慢速无人机载SAR高分辨成像与运动补偿算法研究

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慢速无人机载SAR使用小型无人机平台搭载微型SAR载荷,具有功耗低、起降方便、隐蔽性好等优点,可以实现战场环境的灵活、低成本侦查,已成为当前SAR领域的研究热点之一。然而,慢速无人机载SAR高分辨成像与运动补偿存在以下问题:(1)慢速无人机载SAR可以采用频率步进体制获得距离向高分辨,系统非理想因素导致高分辨距离像出现周期性栅瓣,影响图像质量和目标判别,而已有距离栅瓣抑制方法无法实现频率步进SAR距离向栅瓣的稳健抑制;(2)受气流扰动影响,慢速无人机载SAR飞行轨迹复杂且方位信号时间带宽积小,导致传统运动补偿算法无法实现慢速无人机载SAR高精度运动误差估计;(3)慢速无人机载SAR可以采用方位宽波束获得方位超高分辨率,在复杂飞行航迹的影响下,其回波数据包含显著的二维空变运动误差,且已有方位宽波束运动补偿算法无法实现慢速无人机载SAR超高分辨率成像。本文针对慢速无人机载SAR高分辨成像与运动补偿存在的上述问题开展了深入研究,主要研究工作和创新成果体现在以下几个方面:一、研究了基于回波数据的频率步进SAR稳健距离栅瓣抑制算法。针对已有距离栅瓣抑制方法无法实现频率步进SAR距离向栅瓣的稳健抑制问题,在建立频率步进SAR回波模型的基础上,分析了频率步进SAR距离栅瓣的形成机理,推导了频率步进SAR子带信号幅度、相位误差与宽带合成信号中距离栅瓣之间的定量关系,并基于该定量关系,从不同角度提出了三种基于回波数据的距离栅瓣抑制算法,在算法性能对比的基础上确定了最优距离栅瓣抑制算法,实现了频率步进SAR距离栅瓣的稳健抑制,并已通过实测数据的验证,为获取频率步进SAR高质量图像提供有力支撑。二、研究了基于回波数据的慢速无人机载SAR方位窄波束成像与运动补偿算法。针对传统运动补偿算法无法实现慢速无人机载SAR高精度运动误差估计的问题,在建立慢速无人机载SAR回波模型的基础上,分析了方位信号时间带宽积小、成像结果出现方位虚假目标、相位误差和包络误差距离空变性不可忽略等问题,提出了基于时频联合迭代的相位误差估计算法和基于图像熵的距离空变包络误差估计与补偿算法,解决了慢速无人机载SAR方位窄波束相位误差估计问题和距离空变包络误差估计与补偿问题;结合频率步进SAR距离栅瓣抑制算法,给出了频率步进慢速无人机载SAR方位窄波束数据处理流程,并已通过实测数据验证,为获取频率步进慢速无人机载SAR高分辨图像提供了一种有效方法。三、研究了基于回波数据的慢速无人机载SAR方位宽波束成像与运动补偿算法。针对已有方位宽波束运动补偿算法无法实现慢速无人机载SAR超高分辨率成像的问题,基于已有慢速无人机载SAR回波模型,分析了慢速无人机载SAR方位宽波束数据处理中运动误差的二维空变问题,同时还分析了慢速无人机载SAR多普勒中心频率的方位时变特性和载机飞行航迹复杂特性,提出了相位误差估计与航迹偏差估计相结合的稳健载机航迹偏差估计算法,解决了慢速无人机载SAR超高分辨率成像问题;结合频率步进SAR距离栅瓣抑制算法,给出了频率步进慢速无人机载SAR方位宽波束数据处理流程,并已通过实测数据验证,为获取频率步进慢速无人机载SAR超高分辨率图像提供了一种有效方法。
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