SAR高精度成像方法研究

发布时间：2019-09-09 18:36

【摘要】：合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一种全天时、全天候的微波遥感成像系统。为了获取更丰富、更细节的目标散射信息,提高目标的检测、识别和认知能力,人类对SAR的二维分辨率提出了更高要求。高精度的宽带合成和运动补偿分别是突破SAR图像距离维和方位维高分辨率的关键技术。在宽带合成方面,步进调频SAR脉冲组内空变斜距误差的精确补偿是提高合成距离像性能的主要瓶颈;在运动补偿方面,轨迹复杂和误差空变条件下如何实现高效、高精度的运动误差估计是提高方位向聚焦性能的研究重点。为提高SAR二维成像精度,本文在国家高分专项和总装预研基金支持下,对宽带合成和运动补偿等技术展开了深入研究,核心内容和主要创新点如下:1、后向投影图像域宽带合成方法在步进调频SAR中,子带脉冲发射/接收位置的不同将造成子带信号间空变的斜距误差,恶化合成距离像旁瓣性能。传统宽带合成方法均采用参考点对斜距误差进行补偿,无法解决斜距误差空变问题。针对该问题,在精确推导了时域BP成像解析模型的基础上,提出了时域BP图像域宽带合成方法,该方法在时域BP方位压缩的同时精确补偿每个像素点的斜距误差,克服了斜距误差的空变性,精确保持了子带图像空间谱边缘相位的连续性,很好地抑制了合成距离像的旁瓣。为了提高后向投影图像域宽带合成效率,提出了频域BP图像域宽带合成方法。首先借助频域BP原理清晰地阐释了 SAR图像空间谱概念,揭示了图像域宽带合成的本质,然后推导了子带图像空间谱截断位置与系统参数的关系,在保持与时域BP图像域宽带合成方法性能相同的前提下,实现了空间谱截断的全自动化。2、后向投影嵌入式宽带合成方法针对序贯发射模式的双基步进调频SAR距离向高分辨率与大测绘带宽之间的矛盾,提出双基多通道步进调频SAR系统方案,降低了对系统PRF的要求,同时具有高分辨距离像合成与测绘带宽保持的能力。虽然后向投影图像域宽带合成方法能够克服子带信号间斜距误差的空变性,但其要求图像中所有像素点的距离维分辨率方向一致,因此在距离维分辨率方向空变的双基多通道步进调频SAR中并不适用。针对该问题,提出了后向投影嵌入式宽带合成方法,该方法将斜距误差补偿和宽带合成嵌入到后向投影成像过程中,逐脉冲、逐像素点地进行斜距误差补偿和宽带频谱拼接,实现了距离维分辨率方向空变条件下的高精度距离像重建。3、高效高精度自聚焦后向投影算法在复杂轨迹条件下的SAR运动补偿方面,全局自聚焦BP算法性能良好,适用范围广。但是,该算法的存储量和运算量均极其庞大。针对该问题,提出了利用部分区域进行相位误差估计的局部自聚焦BP算法,重点分析了通过局部区域进行全局自聚焦的合理性,并分析了局部区域的选择问题。与全局自聚焦BP相比,该算法在保持相同聚焦性能的前提下,大幅提升了自聚焦BP算法效率,并且运算效率和存储效率的优势随场景尺寸增大而不断增大。虽然全局/局部自聚焦BP能对较小的目标场景实现高精度运动补偿,但由于这两种方法均对相位误差进行建模,无法适用于运动误差空变特征显著的大范围宽测绘带成像。针对该问题,提出了对位置误差进行最优化建模的天线相位中心误差估计算法,详细推导了目标函数的梯度,利用共轭梯度法对最优化模型进行求解,结果表明该算法聚焦性能在运动误差空变条件下有效提高。4、大动态误差补偿及高精度二维频谱当SAR平台初始定位误差可变范围太大时(几百米～几千米),上述自聚焦BP算法将失效。针对大动态误差补偿问题,首先分析了笛卡尔坐标系中三个维度的初始位置误差对成像的影响,然后提出了大动态误差自聚焦BP算法,并利用遗传算法求解最优化模型。为了提高遗传算法求解效率,进一步提出“粗估计+精估计”的两步策略,快速实现初始高度误差米量级的高精度稳定估计,有效克服了几何畸变效应。此外,在频域成像模型方面,提出了基于Chebyshev最佳逼近的三阶斜距模型和三阶二维频谱模型,相比于泰勒四阶模型,该模型为简化高精度频域成像算法提供了借鉴。
【图文】：

