要的关键技术和详细的参数信息都属于机密信息。如果仅仅依靠从其他途径获取的参数来设计干扰系统和干扰方案是无法保证其在实战中的性能,必须研制出一系列可靠有效的 SAR 侦察技术,对 SAR 回波信号进行有效的截获与侦察,已获取脉内参数(距离向参数)、脉间参数(方位向参数)和工作模式的准确信息。因此,开展星载 SAR 信号的侦察、分析、模式鉴别等关键技术的研究工作,为星载 SAR 地基侦察机的工程化研制奠定坚实的技术基础,为星载 SAR 对抗系统提供充足的信息保障,既具有重大的工程价值,又具备广泛的应用前景,有必要开展深入的研究。
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1.2 国内外研究发展与现状
目前在侦察星载 SAR 方面的研究公开的较少,在本文中多普勒参数估计是 SAR 侦察的主要技术手段,也是工作模式鉴别的前提。本节对合成孔径雷达的发展、SAR 多普勒参数估计和 SAR 侦察等三个方面进行了介绍。SAR 发展至今已经六十多年,最早是由 GoodYEAR 的 Carl.Wiley 根据分析多普勒效应在方位向上提高了雷达的分辨率。世界上首张非聚焦型的 SAR 图像由美国 Illinois 大学于 1953年 7 月通过实验成功获得[17]。1953 年 SAR 的概念就被正式提出,同年美国密西根大学的Cutron 等人研制出实验环境下 SAR 系统进行了实测,世界首张聚焦型 SAR 图像,同时,该校的雷达与光学实验室通过光学的方法成功获得了首张利用全聚焦机载合成孔径雷达图像。由于当时的技术受限,只能采用光学手段来处理雷达回波数据,成像效果十分不理想。直到20 世纪 60 年代,数字信号处理技术的快速发展,促使合成孔径雷达技术得到了很大的提高,得到了世界的广泛认可,并开始快速发展。上世纪 60 年代是合成孔径雷达迅猛发展的时期,许多国家都开始关注并开展了合成孔径雷达的研究。美国于 1978 年发射了 Seasat-A,该卫星首次搭载了 SAR 传感器,开创了星载 SAR 的历史,标志着星载 SAR 进入了实用阶段[18]。1988 年美国成功反射世界上首颗装备有高分辨成像雷达的卫星 Lacrosse-1,极大提高了美国的军事竞争力;1991 年 7 月 ESA 成功发射了 ERS-1 地球遥感卫星,并于 1995 年再次发射 ERS-2 接替 ERS-1 的工作[18, 19]。1991 年3 月前苏联发射 Almaz-1 卫星;1992 年日本发射了 JRES-1[20 - 23];1995 年 11 月加拿大成功发射具有多工作模式的 Radarsat-1[24, 25]。
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第二章 合成孔径雷达基本理论
 
本章主要对 SAR 的发射信号、合成孔径的基本原理,以及星载 SAR 信号侦察的基本原理等内容进行了简单介绍。首先介绍了线性调频信号的特点与脉冲压缩实现原理,接着介绍了合成孔径的基本原理和成像处理的一些基本概念。最后介绍了星载 SAR 信号侦察的基本原理,包括地基侦察机、星载 SAR 发射天线参数和侦察星载 SAR 的侦察方程。
 
2.1 线性调频信号与脉冲压缩
在雷达系统中为了获得更大的作用距离一般增加发射信号的脉冲宽度 Tr,但是为了得到好的距离分辨率往往需要信号的带宽 B 越大越好。一般雷达发射的都是单一载频信号,其时宽带宽积为一定值,难以同时兼顾时宽和带宽,也就是在距离向不能同时保证较远的作用距离和较高的分辨率。而上节介绍到的 LFM 信号时宽带宽积可以做得很大,这也是 LFM 信号是 SAR 系统中采用最多的大时宽带宽积信号。
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2.2 合成孔径的基本原理
本节将根据 SAR 的工作几何模型,分析 SAR 成像的基本原理和过程。如图 2.5 给出了SAR成像几何模型。SAR成像是通过雷达波束沿着与传感器运动矢量垂直的方向发射相位调制脉冲,接收并记录经地面发射后的回波信号来完成的。图中,SAR 以高度H ,速度为V直线飞行,同时发射线性调频信号。目标垂直于飞行轨迹的方向为距离向,飞行轨迹方向为方位向,通常用  表示距离向时间,用t表示方位向时间。雷达脉冲序列经地面场景目标散射后被 SAR 雷达接收,接收机存储接收到的回波信号。在雷达波束照射地面场景的过程中,雷达在不同时刻接收到同一地面目标的回波,形成具有长孔径的等效天线,从而提高了方位向分辨率,这就是合成孔径雷达工作的基本原理。
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第三章 侦察模式下星载 SAR 多普勒参数快速估计..........16
3.1 传统的多普勒质心估计算法...........16
3.2 传统的多普勒调频率估计.......17
3.3 基于 Hough-Radon 的多普勒参数快速估计..........20
3.4 仿真结果...........26
3.5 本章小结...........29
第四章 侦察模式下星载 SAR 不同工作模式鉴别......30
4.1 星载 SAR 常见工作模式.........30
4.2 不同工作模式的侦察模型.......36
4.3 方位向接收功率估计.......41
4.3.1 距离向脉冲压缩.....41
4.3.2 距离徒动的影响.....42
4.3.3 距离走动矫正.........44
4.4 工作模式判决...........45
4.4.1 接收功率鉴别.........45
4.4.2 多普勒历程鉴别.....46
4.5 仿真与分析.......47
4.6 本章小结...........54
第五章 结束语........55
5.1 总结...........55
5.2 不足与展望.......55
 
