基于直升机平台的海面舰船目标SAR/ISAR成像算法研究

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合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)和逆合成孔径雷达(Inverse SAR,ISAR)因其能够全天时、全天候地获取目标高分辨图像的能力,是我国近年来实现领土海域的监控和对舰船实时侦察的一种重要手段,已经成为各国学者的研究热点。相比于固定翼SAR/ISAR成像平台,直升机平台因其具有垂直起降、贴地飞行、在不平整的地段着陆以及在空中悬停等优点,在民用和国防领域应用日益广泛,已经成为一种重要的SAR/ISAR成像平台,其在海面目标监视和探测中发挥着越来越重要的作用。然而,现有基于直升机载平台的SAR/ISAR成像算法尚在起步阶段,存在成像分辨率低和计算复杂度高等问题,需要进一步研究快速高分辨的成像算法。针对上述问题,本文围绕直升机载SAR/ISAR成像算法展开研究,主要研究内容和创新点如下:(1)针对现有的直升机载旋转SAR(Rotating SAR,Ro SAR)成像方位分辨率依赖于重构角大小、且需要插值操作,导致其方位分辨率低和计算复杂度高等问题,本文提出了一种基于二维Chirp-Z变换的直升机载Ro SAR快速高分辨率成像算法。首先,建立了直升机载Ro SAR的几何与信号模型,并利用级数反演方法得到了回波信号的二维频域解析表达式。在此基础上,通过引入高效的Chirp-Z变换,校正了距离单元徙动和方位向Deramp处理引起的扇形失真,得到了聚焦良好的SAR图像;并对Ro SAR系统分辨率及其影响因素进行了详细分析。对比现有的Ro SAR成像方法,由于避免了插值操作和扩展了方位重构角大小,提出方法具有低的计算复杂度和高方位向分辨率,为后续的目标检测和识别奠定了基础;最后,通过计算机仿真验证了提出方法的有效性和正确性,并基于MATLAB GUI图形用户界面,开发了直升机载Ro SAR成像集成应用系统,成功应用于相关项目中,取得了良好的效果。(2)针对现有直升机载ISAR成像方法需要多维搜索、以及合成孔径时间内平台运动导致的成像平面恒定假设失效,难以快速获得聚焦良好的ISAR图像等问题,本文通过借鉴条带SAR成像模式中方位空间不变特性,提出了一种基于伪极坐标的直升机载ISAR快速成像算法。首先,建立了一种新的直升机载ISAR成像的几何与信号模型,并利用驻定相位原理获得了回波信号距离-多普勒域解析表达式;在此基础上,设计了一种新的插值核函数来校正距离徙动和移除方位多普勒调制,并通过引入无插值Stolt映射来进一步降低计算复杂度。与现有的成像方法相比,由于避免了多维搜索和插值操作,并获得了二维相干积累增益,提出方法实现了低信噪比下快速ISAR成像,最后,通过计算机仿真验证了算法的有效性和正确性。
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