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国防科学技术人学研究生院硕十学仲论文 摘要 作为常规g m t i 技术的一大创新，s c a n g m t i 技术采用将窄波束在方位向上 进行扫描的方式工作，从而解决了常规固定波束雷达无法同时实现好的g m t i 能 力和广域侦察能力的矛盾，实现了广域g m t i 功能，在军事上具有重要的应用前 景。论文围绕s c a n g m t i 技术的工作原理、杂波抑制和多通道校正三个关键内容 展开研究，主要工作包括以下几个方面： 在深入分析研究s c a n g m t i 技术工作原理的基础上，从测绘范围和分辨率两 个方面分析s c a n g m t i 技术的性能，研究了s c a n g m t i 系统参数的设计并总结提 出参数设计流程。 结合r k l e m m 地杂波模型对s c a n g m t i 机载雷达地杂波进行了分析和讨论， 总结了s c a n g m t i 模式下地杂波谱新的特点并得到一些有益的结论。 针对杂波抑制问题，系统研究和推导了双天线数据时域d p c a 算法和数据多 普勒域d p c a 算法。在此基础上，提出基于数据多普勒域d p c a 算法的s c a n g m t i 机载雷达杂波抑制方案，仿真结果验证了方案的正确性和可行性，证明了 s c a n g m t i 技术的优越性。 针对多通道不一致性问题，简要探讨了多通道模拟接收机系统幅相误差来源 并推导分析了多通道不一致性对杂波抑制性能的影响。结合三通道s a r g m t i 地 面试验雷达系统，重点研究并提出了结合谱修正旁瓣抑制技术的多通道校j f 方法， 基于实测数据取得的良好效果，证明了该方法的可行性和有效性。 主题词：s c a m g m t l多通道校正杂波抑制相位中心偏置天线( d p c a ) 第i 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t a st h et e c h n i c a li n n o v a t i o no fu s u a lg m t it e c h n o l o g y ，s c a n g m t it e c h n o l o g y p r o v i d e sas i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n tt ot h eu s u a lg m t im o d ew i t hf i x e db e a m i no r d e r t od e t e c tm o v i n gt a r g e t sr a p i d l yi nam u c hl a r g e rg r o u n ds u r f a c e ，t h ea n t e n n ai s r e g u l a r l ys t e e r e dt od i f f e r e n ta z i m u t ha n g l e sa n dt h e r e f o r es u c c e s s i v e l ys c a n sd i f f e r e n t p o r t i o n so ft h es c e n e s a c c o r d i n g l y ，s c a n - g m t it e c h n o l o g yw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nt h em a r t i a lf i e l d t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h r e ek e yt e c h n i q u e s ，i e t h et h e o r yo f s c a n g m t it e c h n o l o g y ，c l u t t e rs u p p r e s s i o na n dm u l t i - c h a n n e lc a l i b r a t i o n t h em a i n w o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s b a s e do nt h ed e e p l ys t u d yo ft h es c a n g m t it e c h n o l o g yt h e o r y ，t h ep e r f o r m a n c e o nt h es c o p ea n dr e s o l u t i o no ft h es c a n - g m t it e c h n o l o g yi