合成孔径雷达快速后向投影算法综述

后向投影(BP)算法是合成孔径雷达成像算法发展的重要方向之一。然而,由于BP算法具有较大的计算量,阻碍了其在工程应用上的发展。因此,近年来如何有效地提高BP算法的运算效率受到了广泛的重视。该文讨论了基于多种成像面坐标系的快速BP算法,包括距离-方位平面坐标系、地平面坐标系和非欧氏坐标系。该文首先简要介绍了原始BP算法的原理和不同坐标系对加速BP算法的影响,并对BP算法的发展历程进行梳理。然后讨论了基于不同成像面坐标系的快速BP算法的研究进展,并重点介绍了作者所在研究团队近年来在快速BP成像方面完成的研究工作。最后介绍了快速BP算法在工程上的应用,并展望了未来快速BP成像算法的研究发展趋势。

基于奇异值分解的低轨星载双基调频连续波SAR成像方法

该文基于调频连续波(FMCW)信号对低轨星载双基合成孔径雷达(SAR)的成像方法进行研究。星载双基模型具有收发异置、结构灵活的特点,其非线性运动轨迹和双斜距不利于信号频谱的推导和分析。通过引入一个4阶多项式斜距模型对回波信号进行建模,接着用级数反演法得到信号两维频谱的表达式。详细分析高阶多项式系数的空变影响。对距离徙动项进行频域处理,对方位相位采用奇异值分解(SVD)的方法,将方位空变项与多普勒分离开,并引入非线性方位变标函数,通过两次连续的插值和重采样完成方位聚焦。仿真结果证明了该算法的有效性。

基于时间信息加权的ViSAR目标阴影跟踪算法

基于目标阴影的跟踪技术是视频合成孔径雷达(video synthetic aperture radar,ViSAR)目标探测的重要手段,但ViSAR数据存在目标特征不明显且随时间不规则变化、相干斑噪声干扰强等问题,使得ViSAR目标阴影跟踪精度较低。为此,提出了一种鲁棒的基于时间信息加权的ViSAR目标阴影跟踪算法。针对目标特征不明显且随时间不规则变化的问题,将尺度自适应均值偏移(adaptive scale mean shift,ASMS)跟踪算法引入到ViSAR目标阴影跟踪中,同时在ASMS算法的背景比例加权(background ratio weighted,BRW)技术中添加历史帧的特征,并对尺度正则项进行时间信息加权修正,来对目标特征进行整合。针对相干斑噪声干扰强的问题,对ASMS算法加入局部中值滤波操作的预处理步骤,在不增加计算量的同时平滑了噪声。在对两类ViSAR数据集上不同尺寸、不同运动状态的目标阴影的跟踪实验结果表明,与现有高性能跟踪算法相比,所提算法在保证了实时性的基础上提高了跟踪精度,且不需要额外的训练样本,具备较好的工程应用价值。

一种新的无源压制性SAR干扰方法

该文针对SAR成像的特性,提出了一种基于旋转角反射器的无源SAR压制性干扰新方法,该方法利用旋转角反射器所产生的微多普勒调制,在方位上形成干扰条带,利用旋转角反射器的排列形成距离向压制干扰,这样可以有效地遮盖所保护的目标。同时,文中详细地论述旋转角反射器关键参数的选择方法,并在此基础上提出一种最佳旋转角反射器布阵方案。仿真和实测数据的处理结果证明该方法的有效性。

虚假场景SAR欺骗式干扰技术及实时性分析

考虑到敌方合成孔径雷达平台存在运动误差的情况,提出了一种虚假场景合成孔径雷达欺骗式干扰新的实时性方法.该方法通过快速算法首先对虚假场景图像进行图像预生成处理,然后把预生成的虚假图像和干扰机所接收到的合成孔径雷达信号进行卷积,并进行实时信号转发,这样可以有效地模拟合成孔径雷达平台与干扰机之间的瞬时斜距变化,使得虚假场景回波信号包含了合成孔径雷达平台的运动误差,进而使敌方雷达在通过运动补偿和合成孔径雷达成像处理后得到更为逼真的欺骗式虚假场景.在合成孔径雷达成像分析的基础上,提出一种分步处理的虚假场景信号的快速生成方法,保证了虚假场景生成的实时性.仿真和实测数据的处理结果证实了该欺骗式SAR干扰的有效性.

