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双/多基SAR成像算法研究

作　者: 张振华
导　师: 保铮
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 双基SAR 分布式小卫星SAR 瞬时多普勒频率成像算法 DMO等效单基相干性
分类号: TN958
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

分布式小卫星是近年来提出的一种新概念、新体制,它利用一颗在轨星载SAR(也可以重新发射)作信号源,在其前/后发射若干小卫星接收地面回波信号,从而实现一颗卫星不可能完成的功能,如:高分辨宽幅成像,地面高程测量,地面运动目标检测,测洋流等。为了防止碰撞,小卫星和主星的间距一般比较远,所以对小卫星接收的回波数据不能直接用单基成像算法进行成像。另一方面,SAR图像又是实现分布式小卫星系统上述各项功能的前提和基础。因此双基SAR成像算法的研究成为现在雷达界的热点,也正是本文选题的一个主要原因。虽然本文是以分布式小卫星为基础,但为了突出双基SAR的特点,对机载双基SAR也进行了研究,而且主要构形为具有方位平移不变性的平行轨道双基SAR系统,因为在合成孔径时间内,收发平台都可以认为以恒定的速度等速运行。双基SAR系统的点目标斜距历程为收发斜距和的双根号形式(称为“平顶双曲线”),与单基SAR系统相比,随方位时间与最近距离的变化减弱,因此双基SAR的聚焦深度增加,徙动量减小,这是一个有利因素。但由于相位历程为双根号形式,用驻相点法很难得到其精确的多普勒域解析表达式。这对设计快速的双基频域成像算法造成一定的困难。本文提出一种基于瞬时频率法推导双基SAR回波信号二维频域解析表达式的方法。从得到的表达式,一方面可以清晰地看出双基与等效单基的关系,易于在单基SAR的基础上理解双基SAR,另一方面可以方便地分析各个参数对成像的影响。表达式中包含几个双基独有的参数:最近距离和、最近距离差、半类双基角。如果以最近距离和作为距离变量,则双基成像算法首先要解决后两个变量在方位(指多普勒)和距离(指最近距离和)的二维空变问题。通过两次泰勒级数近似可得到半类双基角和最近距离差随多普勒和距离二维变化的近似表达式,进而提出一种计算复杂度不高,且适用于高分辨宽幅的双基距离徙动成像算法(RMA)。在大斜视情况下,半类双基角和最近距离差的二维空变比较严重,用上述近似处理还存在误差。因此本文提出用数值计算方法获得这两个参数的方法,然后代入点目标频域响应函数得到一种精确的数值RMA成像算法。由于RMA算法需要进行“类stolt”插值,运算量比较大,另外,插值误差还会影响SAR图像的初相,增大后续干涉处理的相位误差。因此基于上述点目标频域响应函数提出一种不需要插值、高保相、高效率的双基CS成像算法。实现此算法的关键是把表达式中随纵向距离空变的参数进行线性化处理。上面两种成像算法的思想是把单基SAR里相应的成像算法进行推广,另一种思路是把双基的回波数据经过补偿变为某个等效单基的回波数据,然后按照单基的成像算法去成像,即等效单基法。此方法的好处是避开双根号积分问题。原理上,即使SAR具有很高的分辨率,一个像素仍相当于一复杂目标,其回波有很强的方向敏感性,双基回波不能用单基来等效。但在BORN一阶近似的前提条件下(即忽略二次和多次散射现象),可以把散射点看作是独立的点目标。这时,就可以把双基SAR的回波数据等效为一定视角的单基SAR回波数据,因为这时它们的区别只是在波程差上。常规的等效相位中心法(EPC)是把双基等距线椭圆补偿为圆心在收发中点,与椭圆相交的一系列圆。在远场条件满足时,此方法是完全精确的。在基线较长时,需要补偿掉随距离和多普勒二维变化的一个相位,并且基于如下近似:等效单基和双基的多普勒相等。此近似只在基线较短时成立。DMO方法是从地震成像学中推广过来的,此方法把双基等距线(椭圆)等效为一系列与之相切的圆,这些圆的圆心和半径(分别对应等效单基的位置和斜距)各不相同,圆半径和椭圆长轴之间的差就是需要补偿的斜距。根据SAR系统具有包络缓变和相位快变的特点,对补偿函数分两步进行:首先在距离多普勒域对影响相位的部分精确补偿,然后在二维频率域用场景中心线的包络补偿函数对全场景进行统一补偿,也可以分距离块进行更精确的补偿。本文给出用几何关系推导DMO补偿函数的全新方法,并提出了实现精确补偿的变标傅氏变换法,但此方法的缺点是运算量很大。DMO等效单基改变了双基回波信号的距离向波数,从而带来很大的好处,首先,它没改变双基回波的多普勒波数;其次,它没有改变双基系统的方位和距离分辨率特性;另外,它没有改变双基SAR图像的干涉特性(此单基和双基得到的SAR图像完全相干),完全可用于基于SAR图像的干涉后处理。分布式小卫星SAR系统(比如Cartwheel构形的主辅式小卫星SAR系统)的一个重要应用就是利用多个接收小卫星得到的双基SAR图像进行地面高程测量和动目标检测,完成这两项任务首先要保证每幅SAR图像具有高保相性(即在成像处理过程中没有破坏初相),其次还要保证图像对之间具有较高的相干性。本文分析了双基SAR图像的初相,以及地形起伏对双基SAR图像的影响,在DMO等效单基思想的基础上,提出一种利用两幅双基SAR图像的等效视角谱匹配来提高具有水平基线双基SAR的干涉预滤波方法。此方法可以把双基SAR图像对中由于基线引起的非相干成分全部滤除。信噪比问题是分布式小卫星SAR系统面临的一大难题,在主星带伴随小卫星群体制的分布式小卫星系统中,主星是已有的SAR卫星,用来发射信号,其发射信号的平均功率比较低,一般为100-300瓦,这一功率是按照自发自收模式下满足最小功率孔径积的要求设计的,一般不会留有很多的余量。而接收回波信号的形佬堑奶煜呙婊冉闲?方位向直径一般设计为1-2米,(Cartwheel中天线面积为4.5m~2),因此小卫星分布式SAR系统的信噪比会比主星低,我们分析了信噪比下降后对提高成像分辨率、干涉处理等方面的影响,并提出用多通道相干或非相干处理提高信噪比的方法。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-15