si n v e s t i g a t e d m o r e o v e r ， a f t e rd i s c u s s i n gt h ed e s i g no ft h es c a n g m t is y s t e mp a r a m e t e r s ，t h ed i s s e r t a t i o na l s o b r i n g sf o r w a r dt h ep a r a m e t e r sd e s i g nf l o w c h a r t b yc o m b i n i n gw i t ht h er k l e m mc l u t t e rm o d e l ，t h ec l u t t e ro ft h es c a n - g m t i a i r b o r n er a d a ri sa n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h en e wc h a r a c t e r i s t i co ft h ec l u t t e rs p e c t r u mi n t h es c a n g m t im o d ei sc o n c l u d e d s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r ea l s oo b t a i n e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fc l u t t e rs u p p r e s s i o n ，t h ec a n c e l i n gm a t h e m a t i c m o d e l so ft i m ed o m a i nd p c aa n df r e q u e n c yd p c aa r ee s t a b l i s h e d c o n s e q u e n t l y ，a c l u t t e rs u p p r e s s i o nm e t h o df o rt h es c a n g m t ia i r b o m er a d a rb a s e do nt h ef r e q u e n c y d p c ai sp r o p o s e d ，w h i c hi sp r o v e dt ob ef e a s i b l ea n dc o r r e c ta c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s e v e n t u a l l y ，c o m p a r e dt ot h eu s u a lg m t it e c h n o l o g y ，t h es u p e r i o r i t y o ft h es c a n - g m t it e c h n o l o g yi st e s t i f i e d a i m i n ga t t h ep r o b l e mo ft h eu n b a l a n c ea m o n gt h ed i f f e r e n tc h a n n e l s ，t h e a m p l i t u d ea n dp h a s ee r r o ri sd i s c u s s e d b e s i d e s ，t h ep e r f o r m a n c eo fc l u t t e rs u p p r e s s i o n i n f l u e n c e d b y t h eu n b a l a n c ei s a n a l y z e d w i t ht h ee x p e r i m e n t a l m u l t i c h a n n e l s a r g m t i s y s t e m ，t h e m e t h o do fm u l t i c h a n n e lc a l i b r a t i o n u s i n g t h e m o d i f i e d - s p e c t r u ms i d e l o b es u p p r e s s i o nt e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r d ，w h i c hh a sb e e n a p p l i e di n t h er a d a rs y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a t t h i sm e t h o da c h i