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高分辨/宽测绘带SAR成像及运动补偿算法研究

杨磊  
【摘要】:随着合成孔径雷达(SAR)成像技术的不断发展,其在国防工业和民用领域的应用越来越广泛,尤其在战场侦察监视、自然灾害预报以及资源勘探等应用中扮演的角色日趋重要。为了更加充分地发挥SAR全天时、全天候、远距离、高分辨、广域观测的特点,实际应用中对SAR成像分辨率和测绘带宽的性能指标要求越来越高。星载SAR首当其冲成为一种实现高分辨宽测绘带SAR成像的方式,但是由于传统星载SAR系统存在最小天线面积限制,方位高分辨率与距离大测绘带之间存在矛盾,故而无法同时兼顾两者。因此,本文分别基于单星多通道体制和分布式小卫星体制研究突破该限制和矛盾的方法,在获取方位高分辨的同时实现距离宽测绘带SAR成像。同时,本文结合实际卫星轨道特点并考虑地球自转以及星间三维基线误差,分析了低重频采样下的多普勒解模糊SAR成像方法,并提出了相应处理流程。另外,机载SAR由于其具有应用灵活、限制少且实现简单等特点,成为更高分辨率SAR成像的有效实现方式。然而机载SAR应用难以避免地存在运动误差问题,尤其对于小型化平台的无人机SAR,运动补偿几乎直接决定了最终高分辨SAR成像的质量。针对高分辨SAR成像对运动补偿精度要求的提高,本文研究高精度、高效率、高可靠性以及适用性广泛的运动误差补偿方法,以实现基于数据的自适应运动补偿,保证在惯导精度有限的情况下完成高分辨SAR成像运动补偿。综上所述,本文分别以星载和机载为SAR成像平台,研究高分辨率和宽测绘带SAR成像方法以及相应的误差补偿技术,研究围绕国家自然科学基金重大项目“多维度微波成像基础理论与关键技术”以及十二五预研项目“远程战场监视雷达信号与数据处理技术”进行展开,主要研究成果概括如下: 1.研究单星多通道体制下实现高分辨宽测绘带SAR成像方法。设计多发多收-扫描(MIMO-Scan)模式SAR成像模型并推导相应信号模型,利用接收方位多通道结合波束形成实现低重频采样下的方位向多普勒模糊信号重构,保证方位高分辨。同时利用发射多个载频信号和频带合成技术实现低系统代价下的距离高分辨。依据实际SAR系统技术要求设计SAR系统以及相关参数,并分别利用仿真和实测多通道数据验证算法有效性。 2.研究多星分布式小卫星体制下实现高分辨宽测绘带SAR成像方法。首先分析理想线阵和理想三维基线星座构型下小卫星SAR阵列,并分析基线误差对SAR成像的影响,结合多普勒解模糊设计SAR成像算法。然后考虑地球自转对SAR构型的影响以及卫星曲线轨道下的误差补偿方法,设计基于子孔径等效坐标系的轨道曲率校正和基线校正方法。最后,利用Cartwheel干涉车轮模型设计仿真实验,验证算法可行性。 3.研究基于多普勒调频率估计的高分辨SAR运动补偿方法。首先分析机载SAR运动误差补偿的精度要求与成像分辨率的关系,并利用一组无人机SAR实测数据进行说明。然后基于聚束模式SAR成像推导运动误差下的SAR回波信号模型,并化简至二次误差形式,以便于结合多普勒调频率估计获得运动误差的二次系数。设计基于多普勒调频率估计的SAR运动补偿算法流程,利用机载聚束高分辨(0.3m)SAR实测数据验证算法有效性。 4.研究基于加权PGA(WPGA)的高分辨SAR运动补偿方法。针对聚束模式推导运动误差模型以及信号模型,并基于PFA成像算法推导成像操作后对应的运动误差模型以及信号模型,从而得到对应运动误差造成的包络误差(NsRCM)和相位误差关系形式,并量化PFA成像算法对运动误差的影响。考虑波前弯曲校正,保证PFA算法在高分辨的同时获得大场景成像结果。分析相位误差自聚焦(如WPGA)在存在NsRCM时性能下降的原因,并提出解决方法。利用粗补偿和精补偿的两步处理流程,在粗补偿中保证NsRCM完全校正和大部分相位误差的补偿,在精补偿中同时考虑相位误差非空变和空变形式,保证大场景高分辨聚束式SAR图像的整体聚焦质量。最后,利用机载高分辨(0.15m)聚束SAR实测数据验证算法有效性,并设计多种对比实验证明该算法的优越性。 5.研究基于最小熵准则的高分辨SAR运动补偿方法。首先分析传统基于最小熵的运动补偿方法,包括最小熵包络对齐和最小熵相位误差自聚焦。利用机载SAR回波数据中包络和相位误差形式的相干性,设计最小熵包络相位联合自聚焦算法。同时给出分别基于相位误差校正和包络误差校正的交替迭代算法流程,有效利用运动误差在包络和相位中的不同表现形式,实现大运动误差下的运动补偿。除此之外,利用归一化多项式高阶拟合运动误差,不但保证了运算精度,而且简化最优化问题规模。利用机载高分辨(0.3m)聚束模式SAR实测数据验证联合自聚焦算法有效性。


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