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移动双基地SAR成像理论与方法研究

戴春杨  
【摘要】:双基地SAR做为一种发射机与接收机分置于不同运动平台的新体制SAR,与传统单站SAR相比具有明显的优势:能够获取目标更加丰富的散射信息,具有更强的抗摧毁能力和抗干扰能力等。从事物发展的一般规律来看,移变双基地SAR的发射机与接收机运动速度矢量可以不同,与平飞构型双基地SAR相比,其空间配制更为灵活,具有更广阔的应用范围。但这种灵活的几何构型给成像处理带来新的困难,由此而衍生的问题已经成为SAR领域的热门研究课题。 本文在国家自然科学基金的支持下,对移变双基地SAR成像进行深入研究。 在成像理论方面,建立了移变双基地SAR的“等效单站距离历史”模型,基于该模型能够直接利用现有的传统单站SAR成像算法对双基地SAR回波进行聚焦;建立了“同函数距离历史集”,用来分析双基地SAR距离历史的空变特性。根据雷达成像中最基本的匹配滤波原理,建立双基地SAR成像算法的基本模型,以此为基础,通过一定的近似条件,能够设计出双基地SAR快速成像算法;利用距离和多普勒的概念,推导双基地SAR的空间分辨率,做为评价双基地SAR系统性能、设计飞行方案的理论依据。 在成像处理方面,本文从不同的角度,提出四种适用于移变双基地SAR的成像算法,并对每种算法分别用机载双基地SAR仿真点目标回波、星机双基地SAR仿真点目标回波和机载双基地SAR实测回波数据验证成像算法的有效性。 1、提出一种基于二维非均匀快速傅里叶变换的双基地SAR极坐标成像算法。根据匹配滤波原理,推导出双基地SAR极坐标成像算法;针对传统极坐标格式处理中数据利用率低的问题,将一维非均匀快速傅里叶变换推广至二维,用来解决极坐标数据转换问题;该方法能够充分利用回波数据,获得理想的聚焦性能。 2、提出一种基于广义Keystone变换的双基地SAR成像算法。对双基地SAR距离徙动校正进行研究,针对原始Keystone变换仅能处理线性距离徙动,导致成像质量下降的问题,推导出一种新的变换方法,命名为“广义Keystone变换”,这种数据变换方法能够有效地校正非线性距离徙动;用广义Keystone变换校正双基地SAR距离徙动,与原始Keystone变换相比,该方法不仅能够得到更佳的聚焦性能,而且能够处理更广的成像区域。 3、提出一种基于最优投影空间的双基地SAR成像算法。将双基地SAR距离历史在投影空间上展开的近似误差均方差做为评价投影空间的标准,根据Karhunen-Loeve展开原理,推导出均方误差意义下的最优投影空间;将双基地SAR回波数据映射至最优投影空间,能够得到均方误差意义下最优的聚焦质量。 4、提出一种基于MSR频谱模型的双基地Omega-K频域成像算法。针对原始MSR频谱表达式繁琐且缺乏几何意义的不足,推导出更为简洁且富有几何意义的改进形式;基于改进形式的频谱模型,根据传统单站SAR的Omega-K成像原理,推导出双基地SAR的Stolt映射;利用该映射能够消除二维频谱的耦合,实现双基地SAR回波数据进行良好聚焦。 在系统误差补偿方面,将双基地SAR的平台运动误差、时间同步误差和频率同步误差统一归结为相位误差,根据这三种误差的作用机制,建立考虑系统误差因素的双基地SAR回波信号模型,做为研究系统误差补偿方法的依据;将双基地SAR相位误差分解为快频率无关相位和快频率线性相关相位,分别在四种误差形式下,定量分析双基地SAR相位补偿的要求;基于相位误差模型,提出一种基于CUDA并行处理的系统相位误差补偿方法,对双基地SAR回波信号进行处理,改善成像质量。 总之,本文对双基地SAR成像理论与方法进行深入研究,获得一系列有价值的研究结果,为双基地SAR成像提供了重要的理论指导和技术支持。


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