e v e se f f e c t i v e p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s c a n g m t i m u l t i c h a n n e lc a l i b r a t i o nc l u t t e rs u p p r e s s i o n d p c a 第i i 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 表目录 表1 1p a m i r 的主要系统参数2 表2 1s c a n g m t i 模式和常规条带模式s a r 的性能对比1 2 表3 1机载雷达系统仿真实验参数2 2 表4 1d p c ai 作模式性能比较3 0 表4 2d p c a 天线间相位误差补偿方法_ 3 7 表4 3 仿真实验参数设计3 8 表4 4 仿真实验参数设计4 2 表4 5 运动目标参数设计4 2 表5 1多通道校正前相对幅相误差分析6 l 表5 2 多通道校正后相对幅相误差分析6 l 表5 3多通道校j 下前后相对幅相误差改善因子分析6 l 第l v 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图5 1 图 目录 p a m i r 中s c a n g m t i 信号处理流程图3 论文组织结构图7 机载s c a n g m t i 技术工作原理示意图9 s c a n g m t i 机载雷达一次扫描方位向测绘范围示意图9 等效天线孔径示意图：1 1 s c a n g m t i 机载雷达一次扫描回波数据获取示意图1 3 s c a n g m t i 系统参数设计流程图1 4 机载相控阵雷达与地面固定散射体的空间几何关系简化示意图1 7 地面杂波单元与雷达平台的空间几何关系示意图1 9 地面杂波单元示意图2 0 不同天线波束指向方位角的地杂波谱仿真2 3 常规固定波束雷达( j 下侧视) 地杂波谱仿真2 4 s c a n g m t i 机载雷达地杂波谱仿真2 4 经典d p c a 原理图2 7 二脉冲杂波对消器原理图2 7 单发双收模式d p c a 原理图2 8 双发双收模式d p c a 原理图2 9 s c a n g m t i 多通道机载雷达与地面目标的空间几何关系图3 1 数据时域d p c a 算法流程图3 5 数据多普勒域d p c a 算法流程图3 6 天线间距引入的相位误差3 6 未进行d p c a 处理的回波信号图像3 9 数据时域d p c a 处理前后结果3 9 数据多普勒域d p c a 处理前后结果3 9 两种d p c a 算法处理结果4 0 s c a n g m t i 机载雷达杂波抑制等效模型4 1 s c a n g m t i 机载雷达杂波抑制方案4 1 天线波束指向角为万2 时d p c a 处理结果4 3 天线波束指向角为2 x 5 时的d p c a 处理结果4 3 天线波束指向角为5 万9 时的d p c a 处理结果4 4 s c a n g m t i 机载雷达一次扫描获得回波的d p c a 处理结果4 4 典型超外差式雷达接收机简化示意图4 7 第v 页 国防科学技术人学研究生院硕十! 学位论文 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 模拟相参正交采样电路示意图4 9 多通道杂波抑制干涉仪原理图5 3 目标、杂波与天线波束指向关系图5 3 通道不一致对s c r 的影响5 5 脉冲压缩处理原理示意图5 6 不同时宽带宽积l f m 信号脉冲压缩输出响应波形对比图5 7 谱修f 前后脉冲压缩波形对比图5 8 多通道校正原理示意图5 8 多通道校f 前后各通道间相对幅相误差对比图6 0 理想接收通道回波信号脉冲压缩输出响应波形6 2 多通道校f 前后三通道回波信号脉冲压缩输出响应波形6 2 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 笪扭蓥墨璺垒垒二堡丛! ! 盐盔盟窒登 学位论文作者签名：盅虹 日期：c 7 年月吐日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：叠塑丝堡 作者指导教师签名：兰苯固鸯 日期：1 年i l 户1 0 3 - 日 日期：2 。叼年7 月目 国防科学技术火学研究生院硕+ 学位论文 第一章绪论弟一早三百y 匕 1 1 研究背景和意义 雷达因军事应用而产生，在现代战争中，雷达更是实现“知己知彼，百战不 殆”战争理念所必需的军事装备。作为战术侦察的一部分，雷达需要对战场进行 连续、及时和清晰的监视，为态势评估、指挥与控制提供更多的信息。