基于导航卫星的干涉SAR数据采集策略优选方法分析

基于导航卫星的干涉SAR(GNSS-InSAR)使用在轨导航卫星作为照射源,近地面部署接收机,利用导航卫星的星座特性以及重轨特性,可实现区域性的连续观测。对于场景1维/3维形变反演而言,需要连续时间的数据采集,由于导航卫星并非严格意义上的重轨,且重轨时间具有不确定性,原始数据冗余度高,数据对齐时截取量大,数据有效性低。该文针对GNSS-InSAR场景数据采集时间精确性问题,提出了一种重轨数据采集优化模型,该方法通过实际轨迹与TLE预测轨迹相结合的方式,通过空间相干系数的滑窗轨迹对齐,以获取相邻天导航卫星重轨时间间隔,实现精确的GNSS-InSAR数据采集,在降低原始数据冗余度下,保证数据的有效合成孔径时间。实测数据表明所提方法的有效性。

导航卫星双基地SAR几何优选及实测边坡成像

基于导航卫星的星-地双基地SAR(GNSS-BSAR)作为一种新型的地表观测手段,具有重访时间短、覆盖范围广、系统成本低等显著优势。当地面接收机与目标场景距离较近时,由于GNSS-BSAR的分辨率较低,导致目标场景的成像结果与其在同一等距离线上的镜像混叠在一起,无法进行图像解译和形变反演处理。针对以上问题,本文提出了一种基于分辨率设计和等距离多普勒特性分析的导航卫星双基地SAR几何优选方法。该方法在选定实验场景的基础上,进行GNSS-BSAR分辨性能与等距离-多普勒特性的多目标联合优化,选定能够避免镜像模糊现象的导航卫星辐射源,实现GNSS-BSAR几何构型优选。基于以上方法,在重庆边坡地区设计GNSS-BSAR实验,成功获取了无镜像模糊的实测边坡成像结果,验证了几何优选方法的有效性。

MCJ-UNet:一种双/多通道联合InSAR相位解缠网络

干涉合成孔径雷达(InSAR)可实现地表高程的高效获取,在地形测绘中应用广泛。双/多通道InSAR技术可借助不同通道(基线、频点)的高程模糊度差异,解决相位欠采样问题,完成高程陡变区域的干涉相位解缠,实现InSAR技术在测绘困难区域的有效应用。该文即面向高效高精度相位解缠需求,利用深度学习这一有力工具,结合不同通道的相位特征及相互约束关系,提出了一种双/多通道联合干涉相位解缠网络:Multi-Channel-Joint-UNet(MCJ-UNet)。该网络的构建以双通道(双频、双基线)InSAR为基本观测构型,并可实现向多通道构型的扩展,其构建的核心思路主要包括3点:首先,将干涉相位解缠中的模糊数估计问题转化为语义分割问题,并采用UNet网络完成分割处理;其次,引入挤压激励模块(SE)动态调整信息权重,以增强网络不同通道对其所需信息的感知能力;最后,利用多通道联合约束下的相位残差优化损失函数,实现网络调谐。此外,为避免语义分割结果的边缘细节误差对解缠效果的影响,该文还提出了一种基于多通道联合约束的解缠误差自修正方法,以保证解缠质量。模拟地形仿真数据、真实地形仿真数据以及TerraSAR-X实测数据验证了所提方法的有效性。

地基深空探测雷达研究进展与展望

地基深空探测雷达通过主动发射电磁波,并接收反射信号,实现对深空目标的精确测量,是研究月球、近地小行星、类地行星等深空目标的重要手段。地基深空探测雷达可以高精度测量深空目标的轨道、自转、形貌等特征,具有全天时全天候观测、精确测距、高分辨率成像等优势,对近地小行星防御和行星科学研究具有重要意义。本文介绍了地基深空探测雷达的概念内涵,梳理了地基深空探测雷达系统的国内外发展现状,回顾了地基深空探测雷达过去数十年间取得的重要历史贡献,包括月球表面高分辨率成像与永久阴影区水冰探测、近地小行星精细形貌特征获取、近地小行星轨道与自转等物理特性精确测量、近地小行星撞击防御任务处置效果快速评估、类地行星表面高分辨率成像与地质结构研究等一系列重要研究成果。在此基础上,本文介绍了分布孔径深空探测雷达的创新机理,通过多部雷达单元协同观测,可突破传统集中式体制地基深空探测雷达的口径和发射功率物理极限,形象称之为“中国复眼”雷达。最后,本文介绍了分布孔径深空探测雷达系统研制与观测实验等最新研究进展,展示了分布孔径深空探测雷达对月球二维成像和三维成像的实验结果,并对地基深空探测雷达的未来发展趋势进行了展望。

