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高分辨率SAR成像处理技术研究

安道祥  
【摘要】:获得高质量和高分辨率图像是合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)追求的目标。随着SAR技术应用领域的推广,要求SAR系统可在不同体制和工作模式下具有高分辨率成像能力,并能在各种实际飞行条件下获得令人满意的高质量图像。本文结合工程实际应用,研究了低频超宽带SAR(Ultra-Wideband SAR,UWB SAR)、聚束SAR和大斜视SAR三种工作体制在高分辨率情况下的若干理论和技术问题。 本文主要内容概括如下: 1.统一了不同SAR频域成像算法的理论推导,分析了不同频域算法对高分辨率SAR的成像性能。针对SAR频域成像算法种类繁多,推导形式不统一的问题,本文基于SAR通用回波信号模型,给出了不同频域算法的统一形式推导。基于该推导过程,从SAR信号处理角度重新解释了扩展Omega-K算法(Extended Omega-K Algorithm,EOKA)的两维分离聚焦成像原理,较之前解释方法更容易理解。最后,以低频UWB SAR为例,对比分析了不同频域算法对高分辨率SAR的成像性能,所得结论为后续研究奠定了基础。 2.从理论上分析了平台运动误差对SAR成像处理的影响。具体工作为:(1)从理论上分析了航向速度误差对SAR成像处理的影响,得出随着SAR分辨率的提高或工作波段的降低,航向速度误差的影响越来越大的结论。(2)基于正弦平动误差模型,推导了非理想情况下的回波信号频谱形式,指出了不同平动误差造成SAR图像出现不同散焦现象的根本原因,并从理论上证明平动误差的幅度或频率越大,对SAR成像处理的影响越严重。所得分析结论为后续研究奠定了基础。 3.研究了基于回波数据的高分辨率UWB SAR运动补偿方法。针对无运动测量数据情况下的UWB SAR运动补偿问题,提出了基于回波数据的运动补偿方法。具体工作为:(1)根据UWB SAR实测数据特点,改进了传统基于多普勒调频率估计的运动补偿方法,提高了对UWB SAR实测数据的补偿效果。(2)针对平台速度误差变化导致回波距离聚焦精度下降的问题,提出了子孔径修正Stolt插值法。(3)为补偿UWB SAR图像中的二维空变高次相位误差,提出了图像分块自聚焦处理法,提高了UWB SAR实测图像的整体聚焦质量。 4.研究了基于运动测量数据和回波数据的小型机载高分辨率UWB SAR运动补偿方法。针对小型机载UWB SAR运动误差频率高,幅度大,不易补偿的问题,提出了结合低精度全球定位系统(Global Position System,GPS)测量数据和回波数据的三级运动补偿法。为提高基于GPS数据的粗补偿效果,提出了改进两步运动补偿法。该方法在保持对中/低频运动误差良好补偿效果的同时,具有更好的高频运动误差补偿性能。通过采用基于低通滤波器的位移数据平滑处理,消除了GPS系统测量误差的影响,并给出了低通滤波器截止频率的确定方法。 5.研究了基于去调频技术的高分辨率聚束SAR成像方法。为解决具有方位谱混叠现象的斜视聚束SAR成像问题,提出一种扩展两步式成像法。具体工作为:(1)深入分析了斜视聚束SAR的方位谱混叠现象,找出了斜视角影响方位粗聚焦的根本原因。(2)提出了多普勒中心非线性平移校正法,消除了斜视角的影响,实现了斜视聚束SAR的扩展两步式成像处理。(3)为解决粗聚焦回波的方位滤波失配问题,提出了方位子带精聚焦法,提高了扩展两步式成像法对大场景高分辨率斜视聚束SAR的成像性能。 6.研究了高分辨率大斜视条带SAR成像方法。为解决宽测绘带高分辨率斜视SAR的距离弯曲校正问题,提出了结合距离子带的一致距离弯曲校正法,提高了回波信号的距离聚焦精度,并给出了距离子带的确定方法。针对线性距离走动校正法中存在的场景聚焦深度限制问题,提出了基于非线性调频变标(NonLinear Chirp Scaling,NLCS)技术的方位滤波法,实现了对宽测绘带高分辨率大斜视SAR的高精度方位滤波处理。 本文的部分研究成果已经应用于国内首部机载高分辨率低频UWB SAR系统和首部小型机载高分辨率低频UWB SAR系统的实测数据成像处理中,获得了大量高质量高分辨率的实测图像,从而证明了本文研究结果的良好实际应用价值。


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