自旋式飞行器三维SAR成像及测高新模型

 自旋式飞行器由于运动轨迹复杂,不仅不能精确测量飞行高度,而且从未被用做SAR成像平台。通过研究自旋式飞行器的三维SAR成像新模型,将测高与三维SAR成像相结合,提出了一种基于三维SAR成像的测高新模型。首先分析了自旋式飞行器天线相位中心运动轨迹的特点,将具有三维空间分布的半螺旋线天线运动轨迹等效为面阵天线;然后基于等效面阵,利用模糊函数理论,推导了相应的三维成像模型,从理论上证明了模型的成像可行性并分析其成像性能;最后在成像模型基础上,提出基于三维SAR成像的自旋式飞行器测高新模型,并从成像角度分析影响测高精度的因素。针对等效面阵非均匀分布的特点,采用后向投影(BP)算法仿真验证自旋式飞行器模型下三维成像的可行性和测高模型的有效性。     

聚束SAR扩展Chirp Scaling成像算法.

在合成孔径雷达（SAR Synthetic Aperture Radar)的成像算法中，Chrip Scaling成像算法具有计算效率高的优点，因此得到了较为广泛的应用。详细研究了子孔径扩展Chirp Scaling算法在高分辩率聚束模式SAR中的应用，包括子孔径划分和方位向处理问题，针对A.Moreira等1996年所提算法在处理聚束SAR数据时所产生的问题，给出了经过改进的适合于大斜视角处理的整个计算过程的完整表达式。在给出点目标仿真的同时，利用E-SAR实际数据对述方法进行了验证，结果对具体的兼容条带和聚束两种工作模式的SAR处理机设计具有一定的参考价值。     

基于双向重采样的高分辨率前视成像算法

高速平台双基SAR的高速机动特性和双基前视构型使其高分辨率成像面临严峻挑战。在该体制下,发射机以侧视方式发送信号,而高速运动的接收平台在前视模式下接收回波。由于高速度、大加速度的存在,使SAR回波的距离徙动现象以及二维耦合、空变特性都更加严重,传统的“停走停”模型不再适用。为了解决上述问题,提出了适用于高速平台的“非停走停”斜距方程及回波模型,然后通过分析信号中的空变分量及其对回波相位的影响,提出了基于双向重采样的成像算法。该算法有效补偿了SAR回波在距离和方位向的空变相位误差,提高了高速平台双基SAR的前视聚焦性能,通过仿真验证了所提算法的有效性。     

一种横向机动弹道下SAR成像算法

针对横向机动弹道下SAR成像回波方位向和距离向严重耦合、弹载SAR平台实时性要求高的特点,提出了一种基于频谱分析的扩展SAR成像算法。首先,以初始距离相同的目标作为成像处理对象,建立了横向机动下弹载SAR成像模型,分析了回波相位和瞬时距离的泰勒展开;然后,采用包含水平面速度和偏航加速度参数的相位因子依次进行距离徙动校正、二次相位补偿和多普勒中心频率补偿,实现了SAR图像的精确聚焦。该算法处理流程简单、实时性高,适合横向机动弹道下的中等分辨率的大斜视成像,给出了算法流程,仿真验证了算法有效性。     

基于稀疏重建的机载无源SAR运动目标成像算法

针对机载无源合成孔径雷达(SAR)探测场景具有稀疏性的特点,提出了一种基于稀疏重建的机载无源SAR运动目标成像算法。在建立机载无源SAR运动目标信号模型的基础上首先通过预设的每个速度估计值构造联合字典矩阵,然后采用稀疏重建算法进行优化求解得到联合反射系数向量,最后对重建的联合反射系数向量进行分割提取从而同时得到探测区域的成像重建结果和运动目标的速度。仿真试验结果验证了所提成像算法的有效性和准确性。     

基于Newton-Raphson算法的径向轴承瞬态热流体动力润滑的研究

建立了径向轴承在载荷和速度突然变化时的三维数学模型，模型中考虑了轴瓦的热变形，在油膜和轴瓦交界面采用热流连续的理想边界条件，数值模拟轴承的瞬态温度场，并对轴承的瞬态性能进行分析。在每一瞬时，用Newton—Raphson算法同时求解Reynolds方程、膜厚方程和轴颈运动方程获得轴承油膜的压力分布和轴颈中心的运动速度，然后数值积分压力分布得到轴承的油膜力，差分运动速度得到轴颈中心位置和运动加速度。用一有效的有限差分法同时求解油膜和轴瓦的温度控制方程。最后将Reynolds方程和能量方程通过节点压力和温度相耦合获得轴承的瞬态三维温度场。结果表明本所介绍的方法收敛快，大大节约计算时间。     

