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高分辨率机载SAR成像算法研究

王昕  
【摘要】:合成孔径雷达(SyntheticAperture Radar,简称SAR)是一种全天时、全天候的高分辨率微波成像系统。经过几十年的发展,常规分辨率的单基SAR成像技术已经逐渐趋于成熟。但是,应用现有成像技术聚焦X波段超高分辨率SAR或者双基SAR回波数据时仍然存在很多问题。 超高分辨率条件下,线性调频变尺度算法(Chirp Scaling Algorithm,简称CSA)等近似频率域算法的相位误差变大,导致SAR图像聚焦质量显著下降。针对此问题,本文研究了在步进调频体制下对两种近似频率域算法进行改进,减小算法相位误差,从而实现X波段超高分辨率SAR回波数据的高精度聚焦处理。 双基SAR系统中,发射机和接收机分置使得回波信号的多普勒相位历史较为复杂,高精度的双基成像算法的推导也较为繁琐。本文对双基极坐标格式算法(Polar Format Algorithm,简称PFA)和双基反投影算法(Back Projection Algorithm,简称BPA)进行了分析和完善。此外,对现有几种近似双基频谱的精度进行了比较,并推导了双基距离多普勒算法(Range DopplerAlgorithm,简称RDA)。 论文第一章绪论,介绍了本文工作的研究背景,回顾了单基和双基SAR的发展历程和现状。最后,总结了本文的主要工作。 论文第二章研究了基于步进调频信号的超高分辨率SAR成像算法。本章首先介绍了步进调频回波信号模型以及现有带宽合成方法。然后,分别讨论了直接接收和dechirp接收方式下回波信号的处理流程。该流程利用CSA或者扩展频率域变尺度算法(Extended Frequency ScalingAlgorithm,简称EFSA)聚焦接收子脉冲信号集,在二维频率域对子脉冲集进行拼接,并对拼接所得数据做二维逆傅立叶变换得到图像。最后,对上述处理流程和原始CSA/EFSA聚焦全带宽信号的相位误差进行了分析和比较。点目标仿真和相位误差分析均表明,本章提出的子脉冲数据聚焦后拼接的处理流程可以有效的改善图像聚焦质量。 论文第三章讨论了基于尺度变换原理的双基PFA。首先简单介绍了双基聚束模式下的成像几何关系以及双基PFA流程。然后,讨论了尺度变换原理(Principle of Chirp Scaling,简称PCS)以及双基PFA距离向重采样的本质。最后,对直接接收和dechirp接收方式下的回波信号分别进行了距离向变标处理。由于应用尺度变换代替插值来实现数据的距离向重采样,双基PFA的运算效率得到了有效改善。 论文第四章对双基PFA的波前弯曲误差进行了分析和校正。平面波前假设在双基PFA聚焦过程中引入了相位误差,导致图像出现空变几何失真和散焦现象。本章首先推导了波前弯曲误差的解析表达式。然后,基于此解析表达式,设计空变滤波器来补偿双基PFA图像中的散焦现象,并利用插值运算来校正图像中的几何失真。点目标仿真以及滤波后场景聚焦范围的分析表明该方法可以有效地补偿双基PFA的波前弯曲误差。 论文第五章讨论了双基滤波反投影(Filter Back Projection,简称FBP)算法以及FBP算法与CSA之间的联系。基于电磁场模型和Born近似,SAR基带回波信号被视为场景复反射系数的傅立叶积分变换,对信号应用FBP类的逆转方法可以得到图像。本章进一步完善了该FBP方法在双基SAR成像中的应用,并对其本质进行了分析。然后,在单基配置下,对FBP算法与CSA之间的联系进行了推导。发现在忽略信号距离向调频斜率的空变性的条件下,FBP算法可以近似得到CSA处理流程。这也进一步验证了FBP的二维空变匹配滤波器本质。 论文第六章对双基二维点目标响应频谱和双基RDA进行了分析。首先,简单介绍了现有三种近似的二维点目标响应频谱,并对频谱精度进行了分析和比较。分析表明改进后的Loffeld双基公式(Improved Loffeld’s Bistatic Formula,简称ILBF)与级数逆转(Method of SeriesReversion,简称MSR)频谱精度相当。基于ILBF频谱,本章推导并分析了双基RDA。与现有双基频率域算法相比,该算法形式上简洁,并可以适用于双基方位向空变以及空不变配置下。最后,仿真实验验证了该算法的有效性。


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