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《西安电子科技大学》 2010年
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SAR解多普勒模糊与双基SAR成像算法研究

刘保昌  
【摘要】:合成孔径雷达(SAR)是一种非常重要的遥感工具,相对于光学遥感和其它微波遥感设备,具有一些独特的优点。本论文主要对SAR成像中的两个相关内容进行了深入的研究:其一为SAR多普勒中心估计中的解多普勒模糊方法,其二为双基SAR成像算法。论文内容可概括为如下六部分: 第一部分,提出了一种SAR多普勒中心估计中的解多普勒模糊的新方法。通过对SAR回波信号进行分析发现:在压缩方位时间/距离频率域内,所有目标的轨迹所占据的距离频率带宽相同而且它们所呈现的斜率也相同,而此斜率与多普勒模糊数成正比。本部分提出的解多普勒模糊的新方法正是基于上述事实的。为了测量上面提到的斜率,给出了一种简化的Radon变换。在搜索Radon变换后图像中的“能量聚集点”时,利用熵来改善算法的稳健性。这种新的解多普勒模糊方法可直接得到多普勒模糊数的可靠估计,而且解多普勒模糊与估计基带多普勒中心是相互独立的。理论分析和实验结果表明,这种新的解多普勒模糊方法对中、高对比度的场景非常有效。除此之外,此方法还具有这样一个优点:只要场景中的运动目标所引起的多普勒频移不超过一个PRF,则运动目标不会对多普勒模糊数的估计结果造成影响。 第二部分,在Neo提出的MSR(级数反演)双基二维谱的基础上,提出了两种处理双基SAR数据的OMEGA-K成像算法,即一种简易的OMEGA-K算法和一种改进的OMEGA-K算法。推导这两种OMEGA-K算法的关键步骤是推导其距离频率映射函数,而推导距离频率映射函数的关键是如何对二维谱进行线性化。对于简易OMEGA-K算法,二维谱线性化的关键是利用了一个角度近似假设,而对于改进OMEGA-K算法,二维谱线性化的关键是在双基几何模型的地平面上引入一个参考向量(值得注意的是,在本部分中还详细研究了该参考向量的最优方向,而此最优方向为这样一个方向:在此方向上的所有点目标具有相同的零方位时刻瞬时多普勒频率)。对于中等双基配置结构(即双基基线不太长的情况),两种算法的聚焦性能差别不大,均能够取得较好的成像性能,此时,简易OMEGA-K算法的运算量较小,易于编程实现。对于极端的双基配置结构(即双基基线较长或合成孔径时间较长的情况),改进的OMEGA-K算法在聚焦性能上明显优于简易OMEGA-K算法,因此极端的双基配置结构适合用改进的OMEGA-K算法进行聚焦成像。 第三部分,针对已有的MSR双基距离多普勒算法,提出了一种更新聚焦函数所需的距离导数的新方法。推导这种方法主要利用了两点:第一点是在双基SAR几何模型的地平面上引入一个参考向量,第二点是利用了级数反演原理。这种新方法的主要特点是其具有“解析性”。因此,这种新方法易于编程实现且比较精确。值得注意的是,本部分提出的这种更新成像算法所需参数的新方法还用于了其它的双基成像算法(见下面将要提到的第四部分和第六部分)。 0第四部分,针对混合星载/机载双基SAR这种特殊的配置结构,对MSR双基二维谱进行了推广,得到了一种推广的MSR(EMSR)双基二维谱。这种EMSR双基二维谱适合处理混合双基SAR数据。为了推导EMSR双基二维谱,我们首先推导了“等效平移不变方位时间”。通过分析发现,该等效平移不变方位时间可以从物理意义上解释为发射天线平移不变方位时间与接收天线平移不变方位时间的加权和,而加权因子恰好分别为发射天线和接收天线的方位调频率与双基总的方位调频率之比。在推导EMSR二维谱的过程中,我们还推导了一个重要的参数,即“等效平台速度”。利用该等效平台速度,可以把聚焦后的SAR图像的坐标校正到地面方位坐标。本部分另外一个重点是把所推导的EMSR双基二维谱应用到MSR双基距离多普勒算法中。在应用MSR双基距离多普勒算法的过程中,利用了第三部分给出的更新距离导数的新方法。对于混合星载/机载双基SAR距离多普勒算法,本部分对若干问题进行了详细讨论,比如SAR图像坐标校正问题,确定方位不变区域大小的问题。 第五部分,利用“把双基SAR系统等效为单基SAR系统”的思想,推导了一种新的双基二维谱。这种新的双基二维谱的相位包含两部分:“等效单基”相位部分与“双基变形”相位部分。推导这种新的双基二维谱的关键步骤是利用个包含“一个三次项与一个四次项”的“代数算子”来补偿“双根号”与“单根号”之差,从而在补偿后,双基SAR系统可以等效为单基SAR系统,进而得到一种新的双基二维谱。这种新双基二维谱可以看作孙进平的二维谱的推广与改进,并且,它融入了"Rocca's smile"算子的思想。这种新的双基二维谱的相位可精确到四次项,并且此二维谱适用于“一般意义”上的双基SAR结构配置(如雷达平台速度不相等,雷达平台飞行轨迹不平行,雷达平台高度不相等)。另外,本部分还从理论上分析对比了四种双基二维谱(包括本部分推导的双基二维谱、孙进平的二维谱、LBF二维谱以及ELBF二维谱)并用仿真实验比较了它们的聚焦性能。理论分析与仿真结果表明本部分推导的新双基二维谱的应用范围最广泛且精度最高。 第六部分,基于第五部分推导的等效双基二维谱,推导了一种新的双基距离多普勒算法。为了推导这种算法,首先从二维谱的“等效单基”相位中分解出“二次距离压缩”项,然后把此项与“双基变形”相位项合并从而形成一个新的“双基变形”相位项。对于新的“双基变形”相位项,由于它是空间慢变的,因此我们可以在二维频率域内以“分块”的方式(在同一块内认为“双基变形”相位项不变)把其消掉。为了解决“距离走动”相位项与“方位调制”相位项随距离变化的问题,对第三部分给出的用于MSR距离多普勒算法的距离导数更新的方法作稍微改动,使得此方法能够对三个等效参数(即等效距离、等效速度以及等效斜视角)沿着距离进行有效更新。本部分所推导的距离多普勒算法易于编程实现,因为“距离走动”与“方位调制”的表达式具有“简洁闭合”的形式(而非复杂的级数展开形式)。就成像步骤而言,本部分推导的距离多普勒算法与传统单基距离多普勒算法相比,只是多了一个“更新等效参数”的步骤,这意味着传统的单基距离多普勒算法经过较小修改后可直接用于对双基SAR数据进行成像。另外,本部分还给出了一种运动补偿的方法。此运动补偿方法是在传统的“两步补偿”法的基础上修改得到的,而修改的关键步骤是沿着参考向量进行“距离相关的运动补偿”。仿真实验的结果表明本部分给出的运动补偿方法是有效的。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN958

【共引文献】
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