SAR极坐标格式成像算法对运动目标响应特性

运动目标的合成孔径雷达（SAR）成像特征是SAR地面运动目标指示（SAR/GMTI）系统进行运动目标检测、成像和重定位的基础。为此,从信号二维解耦合校正距离徙动角度推导和分析了极坐标格式算法（PFA）对运动目标的响应特性,揭示了极坐标格式转换过程中的距离插值和方位插值对运动目标距离徙动的校正原理。理论分析表明：PFA在完成对静止目标成像的同时,还能够自动校正所有运动目标的线性距离徒动,且校正过程无需目标运动信息,因此对于径向运动目标,在忽略波前弯曲条件下PFA也能够对其进行完全聚焦。最后,通过仿真数据处理对理论分析结果进行了验证,表明PFA作为一种运动目标成像预处理方法具有很大的应用前景。     

一种孔径和频率二维稀疏的步进频SAR成像方法

 步进频率信号(SFWs)在不增加雷达系统瞬时带宽的情况下能够获得高的距离向分辨率的同时,也存在着抗干扰能力较差及其等效重复频率较低的问题,并且在方位向积累时间内由于雷达载机工作状态的变化,会导致方位向的数据录取不完整。针对上述问题,提出一种孔径和频率二维稀疏的步进频合成孔径雷达(SAR)成像方法。首先,分析了稀疏步进频率信号(SSFWs)的SAR成像模型,然后基于压缩感知理论完成距离向成像处理。其次,针对稀疏孔径的回波数据,通过构造成像算子和压缩感知重建模型的方法实现其距离徙动校正和方位压缩处理,进而获得二维成像结果。相比于传统的步进频率信号SAR成像,利用所提方法能够在少量的频率资源和雷达回波数据情况下实现准确的SAR成像。最后,通过对仿真和实测的步进频率雷达数据进行成像处理,验证了所提方法的有效性和可行性。     

一种机载合成孔径雷达自主定位算法

针对机载合成孔径雷达(SAR)的应用,开展机载SAR自主定位技术研究,提出通过对目标所在区域多次成像进行机载SAR自主定位的算法。该算法不受载机速度和角度误差的影响,仅利用载机瞬时位置和雷达与目标之间的距离,能够大幅提高机载SAR自主定位精度;并在载机凝视目标飞行时提出基于最小二乘的定位算法,进一步提高定位精度。最后对机载SAR实测试飞数据进行处理,并与传统的基于距离多普勒(R-D)模型的定位方法进行了比较,处理结果验证了提出的算法能够大幅提高机载SAR自主定位精度。     

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。     

合成孔径雷达数字信号处理机体系结构研究

回顾了机载合成孔径雷达数字信号处理的基本算法及其特点,选用了支持多种模式、适合 DSP处理的 Chirp Scaling算法。提出并设计了基于此算法的多处理机并行工作的 SAR处理机硬件体系结构。分析了此体系结构采用串行流水的合理性,介绍了各处理机的特点,给出了多处理机之间通讯的几种方法。     

Advanced high-order nonlinear chirp scaling algorithm for high-resolution wide-swath spaceborne SAR

Spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) is a well-established and powerful imaging technology that can provide high-resolution images of the Earth’s surface on a global scale. For future SAR systems, one of the key capabilities is to acquire images with both high-resolution and wide-swath. In parallel to the evolution of SAR sensors, more precise range models, and effective imaging algorithms are required. Due to the significant azimuth-variance of the echo signal in High-Resolution Wide-Swath (HRWS) SAR, two challenges have been faced in conventional imaging algorithms. The first challenge is constructing a precise range model of the whole scene and the second one is to develop an effective imaging algorithm since existing ones fail to process high-resolution and wide azimuth swath SAR data effectively. In this paper, an Advanced High-order Nonlinear Chirp Scaling (A-HNLCS) algorithm for HRWS SAR is proposed. First, a novel Second-Order Equivalent Squint Range Model (SOESRM) is developed to describe the range history of the whole scene, by introducing a quadratic curve to fit the deviation of the azimuth FM rate. Second, a corresponding algorithm is derived, where the azimuth-variance of the echo signal is solved by azimuth equalizing processing and accurate focusing is achieved through a high-order nonlinear chirp scaling algorithm. As a result, the whole scene can be accurately focused through one single imaging processing. Simulations are provided to validate the proposed range model and imaging algorithm.     

