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斜视条件下高分辨率合成孔径雷达成像技术

作　者: 王开志
导　师: 刘兴钊
学　校: 上海交通大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: SAR成像算法斜视SAR成像参数估计合成孔径成像
分类号: TN958
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)利用雷达系统与被探察目标之间的相对运动合成一个较大范围的雷达孔径,进而在方位向上获得较高的分辨率,以获得探测目标在方位向上较高的分辨率。合成孔径雷达的实现具有多种形式。其运载平台主要有机载、星载以及弹载等系统;装载于各运载平台上的雷达系统扫描方式有机械扫描的面阵系统和电子扫描相控阵系统等;SAR的工作模式有常见的条带(Stripmap SAR)、聚束(Spotlight SAR)和扫描(Scan SAR)以及混合模式(Hybrid SAR)。SAR的雷达天线波束指可以分为正侧视(Side Looking)和斜视(Squint Looking)。近年来还出现了多个SAR系统协同工作的分布式(Distributed SAR or Constellation SAR),主要采用星载方式实现。SAR利用雷达平台与成像目标之间的相对运动而产生的Doppler效应,在方位向上累积Doppler相位历史,形成一定的带宽。根据SAR飞行平台的运动规律将同一目标的回波校正至相同距离门,再通过匹配滤波等脉冲压缩方法在方位向上获得与距离向相当的分辨率。随着SAR系统应用领域的拓广,要求SAR系统可以在更加灵活多样的模式下工作,具有更高的分辨率,在更为严酷的条件下仍然可以获得较为满意的图像结果等。这些都为SAR的信号处理提出了新的挑战,主要体现在以下几方面。首先,在大斜视角条件下,大场景的成像算法。由于SAR系统采用大斜视角的波束指向,使得距离-Doppler (Range-Doppler, R-D)域内距离向与方位向信号的非线性耦合非常强,需要采用更加精确的描述以实现去耦合成像。此外耦合函数是距离相关的,在对距离与方位的耦合关系进行精确描述的同时也使得不同距离门之间在模型参数上的差异变大,聚焦深度降低,使得对大场景的成像变得更加困难。在现有的成像算法中通常采用更高阶的多项式(3次)来逼近耦合的相位及其变化规律,或直接采用传递函数通过对SAR数据进行反滤波加以处理。其次,高分辨率成像算法。SAR的距离向分辨率与发射信号的带宽直接相关,通常可以通过提高发射带宽来获得更高的距离分辨率。为了获得较高的方位向分辨率同样可以通过增大方位带宽实现。具体而言,对于SAR系统可以采用更短的发射波长,更大的波束张角,提高合成孔径时间等;对于飞行平台而言可以降低高度缩短与目标间距离,提高飞行速度等。普遍上是通过加大合成孔径时间来加以实现的,但这样会带来更大的距离徙动。由于高分辨率,就要采用更加精确的数学模型来描述SAR的回波信号,这样就同样会产生第一点所描述的那些问题。第三,机载飞行平台的不稳定与星载平台的轨道弯曲。在高分辨率SAR系统中,平台的不稳定或者实际飞行轨道与理想模型之间的差异对SAR图像所带来的误差与SAR的分辨单元基本相当。所以这两者对高分辨率SAR图像的影响相当严重。此外这两种运动误差难以采用确定的表达式加以准确的描述。在现代的飞行系统通常带有高精度的姿态、定位以及运动传感器,可以得到飞行器在某些瞬时的姿态、运动和高度信息。如何在成像算法中融合这些信息成为关键。最后,参数估计、机动目标的识别与成像。在不能够获得足够精度的SAR平台运动信息的情况下,只有由SAR的回波信号中提取有关的成像参数。搭载于简单运动平台上的SAR系统,如无人机,低轨道小卫星等,通常情况下只能借助这种方法来实现精确的成像。随着SAR分辨率的提高,针对地面动目标的识别和成像算法显得非常重要。由于在成像算法中通常只采用针对地面静止目标的Doppler参数以及距离参数进行成像处理,这样会导致对动目标的成像失配、散焦。