星载Mosaic模式SAR成像算法研究

以色列发射的第1颗SAR(合成孔径雷达)侦察卫星TECSAR中成功应用了一种新的工作模式———Mosa-ic模式,该模式兼具高分辨率和大成像测绘带的优势。给出了该模式可行的成像方案,并提出了一种解多普勒模糊的方位变调频算法,结合ECS(扩展线频调变标)算法对该模式进行成像,降低了系统对PRF(脉冲重复频率)的要求,在系统所能达到的有限PRF条件下,最大程度地增加了马赛克单元的方位无模糊成像宽度。仿真结果验证了算法的有效性。     

基于马尔科夫链的单站SAR海面场景宽幅高分成像算法

针对单站合成孔径雷达(SAR)实现海面场景高分辨率宽测绘带(HRWS)成像问题,结合海面目标相对整个场景的稀疏特性,提出了一种基于马尔科夫链的单站SAR宽幅高分成像算法。算法将宽幅的海面场景分为不同子测绘带,首先发射少量脉冲对各子测绘带进行距离向成像,利用距离向成像结果获取场景内感兴趣目标的数量信息。然后计算雷达波束指向的马尔科夫状态转移概率,并按此概率控制雷达对不同测绘带进行扫描。获得不同测绘带的稀疏子孔径后进行压缩感知成像。提出的算法可以在相同合成孔径时间内实现多个测绘带的宽幅高分成像,最后的仿真实验验证了所提算法的有效性。     

一种稳健的利用分布式小卫星获取宽域、高分辨SAR图像的方法

 传统星载合成孔径雷达(SAR)受最小天线面积条件的限制，其横向分辨率与测绘带宽度相矛盾，采用编队飞行的分布式小卫星SAR体制，可解决这一矛盾，即能够同时获得大测绘带、高分辨率的地面场景的SAR图像。主要研究如何在误差环境下抑制由小天线引入的多普勒模糊的信号处理方法。该方法利用子空间投影技术对导向矢量进行精确估计，在小卫星存在基线及其他误差时仍然能够稳健地恢复高分辨的二维SAR图像。     

利用脉组间频率步进信号合成UWB距离像及类MUSIC法对速度的高分辨估计(英文)

提出一种称为类多信号分类(CMUSIC)的方法,其利用脉组间频率步进信号,在具有M个脉冲的脉冲串(子带,即窄带)中高分辨估计径向速度。利用此速度估计值补偿距离-多普勒耦合和多普勒色散后,对跨子带进行快速傅里叶变换则可获得合成超宽带高分辨距离像。和其他方法相比,CMUSIC在低信噪比时具有较好的速度估计性能。当M大于具有不同径向速度的目标个数Q时,该方法在小M值下依然有优越的速度估计性能。此外,经过径向速度解模糊后,该方法适应高径向速度运动的目标。随着国防技术的突飞猛进地发展以及高速先进飞行器的涌现,这具有重要的实际价值。仿真结果验证了该方法的可行及有效性。     

基于数值计算的机载SAR空变运动补偿算法

针对机载合成孔径雷达(SAR)高分辨率宽测绘带(HRWS)成像问题,在分析结合两步运动误差补偿的距离徙动算法基础上,提出一种基于数值计算的空变运动误差补偿算法。通过对粗聚焦图像进行分块,在子块的两维波数域进行空变运动补偿,补偿的相位包括方位相位误差、距离相位误差以及方位和距离的耦合相位,因此该算法在复杂航迹、高分辨和宽测绘带情况下仍具有较好的鲁棒性。最后对SAR仿真数据和实测数据进行处理,并与结合两步运动误差补偿的距离徙动算法进行比较,处理结果表明该算法能够更好地补偿空变运动误差。     

一种新的非平行轨迹机载双站斜视SAR成像算法(英文)

本文提出了一种用于非平行轨迹机载双站斜视SAR条带模式成像的新的解析算法。该算法用收、发雷达的多普勒调频率贡献比为加权系数推导了点目标回波的二维频谱。通过解目标位置相对于收、发载机飞行轨迹的耦合,将这个二维频谱中目标的距离参数和方位参数进行了分离。在二维频域内,补偿掉双站扭曲项后利用二维Chirp-Z变换(2D-CZT)校正了距离向和方位向的徙动,获得了精确聚焦的目标图像。雷达回波的二维残余徙动用沿距离向和方位向的分块来限制,推导了数据分块的条件,由此可以实现宽场景成像。仿真试验验证了这种2D-CZT算法的有效性。     

