机载广域运动目标监视研究

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对宽广区域中存在的运动目标进行检测、定位、跟踪在民用和军用领域均有迫切的需求。在民用领域,可以实现重点区域的交通流量控制;在军用领域,可以提供战区的部队调动情况,为战场指挥官提供重要的决策信息。我国是一个陆地和海洋大国,需要监视的面积非常大,开展广域运动目标监视的研究具有重要意义,无论在民用还是军用方面都有着广阔的应用前景。  本文针对可以实现广域运动目标监视的WAS-GMTI模式进行了深入的研究,主要工作和创新性成果体现在以下几个方面:  1.详细介绍了WAS-GMTI模式的工作原理,推导了电扫描方式下的DBS成像公式,深入讨论了WAS-GMTI模式系统设计中关键参数的选择方法,对比了WAS-GMTI模式和SAR-GMTI模式在相同条件下监视区域的差异,深入研究了多通道WAS-GMTI模式的回波仿真方法,包括:场景杂波分量仿真、动目标分量仿真和噪声分量仿真,给出了回波仿真方案,为后面算法的验证奠定了基础,同时给出了WAS-GMTI模式的数据处理流程图,分析了各个处理环节之间的关系。  2.分析了WAS-GMTI模式通道误差的来源及三种典型的通道校正算法,指出了这三种方案在校正WAS-GMTI模式通道误差时的缺陷,深入研究了WAS-GMTI模式通道间干涉相位的特性,在此基础上提出了一种新的适合WAS-GMTI模式的通道校正算法,通过蒙特卡罗仿真实验说明了新算法的合理性,通过实测数据的处理结果验证了新算法的有效性。  3.详细研究了三通道系统中CSI算法通道对消环节的处理流程,推导了杂波对消需要补偿的相位值,深入研究了动目标的能量在通道对消过程中的变化情况,推导了CSI算法通道对消后的动目标二维剩余幅度公式和二维检测概率公式,在此基础上提出了一种改进的CSI算法,改进的算法通过使用非等间距系统和保存通道对消后幅度的最大值用于CFAR检测,可以大幅度提高动目标的二维检测概率。  4.简略介绍了STAP算法的基本原理,通过Mountaintop数据的处理结果,说明了实际回波的空时特性,同时介绍了工程上比较实用的降维STAP算法,结合WAS-GMTI模式的特点,深入分析了适用于该模式的降维STAP算法,研究了WAS-GMTI模式在进行1DT-SAP处理时每个多普勒单元对应的杂波协方差矩阵的秩为1的特性,在此基础上提出了一种新的杂波加噪声协方差矩阵估计方案,该方案可以有效减弱目标污染样本对空时处理性能的影响。  5.针对STAP算法在实际数据的处理中易受非均匀环境影响的特点,在详细分析多通道WAS-GMTI模式回波特性的基础上,提出了一种基于Kalman滤波的杂波抑制算法,推导了多通道WAS-GMTI模式中使用Kalman滤波的迭代公式,该算法由于不需要估计杂波加噪声协方差矩阵,因此在非均匀环境的数据处理中具有很大的优势。同时提出了一种基于Relax的杂波抑制算法,推导了在多通道WAS-GMTI模式下使用Relax进行杂波抑制的公式,该算法同样不需要估计杂波加噪声协方差矩阵,而且在进行杂波抑制后,对检测到动目标的距离-多普勒单元继续进行Relax迭代处理,可实现动目标参数估计,且具有较高的稳健性。  6.首次将低秩和稀疏矩阵分离算法引入到GMTI领域,详细分析了多通道WAS-GMTI模式回波的低秩和稀疏特性,即多通道WAS-GMTI模式的回波经过适当的预处理后形成的新矩阵可以认为是由三部分组成:低秩的杂波矩阵、稀疏的动目标矩阵和噪声矩阵,指出了使用矩阵分离算法提取稀疏动目标矩阵的可行性,同时针对雷达回波是复数数据这一特性,提出了两种提取动目标的算法:基于矩阵分离的动目标相位提取算法和基于矩阵分离的动目标幅度提取算法,蒙特卡罗仿真实验、回波仿真实验和实测数据处理实验均验证了上述两种算法的有效性。
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