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原文传递相控阵机载SAR海面动目标成像算法研究

论文题名：	相控阵机载SAR海面动目标成像算法研究
关键词：	海上舰船目标;相控阵SAR;波束控制;块稀疏压缩感知;多普勒参数估计;时频瞬时像
摘要：	我国是一个海洋大国，对海上舰船目标的探测不仅涉及到我国经济利益，也关系着国家领主主权和海防安全。相控阵机载合成孔径雷达利用阵列天线空域结构实现等效增加空间维采样频率的目的，从而扩大海域测绘带范围，使得广域海面舰船目标的高分辨率成像成为可能。目前，相控阵机载SAR存在着天线阵列结构复杂、数据运算处理量庞大以及舰船目标成像散焦等问题，影响广域海面动目标成像效率和成像质量。因此本文围绕相控阵机载SAR动目标高分辨成像算法，对天线波束扫描模式、多天线接收数据处理算法、动目标多普勒参数估计和时频分析算法进行深入研究，所取得的主要研究成果如下：　　第一，针对相控阵机载SAR成像扫描方式的选择，分别采用距离俯仰向扫描和方位向扫描两种模式对宽测绘带场景进行成像。首先，以宽测绘带场景为基础建立相控阵机载SAR成像模型，在发射信号脉冲重复频率有限的条件下，通过理论公式推导出信号处理过程，并建立DBF-SCORE模式和TOPS模式两种成像模型。随后，通过仿真实验和实测数据成像，验证上述两种模式可分别实现距离向波束形成高分辨成像和方位向宽幅快速扫描成像，明确了相控阵机载SAR波束控制所采用的扫描方式，为后续广域海面成像算法研究奠定基础。　　第二，针对相控阵机载SAR广域海面舰船成像过程中所面临的海量数据存储运算困难的问题，本文从舰船目标分布的稀疏属性入手，提出块稀疏压缩感知动目标成像算法。首先，以传统贪婪OMP算法为基础，建立海面舰船压缩感知成像算法模型，仿真结果表明舰船满足目标稀疏性特点，可以采用压缩感知算法进行成像。随后，利用天线阵列的分集增益以及舰船目标的块稀疏分布属性，提出联合块稀疏压缩感知成像算法。仿真和实测数据成像结果表明，采用块稀疏类算法可以获得较为统一的目标分布图，较大的降低了全景区域成像时间，同时有助于消除海面的虚假目标。　　第三，针对舰船自身运动引起的图像散焦和模糊问题，提出多普勒参数估计SoWVD算法。首先，分析多普勒参数对动目标成像效果的影响，建立多普勒参数信号估计模型。仿真结果表明，传统算法有助于校正目标运动过程中的距离徙动，补偿掉与距离空变有关的方位向相位误差，但运算时间不适用于实时估计。随后，为降低运算复杂度，提出多普勒参数估计SoWVD算法。仿真实验验证了该算法的有效性，与传统参数估计算法性能相比，SoWVD算法适用于相控阵机载SAR对舰船等小型目标的多普勒参数实时估计。　　第四，针对不同海情舰船在偏航角、俯仰角和横滚角的三维摆动下存在图像散焦模糊的问题，在动目标自聚焦和时频分析类算法聚焦成像的基础上，提出同步压缩类时频变换算法。首先，采用最大对比度/最小熵自聚焦迭代算法和分块PGA聚焦算法，对实测数据中多艘舰船的模糊图像进一步聚焦，成像结果表明该算法可以很好地降低海杂波旁瓣和海面虚影。随后，建立SAR/ISAR混合成像模型，采用传统时频分析算法对单个舰船进行瞬时时频成像，引入同步压缩类时频变换算子，获得摆动舰船在某一瞬时的聚焦图像。通过仿真实验和实测数据性能参数比较可知，同步压缩类算法可以抵消舰船摆动所造成的图像散焦和模糊，获得高清舰船图像，能够看清舰船结构、尺寸、船头船尾等细致部分。　　第五，针对运动舰船存在定位误差的问题，利用相控阵天线阵列结构分布均衡的特点，提出用以校正动目标方位向位置的VSAR算法。首先分析了具有径向速度的海面舰船存在方位向位置误差的原因，推导出方位位置误差的数学表达式。随后，建立VSAR算法模型，通过对天线阵列接收数据的相位差进行分析，得出目标径向速度和方位向真实位置估计。仿真实验和实测数据验证了该算法的可行性，成像结果表明VSAR算法可以对动目标进行连续动态观测，实现在多普勒频带内有效区分静动目标，提高判断舰船运动趋势及航行轨迹的能力。
作者：	张璘
专业：	信息与通信工程
导师：	姜义成
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021