初相捷变波形优化设计与信号处理方法研究

捷变波形具备一定的距离和速度模糊抑制能力,同时兼具优良的低截获和抗干扰性能,为雷达系统提供了新的信号处理维度。初相捷变波形相对简单,工程实现难度小,为实现波形设计和信号处理闭环,本文开展了初相捷变波形优化设计与信号处理方法研究。首先,介绍了初相捷变波形的距离选通特性,进而构建了基于距离选通特性的初相捷变波形优化设计模型,并通过Majorization-Minimization算法和牛顿法进行求解。所提算法可采用平方迭代法加快收敛速度,经仿真验证,与随机产生的初相捷变波形相比,所提算法可以显著改善优化后初相捷变波形的距离选通特性。其次,基于初相捷变波形的抗折叠杂波性能,探讨了基于距离选通特性的自适应杂波抑制算法,即利用初相捷变波形空时维导向矢量的距离选通特点,实现分距离段杂波抑制,使得近距主副瓣杂波不会折叠到远距离段,经仿真与实测数据验证,所提算法在强杂波环境下具备良好的远距低速目标探测能力。最后,研究了基于距离选通和交替反演的干扰抑制算法,利用远距支援干扰滞后于目标回波的特点,并基于初相捷变波形的距离选通特性,通过距离段间交替投影实现干扰与目标回波的分距离段重构,经仿真验证,所提算法可以实现对远距支援干扰的有效抑制。

一种基于深度强化学习的频率捷变雷达智能频点决策方法

自卫式干扰机发射的瞄准干扰使多种基于信号处理的被动干扰抑制方法失效,对现代雷达产生了严重威胁,频率捷变作为一种主动对抗方式为对抗瞄准干扰提供了可能。针对传统随机跳频抗干扰性能不稳定、频点选取自由度有限、策略学习所需时间长等问题,该文面向频率捷变雷达,提出了一种快速自适应跳频策略学习方法。首先设计了一种频点可重复选取的频率捷变波形,为最优解提供了更多选择。在此基础上,通过利用雷达与干扰机持续对抗收集到的数据,基于深度强化学习的探索与反馈机制,不断优化频点选取策略。具体来说,通过将上一时刻雷达频点及当前时刻感知到的干扰频点作为强化学习输入,神经网络智能选取当前时刻各子脉冲频点,并根据目标检测结果以及信干噪比两方面评价抗干扰效能,从而优化策略直至最优。从提高最优策略收敛速度出发,设计的输入状态不依赖历史时间步、引入贪婪策略平衡搜索-利用机制、配合信干噪比提高奖励差异。多组仿真实验结果表明,所提方法能够收敛到最优策略且具备较高的收敛效率。

基于Radon变换的昆虫上升下降率提取算法及实验验证

昆虫上升下降率是反映昆虫在迁飞过程中的运动方向与运动速率的重要指标。由于现行垂直昆虫雷达存在距离分辨率低、目标检测关联算法不完善等问题,昆虫上升下降率的提取较为复杂。本文提出一种基于Radon变换的昆虫上升下降率提取算法,该算法通过脉冲多普勒积累与恒虚警检测实现了雷达快时间/慢时间一维距离像矩阵到二值化航迹矩阵的转换,再利用Radon变换将二值化航迹矩阵中昆虫航迹跟踪与拟合问题转化为参数域的峰值检测问题,避免了传统雷达多目标关联中存在的目标运动过程易受背景影响、算法运算量大等问题,直接实现了从目标检测结果到昆虫上升下降率的提取。通过对实测数据的处理,验证了该算法的可行性。

