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《西安电子科技大学》 2007年
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双/多基SAR成像算法研究

张振华  
【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。
【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】:2007
【分类号】:TN958

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 武拥军;吴先良;;基于Chirp-Z变换的串行双站斜视SAR成像算法[J];电子与信息学报;2010年02期
2 武拥军;吴先良;;基于CZT的机载并行双站斜视SAR成像算法[J];航空学报;2010年04期
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4 高昭昭;梁毅;邢孟道;张守宏;;双基地逆合成孔径雷达成像分析[J];系统工程与电子技术;2009年05期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郭交;分布式卫星干涉合成孔径雷达信号处理关键技术研究[D];西安电子科技大学;2011年
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3 高昭昭;高分辨ISAR成像新技术研究[D];西安电子科技大学;2009年
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5 丁金闪;双基合成孔径雷达成像方法研究[D];西安电子科技大学;2009年
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9 刘楠;多发多收干涉合成孔径雷达高程测量关键技术研究[D];西安电子科技大学;2009年
10 谢晓春;压缩感知理论在雷达成像中的应用研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2010年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前6条
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
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【共引文献】
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10 谢宜壮;朱柏承;汪精华;;星载SAR实时成像处理系统结构设计[J];兵工学报;2010年S2期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 廖汉程;毛士艺;;SAR数字图像后处理系统的硬件与软件设计[A];第十届全国信号处理学术年会(CCSP-2001)论文集[C];2001年
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5 刘颖;廖桂生;王洪洋;;一种新的多通道成像卫星误差校正方法[A];第十二届全国信号处理学术年会(CCSP-2005)论文集[C];2005年
6 胡爱明;胡可欣;;自适应数字波束形成技术(DBF)在雷达中的应用[A];第十三届全国信号处理学术年会(CCSP-2007)论文集[C];2007年
7 赵哲;许人灿;陈曾平;;一种改进的ESPRIT成像算法[A];第十三届全国信号处理学术年会(CCSP-2007)论文集[C];2007年
8 杨剑;陈曾平;刘万全;;基于多DSP的雷达成像处理平台设计[A];第十三届全国信号处理学术年会(CCSP-2007)论文集[C];2007年
9 黄艺毅;王军锋;刘兴钊;;双站ISAR成像算法的研究[A];第十三届全国信号处理学术年会(CCSP-2007)论文集[C];2007年
10 祝本玉;薛磊;史军军;;基于ULAM混沌的ISAR干扰技术研究[A];第十四届全国信号处理学术年会(CCSP-2009)论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陶秋香;PS InSAR关键技术及其在矿区地面沉降监测中的应用研究[D];山东科技大学;2010年
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3 李晓明;ENVISAT卫星ASAR波模式数据海浪反演算法研究[D];中国海洋大学;2010年
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5 刘吉英;压缩感知理论及在成像中的应用[D];国防科学技术大学;2010年
6 王力宝;多输入多输出合成孔径雷达关键技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
7 王怀军;MIMO雷达成像算法研究[D];国防科学技术大学;2010年
8 贺思三;微动目标高分辨雷达信号建模及特征提取[D];国防科学技术大学;2010年
9 杨科锋;移变双基地SAR特性与成像方法研究[D];国防科学技术大学;2009年
10 李金梁;箔条干扰的特性与雷达抗箔条技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 史卫平;DInSAR技术及其在矿区地面沉降监测中的应用研究[D];山东科技大学;2010年
2 姚冰;合成孔径声纳成像及目标检测与识别技术的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 罗卿莉;测绘困难区域星载干涉SAR基线估计与地理编码技术研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
4 魏钜杰;复杂地形区域合成孔径雷达正射影像制作方法研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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7 赵军,肖业伦;用于对地观测定位的编队飞行卫星群轨道构形设计[J];宇航学报;2003年06期
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中国重要报纸全文数据库 前10条
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2 别卫青;校园里的健身俱乐部[N];中国体育报;2004年
3 贾志敏 秦 明;用网络传递国情校情友情[N];陕西日报;2005年
4 强建周 秦明 柯昌万;夯实工程教育的根基[N];中国教育报;2006年
5 强建周 秦明 张哲浩;夯实工程教育根基[N];科技日报;2006年
6 记者 侯树金;厚重文化引纳人才[N];西安日报;2007年
7 记者 文艳;市政协委员视察我市节能减排工作[N];西安日报;2008年
8 实习生 李萌 本报记者 李凝;一流大学是我们的努力方向[N];科技日报;2002年
9 本报记者 柯昌万 通讯员 秦明;凝聚在党的旗帜下[N];中国教育报;2003年
10 本报记者 柯昌万 通讯员 强建周;给学生一碗“心灵鸡汤”[N];中国教育报;2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张振华;双/多基SAR成像算法研究[D];西安电子科技大学;2007年
2 丁金闪;双基合成孔径雷达成像方法研究[D];西安电子科技大学;2009年
3 孙进平;机载聚束模式合成孔径雷达的成像算法研究[D];北京航空航天大学;2001年
4 张升康;双基地合成孔径雷达同步与成像算法[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2007年
5 杨永红;星机双基地SAR成像机理与算法研究[D];电子科技大学;2008年
6 马仑;分布式小卫星SAR宽域、高分辨率成像方法研究[D];西安电子科技大学;2008年
7 钟华;双站合成孔径雷达成像算法研究[D];上海交通大学;2009年
8 岳海霞;合成孔径雷达回波信号模拟研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2005年
9 刘光炎;斜视及前视合成孔径雷达系统的成像与算法研究[D];电子科技大学;2003年
10 李军侠;SAR图像噪声抑制和局部特征提取[D];西安电子科技大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杨蒿;连续波合成孔径雷达成像技术研究[D];电子科技大学;2008年
2 裘磊;机载合成孔径雷达成像及定位[D];西安电子科技大学;2006年
3 闵锐;高分辨力机载SAR成像处理研究[D];电子科技大学;2003年
4 卞英琳;合成孔径雷达成像模拟仿真系统[D];南京理工大学;2004年
5 黄晓芳;反舰导弹雷达导引头成像算法研究[D];西安电子科技大学;2006年
6 王晋君;图形处理器在锥束CT成像中的应用研究[D];首都师范大学;2009年
7 吕波;合成孔径雷达R-D成像算法研究[D];南京航空航天大学;2002年
8 张洪立;SAR原始信号仿真研究[D];西北工业大学;2003年
9 苏军海;实时SAR成像系统研究[D];西安电子科技大学;2006年
10 刘伟;基于精确电磁建模的散射中心成像[D];电子科技大学;2008年
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