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微型化、轻型化、低成本是现代合成孔径雷达(SAR)的重要发展方向之一,而调频连续波合成孔径雷达(FMCW SAR)打破传统脉冲SAR的局限,作为一种有效降低系统体积、质量、成本的技术手段,也成为目前国际微波遥感领域的研究热点。本论文展开对FMCW SAR新体制的探索,并针对单基、双基FMCW SAR及星载ICW SAR三种体制的性能分析、回波特征分析、信号处理方法及回波信号模拟等方面展开了深入研究。本论文的主要内容和创新性成果包括如下几个方面:
1.建立雷达方程揭示了FMCW SAR实现系统小型化、轻型化、低成本的原因,分析调频连续波的时频特性,研究利用FMCW信号进行精确距离探测的原理。研究单基和双基体制下FMCW SAR的系统性能,并分析dechirp-on-receive操作对雷达距离向分辨能力的影响。
2.分别从时域和频域两个角度深入研究FMCW SAR回波信号模型及其特性,深入分析并通过实验验证脉内平台持续移动产生的影响,与脉冲模式下信号模型对比,分析重要耦合因子的形式及影响,为设计精确的匹配滤波器,开发精确高效的聚焦算法提供依据。针对FMCW SAR信号包含一项附加的距离一方位耦合项及距离走动项,研究了几种高效的FMCW SAR信号处理算法。其中包括改进的距离多普勒算法(RDA),基于Chirp-Z逆变换的成像算法(ICZT),并创新性地提出了一种扩展的ICZI算法(EICZT)。算法经过点阵目标仿真实验和真实数据成像处理的检验。同时本文通过理论研究、数学推导和仿真实验,对上述基于不同域、不同思路的信号处理算法的适用范围进行了分析和验证,为工程实际中算法的选择提供依据。
3.分析双基FMCW SAR体制回波信号特征,建立了精确的双基FMCW SAR回波信号模型。研究双基FMCW SAR的时频映射关系,从多个角度入手推导精确的双基FMCW SAR二维频谱模型。提出了近似相等法(MAE)求解最优化的点目标参考谱函数,并据此提出了改进的距离多普勒成像算法。提出了多普勒历程法(MDR)求解解析的驻定相位点表达式,并基于相应的谱函数提出了一种基于单基近似的双基FMCW Salt信号处理方法,可以成功移植单基模式连续波SAR的有效成像算法,如ICZT,WDA,及EICZT算法等。
4.研究FMCW SAR原始数据仿真方法。提出了一种基于二维频域Chirp-Z变换(Chirp-Z Transform,CZT)的高效FMCW SAR回波信号仿真算法。改进了基于波数域逆变换的FMCW SAR场景回波快速仿真算法,使其能够精确模拟FMCW SAR信号距离一方位耦合项及距离走动项。提出了一种基于单基退化的双基FMCW SAR的场景回波仿真的思路,将FMCW SAR信号仿真算法推广到双基模式,并以CZT算法为例,详细推导了算法并描述了其实现流程。
5.探索星载环境下调频连续波合成孔径雷达的概念,打破FMCW SAR仅适用于近距离探测的局限。深入研究使用分时复用的方法实现单天线接收和发射信号的ICW SAR体制,提出了一种星载ICW Salt回波信号精确重建方法。该方法根据目标回波的空间、时间关系和频谱特征,利用被观测对象与间断的回波数据得到丢失信号和接收信号之间的映射关系,结合数学方法获得连贯完整的回波信号,从而为星载ICW SAR精确聚焦提供可靠数据。