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高分辨率宽测绘带合成孔径雷达成像模式及算法研究

左伟华  
【摘要】:合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)具有全天时、全天候对地成像能力。全球资源监测、大范围地图测绘等应用常要求SAR同时具备高分辨率和宽测绘带成像能力。这使得高分辨率宽测绘带(High resolution wide swath,HRWS)成像成为未来SAR发展的一个重要方向。然而传统SAR成像平台及模式在获得HRWS成像时均存在局限性。对采用传统成像模式的星载平台而言,高分辨率和宽测绘带成像对方位向采样率提出了相互矛盾的要求;机载平台飞行高度低,无法实现宽测绘带成像。寻找新的成像平台、提出新的成像模式、研究新成像模式下的信号处理方法等成为HRWS成像的主要研究方向。本文围绕HRWS成像开展研究工作。这些研究工作从不同的技术途径解决HRWS成像问题,具体如下所述。1.提出一种基于方位向波束切换的临近空间慢速平台HRWS成像模式。临近空间平台飞行高度适合于宽测绘带成像。慢速平台飞行速度为数十米每秒,高分率成像时所需方位向采样率低,从而解决了高分辨率与宽测绘带成像对方位向采样率要求相互矛盾的问题。然而临近空间慢速平台SAR采用传统成像模式时,缓慢的平台移动速度导致其成像效率非常低。本文提出一种基于方位向波束切换的成像模式以解决这一问题。其基本思路为将待成像方位向场景划分为数个子场景,同时将所需方位向采样率提高相同数倍,在不同的方位向采样点,轮流照射不同方位向子场景,以提高成像效率。研究了方位向采样率提高倍数对方位向子场景成像斜视角、成像质量及整体成像效率的影响。2.研究了一种基于压缩感知的Scan SAR高分辨率宽测绘带成像方法。Scan SAR可获得宽测绘带成像,然而各子测绘带方位向采样不完整,存在方位向成像分辨率低的问题。本文基于压缩感知技术,在场景稀疏的前提下,利用各子测绘带不完整的方位向采样数据,重建出完整的方位向回波,解决其成像分辨率低的问题。建立了Scan SAR子测绘带方位向回波稀疏化表示的信号模型,提出了一种方位向回波随机采样的方法。3.提出一种具备短期重复访问功能的星载SAR高分辨率宽测绘带成像模式。短期重复访问功能在监测地面变化时具有良好的应用前景。所提出的成像模式采用方位向前后两个发射波束同时对地面进行照射来实现重复访问。两个发射子波束的回波在快时间域是重叠的;同时多普勒带宽为传统条带模式的两倍。为保证宽测绘带成像,接收天线采用多相位中心方位向多波束(Displaced phase centermultiple azimuth beam,DPC MAB)的配置来降低方位向采样率。方位采样率的降低导致子波束的回波在二维频域完全混叠。提出一种基于数字波束形成(Digital beamforming,DBF)的多波束多通道重建算法(Multiple beam multiple channel reconstruction algorithm,MBMCA)对完全混叠的子波束回波进行分离和重建。给出了一种星载系统设计方案,并通过数值仿真验证了所提出成像模式及信号处理方法的正确性及有效性。4.提出一种基于子场景拼接的方位向宽场景聚束SAR成像模式。所提出成像模式通过对方位向待成像场景划分为多个子场景、分别对子场景成像及子场景图像拼接,来弥补聚束SAR方位向成像场景小的不足。不同方位向子场景成像斜视角不同,方位向分辨率及待成像场景宽度的提高,均导致两侧子场景成像斜视角剧增。本文侧重研究解斜接收下大斜视聚束SAR回波信号的聚焦问题。提出一种时域去除距离走动的扩展的Frequency Scaling算法(EFSA),对EFSA的处理步骤进行了详细的推导。


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