一种SAR-GMTI的无源压制性干扰方法

针对合成孔径雷达地面动目标检测(synthetic aperture radar-ground moving target indication,SAR-GMTI)的工作原理,提出了一种基于旋转角反射器的无源压制性干扰新方法。该方法利用旋转角反射器产生的微多普勒在各个通道中形成干扰条带,在多通道抑制地杂波后,微多普勒干扰条带将造成动目标检测无法完成,使得无法对动目标正确地定位和测速。理论分析和仿真实验证实了该方法对SAR-GMTI干扰的有效性。

一种基于短合成孔径的双星干涉精确定位方法

双星TDOA/FDOA联合定位通过时差曲面和频差曲面进行定位,定位的精度受时差/频差测量精度的影响。针对精确测量时差/频差的需求,该文提出一种基于短合成孔径的双星干涉测量时差/频差的方法,利用一定长度的合成孔径提高测量精度。对于窄带信号,该方法有估计单星多普勒频率的能力,通过两颗卫星单独估计的结果得到频差;对于宽带信号,通过双星数据干涉可以获得频差的高精度估计。对于短期稳定的雷达信号,STK仿真数据的处理结果证实了该方法在大范围内可以实现1 km的定位精度。

基于旋转角反射器的ISAR干扰新方法

根据旋转角反射器的雷达回波特点,提出一种新的ISAR干扰方法。该方法利用角反射器的旋转控制产生的微多普勒效应对ISAR回波进行有效的调制,在方位向上形成干扰条带,同时利用旋转角反射器的距离向布阵实现距离维的压制干扰,从而达到遮盖ISAR目标的目的。对旋转角反射器的干扰建模、旋转角反射器的关键参数选择和布阵策略进行了详细的分析,对该干扰方法的工程实现具有一定的参考价值。最后,仿真数据和实测数据的处理结果验证了该方法的有效性。

一种虚假大场景SAR快速转发式欺骗干扰方法研究

该文提出一种适用于大场景的实时欺骗干扰算法,该算法在对SAR欺骗干扰几何模型分析的基础上,对大场景干扰图像模板进行分块并行调制,从而保证了大场景欺骗干扰算法的实时性。根据SAR成像的距离聚焦深度与方位频率混叠的限制对欺骗干扰范围进行了分析,为大场景欺骗干扰分块提供了理论依据,并通过实时调整欺骗干扰子块聚焦中心使各个欺骗干扰子块都能够在敌方合成孔径雷达成像系统中得到较好的聚焦效果,从而实现对合成孔径雷达的有效欺骗干扰。大场景欺骗干扰仿真试验结果验证了算法的有效性。

基于压缩感知的下视三维SAR成像新方法

下视3维合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)可对平台正下方目标进行3维重构,具有广阔的应用前景。为有效减少线阵天线所需阵元数,该文提出了一种基于稀疏阵列的下视3维SAR成像方法。为了抑制稀疏阵列导致的栅瓣效应,该方法结合压缩感知(Compressed Sensing,CS)理论,实现对下方3维目标的成像。分析了稀疏阵列配置对稀疏信号处理的影响以及3维成像采用稀疏信号处理的可行性。最后通过仿真实验验证了该文分析的正确性及算法的有效性。

一种新的大斜视TOPS SAR全孔径成像方法

针对大斜视模式导致回波信号距离向和方位向耦合严重,循序扫描地形观测模式波束指向的变化导致全孔径回波信号的方位带宽大于系统脉冲重复频率,引起方位谱模糊的问题,提出了一种基于修正距离徙动算法和方位谱分析的全孔径成像算法.对于全孔径数据,首先通过方位预处理获取信号无模糊的二维频谱,然后采用修正距离徙动算法进行距离徙动校正,最后通过谱分析技术和方位去斜技术将信号聚焦在方位频域.仿真实验和实测数据结果验证了该算法的有效性.

基于机载前向阵雷达的三通道斜视SAR-GMTI技术研究

现有的基于前向阵雷达的SAR-GMTI方法主要是空时自适应处理(STAP),而STAP在实际工程中难以实现。针对这一情况,该文提出了一种基于机载前向阵雷达的斜视SAR-GMTI新方法。文中建立了基于前向阵雷达的三通道斜视SAR-GMTI体制下的运动目标回波信号模型,利用等效分析建立了该模型与传统三通道相位中心偏置天线(DPCA)模型的联系。通过改进的DPCA技术,实现该体制下的动目标检测、测速和定位。最后仿真结果验证了改进的DPCA技术的有效性。

一种新的基于极坐标格式的快速后向投影算法

快速分级后向投影算法(Fast Factorized Back-Projection Algorithm,FFBPA)研究了BPA中的冗余计算,通过子孔径划分,在极坐标系下将信号逐级相干积累成像,该方法避免了BPA中每个图像点的重复性全孔径搜索过程,大幅减少了计算量。然而多级插值操作加剧了误差积累,减少分级次数又影响算法效率。为解决这一矛盾,该文结合极坐标格式算法(PFA)提出了一种新的多级迭代快速BP成像算法,并将算法拓展应用到曲线轨道,多模式SAR中。分析表明,该文方法与FFBPA相比更高效。最后通过该文算法与FFBPA的星载0.1 m超高分辨率聚束SAR成像进行仿真实验对比,验证了该方法的优越性。