第一章绪论  15-31
  §1.1 双基SAR系统概述  15-16
  §1.2 双基SAR系统的发展  16-22
  §1.3 双基SAR系统需解决的难题  22-24
  §1.4 论文的内容和安排  24-25
  本章参考文献  25-31
第二章双基SAR系统的特点  31-41
  §2.1 双基SAR系统构形及信号模型  31-32
  §2.2 斜距(相位)历程与等距线  32-34
  §2.3 多普勒特性  34-35
  §2.4 分辨率特性  35-37
  §2.5 输出图像坐标与地面坐标的关系  37-39
  §2.6 小结  39
  本章参考文献  39-41
第三章平行双基合成孔径雷达成像的频域分析  41-61
  §3.1 引言  41
  §3.2 平行双基SAR点目标回波信号的多普勒域表达式  41-45
    §3.2.1 利用瞬时频率法求单基回波信号的多普勒域表达式  41-43
    §3.2.2 利用瞬时频率法求解双基SAR回波信号的多普勒域表达式  43-45
  §3.3 双基SAR的RMA成像算法  45-56
    §3.3.1 场景中心线上点目标的匹配滤波  45-49
    §3.3.2 全场景的成像算法  49-51
    §3.3.3 半类双基角空变量△β的近似分析  51-54
    §3.3.4 最近距离差R_(B△)的近似分析与补偿  54-56
  §3.4 仿真  56-57
  §3.5 小结  57-58
  本章参考文献  58-61
第四章平行双基SAR的CS成像算法  61-69
  §4.1 引言  61
  §4.2 平行双基SAR的CS算法推导  61-64
  §4.3 仿真  64-67
    §4.3.1 仿真参数  64-65
    §4.3.2 距离徙动  65-66
    §4.3.3 成像结果  66-67
  §4.4 小结  67
  本章参考文献  67-69
第五章双基SAR的等效单基成像算法  69-91
  §5.1 等效单基算法的基本思想  69
  §5.2 等效相位中心(EPC)原理在双基SAR中的应用  69-76
    §5.2.1 天线等效相位中心原理  69
    §5.2.2 斜距差的计算公式  69-71
    §5.2.3 各种近似的适用范围  71-74
    §5.2.4 等效相位中心方法的实现  74-76
  §5.3 DMO等效单基算法  76-83
    §5.3.1 DMO等效单基的基本原理  76-77
    §5.3.2 DMO等效单基的特点  77
    §5.3.3 DMO等效单基变换的时域表示  77-80
    §5.3.4 DMO等效单基变换的多普勒域表示  80-82
    §5.3.5 DMO等效单基变换的近似处理  82-83
    §5.3.6 DMO等效单基法与瞬时频率法之间的关系  83
  §5.4 仿真  83-84
    §5.4.1 仿真参数  83-84
    §5.4.2 EPC等效单基法成像结果  84
    §5.4.3 DMO等效单基法成像结果  84
  §5.5 几种双基成像算法的比较  84-87
  §5.6 小结  87-88
  本章参考文献  88-91
第六章双基SAR图像对的相干性分析  91-115
  §6.1 引言  91
  §6.2 双基SAR图像的初相  91-92
  §6.3 地形起伏对双基SAR成像的影响  92-96
    §6.3.1 斜距模型  92-94
    §6.3.2 起伏地形斜距模型与水平地面斜距模型的差  94-95
    §6.3.3 定量分析  95-96
  §6.4 提高双基SAR图像对之间相干性的方法  96-102
    §6.4.1 相干系数的估计  97
    §6.4.2 一个像素单次回波完全相干的条件  97-99
    §6.4.3 双基SAR/GMTI处理中的方位预滤波方法  99-100
    §6.4.4 仿真  100-102
    §6.4.5 适用范围  102
  §6.5 信噪比对相干处理的影响  102-110
    §6.5.1 小卫星分布式SAR系统的信噪比  103-105
    §6.5.2 信噪比对小卫星分布式SAR系统高程测量的影响  105-106
    §6.5.3 信噪比对小卫星分布式SAR系统地面动目标检测的影响  106-107
    §6.5.4 信噪比对小卫星分布式SAR系统高分辨成像的影响  107-108
    §6.5.5 减小信噪比影响的信号处理方法  108-110
  §6.6 小结  110
  本章参考文献  110-115
第七章结束语  115-119
  §7.1 全文内容总结  115-117
  §7.2 工作展望  117-119
附录A 级数反演法  119-121
  本附录参考文献  119-121
致谢  121-123
作者在读期间的研究成果  123-124

双/多基SAR成像算法研究

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