方位多通道高分宽幅SAR成像处理技术研究

发布时间：2020-08-08 05:46

【摘要】：合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种重要的成像雷达系统,通过雷达平台与地面观测区域之间的相对运动从而实现方位高分辨。SAR具有独特的成像能力,能够全天候、全天时工作。近年来随着遥感应用的发展,具有高分宽幅(High-resolution and Wide-swath,HRWS)成像性能的SAR成为发展趋势和国内外研究热点。然而,在单通道SAR系统中,高方位分辨率和宽距离测绘带是不可调和的矛盾。根据奈奎斯特采样定理,越高的方位分辨率,需要越大的脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF),而宽测绘带需要较小的PRF以避免距离模糊。方位多通道SAR系统可以解决上述矛盾从而获得HRWS SAR图像。该系统采用单发多收的工作原理,由发射机和多个沿方位向均匀间隔的接收通道组成。发射机发射低PRF的宽波束信号,多个接收通道同时接收回波信号,增加的空域采样用来补偿时域采样的欠缺,以提高方位等效采样率实现高方位分辨率,或者避免方位模糊的情况下增加成像幅宽,从而实现高分宽幅成像。由于低PRF,每个接收通道回波信号的多普勒频谱都是混叠的,多普勒谱的无模糊重构是实现HRWS SAR成像的前提条件。然而实际上,通道间存在的误差因素会使方位模糊抑制性能下降,因而在方位信号重构前必须进行通道误差校准。针对SAR成像在高分辨率与宽测绘带方面日益增长的需求,本文旨在研究方位多通道高分宽幅SAR成像处理技术,分析总结了多通道SAR成像处理基础,深入研究了方位多通道SAR的通道误差校准与方位信号重构。本文的主要创新性工作包括:第一,本文提出了快速通道误差校准算法。基于SAR系统方位向波束方向图的对称分布,补偿回波数据的多普勒中心以及与多普勒频率相关的相位后,不存在通道误差时,多通道SAR回波信号在距离多普勒域的协方差矩阵是一个实数Toeplitz矩阵。基于协方差矩阵的实数特性,快速校准算法可以直接从实际多通道SAR信号的协方差矩阵计算通道相位误差,具有鲁棒性高运算量低的特点。仿真实验及多通道SAR实测数据处理验证了该算法的有效性和优越性。第二,本文提出了稳健通道误差校准算法。多通道SAR方位信号重构的本质可以看作是信源分离,所以最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成器可用于抑制方位模糊。当导向矢量精确时MVDR波束形成器的输出功率达到最大,基于这一准则本文设计了一个最优化问题,然后利用协方差矩阵的逆矩阵与名义导向矢量求解得到通道相位误差。该算法相比子空间算法的优势是:无需冗余通道,降低系统复杂度;避免子空间交换现象,提高算法鲁棒性;无需矩阵特征分解,降低算法运算量。本文通过仿真实验和实测数据处理分析了所提算法的性能。第三,本文提出了基于周期性非均匀采样的方位重构算法。多通道SAR系统中,每个通道的回波信号在方位向是均匀采样,而通道间的方位采样可能是非均匀的,因此多通道SAR的方位采样是周期性非均匀采样。根据方位采样的周期非均匀性与信号重构理论,本文推导得到重构滤波器系数的解析表达式,然后完成方位模糊抑制。与基于数字波束形成(Digital Beamforming,DBF)的重构算法相比,本文所提重构算法由解析表达式直接得到重构滤波系数,无需矩阵求逆,具有运算量低的特点。仿真实验和实测数据处理结果表明所提算法可以有效抑制方位模糊。第四,本文提出了自适应方位信号重构算法。首先将方位采样分为均匀采样、过采样与欠采样等三种,推导模糊指数的计算公式;然后基于互相关运算自适应确定采样类别并计算得到混叠数。进而利用空间谱估计方法得到平台速度、PRF及通道间距的等效系统参数。最后,根据混叠数与等效系统参数确定每个多普勒单元的模糊指数,完成方位信号的自适应重构。即使在方位采样非均匀程度很高时,该自适应重构算法仍然具有良好的模糊抑制性能。仿真实验及多通道机载SAR实测数据处理验证了所提算法的有效性与优越性,并分析了所提重构算法的性能。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.52
【图文】：

基本结构

SAR成像处理技术研究图1 2 DBF SAR的基本结构Fig. 1 2 Basic DBF Configuration for SAR system使各个通道存储的信号加权滤波形成多个具有自适应波形的波束。采用多个通道接收雷达回波信号所产生的附加信息可以用作：1）抑制来自地面的空间模糊信号；2）不减小成像区域的情况下提高接收天线增益；3）抑制空间局部干扰；4）获取目标区域的动态信息。DBF SAR的主要优势包括[47, 48]：系统主要由数字硬件组成系统可以通过软件重新配置系统效率高，功耗低系统方位分辨率与方位覆盖范围是相互独立的系统使用数字校准方位多通道SAR实现高分宽幅的基本思想是：多个通道同时接收回波信号，提高方位等效采样率，因此多普勒带宽可以更大以提高方位分辨率，或者减小PRF值以增加距离幅宽；DBF技术用于抑制方位模糊，减小了对PRF值的限制，SAR平台在相邻脉冲间的移动距离不必是整个天线长度的一半[10, 57]。— 6 —

【参考文献】