本文将侧重以上几方面,总结现有的算法和研究成果,针对斜视SAR系统成像过程中的一些问题进行研究,创新性的工作主要体现在:基于四次相位的斜视SAR条带成像算法。该算法在耦合项逼近多项式阶数和斜视角、场景宽度处理能力之间找到一个平衡点,克服了经典成像算法在斜视角处理能力和聚焦深度上的不足,同时将计算复杂度限制在可以接受的范围。基于去走动技术的斜视SAR条带成像算法。该算法改变以往只在Doppler域内解决方位和距离之间的耦合的做法,将解耦合分散在时域和Doppler域内完成以降低算法复杂度。基于频带拼接的斜视聚束SAR成像算法。该技术将斜视条带SAR的成像算法应用在斜视聚束成像中。利用条带斜视成像算法对各子孔径成像,再沿方位向将各孔径图像在频域内进行拼接。该算法对SAR系统的约束和要求较少,有利于系统设计,并且可以扩展应用到分布SAR系统等领域。基于图像质量测度的距离走动算法和频带拼接算法。基于信号时频关系的复杂谐波信号傅立叶变换计算方法。同时在本文中也研究了SAR成像系统的组成以及并行计算技术。综合以上所提出的算法以及实现技术可以较为完善的解决SAR系统在大场景、大斜视角条件下的成像问题。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-18
  1.1 合成孔径雷达发展及应用  11-13
  1.2 合成孔径雷达的分类以及工作方式  13-15
  1.3 SAR 成像信号处理  15-17
  1.4 本章小结  17-18
第二章 SAR 系统原理及模型  18-33
  2.1 距离模型  18-24
  2.2 回波信号模型及仿真  24-25
  2.3 成像原理  25-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章 SAR 成像算法综述  33-59
  3.1 SAR 回波信号分析  33-37
  3.2 常见SAR 成像算法概述  37-38
  3.3 距离-DOPPLER 成像算法  38-41
  3.4 CHIRP SCALING 算法  41-49
  3.5 扩展精确传递函数（EETF）算法  49
  3.6 算法仿真  49-58
  3.7 本章小结  58-59
第四章基于四次相位模型的成像算法  59-75
  4.1 由时频关系求复杂谐波信号的傅氏变换  59-64
  4.2 基于四次相位模型的成像算法  64-71
  4.3 仿真实验  71-74
  4.4 本章小结  74-75
第五章去走动技术在斜视SAR 成像中的应用  75-88
  5.1 概述及走动分析  75-77
  5.2 算法分析  77-81
  5.3 根据SAR 图像进行距离走动估计  81-84
  5.4 与经典CHIRPSCALING 算法的比较  84-85
  5.5 仿真实验  85-87
  5.6 本章小结  87-88
第六章基于频带拼接的聚束成像算法  88-101
  6.1 背景介绍  88-89
  6.2 聚束SAR 方位信号时频关系  89-91
  6.3 子孔径以及频带的拼接  91-95
  6.4 自动拼接算法  95-97
  6.5 仿真实验  97-100
  6.6 本章小结  100-101
第七章 SAR 成像算法的工程化开发  101-109
  7.1 SAR 成像引擎结构  101-102
  7.2 程序的并行化  102-105
  7.3 非实时SAR 成像基本计算方案  105-106
  7.4 SAR 图像样例  106-109
第八章全文总结  109-111
  8.1 主要结论  109-110
  8.2 研究展望  110-111
附录1 符号与标记  111-112
附录2 图表索引  112-115
附录3 表格索引  115-116
参考文献  116-122
致谢  122-123
攻读博士学位期间已发表或录用的论文  123-125

斜视条件下高分辨率合成孔径雷达成像技术

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