地基分布式相参雷达技术研究综述

地基分布式雷达是由多部单元雷达分置部署、协同工作实现目标探测的雷达系统,部署在地基平台,照射源除自身还可用合作、非合作跨平台照射源,各单元雷达间可信号级相参融合。传统集中式雷达在复杂场景中难以探测识别低可观测目标,分布式雷达有望解决上述瓶颈问题,并实现侦干探通一体化,因此分布式相参雷达体制是未来雷达形态发展的重要方向之一。分布式雷达体系复杂,涉及维度、要素多,须研究探索合理有效的工作范式。本文系统介绍了地基分布式相参雷达发展的新趋势和新技术,通过信号级融合处理,可形成大口径稀疏阵列,获得极窄的高增益波束,可采用更多更先进的信号处理算法探测和精确定位目标。本文介绍该领域最新的研究进展和代表性成果,围绕分布式相参增程探测、分布式相参成像、分布式相参抗干扰、分布式系统同步校准等四个方面的关键问题和技术难点展开论述,并对分布式雷达体制的前景进行了展望。

基于脉间码型捷变波形的距离-多普勒二维干扰重构算法

密集假目标干扰通过在真实目标周围产生大量假目标,形成欺骗和压制双重干扰效果,严重影响雷达的目标探测能力。为此,该文提出一种基于脉间码型捷变波形的距离-多普勒二维干扰重构算法来抑制密集假目标干扰。该算法基于脉间码型捷变波形的距离选通性,在距离-多普勒域通过交替反演实现干扰和目标重构,并从回波中对消干扰来实现干扰剔除。首先,通过构造不同距离段的接收滤波器组来实现干扰和目标回波的分距离段处理;其次,采用联合失配滤波器组使各脉冲滤波输出的距离旁瓣结构近似相同,减小脉间码型捷变波形经脉冲多普勒处理后沿多普勒维的散布能量;然后,利用干扰和目标回波在不同距离-多普勒平面上的能量分布特性构造滤波矩阵;最后,通过交替反演实现干扰和目标的精准重构,进而实现密集假目标干扰的抑制。仿真结果表明,与传统方法相比,该文所提算法在干扰抑制和运行时间方面展现出优越的性能,显著提升了雷达在强干扰环境中的目标检测能力。

宽带全极化垂直昆虫雷达设计及校准关键技术研究

宽带全极化垂直昆虫雷达是一种利用宽带信号实现空中单只昆虫分辨,利用多极化通道实现昆虫全极化测量的雷达系统。当被测昆虫体型在不同极化轴向的电磁波反射功率可明显分辨时,该雷达可利用"当极化方向平行于昆虫体轴时,回波功率最大"的基本原理,通过测量昆虫极化散射矩阵,获取昆虫体轴方向,对研究昆虫定向迁飞规律具有重要的作用。当前垂直昆虫雷达采用机械旋转馈源的方法,分时测量昆虫目标的极化散射矩阵,该方法同时受机械旋转误差、极化分时测量时目标运动的误差以及极化通道稳定性随有源电路时变所引入的测量误差,测量精度不高,为了实现昆虫的高分辨全极化散射特性测量,本文提出了一种高极化隔离的频率步进正交相位编码的宽带波形设计以及极化内定标方法,开发了一部宽带全极化垂直昆虫雷达系统,最终通过理论方法仿真分析与外场试验测试,证明了该雷达系统可实现昆虫同时全极化宽带的稳定测量,验证了昆虫体轴朝向的测量精度。

气象雷达超低副瓣失配滤波处理技术研究

在雷达信号处理中,通过匹配滤波进行脉冲压缩可以获得最大化的信噪比,有效地减小了雷达回波中噪声对信号的影响。然而,脉冲压缩的输出具有较高的距离旁瓣,在气象雷达探测中,由于空间分布的散射粒子之间反射强度相差较大,弱散射粒子的回波容易掩没在强散射粒子的旁瓣中,因此有超低旁瓣的需求。本文主要研究了能够降低旁瓣的非线性调频(NLFM)波形和最小积分旁瓣水平(ISL)失配滤波器,分析了多普勒频移对其性能的影响,并在最小ISL滤波器的基础上通过进一步对滤波器系数加权的方法,使得在回波具有多普勒频移的情况下也能达到超低旁瓣的性能。