第四章 侦察模式下星载 SAR 不同工作模式鉴别
 
SAR 干扰系统的有效性和作战效能,与侦察到的敌方作战对象的工作方式和信号参数等信息密切相关。其中,对 SAR 工作模式的侦察具备极其重要的意义。当 SAR 运行于不同的工作模式,其采用的成像算法、处理方法和信号参数有很大不同,对关键性参数的敏感程度具有显著区别,因此对 SAR 采用的电子战或者干扰方式也有很大差别。本章主要通过估计接收功率和重建多普勒历程的方式来鉴别星载 SAR 的工作模式。
 
4.1 星载 SAR 常见工作模式
与用于检测目标、评估目标位置及运动参数的传统雷达不同,SAR 通过积累方位向的多普勒调频带宽得到方位向高分辨率,进而获得高分辨率的二维图像。SAR 的方位向特性与其工作模式密切相关。星载 SAR 为了完成不同的观测任务,会选择不同的工作模式。不同的工作模式采用不同的雷达参数和处理方法,决定了对不同的工作模式采用的电子战或者干扰方式也不相同。因此,对星载 SAR 工作模式的鉴别是 SAR 侦察的重要任务。目前侦察类卫星采用星载 SAR 工作模式主要有条带式、聚束式和滑动聚束式。下面将简单的介绍这三种工作模式的基本原理。
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总结
 
合成孔径雷达因其全天时、全天候和远距离探测等优异特性在军民领域得到了广泛应用。特别是在军事上作为战场目标侦察的有利武器,能够实时监视战场动态,并且可以为各种导弹提供引导,从而实施精准打击。与此同时,对敌方 SAR 信号进行侦察并实施干扰也是军事战略的重要组成部分。在这种形势下,对星载 SAR 多普勒参数进行估计和工作模式鉴别显得尤为重要。本文研究了一种基于 Hough-Radon 变换的多普勒参数快速估计算法,并在此基础上又提出了通过估计方位向接收功率图和重建多普勒历程来鉴别星载 SAR 工作模式。主要内容及成果总结如下:
(1) 本文首先简单介绍了线性调频信号与脉冲压缩的基本原理,给出了 SAR 工作的几何模型,以此得到星载 SAR 的回波信号,根据瞬时斜距的表达式分析了距离单元徒动形成的原因,也给出了距离向、方位向分辨率的概念。从地基侦察机、星载 SAR 信号发射天线和侦察方程三个方面对侦察星载 SAR 信号原理做了简单阐述。这也是后续分析星载 SAR 不同工作模式信号特点的基础。
(2) 研究了侦察模式下星载 SAR 多普勒参数快速估计算法。SAR 的不同工作模式主要表现在方位向波束扫描方式的不同,由此带来的信号多普勒特性也会不同,因此重点研究了方位向参数估计(多普勒参数估计)。传统的多普勒参数估计采用的方法都需要载机平台的实时运动参数和全孔径回波数据,都不适用于星载 SAR 侦察中。考虑 SAR 信号距离走动与多普勒质心之间的关系,提出了基于 Hough-Radon 变换的多普勒质心估计方法,并结合时频分析的方法估计多普勒调频率。该方法不仅避免了其他多普勒质心估计方法的多普勒模糊问题,而且综合利用 Radon 变换和 Hough 变换进行估计大大减少了计算时间。
(3) 研究了星载SAR工作模式鉴别方法,根据星载SAR常见的三种工作模式,建立了三种工作模式的侦察几何模型,根据该模型完成了仿真并分析三种工作模式的不同特点。讨论了方位向接收功率图的估计方法,给出了详细的估计流程。通过接收功率图和多普勒历程两个方面鉴别星载 SAR 的不同工作模式,利用 STK 卫星工具箱建立的 TerraSAR-X 三种工作模式的侦察模式,通过仿真验证了该鉴别方法的可行性。
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参考文献(略)
(责任编辑:工程论文)
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