作为现代 雷达中一项非常重要的功能，地面运动目标指示( g r o u n dm o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ， 简称g m t i ) 更使得现代雷达“如虎添翼 。 为了打赢现代高技术条件下的局部战争，必须实时、准确地获取敌方在战场 上的兵力部署、火力配备、集结地域以及调动情况。这样才能获得局部战场上的 信息优势，正确掌握战场态势，迅速把握战机，从而做出正确决策并取得战争胜 利。随着军事装备的不断发展，使得现代战争形成了战场范围广、目标机动性大 的特点，这就要求现代机载侦察预警雷达系统具备高性能的广域g m t i 功能 不仅希望雷达具有好的g m t i 能力，还希望雷达具有很大的探测范围，以满足现 代局部战争的要求。一方面，为了实现好的g m t i 能力，就需要雷达具有好的地 杂波抑制能力和方位位置估计精度，从而希望天线的方位波束要窄：另一方面， 为了实现广域侦察和快速反应，希望天线的方位波束要宽。因此对于常规固定波 束g m t i 雷达系统来说，广域g m t i 功能对于天线方位向波束宽度的选择是矛盾 的。s c a n - g m t i 技术采用将窄波束进行扫描的方式工作窄波束可以实现好的 g m t i 能力，而扫描可以实现广域侦察，从而解决了常规固定波束雷达无法同时实 现好的g m t i 能力和广域侦察能力的矛盾，实现了广域g m t i 功能。因此， s c a n - g m t i 技术是对常规g m t i 技术的一大创新，对s c a n g m t i 技术进行研究具 有重要的意义。 1 2国内外研究的历史和现状 1 2 1 机载s c a n g m t l 技术 目前国内还没有对机载s c a n g m t i 技术进行研究的报道。由于涉及到军事敏 感性和保密性，国外文献中对机载s c a n g m t i 技术的具体细节也没有过多描述， 国际上公开报道的具有s c a n g m t i 功能的机载预警雷达系统只有德国的 f g a n f h r 设计和开发的机载实验s a r g m t i 系统p a m i r h j ( p h a s ea r r a y m u l t i f u n c t i o n a li m a g i n gr a d a r ，简称p a m i r ) 。p a m i r 是早期a e r 系统的升级， 是一部相控阵多功能雷达。p a m i r 工作在x 波段，装备有多通道有源相控阵列， 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 具有精确的量化真实延时波束形成网络，能够提供高度的灵活性和多种工作模式。 p a m i r 的主要系统参数如表1 1 所示： 表1 1p a m i r 的主要系统参数 载机 t r a n s a l lc 1 6 0 中心频率9 4 5 g h z 带宽1 8 2 0 胞 脉冲重复频率 6 k h z 分辨率 0 1 m 0 1 m 距离 1 0 0 k m 通道5 个并行接收通道 有源相控阵， 主天线 与辐射器圆柱连接2 5 6 个t r 组件 发射功率峰值功率为1 2 8 0 w 最大距离处的噪声等效值c r 04 0 招 天线方位向扫描范围+ 4 5 。 天线方位向波束宽度 2 8 。 一次扫描天线波束指向个数 3 2 每个波束指向发射的脉冲串数 5 每个脉冲串含有的脉冲数 1 2 8 极化方式 v v 、h h 斜视条带s a r 、 基本工作模式聚束式和滑动聚束式s a r 、 i 尽a r 、i s a r 、s c a n g m t i 最小检测速度 l m s 其中地面动目标检测、速度估计和定位是p a m i r 一项非常重要的新的应用。 p a m i r 通过采用s c a n g m t i 技术实现了广域g m t i 功能。当前实现的技术水平是： 天线方位向波束宽度是2 8 。，方位向扫描范围是+ 4 5 。，最小可检测速度是l m s 。 p a m i r 利用空时自适应处理技术实现g m t i 信号处理。这是一种多通道处理 方式，目前p a m i r 实现了3 个并行接收通道，其最终目标是实现5 个并行接收通 道。为了获得超高分辨率的s a r 图像，同时改善g m t i 功能，p a m i r 采用了多脉 冲合成的1 8 g h z 大带宽信号。在s c a n g m t i 模式下，雷达在每个天线波束指向角 均以5 个不同的载频发射脉冲串；数据处理时，每个方向的多个频带脉冲数据先 单独进行处理，然后再进行非相干叠加，这样就能解决盲速和速度估计模糊问题， 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 并提高目标检测概率。3 2 个天线波束指向都按照同样的数据处理流程对回波数据 进行处理，从而可以实现多个天线波束指向数据的并行处理。 