双基SAR成像算法研究

【摘要】：双基合成孔径雷达(BiSAR, Bistatic Synthetic Aperture Radar)是一种特殊构型的合成孔径雷达，它的接收机和发射机装载在不同的飞行平台上。这样的构型可以提高数据录取的灵活性，并且扩展SAR的应用领域。基于以上优点，双基合成孔径雷达在最近的几年得到了广泛的发展。由于收发异置，双基SAR回波信号的距离历程是两个根号和的形式，传统单基SAR的驻定相位点原理无法求得双基SAR回波信号在二维频率域的精确表达式。因此，用于单基SAR的频域算法将不再适用于双基SAR数据处理。针对上述问题，本论文主要对两个方面进行研究：(1)任意双基SAR回波信号的二维频谱；(2)双基SAR成像处理算法。本论文可以概括为以下几点： 1.提出了一种求解任意双基SAR回波信号二维频谱的新方法。实际上，驻定相位点可以看做是方位频率的隐函数。因此，可以用方位频率的级数将其表示。利用所得到的驻定相位点，信号的二维频谱也随即得到。和级数反演法(MSR,Method of Series Revision)频谱类似，这里所得到的频谱的精度都可以通过保留足够的项数而得到控制。从数学推导的角度上来说，隐函数导数的方法是MSR方法的一种推广。该方法不仅可以精度较高地得到任意双基SAR的二维频谱，在平行等速双基SAR的构型下，通过数学推导，可以将斜距历程中的双根号和的项化简为单根号项，这个特点对于简化后续的成像处理是有益的。作为一个例子，该部分还将所得到的频谱应用于成像算法，得到了适用于平行等速双基SAR构型的改进的距离多普勒算法，并且成功地得到了仿真数据的处理结果。 2.推导了一种针对任意双基SAR构型的等效单基频谱。首先，提出了一个等效单基斜距历程，这个斜距历程由等效单基部分和双基补偿部分组成。这两个部分包含了五个等效参数。通过这样的方法，可以构造一个只有一个根号的双曲线去替代任意双基SAR的双根号和的斜距历程。其中，等效单基部分包含三个等效参数，双基补偿部分包含两个等效参数。利用这样的斜距历程，任意双基SAR的瞬时斜距可以改写为一个单基斜距历程的形式。这样，基于这个近似的斜距历程，其二维频谱可以通过驻定相位点原理精确并且直接得到。需要说明的是，上述提到的等效单基斜距历程，其精度相当于对原始双基SAR斜距历程以方位时间为变量的四阶泰勒展开。因此，即使在非常极端的条件下，比如极高的分辨率以及极大的斜视角情况下，得到的频谱仍然精度很高，仍然可以适用于回波信号的聚焦。 3.将上一部分得到的等效单基频谱应用到改进的距离多普勒算法(RDA,Range Doppler Algorithm)，然后将该算法用于处理平行等速双基数据。这种改进的RDA有着和传统RDA相同的操作流程，但与传统RDA不同的是，改进的RDA当中，距离徙动校正和方位匹配滤波器是五个等效参数的函数。因此，在这五个等效参数未知的情况下，传统的RDA将无能为力。在引入等多普勒中心线(EDCL,Equal Doppler Center Line)的基础上，提出了一个求解五个等效参数的新方法。新方法利用级数反演法求解等效参数，其精度较高，并且比以往的数值计算更加容易操作。在平行等速双基构型下，仿真实验得到了良好的结果。同时，本部分的方法还应用到了实测数据的处理上。 4.提出一种求解回波信号的二维频谱的新方法，这个方法对单基SAR和任意双基SAR都适用。这里首先提出改进的有效波长(MEW, Modified EffectiveWavelength)。利用改进的有效波长，回波信号的二维频谱可以通过几何构型直接得到。对于单基SAR，其推导二维频谱求解可以避免运用驻定相位点时的解方程过程。对于任意双基SAR，求解二维频谱的过程中要用到一个假设，即在录取数据的过程中，发射机和接收机的方位时间相同(实际上这也是由双基SAR的时间同步决定的)。在这个假设的基础上，可以推导出两个独立的有效波长，这样得到的频谱具有极高的精度，并且表达简洁。和MSR相似，这个双基频谱的精度也可以通过增加级数的办法进一步提高。所得到的频谱在很极端的情况下(大斜视以及高分辨)，对数据的处理依然有效。 5.最后，基于上一部分的二维频谱提出两种分别针对单基SAR和平行等速双基SAR的改进Omega–K算法。值得指出的是，改进的Omega–K算法用到了改进的相位点乘以及改进的Stolt映射。这两个非常重要的操作步骤，使得新的算法相比传统的算法更加适合SAR数据处理。仿真数据和实测数据都验证了这两个改进算法的有效性。