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机/星载宽幅SAR成像算法研究

杨军  
【摘要】:合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)作为一种主动式的对地微波遥感技术,具有全天候、全天时、远距离的特点,这能极大的提升雷达获取信息的能力。SAR在军事和民用领域具有重要的实用价值,尤其在战场侦察监视、自然灾害预报、资源勘探、国土监测和地表形变观测等应用中扮演的角色日趋重要。获得聚焦良好的宽测绘带高分辨率的图像一直是合成孔径雷达的发展动力。本文分别针对机载和星载SAR平台,研究了实现宽测绘带的新技术及相应的成像算法。对于单通道星载SAR系统,为了获得距离宽测绘带,天线俯仰维孔径不能太大,并且脉冲重复频率(Pulse Reputation Frequency,PRF)不能太高,为了获得高分辨率,天线的方位孔径不能太大,这导致回波信号的多普勒带宽较大,这有可能导致回波信号多普勒模糊。因此,在单通道星载SAR系统中,高分辨率和宽测绘带是一对矛盾。扫描模式通过在控制波束指向来实现宽测绘带,主要包括沿俯仰维扫描的ScanSAR模式和沿方位维扫描的循序渐进扫描(Terrain Observation by Progressive Scans,TOPS)模式。TOPS模式由于在方位维的连续性扫描,成像处理后不会存在栅瓣效应。正侧视TOPS模式已经成功应用于低轨星载SAR系统中,比如TerraSAR-X和sentinel-1。若结合斜视模式,TOPS SAR能够侦察雷达平台斜前方大面积区域,这对于机载平台和弹载平台非常有用。斜视TOPS SAR成像处理面临三个问题:原始回波信号在方位频域是模糊的,在距离向和方位向存在严重耦合,距离徙动校正后的信号在方位时域是模糊的,这都给成像处理带来了困难。若发射功率允许,增加雷达作用距离是获取宽测绘带的另一有效途径。对于方位孔径较小的机载条带SAR系统,延长其作用距离,就可以获得高分辨宽测绘带图像。然而,随着作用距离增加,合成孔径变长,距离幅宽增加,合成孔径内录取的回波数据量急剧增加,增加了数据采集系统和后端信号处理的压力,另一方面,合成孔径导致全孔径运动误差难以估计,这都增加了设计实时算法的难度。若将地球同步轨道卫星作为合成孔径雷达的载体,轨道高度为36000公里,是低轨SAR卫星的几十倍,其测绘带幅宽要远远大于低轨星载SAR,另外其重访周期只有一天,比较适合于干涉处理,因此,地球同步轨道SAR在民用领域有广泛应用。然而,地球同步轨道卫星轨道高度高,相对地面运行速度较小,合成孔径时间长,地球自转不能忽略,天线相位中心和场景的相对运动要比低轨星载SAR和机载sar复杂得多,我们需要对地球同步轨道sar的相关特性和成像算法进行研究。本文围绕上述问题展开研究,论文的主要工作概括如下:1.提出了一种采用方位多通道来抑制星载sar中距离模糊的方法。首先研究了方位相位编码的特性:通过方位编码信号的收发调制,可以使模糊区回波信号的方位频谱发生平移,偏离成像区回波信号频谱;利用多通道构造空域滤波器可以将成像区回波信号和模糊区回波信号在多普勒域分离开来;采用传统的成像算法就可以获取成像区的宽测绘带图像。2.提出了三种斜视topssar成像处理算法。子测绘带全孔径信号在多普勒域是模糊的,我们可以通过方位预处理获取回波信号无模糊的频谱。在此基础上我们提出了两种全孔径成像算法。一种是基于方位频率非线性变标的成像算法,对校正线性走动后的信号采用方位预处理获取无模糊的二维频谱,先通过修正的线频调变标算法校正距离徙动的空变性,然后在频域采用非线性频调变标算法校正多普勒调频率的空变性,实现距离脉压,再结合谱分析技术将方位信号聚焦在频域,聚焦的图像存在几何形变,需要通过插值方法实现几何形变校正。另一种是基于方位谱分析和扩展距离徙动算法的全孔径成像方法,首先通过修正的方位预处理方法获取斜视回波信号无模糊的二维频谱,然后通过扩展的距离徙动算法完成距离徙动校正和距离脉压,最后通过方位谱分析技术和方位去斜技术将点目标聚焦在方位频域。考虑到子孔径回波信号是不模糊的,我们还提出了一种子孔径成像算法。首先通过扩展的距离徙动算法实现距离徙动校正和距离脉压,然后在方位频域进行子孔径数据拼接获取全孔径信号方位频谱,最后结合方位谱分析技术和方位去斜技术将点目标聚焦在方位频域。3.提出了一种适合于正侧视机载远距离宽幅高分辨sar实时处理的成像方法。对于录取的回波数据线通过全球定位系统(globalpositionsystem,gps)和惯性测量单元(inertiamearsurementunit,imu)测量的位置信息进行运动补偿,距离脉压后进行距离分段,取中间距离段的数据进行运动误差估计,获取二次以上运动误差后对各个距离段数据进行运动补偿和成像处理,获得聚焦良好但分辨率较低的子图像。通过前后两个子孔径的重叠部分数据,可以估计出线性运动误差。对于场景中的每一网格单元,利用估计到的线性运动误差,构造相位补偿函数,使得每一网格单元各个子孔径投影数据是相干的。随着子孔径数目增加,场景方位幅宽会逐渐增加,点目标方位分辨率也会逐渐增加,最终达到全孔径信号对应的方位分辨率。将各距离段图像进行拼接,就可以获得宽测绘带高分辨sar图像。4.研究了地球同步轨道SAR的一些重要特性及成像算法。首先我们建立了逼真的星地几何模型,研究了天线相位中心和场景点目标之间的相对运动,在此基础上将其斜距历程进行单基等效,简化了回波信号的模型;然后对地球同步轨道SAR的星下点轨迹、波束覆盖、合成孔径时间、多普勒特性及分辨率特性进行了分析;最后我们采用后向投影算法和奇异值分解算法进行了点目标回波仿真和成像处理。


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