p a m i r 中的s c a n g m t i 模式下单个天线波束指向的信号处理流程如图1 1 所 利3 5 】： l 、距离预处理，包括多通道校正处理； 2 、在多普勒域利用s t a p 技术进行杂波抑制； 3 、c f a r 检测； 4 、估计动目标的方位位置及其径向速度。 l fll f5 r a n g e r a n g e r a n g e r a n g e 目标跟踪 图1 1p a m i r 中s c a n g m t i 信号处理流程图 在2 0 0 3 年1 1 月的一次飞行试验中，f g a n 利用p a m i r 雷达系统获得了 s c a n g m t i 模式下的回波数据，并对数据进行了处理，取得了较好的效果，从而 验证了s c a n g m t i 技术的可行性和有效性。参考文献 3 ，5 ，8 ，9 】给出了详细的试验内 容和试验结果。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 2s a r 运动目标检测技术 杂波抑制是s a r g m t i 技术的首要问题，也是一个研究难点。杂波抑制的性 能直接影响目标参数估计的准确性和聚焦成像的效果。s a r j g m t i 技术已有三十 多年历史，但直到上个世纪九十年代才有了长足的发展，现在仍然是雷达领域的 研究热点。根据前人的研究成果，可以简单地将s a r 运动目标检测方法分为两大 类：单通道方法和多通道方法【1 0 1 。 s a r 动目标检测技术始于1 9 7 1 年，美国科学家r k r a n e y 首先研究了机载 s a r 对地面运动目标进行检测和成像的可行性【l1 1 ，分析了目标运动参数对s a r 成 像的影响，并在此基础上提出了频率检测法和相位检测法等几种检测方法。1 9 8 4 年至1 9 8 7 年，a f r e e m a n 分析了运动目标频谱和静止地杂波频谱的不同，提出了 用前置滤波法对运动目标进行检测和成像【1 2 , 1 3 】，该方法需要较高的脉冲重复频率。 1 9 9 0 年，s b a r b a r o s s a 提出了用维纳一维勒分布( w v d ) 的方法检测运动目俐1 4 1 ， 由此估计出的相位历史对高分辨率成像非常有用。在这基础上，后人提出了消除 w v d 交叉项的各种方法，比如采用扩展w v d 的方法、引入霍夫变换的w v d h t 法等，这些方法基本上都是以牺牲一定的时频聚集性为代价来达到对交叉项的抑 制。1 9 9 2 年h c h e n 等人提出了估计目标径向速度造成的频移的改进方法，从而 实现了对目标的更好定位【1 5 】。1 9 9 4 年至1 9 9 5 年，j r m o r e i r a 等人提出了用r d m ( r e f l e c t i v i t yd i s p l a c e m e n tm e t h o d ，简称r d m ) 来检测运动目标并估计其运动参 数的理论【1 6 1 。1 9 9 8 年，r f p e r r y 等人提出了用k e y s t o n e 变换来消除目标回波中 的线性位移项，继而消除高次项，从而获得运动目标图像的方法【1 7 】。1 9 9 9 年， g e n y u a n 等人提出改变雷达平台的速度来解决动目标方位向移位的方法【l 引。2 0 0 1 年，j r f i e n u p 提出了一种通过s a r 图像检测具有方位向速度或者径向加速度的 目标的方法，又可称为截断平均方法( s h e a ra v e r a g e ) 1 9 j 。其它典型的单通道检 测方法还有小波变换法、线性调频法、模糊函数一雷顿变换法、单视图像序列法 等。 上述给出了单通道s a r g m t i 系统动目标检测技术的发展概况。对单通道 s a r g m t i 系统而言，回波中大量的强杂波使得淹没在其中的动目标难以检测， 对于频谱淹没在杂波中的慢速目标更难检测。虽然有一些方法能够避开杂波的影 响，但是不具备一定的通用性，往往很难用于实际当中。鉴于单通道方法的局限 性，在技术上逐渐形成了通过增加空间维处理的方法来克服单通道s a r g m t i 运 动目标检测方法中所遇到的难题。将一个单天线改造成多孔径天线、增加天线个 数或采用相控阵天线都能获得s a 刚g m t i 空间维采样数据，每个天线( 或孔径) 有其独立的通道，通过一些专门的多通道s a r g m t i 数据处理技术能够有效地抑 制或者消除杂波，保留动目标信息，从而完成对动目标的检测、定位和聚焦成像。