基于改进A^*算法的无人机快速轨迹规划方法

针对旋翼无人机在三维障碍物环境中自主飞行时路径搜索速度慢、轨迹生成通常忽略无人机动力学特性的问题,发展一种基于改进A^*算法并同时考虑无人机动力学特性和运动学性能的快速轨迹规划方法。首先,在三维障碍物环境中运用改进A^*算法通过剔除部分网格节点降低A^*算法的节点计算量,提升算法的路径搜索速度;其次,以最小化飞行轨迹的四阶导数作为目标函数,以路径点处的位置、速度、加速度等各阶导数作为约束条件优化飞行轨迹;最后,在三维障碍物环境中对比A^*算法改进前后的路径搜索结果,并对优化的飞行轨迹进行仿真飞行测试。结果表明:改进A^*算法大幅降低了A^*算法的节点计算量,显著提升了路径搜索速度;且无人机能够始终以较小位置误差沿优化轨迹光滑连续飞行。     

一种适于机载SAR系统的高效快视成像方法

提出了一种适于机载ＳＡＲ成像处理的快视方法（ＱＬＦＭ）及其实现。该方法的高效、实用性主要表现在以下几个方面：①成像处理流程中的运算单元较少,即二维去调频之后,一次二维的逆付立叶变换即可以完成快视功能;②该算法的全息特性使得成像积累不必满足一个合成孔径时间的要求,采用少量有限的回波数据即可获得较大测绘区域内的图像;③ＱＬＦＭ可对被测区域中心进行灵活地选择,且测绘中心处可获得高分辨率完全聚焦的图象;④该算法实现的主要功能模块为复乘和ＦＦＴ,可通过灵活地旁路控制完成其在传统条带ＳＡＲ处理机中的嵌入。计算机仿真及原始数据成像结果验证了ＱＬＦＭ算法的快视功能。     

一种基于径向加速度的Singer-EKF机动目标跟踪算法

针对雷达均不能提供目标加速度信息,在目标机动时会出现跟踪精度差甚至跟踪发散的问题,提出一种基于径向加速度的Singer-EKF算法。该算法在信号处理阶段利用Radon-Ambiguity变换（RAT）估计出目标的径向加速度,并通过坐标转换将其引入量测向量中,然后采用基于Singer模型的扩展卡尔曼滤波（EKF）算法实现机动目标的跟踪。仿真验证了该方法的有效性,并与传统的不带径向加速度的扩展卡尔曼滤波（EKF）方法进行了比较,结果表明该方法在径向距离、位置、加速度和速度估计精度方面都有所提高。     

一种IRST双机协同被动探测机动目标定位新方法

针对红外搜索跟踪系统（IRST）双机协同被动探测定位作战使用中，机动目标建模与实际运动失配造成定位误差偏大的问题，研究了一种基于曲线模型的自适应滤波新方法。该方法改进了传统方法根据方向角估计转弯率以及基于帧间插分线加速度估计切向加速度的思路，将转弯率及线加速度联合作为状态变量进行了状态扩维，并推导了扩维后的过程噪声协方差表达式，在缓解传统两层滤波结构带来的计算量大问题外，也提高了切向加速度的估计精度。另外基于反正切函数的值域，结合方向角在四象限间的转移关系，优化了方向角的设计。通过IRST双机协同仿真实例，验证了所提方法对机动目标的适应性更强、目标定位精度更高。     

Depth of Field for SAR with Aircraft Acceleration

Processing synthetic array radar (SAR) data is difficult if the depth of field is small. Aircraft acceleration can severely reduce the depth of field and thereby increase the processing. The effects of aircraft acceleration on the depth of field for three types of SAR processing are analyzed: (1) conventional processing (range-Dopper processing), (2) variable pulse-repetition frequency (PRF) (PRF changes to compensate for aircraft acceleration), and (3) polar format. Polar format is a technique for processing high resolution SAR which has a much larger depth of field in the ground plane than conventional processing. On the other hand, aircraft acceleration will limit the vertical depth of field for polar format to about the same value as for conventional processing. In addition, for polar format, the only component of aircraft acceleration that limits the vertical depth of field is the component normal to the slant plane containing the velocity and range vectors. Vector notation is used to graphically show the effects of aircraft acceleration. In addition to better insight, the vector notation gives equations for SAR compensation that do not depend on a specific coordinate system.     

叶轮机械中三维周期性非定常流场测量

本文改进了三维非定常速度场的单斜丝测量技术,发展了三维非定常压力场的试验-数值确定方法。采用上述测量方法,借助于位移结构、高速数据采集系统和锁相采样平均技术,成功地测出了叶轮机转子出口三维周期性非定常流场。