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低轨星载多模式SAR系统设计与成像处理技术

王志  
【摘要】:合成孔径雷达作为一种主动式微波探测遥感系统,具有不受天气变化和气候变化等因素的影响,能够在任何时间、任何环境下实现高分辨率和大区域场景对地观测的成像能力。星载SAR作为一种快速获取地表变化的有效手段,随着近年来的不断发展,已经广泛应用于国土测绘、资源调查、军事侦查、环境监测等诸多领域中。对于低轨卫星SAR系统,其发射成本低,应用更广泛。低轨卫星SAR具有重访周期短,对地观测更灵活等优势。因此,针对星载SAR设计更加有效的系统参数,包括轨道参数,雷达系统参数,并设计系统的工作模式,根据不同成像模式,设计相应成像算法,以充分发挥低轨卫星SAR性能,尤其是在海面舰船侦查与成像方面,更好服务于我国的国防现代化建设。本文主要对低轨星载多模式SAR系统设计与成像处理技术进行了相关研究。论文的主要工作如下:1.系统的研究了低轨SAR星地特性分析。首先建立了低轨SAR轨道几何模型,对其一般运动特性进行了分析,研究分析了星下点轨迹、波束覆盖以及重访性能。重点推导了目标的多普勒参数表达式,分析了目标的多普勒特性;其次研究了其偏航牵引规律以及点目标合成孔径时间。根据观测任务对分辨率与场景大小需求,研究设计了星载SAR系统的几种成像模式,条带模式、聚束模式、TOPS模式,研究了不同成像模式下雷达天线方向图波束指向的控制策略。2.提出了一种低轨SAR系统的波位参数设计方法。针对低轨星载轨道高度高和场景覆盖大的特点,重点研究了在满足距离模糊度、方位模糊度和最优测绘带等多重限制条件下脉冲重复频率(PRF)的选取。提出了PRF选择策略和波位迭代策略,设计了多组有效的雷达系统参数,为后续成像算法的研究奠定了基础。3.对低轨SAR成像算法进行了研究,提出了一种针对可变PRF聚束和TOPS工作模式的频域成像算法。本文针对条带模式采用线频调变标(CS)算法进行成像;为了应对聚束和TOPS模式带来的大距离走动和回波数据冗余量大问题,提出可变PRF技术对回波进行存储。针对变PRF技术SAR工作模式存在方位非周期非均匀采样问题,提出了一种结合扩展omega-K算法和时频尺度变换成像算法。该方法首先在时域对方位无模糊信号完成均匀采样,然后使用omega-K算法完成距离徙动校正,最后采用方位频率尺度变换的方法来处理剩余相位。仿真实验表明,本文提出的成像算法能对多模式低轨SAR对地观测进行精确成像,验证了算法的有效性。


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