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 目自订常用的多通道s a r g m t i 数壬| l ：处理技术主要有沿迹干涉( a l o n g t r a c k i n t e r f e r o m e t r y ，简称a t i ) 技术、相位中心偏置天线( d i s p l a c e dp h a s ec e n t e ra n t e n n a ， 简称d p c a ) 技术、空时自适应处理( s p a c e t i m ea d a p t i v ep r o c e s s i n g ，简称s t a p ) 技术等。 沿迹干涉( a t i ) 技术最早应用在海洋表面速度的测量，早在1 9 7 4 年就由美 国宇航局( n a s a ) 的g r a h a m 提出，1 9 8 6 年由美国喷气推进实验室( j p l ) 的h a z e b k e r 和r m g o l d s t e i n 等人在理论和实践上进行了完善和发展。a t i 理论于 上个世纪八十年代中期到九十年代初期由上述两个机构进行了验证，获得了相关 的试验数据和良好的试验效果。随后该方法得到了进一步的发展，在多个实际系 统中得到应用，它不仅能够用于海洋流速测量、海上动目标速度检测等，还能应 用于地面动目标的检测，而且被证明能够获得较好的检测效果。a t i 技术的实现是 通过沿方位向放置两路或多路相位中心，然后利用两通道数据的干涉相位来对消 杂波，并获得运动目标的距离向速度信息。基线长度的局限性限制了该方法的应 用，提高检测性能需要加大基线长度，同时会导致速度检测范围的变窄。然而， 随着分布式s a r 系统的提出，a t i 技术的难题变得可以被克服，其应用也越来越 广泛。目前，a t i 技术被成功应用于机载s a r 、星载s a r 和分布式星载s a r 系 统上，对地面目标和海上目标都能进行显示和成像。 相位中心偏置天线( d p c a ) 技术是多通道s a r g m t i 动目标检测技术中的 一个典型方法，早在上个世纪八十年代就已经开始使用。d p c a 技术使用两个或多 个相位中心，通过移位相位中心补偿掉由于载机运动带来的多普勒展宽，使得杂 波多普勒频谱带宽变窄，进而能够检测出运动目标，尤其是被主瓣杂波频谱遮挡 的慢速运动目标。由于使用该方法时载机速度、脉冲重复频率和相位中心间距之 间必须满足严格的约束条件，使其在实际应用中受到了一定的限制。近年来随着 新技术的不断发展，该方法也不断得到更新和完善，使用范围得到进一步扩展。 d p c a 技术是s t a p 技术最简单的情况，较之于s t a p ，d p c a 的工程实现要简单 得多，深入研究d p c a 技术在科学研究和工程实现上都具有重要的意义。 s t a p 技术起源于1 9 7 3 年美国著名科学家b r e n n a n 和r e e d 所提出的空时二维 自适应处理理论，该理论将一维空域滤波理论成功地推广到空时二维域上，并在 高斯杂波背景加确知信号的模型下，根据似然比检测理论推导出一种空时二维自 适应处理器，即“最优处理器”。理论上，s t a p 采用了空间与时间二维联合的自 适应处理方式，具有很大的灵活性，能理想地抑制杂波与干扰。但是通常情况下， 随着时间维数和空间维数的增大，最优处理器的运算量也随之快速增大。因此， s t a p 技术在工程实现中相当困难，其应用受到了一定的限制。 运动目标检测和成像是s a r g m t i 要完成的基本功能和难点之一，如何高效 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 地检测出运动目标、确定目标运动速度及其位置并对这些动目标进行成像是s a r 运动目标检测和成像的主要任务。国内有关s a r g m t i 技术的研究工作进展也较 快，中科院电子所、国防科学技术大学、西安电子科技大学、北京航空航天大学 以及电子科技集团3 8 所等单位一直在积极开展s a r g m t i 技术研究，在开展大量 研究工作的基础上也积累了较多的优秀成果。 综上所述，s a r g m t i 信号处理主要包括距离预处理、地面运动目标的距离 徙动校正、运动补偿、杂波抑制、运动参数估计和运动目标成像等内容。本课题 研究的关键内容主要有： 机载s c a n g m t i 技术的工作原理 s c a n g m t i 技术是一项全新的g m t i 技术，其创新之处在于采用窄波束扫描 的方式，解决了g m t i 与广域侦察对天线方位波束要求的矛盾，从而大大提高了 地面运动目标的检测性能。然而，与常规g m t i 技术不同的工作方式也使得其信 号处理具有新的特点。因此，深刻理解机载s c a n g m t i 技术的工作原理是研究 s c a n g m t i 信号处理的前提和重点。 杂波抑制 载机运动会导致杂波谱展宽。当机载雷达处于下视状态时，运动目标信号会 淹没在强大的杂波中。因此，慢速运动目标往往处于杂波谱的内部或边缘，很难 通过多普勒频谱将运动目标信号滤除出来。