基于修正VAD技术的非线性风场反演方法研究

对流风暴的新生和发展演变与三维风场存在密切联系,多普勒天气雷达可利用多普勒效应测量径向速度,可及时地反映风场信息。基于线性风场假设和全方位均匀采样的速度方位显示(VAD)技术是目前应用最广泛的使用单部多普勒雷达反演风场的方法,然而对于台风、龙卷等强对流天气系统,其内部风场空间分布复杂,线性风场假设不成立,以及由于机动平台非理想运动无法保证等方位间隔的均匀采样,导致反演精度不高。本文提出了一种基于修正VAD技术的非线性风场反演方法,建立了机动平台下视圆锥扫描几何模型以及复杂风场的非线性空间分布模型,相对于传统VAD技术,该方法更能反映真实的复杂风场结构,具有更好的反演效果。

基于相位信息的非均匀包络未知脉冲边沿估计方法

对脉冲边沿的估计一直是雷达、电子侦察等领域的重要课题,其结果直接影响雷达特征的提取。本文针对接收脉冲未知且包络非均匀、有剧烈起伏的情况,提出了一种基于相位信息的未知脉冲边沿估计方法。该方法利用信号和噪声相位的统计特性不同,通过计算接收信号的分段相位标准差将信号段和噪声段区分开来,从而得到脉冲边沿的粗估计;然后在粗估计范围内对信号段进行滑窗检测,进而得到脉冲边沿的精确估计。理论分析和仿真结果表明,当脉冲包络起伏剧烈时,该算法可以有效解决传统脉冲边沿估计方法存在的脉冲分裂问题,且具有运算量小,精度较高的特点。

基于差分特征的间歇采样转发干扰辨识与抑制方法

间歇采样转发式干扰机通过对其接收到的雷达发射信号进行采样、存储、处理和多次转发,在雷达接收端形成逼真的假目标干扰效果。为提升上述干扰场景下的雷达探测性能,该文提出了一种新的信号差分特征提取方法,在此基础上,利用目标回波和干扰信号在差分特征空间的差异设计判决准则,从而在有效辨识并抑制干扰的同时实现目标检测。仿真结果表明:该方法干扰抑制效果显著,相比于3种典型的时频域滤波算法等效信噪比改善4.2 dB以上。

基于最小极化RCS的昆虫雷达目标体型参数反演

精确的昆虫体型参数反演对于昆虫种类辨识具有重要意义。当前三种精度最高的单频段反演方法包括“特征值法”、“联合使用极化方向图(即不同线极化方向的雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS))形状参数和极化平均RCS法”、“行列式法”,前两种方法须判断昆虫极化方向图最大值方向与体轴方向的平行/垂直关系(即昆虫类型),昆虫类型判断错误会导致反演误差增大,“行列式法”无须判断昆虫类型但精度差。为克服现有方法不足,实现高精度昆虫体型参数反演,分析了X波段(9.5 GHz)昆虫腹部面极化方向图特性,发现昆虫腹部极化方向图最小值(简称最小极化RCS)与昆虫体长和体重均存在良好映射关系,可作为特征实现昆虫体型参数反演。为推导最小极化RCS的解析表达,首先基于对称昆虫模型推导了极化方向图形状与散射矩阵特征值的关系,并在此基础上推导了最小极化RCS的计算方法,给出了基于最小极化RCS反演昆虫体长和体重的经验公式。将所提方法命名为“最小RCS法”。与前述三种方法对比发现,对于体长反演,“最小RCS法”精度最高,而对于体重反演,“最小RCS法”精度略差于“特征值法”与“联合使用极化方向图形状参数和极化平均RCS法”。通过仿真分析了极化误差对于四种方法反演精度的影响,结果表明,两种须判断昆虫类型的方法受极化相位误差影响非常严重,而“最小RCS”法抗极化误差性能好,几乎不受相位误差的影响。

