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双基地SAR穿墙成像技术研究

李欣  
【摘要】:高分辨的SAR雷达应用到穿墙探测领域,能够实现比固定阵列天线穿墙传感器和小型生命探测雷达更多的功能,在高分辨率大型建筑物场景成像、穿墙定位与跟踪等领域具有更优越的性能和更大的灵活性。从穿墙SAR的发展来看,双/多基地(Bi/Multi-static)SAR系统的收发平台分置、运动矢量相互独立,比当前的单基地穿墙SAR更为灵活、可实现更多的功能,是未来穿墙雷达发展的重要方向之一。但收发平台速度矢量不同使双基地SAR系统具有方位移变特性,给系统工作和成像处理带来了新问题,这已成为SAR穿墙探测领域研究的热点。 本文以一站固定的双基地穿墙SAR为对象,研究了其系统特性及成像处理方法等问题,研究成果可以应用到相应系统的设计、配置和成像处理中。 1、研究了一站固定的双基地穿墙SAR的系统特性。从观测几何模型和信号模型出发,分析了双基斜距历程及其方位空变特性,深入研究了多普勒与合成孔径特性、二维分辨率特性以及墙壁对这些特性的影响并进行了推导和仿真分析。墙壁介电常数对斜距历程、多普勒调频率特征和分辨率特征的影响相对较大。方位空变性使调频率相同的目标回波在数据空间中处于不同的距离门内,增加了成像处理难度。仿真了双基地角表征的不同几何配置下的双基地二维分辨率分布,结果表明双基地角越大系统分辨率越差,为实际的系统配置提供了理论依据。 2、基于信号穿墙传播效应模型,研究了新的墙壁参数估计方法。结合回波的时域结构特征,提出基于高分辨一维距离像精确提取延时的墙壁参数求解方法,给出了数值求解法和搜索曲线结合超越方程的求解算法。根据电磁场理论,利用墙壁反射回波复包络信息,提出了基于回波相关系数的参数搜索估计方法,给出回波矩阵和一维回波向量相关两种实现方法。基于不同载频信号的回波延时和幅度分布特征,提出了采用两个发射载频,结合墙壁延时差和幅度比提取的墙壁参数估计方法,能够给出估计参数的解析表达式。几种方法对墙壁厚度的估计精度可达厘米级,对介电常数可达到1,较好地解决了参数的精确求解问题。 3、研究了一站固定的双基地穿墙SAR的BP算法。分析对比了双基地穿墙SAR建筑物成像应用背景下,频域算法与BP算法成像处理的整体效率,证明此时采用BP算法仍然较适合。仿真了单站和不同双基地几何配置时,墙壁影响补偿前后的成像效果,实现了建筑物场景高分辨聚焦成像。 4、提出了时域补偿接收斜距并同时实现RCMC的改进RD算法。算法采用时域映射的方法对压缩回波重排,实现了接收斜距的补偿和目标的RCMC,消除了由固定站引起的方位空变性,且无需后续的图像几何失真校正,适于对建筑物内稀疏格状结构的成像。通过理论分析和仿真证明了算法在效率上的优越性。 5、研究了二维NLCS成像算法。首次建立了含固定站的双基地穿墙SAR点目标回波频域模型。从方位信号时域相位特征的角度提出了新形式的方位扰动函数,采用按孔径分块处理的实现方法,扰动后的不利影响更小。通过理论分析和室内多目标场景的仿真比较了本文的方位扰动与几种典型方法的处理性能,验证了算法的正确性和有效性。 6、研究了双基地穿墙SAR的图像几何失真校正、配准与融合问题。给出了双/多基地SAR对建筑物不同方向联合观测的系统配置。提出了校正双基地成像和墙壁影响导致的图像几何扭曲失真的算法。提出了基于墙壁单像素宽度边缘线特征提取和图像内场景几何中心点为控制点的图像配准方法,实现了不同平台双基地图像的配准。提出了几种不同等级的图像融合方法,刻画目标的各结构层次,得到的完整目标图像可用于建筑物结构反演。 本文的模型和成像处理方法对进一步研究双/多基地穿墙SAR系统设计、成像处理等方面有重要的参考价值。


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