直升机载阵列快拍成像雷达模型与方法研究

Helicopter-borne snapshot imaging radar based on array antenna can obtain real-time 2D microwave image of observed scene in all-time, all-weather condition, which can assist helicopters in the applications of taking off and landing without ground guidance, low-altitude cruise, search and rescue, emergency rescue, fire fighting, etc, and can enhance the operational viability of helicopters. However, due to the particularity of helicopter platform, it is significant to combine platform motion characteristics and research on the signal model, error compensation method and high-resolution imaging algorithm. The project focus on: (1). Establish constraints of system parameters including time resolution, image resolution, and establish analysis model considering the impact of helicopter platform vibration, non-ideal linear trajectory, maneuvering characteristics, and measurement error, etc. (2). Analyze the impact of systematic platform error, array amplitude and phase errors, measurement errors on the performance of array snapshot radar and propose compensation methods. (3). Propose high image resolution imaging algorithm based on motion synthetic array imaging and high time resolution imaging algorithm based on sparse array design and sparse reconstruction. (4) Verify the validity of the model and algorithms through simulating the helicopter-borne snapshot array imaging radar with a controlled radar experiment system. The project can provide significant theoretical and methodological support for the applications of helicopter-borne snapshot imaging radar.

直升机阵列快拍成像雷达可以全天时、全天候、实时获取载机观测区域的二维图像，辅助完成无地面引导起降、低空巡航、搜救、紧急救援、消防等，对提升直升机平台的生存力具有重要价值。但由于直升机平台的特殊性，迫切需要结合平台运动特性开展信号模型、误差补偿方法、高分辨率成像算法等的研究。本项目重点开展：(1) 建立时间分辨率、图像分辨率等系统参数的约束关系，建立考虑直升机平台振动、非理想直线轨迹、机动特性以及测量误差等影响的分析模型；(2) 分析平台系统误差、阵列幅相误差、平台测量误差对阵列快拍雷达性能的影响，并提出补偿方法；(3) 提出基于运动合成阵列的成像机制及高图像分辨率成像算法和基于稀疏阵列设计及稀疏重构的高时间分辨率成像算法；(4) 通过实验模拟直升机阵列快拍成像，验证模型及方法的有效性。本项目为直升机载阵列快拍成像雷达的应用提供理论和方法支撑。

直升机阵列快拍成像雷达可以全天时、全天候、实时获取载机观测区域的二维图像，辅助完成无地面引导起降、低空巡航、搜救、紧急救援、消防等，对提升直升机平台的生存力具有重要价值。本项目针对直升机快拍成像雷达中的关键科学问题完成了以下研究任务：(1) 研究了直升机平台阵列快拍成像雷达模型，建立了直升机阵列快拍成像雷达系统参数约束模型，分析平台了振动特性、非理想直线轨迹和机动特性对快拍成像图像质量的影响；综合考虑约束模型、系统误差和测量误差，建立了阵列快拍成像雷达回波信号模型；(2) 发展了直升机平台阵列快拍成像雷达补偿方法，分析了阵列通道幅相不一致性、平台测量误差等误差项的形式，提出了阵列快拍成像补偿算法；(3) 研究了基于直升机平台阵列向运动合成阵列的高图像分辨率成像算法，应用于空中悬停模式的高分辨率图像获取；发展了新的稀疏阵列设计和稀疏重构的高时间分辨率成像算法，应用于垂直起降模式的强目标快速图像获取；研究基于平台数据和航迹信息的快拍图像配准方法，应用于低空巡航模式的快拍图像辅助导航；(4) 构建了阵列快拍成像雷达原理验证实验系统，完成了阵列快拍成像实验，开展稀疏阵列采样实验和阵列快拍图像与航迹信息融合的模拟实验，验证了阵列快拍成像雷达高时间分辨率成像算法，完成了成像体制验证。本项目的研究成果为直升机载阵列快拍成像雷达的应用提供了理论基础和方法支撑。