合成孔径雷达原始回波模拟的研究

【摘要】： 合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种安装在运动载体上的高分辨率微波成像雷达，它以脉冲压缩技术获得距离向高分辨率，以“合成孔径”原理获得方位向高分辨率。合成孔径雷达原始回波模拟技术是一种用模拟的方法来研究合成孔径雷达的技术，它在合成孔径雷达的研究和性能分析中，具有十分重要的作用：它能模拟出合成孔径雷达的回波，用于合成孔径雷达系统性能的检验；它还可以用于测试和评价合成孔径雷达成像处理模型的性能，即检验各种成像算法，并分析出建立在不同模型上的算法的有效性；在原始数据里加上系统误差能预测对成像处理的影响；另外由于合成孔径雷达回波的非线性，地面特征信息的准确提取非常困难，合成孔径雷达模拟技术可以通过建立模型来帮助解释这种复杂的回波机制。 本文系统和深入地研究了SAR回波模拟中的相关内容，主要包括：大面积真实地面分布式场景的小面元Kirchhoff近似模拟方法，小区域复杂地物的时域有限差分(Finite Difference Time Domain，FDTD)方法的回波模拟，以上两种方法的联合仿真，视频和射频宽带噪声发生器的设计和实现。完成的主要工作和创新总结如下： 1．首次提出了一种将小面元Kirchhoff近似方法和时域有限差分法结合进行合成孔径雷达回波仿真的方法。小面元Kirchhoff近似方法对大面积地形的起伏、遮挡、倒置关系下的散射系数的计算具有速度上的优势，而FDTD方法可以对重点的小面积区域进行精确的后向散射系数计算，后者不但能够像前者一样反映目标的面散射特性，更能够计算目标的体散射效应、多次散射效应和绕射效应，并能描述目标的精细结构。将时域有限差分方法和小面元Kirchhoff近似方法结合共同仿真了平台上的垂直金属板场景，证明了其可行性。 2．将小面元Kirchhoff近似方法和基于布朗函数的分形插值算法相结合，对由稀疏高程模型描述的真实罗马地区分布场景进行了仿真模拟，仿真正确处理了复杂地物的遮挡关系、迎坡缩短等现象，最终图像中正确的反映了星辉效应、相干斑现象和各种极化方式、物体表面粗糙度对成像的影响。 3．在FDTD方法的吸收边界设计中基于完全匹配层(Perfect Matched Layer，PML)是各向异性有耗介质的理论，提出一种新的PML构造方法。该方法统一考虑PML中场量的更新，无需特殊处理PML的交界区域。通过使用降维和映射表技术，有效地存储该各向异性PML中涉及的额外场量，降低了算法的空间和时间复杂度。三维数值模拟结果表明，采用本文方法构造的八层PML性能优于传统的八层PML。 4．提出和实现了一种数字式微波宽带白噪声发生器，这种微波噪声发生器结合了数字式和模拟式的优点，具有覆盖频段大、带宽宽、重复性好的优势。分析了其中数字基带噪声发生器实测带内幅度平坦度较差的系统设计缺陷，首次提出了一种反SINC平方函数FIR(Finite Impulse Response)数字滤波器构建方法来补偿噪声在带内的幅度下降，实验证明有良好的效果。另外从理论和实验上论述了数字基带高斯白噪声发生方法中时域高斯统计特性和频域大带宽白色频谱是矛盾的，通过实验确定了既能够得到较好的带内平坦度又能保证良好的统计特性的输出带宽范围。