为了检测出运动目标，实现地面运动 目标与静止目标或场景的分离，必须先进行地杂波抑制。 多通道校正 杂波抑制是动目标检测的首要问题。无论是采用杂波抑制的常规方法( a t i 、 d p c a 、s t a p ) 还是改进的多通道干涉仪方法来实现动目标检测，都要求阵列天 线各通道具有良好的幅度和相位一致性，否则会大大降低杂波抑制性能。然而， 在多通道s a r g m t i 系统中，各个单通道都包括阵元和馈电线路、射频放大与变 频、中频处理、q 支路和a d 变换等模拟器件，任一环节有误差都会引起通道间 的不一致。此外，由于模拟器件及其所构成的电路不可避免地存在特性上的差异， 并且在工作中模拟电路的状态也会不断的变化，所以对于众多的接收通道要求其 工作特性在任何时刻完全一致是不可能的。因此为保证雷达良好的检测性能，必 须校正补偿通道间的不一致性。 1 3 本文研究的主要内容 本文针对上一节所阐述的三项关键内容展开讨论和研究。论文一共由六章组 成，各章研究的主要内容和结构安排如下： 第一章为绪论。首先描述了机载s c a n g m t i 技术的研究背景和意义，然后介 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 绍了国内外机载s c a n - g m t i 技术和动目标检测技术研究的历史和现状，总结出本 课题研究的关键内容，最后阐述了论文的主要内容和结构安排。 第二章为s c a n g m t i 技术的工作原理。重点研究了s c a n g m t i 技术的工作原 理；分析了s c a n g m t i 技术的性能，并与常规条带模式s a r 相比较，讨论了两者 性能的优劣；结合s c a n g m t i 性能分析，总结提出了s c a n g m t i 系统参数设计流 程；最后根据p a m i r 中的s c a n g m t i 模式下系统参数的设计验证了此设计流程 的正确性。 第三章为s c a n g m t i 机载雷达地杂波谱分析。简单介绍了机载雷达地杂波模 型；在此基础上，对s c a n g m t i 机载雷达的地杂波谱进行了重点研究和分析；最 后，就本章相关的结论做了仿真验证并给出了仿真结果。 第四章为s c a n g m t i 机载雷达杂波抑制。简要介绍了d p c a 的基本理论：重 点分析和推导了双天线数据时域d p c a 算法和数据多普勒域d p c a 算法，并给出 大量仿真实验结果说明了两种d p c a 算法的适用范围；最后给出基于数据多普勒 域d p c a 算法的s c a n g m t i 机载雷达杂波抑制方案，仿真结果验证了方案的正确 性和可行性。 第五章为s c a n g m t i 机载雷达多通道校正。简要讨论了接收机系统幅相误差 来源及其对回波信号的影响；结合三通道s a r g m t i 地面试验雷达系统，重点研 究了多通道校正，并提出了一种小时宽带宽积l f m 体制下多通道校正方法；最后 结合实际系统参数，对实测数据进行处理并给出了试验结果。 第六章为结束语。总结全文并展望进一步改进的工作。 综上所述，本文的组织结构如图1 2 所示。 体制下多面道校正 图1 2 论文组织结构图 塞 自 第7 页 国防科学技术火学研究生院硕十学何论文 第二章s c a n g m t i 工作原理 为了打赢现代高技术条件下的局部战争，必须实时、准确地获取敌方在战场 上的兵力部署、火力配备、集结地域以及调动情况。这样才能获得局部战场上的 信息优势，正确掌握战场态势，迅速把握战机，从而做出正确决策并取得战争胜 利。随着军事装备的不断发展，使得现代战争形成了战场范围广、目标机动性大 的特点，这就要求现代机载侦察预警雷达系统具备高性能的广域g m t i 功能 不仅希望雷达具有好的g m t i 能力，还希望雷达具有很大的探测范围，以满足现 代局部战争的要求。一方面，为了实现好的g m t i 能力，就需要雷达具有好的地 杂波抑制能力和方位位置估计精度，从而希望天线的方位波束要窄；另一方面， 为了实现广域侦察和快速反应，希望天线的方位波束要宽。因此对于常规固定波 束g m t i 雷达系统来说j 广域g m t i 功能对于天线方位向波束宽度的选择是矛盾 的。s c a n g m t i 技术采用将窄波束进行扫描的方式工作窄波束可以实现好的 g m t i 能力，而扫描可以实现广域侦察，从而解决了常规固定波束雷达无法同时实 现好的g m t i 能力和广域侦察能力的矛盾，实现了广域g m t i 功能。 本章首先重点研究了s c a n g m t i 技术的工作原理，并在此基础上分析了 s c a n g m t i 技术的性能，并与常规条带模式s a r 相比较，讨论了两者性能的优劣； 然后结合s c a n g m t i 性能分析，总结提出了s c a n g m t i 系统参数设计流程；最后 根据p a m i r 中的s c a n g m t i 模式下系统参数的设计验证了此设计流程的正确性。 