基于GPU的SAR回波仿真高效实现方法

针对合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)分布式场景回波仿真计算量巨大的问题,提出了一种结合改进的同心圆算法与图形处理器(graphics processing unit,GPU)技术的高效SAR回波仿真方法。首先,针对常规同心圆算法精度较低造成的图像信噪比低的问题,提出了一种改进的同心圆算法。其次,为了充分发挥GPU处理核之间的并行优势,对该算法的GPU并行处理进行了深度优化,进一步提升了仿真速度。具体方法是,根据并行度的高低设计核函数,确定了先采用"线程外推"实现部分目标回波的同心圆累加,再用"归约相加"实现所有目标回波的累加。最后,与常规GPU方法进行了实验对比,验证了所提方法的精确性和高效性。

基于方位FNCS的斜视TOPS SAR成像方法

针对斜视循序扫描地形观测(terrain observation by progressive scans,TOPS)合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)模式,提出了一种新的全孔径成像处理方法。首先对距离走动校正后的数据进行方位预处理得到无模糊的二维频谱,在此基础上采用修正的线频调变标算法完成距离脉压及距离徙动校正;然后在距离多普勒域进行频域非线性变标(frequency nonlinear chirp scaling,FNCS)以校正调频率的空变性,并结合谱分析(spectral analysis,SPECAN)技术将信号聚焦在方位频率域,最后校正几何形变。仿真和实测数据处理结果验证了算法的有效性。

一种三维地面场景SAR回波仿真的快速实现方法

针对三维地面场景合成孔径雷达回波仿真中存在计算量巨大的问题,提出了一种基于图形处理单元的合成孔径雷达回波快速仿真方法.首先,采用分形布朗运动模型对数字高程模型数据进行分形插值处理;再对插值后的数据进行小面元剖分并计算了剖分后小面元的后向散射系数;接着利用改进的下视角比较法对三维场景的阴影遮挡进行快速判断;最后详细分析了回波仿真过程中的3个并行层次,设计了核函数,并利用线程外推和归约相加的计算方法,实现了图形处理单元编程架构下三维场景合成孔径雷达回波的快速仿真.利用这种方法对实测数字高程模型数据进行了回波仿真和成像处理,验证了该方法的正确性和高效性.

基于四通道SAR欺骗式干扰抑制算法

研究了SAR干扰抑制算法特别是基于多通道干扰抑制算法,提出了一种基于四通道欺骗式干扰抑制算法。首先对欺骗式干扰信号模型及其产生机理进行介绍,并对其信号形式进行分析,接着从四通道信号处理角度出发对欺骗式干扰信号的形式和场景回波信号进行分析并比较其异同点。对于场景回波信号而言,各个通道的方位多普勒谱仅有固定相位差,而对于欺骗式干扰各个通道方位多普勒谱是随欺骗场景发生变化。基于上述差异,文中提出利用场景回波的多普勒谱具有固定相位差来构造通道的导向矢量,进而达到对欺骗式干扰进行抑制。最后通过仿真实验证实文中方法的有效性和可行性。

联合误差估计的机载超高分辨率SAR成像

针对机载超高分辨率合成孔径雷达存在运动误差严重影响成像质量的问题,提出一种联合误差估计的超高分辨率成像方法。首先,依据合成孔径雷达成像几何,将惯导投影到斜距平面坐标系,反演出运动误差,通过插值运算完成距离空变粗补偿;接着,为了有效结合运动补偿,采用改进施托克插值的距离徙动算法完成徙动校正;利用子孔径误差相位提取和全孔径拼接的方法,完成运动误差的精估计和补偿;采用图像偏移算法实现残余方位空变误差相位估计和补偿。完成以上徙动校正和运动补偿后,对方位全孔径数据进行匹配滤波,得到超高分辨率合成孔径雷达成像结果。采用所提算法对机载X波段和Ku波段实测数据进行成像,得到二维0.05m超高分辨率成像结果,验证了该方法的有效性和实用性。

一种基于子孔径自聚焦的高频运动误差估计和补偿方法

采用现有的运动补偿方法,通过多次迭代,理论上可以将SAR成像中运动误差的低频分量补偿掉,但对高频分量是无法进行估计和补偿的,最终会造成当SAR平台运动不稳定时,无法进行高分辨成像。该文针对这一问题,提出了在进行常规运动补偿后对方位数据进行子孔径高频误差分量估计和补偿的方法。这种方法不仅能获得比传统运动补偿方法更好的成像效果,而且运算量也有所减小。仿真和实测数据的处理结果证实了该文方法可以对高频运动误差进行有效性的补偿。

一种强杂波背景下SAR目标超分辨成像方法

针对合成孔径雷达图像中存在较强杂波,难以提取目标信息和进行分辨率增强处理的问题,提出了一种强杂波背景下的超分辨成像方法.首先,从信号相关性的角度出发,估计杂波自适应门限来提取目标强散射点;然后,结合梯度下降搜索法提取出目标弱散射点;最后,利用提取后的目标散射点在图像域的稀疏性,通过简化的正则化处理方法,对目标进行分辨率增强处理,实现了目标超分辨成像.角反射器和静止的机动车目标实测数据处理的结果验证了文中方法的有效性.