基于全极化的相参雷达迁飞昆虫观测

昆虫雷达是迁飞昆虫监测的重要工具。传统昆虫雷达是非相参体制,距离分辨率低,采用旋转极化方式,测量效率低。本文介绍了一种基于全极化的相参雷达系统,该系统工作在Ku频段,采用同时全极化体制,可同时测量目标HH、HV、VH、VV极化回波,采用调频步进频波形,合成信号带宽800MHz,距离分辨率高达0.2m。雷达采用单目标校准技术,利用金属球和倾斜的金属丝作为定标体进行极化校准;采用基于散射矩阵的昆虫朝向提取方法,从昆虫主特征值向量中提取朝向;采用基于相位调制的振翅频率提取方法,通过对目标振翅回波的相位进行傅里叶分析提取昆虫振翅频率。通过外场实验,验证了雷达极化校准的有效性以及测量昆虫朝向和振翅频率的能力。

大气层效应对地球同步轨道SAR系统性能影响研究

地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)合成孔径时间长、观测范围大,易受到大气层效应时空变化的影响,使成像的聚焦质量和差分干涉处理精度严重下降。该文针对常规对流层和背景电离层等大气层缓变的干扰部分,建立了高精度时频混合GEO SAR信号模型,分析了不同大气层参数的时间变化率对成像质量和差分干涉处理精度的影响。针对大气层干扰中对流层湍流和电离层闪烁等随机扰动造成的影响,基于幂律功率谱模型,建立了大气扰动参数和成像质量的定量化分析模型,获得了大气层随机干扰的强度与成像评估指标间的关系。最后,通过仿真验证了模型的有效性,并分析了长孔径时间内缓变和随机扰动的大气层误差对成像和差分干涉处理质量的影响,仿真结果表明:L波段GEO SAR成像和差分干涉处理受时空变电离层干扰的影响十分严重,必须予以补偿;对流层干扰对其影响较小,仅当积累时间达到数百秒时才需要考虑它对成像性能的恶化。

基于无网格压缩感知的雷达通信一体化系统目标参数估计方法研究

本文基于一种基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的雷达通信一体化系统,利用目标时延与多普勒在时频域优良的稀疏性,提供了多种基于无网格的二维时频联合估计方法以解决传统稀疏恢复方法字典失配导致的性能较差的问题,有效提高了动目标参数估计性能,并提供了多测量向量(Multiple measurement vector,MMV)模型,可有效解决低信噪比下目标参数估计性能差的问题。同时,针对基于矢量二维原子范数计算量较大的问题,本文利用半正定规划(SDP)将传统方法的高维Toeplitz矩阵解耦为两个低维Toeplitz矩阵,可将计算复杂度降低几个数量级,同时保留原子范数在超分辨性能的优势,可适应于OFDM多子载波与多符号数波形体制。仿真结果证明该方法保持了原子范数类算法的估计性能优势,并显著减少了计算量。

分布式雷达主瓣间歇采样转发干扰抑制方法

主瓣间歇采样转发干扰是一种相干干扰,且该干扰从天线主瓣注入雷达,会严重影响雷达的性能。本文首先建立一发多收分布式雷达系统;并建立目标、间歇采样转发干扰数学模型;随后提出一种通过干扰辨识来估计纯干扰协方差矩阵的最小方差无失真(MVDR)抗干扰方法。通过对雷达回波脉压后的一维距离像作时频分析,并根据目标、干扰信号的时频特性差异来辨识目标与干扰,在此基础上,估计纯干扰信息,作为MVDR波束形成器的训练样本,实现对主瓣间歇采样转发干扰的抑制。最后,通过仿真验证了该方法的有效性。

分布式GEO SAR:编队构型设计及性能分析

地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)具有短重访周期、大覆盖范围的优势,在防灾减灾方面具有重大潜力.本文提出包含远近编队的伴随分布式GEO SAR系统,在单星GEO SAR基础上,通过增加仅接收信号的从星伴随飞行,形成多个相位中心,具有功能丰富、成本低的优点;但不同功能对编队的空间基线要求不同.本文针对近距编队构型,提出基于坐标旋转的相对运动方程修正方法,可获得地球自转影响下空间基线解析计算方法;进一步提出基于半长轴修正的线性时变基线设计方法,可应用于SAR层析任务.针对远距编队,提出全局可测约束下最小定位精度系数准则,可实现具有最佳视角组合的远距编队设计,实现三维形变反演任务.最后,仿真并分析了伴随分布式GEO SAR编队各功能的系统性能,包括基线的日变化、高度向分辨率和典型观测区域的三维形变反演精度等.