相控阵主动雷达导引头波形策略

针对高脉冲重复频率脉冲多普勒(HPRF-PD)体制的相控阵主动雷达导引头中存在的距离遮挡问题,设计了一种新的波形选择策略。首先,利用提出的脉冲重复频率(PRF)波形选择策略,离线计算得到距离对应PRF的波形查找表。然后,通过叉积自动频率控制环路滤波(CPAFCLF)算法预估下个相参处理间隔(CPI)导引头与目标间的径向相对速度,并联合提出的基于Sage-Husa带有速度预测的自适应"当前"统计模型(SH-ACSMVP)算法得到的距离跟踪值,获得下个CPI的距离预测值。在跟踪机动目标场景中,相比于"当前"统计(CS)模型跟踪算法及基于"当前"统计模型的自适应无迹卡尔曼滤波(CAUKF)算法,本文算法得到的距离预测误差更小,误差收敛速度更快。根据此距离预测值从波形查找表中选择波形发射,作为下个CPI的发射波形,实现后续跟踪阶段的抗距离遮挡,提高目标跟踪性能。仿真结果表明了本文所设计波形选择策略的正确性及有效性。     

匀转速逆合成孔径雷达的越距离徙动补偿

针对ISAR系统中的匀转速目标,本文提出了一种有效的校正由目标均转速旋转引起的越距离徙动(MTRC)的方法,对方位向上越距离徙动进行校正。它采用基于PD算法的Radon变换在方位向上得到精确的二次相位系数估计值,然后直接在时域上对越距离徙动校正,获得了更高的分辨率。Outlier-delete算法是一种在时域校正方位向越距离徙动的算法,在高信噪比条件下可以实现很好的聚焦效果,而在低信噪比条件下,该算法会出现严重误估计,导致聚焦失败。本文提出的Radon-PD算法具有很好的抗噪性,通过仿真并与Outlier-delete算法进行性能比较,验证了算法的有效性和可行性。     

基于恒模特性的QPSK-DSSS信号扩频序列估计

 针对非合作低信噪比条件下的QPSK-DSSS信号,提出一种基于恒模特性的扩频序列估计算法。该算法首先将单用户QPSK-DSSS信号等效为两用户的BPSK-DSSS信号,其次通过对信号协方差矩阵进行特征分解,估计出由同相与正交两路扩频序列张成的二维信号子空间,最后利用扩频序列的恒模特性消除特征分解带来的酉阵模糊问题,实现扩频序列的精确估计。本文提出算法实现简单,相对目前现有传统算法具有较低的计算复杂度,而且计算机仿真表明:本文提出算法在低信噪比条件下具有优良的估计性能。     

基于时间反转和降阶Keystone的SAR-GMTI快速聚焦方法

对合成孔径雷达（SAR）地面运动目标聚焦技术进行了研究。针对现有运动目标聚焦方法存在的问题,提出了一种基于时间反转和降阶Keystone的SAR地面运动目标检测（SAR-GMTI）快速聚焦方法。首先,根据目标的机动特性建立了3阶距离模型;其次,针对目标多普勒中心模糊引起的多普勒谱分裂现象,结合所提时间反转处理（TRP）和降阶Keystone变换处理估计出运动目标2阶参数。此后,构造2阶相位补偿函数补偿运动目标的2阶距离徙动和多普勒徙动,从而完成运动目标的聚焦。同时,所提方法没有任何参数搜索过程,降低了计算复杂度。最后,仿真实验验证了所提算法的正确性和有效性。     

Digital Beamforming on Receive: Techniques and Optimization Strategies for High-Resolution Wide-Swath SAR Imaging

Synthetic Aperture Radar (SAR) is a well-proven imaging technique for remote sensing of the Earth. However, conventional SAR systems are not capable of fulfilling the increasing demands for improved spatial resolution and wider swath coverage. To overcome these inherent limitations, several innovative techniques have been suggested which employ multiple receive-apertures to gather additional information along the synthetic aperture. These digital beamforming (DBF) on receive techniques are reviewed with particular emphasis on the multi-aperture signal processing in azimuth and a multi-aperture reconstruction algorithm is presented that allows for the unambiguous recovery of the Doppler spectrum. The impact of Doppler aliasing is investigated and an analytic expression for the residual azimuth ambiguities is derived. Further, the influence of the processing on the signal-to-noise ratio (SNR) is analyzed, resulting in a pulse repetition frequency (PRF) dependent factor describing the SNR scaling of the multi-aperture beamforming network. The focus is then turned to a complete high-resolution wide-swath SAR system design example which demonstrates the intricate connection between multi-aperture azimuth processing and the system architecture. In this regard, alternative processing approaches are compared with the multi-aperture reconstruction algorithm. In a next step, optimization strategies are discussed as pattern tapering, prebeamshaping-on-receive, and modified processing algorithms. In this context, the analytic expressions for both the residual ambiguities and the SNR scaling factor are generalized to cascaded beamforming networks. The suggested techniques can moreover be extended in many ways. Examples discussed are a combination with ScanSAR burst mode operation and the transfer to multistatic sparse array configurations.     