图像,系统研制

在高精度机载ＳＡＲ系统研制方面，美国和德国最为成熟，最高分辨率可达到逡逑０．０５米。我国虽然具备了高精度机载ＳＡＲ系统研制的技术实力，也在国内各高校、逡逑研宄所的相互协作和共同努力下，分辨率己达到分米级甚至厘米级（如图１－５），逡逑但与国际上一流的ＳＡＲ系统相比仍存在较大差距，特别是在系统研制、运动补偿逡逑等方面存在较大的发展空间。逡逑■■■逡逑⑻逦（ｂ）逡逑图１－５中国某研宄所Ｋａ波段机载ＳＡＲ邋０．２ｍ分辨率图像。（ａ）场景１；邋（ｂ）场景２逡逑１．２．１．２星载ＳＡＲ系统逡逑（１）逦ＥＲＳ／Ｅｎｖｉｓａｔ邋系统逡逑欧空局于１９９１年发射了搭载Ｃ波段ＳＡＲ系统的卫星ＥＲＳ－１，并于１９９５年发逡逑射了邋ＥＲＳ－２［４１Ｈ４３］。ＥＲＳ－２与ＥＲＳ－１相比，除了多一个测量臭氧含量的设备外完全逡逑相同。这两颗卫星采集了大量陆地、海洋、冰川数据，，用以监测洪水、地震等自逡逑然灾害。Ｅｎｖｉｓａｔ［４４Ｈ４５］在ＥＲＳ基础上对覆盖范围、入射角范围、极化方式和工作模逡逑式等方面进行了性能提升。虽然Ｅｎｖｉｓａｔ于２０１２年失联，但在１０年服役期间，其逡逑采集的大量数据为地球环境研究作出了重要贡献。ＥｎｖｉｓａｔａＳＡＲ图像如图１－６所示。逡逑＿■■羞辱逡逑⑷逦（ｂ）逡逑图１－６邋Ｅｎｖｉｓａｔ邋ＳＡＲ图像（ｌｍＸｌｍ）。（ａ）印度洋；（ｂ）南极冰川逡逑（２）逦ＴｅｒｒａＳＡＲ邋

波段,分辨率,图像

在高精度机载ＳＡＲ系统研制方面，美国和德国最为成熟，最高分辨率可达到逡逑０．０５米。我国虽然具备了高精度机载ＳＡＲ系统研制的技术实力，也在国内各高校、逡逑研宄所的相互协作和共同努力下，分辨率己达到分米级甚至厘米级（如图１－５），逡逑但与国际上一流的ＳＡＲ系统相比仍存在较大差距，特别是在系统研制、运动补偿逡逑等方面存在较大的发展空间。逡逑■■■逡逑⑻逦（ｂ）逡逑图１－５中国某研宄所Ｋａ波段机载ＳＡＲ邋０．２ｍ分辨率图像。（ａ）场景１；邋（ｂ）场景２逡逑１．２．１．２星载ＳＡＲ系统逡逑（１）逦ＥＲＳ／Ｅｎｖｉｓａｔ邋系统逡逑欧空局于１９９１年发射了搭载Ｃ波段ＳＡＲ系统的卫星ＥＲＳ－１，并于１９９５年发逡逑射了邋ＥＲＳ－２［４１Ｈ４３］。ＥＲＳ－２与ＥＲＳ－１相比，除了多一个测量臭氧含量的设备外完全逡逑相同。这两颗卫星采集了大量陆地、海洋、冰川数据，用以监测洪水、地震等自逡逑然灾害。Ｅｎｖｉｓａｔ［４４Ｈ４５］在ＥＲＳ基础上对覆盖范围、入射角范围、极化方式和工作模逡逑式等方面进行了性能提升。虽然Ｅｎｖｉｓａｔ于２０１２年失联，但在１０年服役期间，其逡逑采集的大量数据为地球环境研究作出了重要贡献。ＥｎｖｉｓａｔａＳＡＲ图像如图１－６所示。逡逑＿■■羞辱逡逑⑷逦（ｂ）逡逑图１－６邋Ｅｎｖｉｓａｔ邋ＳＡＲ图像（ｌｍＸｌｍ）。（ａ）印度洋；（ｂ）南极冰川逡逑（２）逦ＴｅｒｒａＳＡＲ邋
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN957.52

【参考文献】