机动平台下扩展面目标宽角度雷达回波积累方法

Wide-angle synthetic aperture radar altimeter faces many problems, e.g., dramatic changes in the ground scattering characteristics with the angle, strong platform mobility, and complex scenes, leading to radar echo signal accumulation difficulties, thus affecting the performance of the altimeter. In view of the above problems, this project starts from the mathematical model of the fitting learning of scattering changes of the ground scene with frequency and angle. Based on the analysis of the correlation between the echo signals of different angles of radar altimeter and the mapping transformation, we design the coherent integration algorithms for wide-angle radar echo signals, and the high accuracy synthetic aperture altimetry method based on maximum likelihood estimation and Bayesian estimation. Further, depending on the engineering practice, the adaptive estimation and compensation algorithms of the platform movement error and the array antenna error of the radar altimeter are studied. Finally, the simulation data obtained by the electromagnetic simulation software and the real measured data obtained by the UAV-based MiniSAR radar are used to verify the models and methods of the project. The project achievements can not only effectively improve the performance of wide-angle synthetic aperture radar altimeter of mobile platform, but also can be directly applied to wide-angle SAR imaging and other related fields.

宽角度合成孔径雷达高度表面临地面散射特性随角度变化剧烈、平台机动性强、场景复杂等问题，导致雷达回波信号积累困难，从而影响测高性能。针对上述问题，本项目从研究地面场景散射函数随频率和角度变化的拟合学习数学模型出发，通过分析不同角度雷达高度表回波信号间的相关性与映射变换关系，设计宽角度雷达回波信号的相参积累算法以及基于最大似然估计和Bayesian估计的高精度合成孔径测高方法；进一步结合工程应用实际，研究雷达高度表机动平台运动误差和天线阵列误差的自适应估计与补偿算法；最后，利用电磁仿真软件获得的仿真数据和无人机载MiniSAR雷达获得的实测数据对项目所研模型与方法进行实验验证。本项目成果不仅能有效提高机动平台宽角度合成孔径雷达高度表的性能，也可直接应用于宽角度SAR成像等领域。

合成孔径雷达高度表（SAR Altimeter）采用虚拟孔径技术，能大幅度提升传统雷达高度表的测高精度和空间分辨率。宽角度SAR高度表通过对更多角度雷达回波信号的全相参积累，有望将测高精度和空间分辨率提升至理论限。针对宽角度雷达高度表面临的地面散射特性随角度变化、平台机动性强、多角度回波相参积累困难等问题，项目开展了复杂地物场景电磁散射特性建模、宽角度雷达回波相关性分析、宽角度雷达回波全相参积累与精确测高、机动平台运动误差和天线指向误差补偿等研究。建立了包含10类典型地物的城市复杂场景SAR图像数据集及几何与统计相结合的电磁仿真模型，提出了基于空间映射和稀疏表征的复杂目标散射特性快速建模方法；考虑目标后向散射系数随角度变化的情况，提出了宽角度雷达高度表回波信号的卷积模型；在此基础之上，提出了基于多项式拟合的不同角度间回波间映射及信号全相参积累方法，以及基于最大似然和降维EM算法的参数高精度估计方法等；针对机动平台运动误差和天线指向偏移误差，提出了基于立方相位函数分解及方位时变误差补偿的方法。最后，项目通过仿真实验和基于无人机载MiniSAR的实测数据，对所提方法进行了验证，同时还采集了各种有源干扰条件下的实测数据。项目执行期间，共发表学术论文22篇，其中在IEEE TSP, TGRS, J-STARS, IET RSN等国际杂志发表的SCI检索论文13篇；申请国家发明专利2项；培养博士研究生3人，硕士研究生1人，协助指导中国工程物理研究院电子工程研究所博士和硕士研究生各1人；并探索论证了基于雷达高度表轨迹曲线匹配的精确制导技术等未来研究方向。