地球同步轨道SAR典型工作模式成像算法研究

发布时间：2020-08-20 12:34

【摘要】：地球同步轨道合成孔径雷达(Geosynchronous Orbit Synthetic Aperture Radar,GEO SAR)飞行于具有一定轨道倾角的同步轨道上。与常规的低轨SAR(Low Earth Orbit Synthetic Aperture Radar,LEO SAR)相比,GEO SAR具有时间分辨率高、可视观测范围大、驻留观测时间长等优点。在军事和民用领域,如军事侦查、资源探测、灾害检测、地形测绘、海洋环境等领域都有广阔的应用前景。目前,国际上公认的航天强国如美国、俄罗斯、欧空局等都对GEO SAR开展研究。然而,GEO SAR本身存在的特性如长回波时延、长合成孔径时间、变速慢速运动、复杂运动轨迹、宽成像场景、受地球自转影响大等,使得其系统参数设计及成像处理更加复杂。GEO SAR长回波时延导致了信号回波模型“停-走-停”假设的失效,长合成孔径时间及复杂的运动轨迹导致了常规的二次斜距表达式并不适合于GEO SAR的斜距模型的描述。地球自转引入等效斜视角,造成成像距离与方位向耦合严重。GEO SAR宽成像场景以及方位向多普勒参数时变,导致了成像时存在距离与方位向上空变。因此,GEO SAR成像算法不能直接继承和引用LEO SAR已有的方法和结论。本文从研究GEO SAR信号特点出发,结合地球同步轨道的特性,建立了GEO SAR不同成像模式下的回波信号模型。基于回波信号模型,研究了条带成像、聚束成像、马赛克成像等三种典型成像模式成像处理方法。具体研究工作如下:(1)结合理论推导和仿真示例,深入分析了GEO SAR的成像特性。分析了GEO SAR星下点轨迹、卫星运动速度、合成孔径时间、多普勒频率等,从而揭示了GEO SAR区别于低轨SAR的成像特性。针对GEO SAR复杂的成像特性,常规的低轨SAR参数设计将不能适用于GEO SAR参数指标设计的实际情况,从雷达最基本原理出发,进行了GEO SAR系统参数设计,包括系统的分辨率、模糊度及时序设计等。提出了一套适用于GEO SAR系统参数设计方法,为后续成像算法的研究奠定了理论基础。(2)研究了GEO SAR条带模式成像处理算法。建立了回波信号模型,考虑了回波“停-走-停”假设不成立的情况。针对常规二阶斜距模型不能精确描述GEO SAR斜距,提出了基于四阶展开的斜距表达式。在高阶斜距模型建立的基础上,提出了一种基于Chirp Z变换(Chirp Z Transform,CZT)与方位变标新的GEO SAR成像算法,利用CZT变换校正距离走动,并缓解距离弯曲和距离调制信号沿距离向和方位向的二维变化。利用距方位改进的变标因子校正方位信号三次展开项系数的线性时变性,解决了方位向空变性问题。利用计算机仿真手段及地面滑轨试验的实测数据对算法有效性进行了验证。仿真及实测数据处理结果表明所提出的算法能够实现条带模式聚焦成像。(3)研究了GEO SAR聚束模式成像处理算法。针对聚束模式下超长合成孔径时间导致的常规四阶斜距模型精度不够及频谱混叠的问题,提出了一种基于五阶斜距模型改进的频域成像算法。算法考虑了“停-走-停”模式误差,采用谱分析技术去除了信号频谱混叠,避免了方位向子孔径分割及子孔径拼接的操作,提高了算法处理效率。基于级数反演方法给出了信号的二维频谱表达式,利用基于五阶斜距展开改进的变标算法进行距离向压缩处理及方位向信号压缩处理。成像性能结果评估表明提出的成像处理算法能够实现聚束模式聚焦成像。(4)研究了GEO SAR马赛克模式成像处理算法。针对马赛克模式成像特点,分析了其多普勒特性,给出了回波信号模型,提出了一种改进的二维非线性调频变标(Non-linear Chirp Scaling,NLCS)成像处理算法。考虑等效调频斜率随时延差量的一阶线性及二次非线性变化特性,有效解决了宽测绘带的距离空变性;针对方位向的空变性的问题,引入了方位向非线性变标算法,考虑方位向信号的多普勒调频斜率随时延差量的一阶线性及二次非线性变化特性,补偿了方位向引入的非线性调频操作引入的高阶项相位误差。仿真结果验证了算法的有效性。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.52;TJ5
【图文】：

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图 1-1 JPL 实验室早期提出的 GEO SAR 重访覆盖示意图[44]2003 年，JPL 实验室又给出了全球地震卫星系统[45]，计划发射 10 颗 GEO SAR 卫星形成对全球不间断的覆盖能力，提升对全球地壳形变观测能能力。JPL 实验室提出用10 颗卫星组成一个星座，划分成 5 组。每组的两颗卫星遵循相同的星下点轨迹，则干涉周期是 12 个小时。每颗卫星运行在倾角为 60°近乎为圆形的地球同步轨道上。在任何时间内，这 10 颗卫星可以覆盖地球 80%的区域，大约 20%的区域能由 1 到 2 颗卫星持续观测。对于地球的大部分区域，在 10 分钟内可以获得 20 米分辨率的图像。

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图 1-1 JPL 实验室早期提出的 GEO SAR 重访覆盖示意图[4JPL 实验室又给出了全球地震卫星系统[45]，计划发射 10 间断的覆盖能力，提升对全球地壳形变观测能能力。JP一个星座，划分成 5 组。每组的两颗卫星遵循相同的星下时。每颗卫星运行在倾角为 60°近乎为圆形的地球同步轨卫星可以覆盖地球 80%的区域，大约 20%的区域能由 1 的大部分区域，在 10 分钟内可以获得 20 米分辨率的图

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图 1-3 Cranfield 大学 12 颗卫星星座覆盖区域示意图[46]泰罗尼亚理工大学的 Rodon[47]论述了 Ku 波段 GEO SA冲重复频率仅为 30Hz。同时也对系统的发射功率、距行了分析，利用 BP 成像算法进行了仿真分析。图 1-4 Ku 波段 GEO SAR 系统地面覆盖示意图[47]

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