Performance improvement for constellation SAR using signal processing techniques

A new concept of spaceborne synthetic aperture radar (SAR) implementation has recently been proposed - the constellation of small spaceborne SAR systems. In this implementation, several formation-flying small satellites cooperate to perform multiple space missions. We investigate the possibility to produce high-resolution wide-area SAR images and fine ground moving-target indicator (GMTI) performance with constellation of small spaceborne SAR systems. In particular, we focus on the problems introduced by this particular SAR system, such as Doppler ambiguities, high sparseness of the satellite array, and array element errors. A space-time adaptive processing (STAP) approach combined with conventional SAR imaging algorithms is proposed which can solve these problems to some extent. The main idea of the approach is to use a STAP-based method to properly overcome the aliasing effect caused by the lower pulse-repetition frequency (PRF) and thereby retrieve the unambiguous azimuth wide (full) spectrum signals from the received echoes. Following this operation, conventional SAR data processing tools can be applied to focus the SAR images fully. The proposed approach can simultaneously achieve both high-resolution SAR mapping of wide ground scenes and GMTI with high efficiency. To obtain array element errors, an array auto-calibration technique is proposed to estimate them based on the angular and Doppler ambiguity analysis of the clutter echo. The optimizing of satellite formations is also analyzed, and a platform velocity/PRF criterion for array configurations is presented. An approach is given to make it possible that almost any given sparse array configuration can satisfy the criterion by slightly adjusting the PRF. Simulated results are presented to verify the effectiveness of the proposed approaches.     

机载单通道雷达实波束扫描的前视探测

针对机载单通道雷达采用合成孔径雷达(SAR)技术、多普勒波束锐化(DBS)技术等途径难以实现载机飞行路线正前方高分辨率成像问题,研究了一种利用方位实波束重叠扫描的新型机载单通道雷达前视探测方法,讨论了提高方位分辨率的可行性和适用条件。该方法根据目标回波强度受到波束扫描增益调制的特点,通过计算修正的Capon空间谱来实现方位超分辨。模拟实验表明,所提方法能够实现机载单通道雷达的前视成像,可以显著提高波束主瓣区域内强弱临近目标的分辨能力。     

基于先验误差模型的机载高分宽幅DBF-SAR自聚焦算法

高分宽幅（HRWS）数字波束形成（DBF）合成孔径雷达（SAR）利用多通道空间采样代替部分时域采样,可以有效缓解SAR成像时高分辨率与宽测绘带间的矛盾,具有重要的军用和民用价值。现有常规DBF-SAR成像算法都假设雷达传感器相对位置精确已知,实际应用中受传感器位置测量误差影响,由位置不精确导致的相位误差会严重影响DBF-SAR高精度成像能力。在极坐标格式算法（PFA）框架下,推导了DBF-SAR成像处理后,残留相位误差的解析模型,分析了该误差对成像质量的影响。依据推导的先验相位误差解析结构模型,提出了一种基于图像对比度最优化准则的自聚焦算法。新算法通过引入先验相位结构信息,极大降低了待估参数的空间维数,可以同时改善自聚焦算法的参数估计精度和计算效率。数据处理结果验证了理论分析的正确性和所提算法的有效性。     

星载SAR成象数字信号处理

 星载合成孔径雷达(SAR)飞行高度高,速度快、探测距离远、测绘带宽,运行轨道偏离理想圆形,因此获取SAR图象的数字信号处理技术十分复杂。本文从上述特点出发,讨论了星载SAR的目标回波信号数学模型,成象过程中方位处理的机理和方法,以及多视处理。     

Moving Targets Processing in SAR Spatial Domain

This paper presents a novel technique to estimate the initial coordinates and velocity vector of moving targets, including those with velocities above the Nyquist limit, using a single synthetic aperture radar (SAR) sensor without increasing the pulse repetition frequency (PRF). The basic reasoning is that, although the returned echoes may be undersampled in the azimuth direction, their phase and amplitude are informative with respect to the moving target trajectory parameters. Therefore, the so-called blind angle ambiguity, inherent to systems using a single SAR sensor, is overcome. The proposed method samples the data in the spatial domain, along the signature curve which depends on the moving target trajectory parameters. The resulting algorithm is a highly efficient (from the computational point of view) ID matched filter. The effectiveness of the proposed scheme is illustrated using simulated SAR data and real data from the MSTAR public release data set, corresponding to a static SAR scene and a static BTR-60 with simulated motion.     

结合视线方向运动补偿的滑动聚束SAR子孔径成像算法

滑动聚束合成孔径雷达(SAR)是一种新兴的成像模式,既可以提高方位向分辨率又能够扩展成像范围。其数据处理时需要考虑两个关键问题:一是系统脉冲重复频率(PRF)不足,方位向信号发生混叠;二是合成孔径长度的增加使运动误差的影响更为突出,运动补偿(MOCO)精度要求提高。基于子孔径技术,提出了一种改进的高分辨率成像算法。划分子孔径克服了PRF不足的问题;子孔径数据处理采用结合视线(LOS)方向运动补偿的Omega-K算法,实现更高精度的运动补偿,提高了聚焦质量。最终的方位向分辨率达到0.1 m,具有实际工程应用价值。点目标仿真和实测数据处理验证了算法的有效性。