2 2s c a n g m t i 技术的基本理论 2 2 1 机载s c a n g m t i 技术的基本原理 机载雷达在s c a n g m t i 模式下，不仅具有好的地杂波抑制能力和方位位置估 计精度，还能够在宽广的场景中快速检测运动目标，即实现广域g m t i 功能。图 2 1 示出了机载s c a n g m t i 技术的工作原理。如图2 1 ( a ) 所示，雷达系统在一个波 束指向角发射完一系列脉冲串信号后，天线就规则地依次转动到其他波束指向角 发射信号，这样就能成功扫描到比常规固定波束雷达更加宽广的场景，如图2 1 ( ” 所示，从而解决了常规固定波束雷达无法实现广域g m t i 功能的矛盾。与此同时， 为了获得较好的杂波抑制性能和准确的方位位置估计，机载雷达要求窄的天线方 位向波束宽度。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图2 1 机载s c a n g m t i 技术工作原理示意图 2 2 2机载s c a n g m t i 技术的性能分析 从上节对机载s c a n g m t i 技术工作原理的分析可以看出，机载雷达在 s c a n g m t i 模式下的距离向测绘范围和距离向分辨率与常规条带模式s a r 相同。 而在方位向上，由于其天线采用方位向扫描的工作方式，方位向测绘范围和方位 向分辨率具有新的特点。本小节主要从方位向测绘范围和方位向分辨率的角度对 机载s c a n g m t i 技术性能进行分析和讨论，并与常规条带模式s a r 相比较，分析 两者性能的优劣。 2 2 2 1 方位向测绘范围 机载雷达在s c a n g m t i 模式下一次扫描方位向的测绘范围如图2 2 所示。在 一次扫描时间乙内，载机在飞行的过程中天线完成一次方位向扫描。 正侧说条带模式天线波束 s c a n g m t i 模式天线波束 图2 2s c a n g m t i 机载雷达一次扫描方位向测绘范围示意图 第9 页 国防科学技术入学彬f 冗生院硕十学位论文 由图2 2 易知，对于s c a n g m t i 机载雷达来说，其测绘范围包括载机在一次 扫描时间内飞行飞过的距离和天线方位向扫描所扩大的测绘范围。因此 s c a n g m t i 机载雷达一次扫描方位向的测绘范围乙为： 丘啪= 屹乙+ 屯乙疋+ 屹乙( 2 1 ) 其中v 口为载机飞行速度，z 。为天线方位向一次扫描时间，匕为天线方位向转动 速率，r c 为中心斜距，瓦。为合成孑l 径时间。 对于正侧视条带模式s a r 来说，其方位向的测绘带范围为，砌为： 乙御= 屹瓦。+ v 口 1 名 与常规条带模式s a r 一样，s c a n g m t i 模式下的雷达回波信号经过方位向合 成孔径后，方位向分辨率由雷达方位向的多普勒带宽只决定： 成= 詈 ( 2 6 ) d 口 而s c a n g m t i 模式下雷达方位向的多普勒带宽吃一为： 吃一= m 一= 蚓警= 争 ( 2 - 7 ) 其中k 。是雷达方位向的多普勒调频率。 因此，s c a n - g m t i 模式下的方位向分辨率为： 第1 0 页 国防科学技术入学硼f 究生院硕十学何论文 岛一= = c r p o 卿= 等 p o 耵印 ( 2 8 ) u 0s c 其中，是天线横向长度。由此可知，s c a n g m t i 模式下天线的方位向扫描能比 常规条带模式s a r 获得更大的方位向测绘范围，却带来了方位向分辨率变差的不 利影响。 我们还可以从等效天线孔径来分析方位向分辨率【2 l 】。图2 3 为等效天线孔径示 意图，载机沿0 7 ( 轴以速度屹作匀速直线运动，天线方位向转动速率为乞，测绘 场景中心到载机飞行航迹的距离为尼。 。i oi 一 。 ) 融 爿 尸 l 露孰震底霹底震念 矽鬟秽 y 图2 3 等效天线孔径示意图 g o 瞰) 】- g o s i nc 2 ( 妄刃= g 0s i n c 2 万l 百v a t ) ( 2 9 ) 对于常规条带模式s a r 来说，由于其天线固定，则天线方向图为： g as t r i p 】= g o s i n c 2 ( ( j l 百v o v ) ( 2 1 0 ) 对于s c a n g m t i 模式来说，由于其天线方位向的扫描，则天线方向图变为： g a $ c a y l 口( f ) 】= g os i n c 2 万l 。百vr + 怫) 】 ：g o s i n c 2 去等( 1 + 半) 】 = g o s i n c 2 【了a c l 万v a t 】 由式子f 2 1 1 、) 可知，此时s c a n g m t i 模式可以等效为天线横向长度是三= a l 的 第1 1 页 国防科学技术人学研究生院硕十学