多通道合成孔径雷达成像关键技术研究

发布时间：2020-10-11 20:58

　　 合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SA R)作为成像雷达的主体,具有全天候、全天时、远距离、二维高分辨率以及宽场景成像等特点。它在军事领域和民用领域都具有极其重要的应用价值,特别是在军事侦察、环境勘察、资源勘察等应用中更是扮演着重要的角色。其中,多通道合成孔径雷达(Muti-Channel Synthetic Aperture Radar, MC-SAR)因其在地面动目标检测、高分辨宽测绘带(High-Resolution and Wide-Swath, HRWS)成像及抑制干扰等方面的显著优势,得到了国内外遥感领域和雷达成像领域专家的广泛关注,成为该领域研究的热点-7一为了获得方位的高分辨,传统的单通道合成孔径雷达系统在满足方位天线面积最小的同时还必须满足高脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency, PRF)要求。但设置有限高的PRF是为了获得距离宽测绘带而需要克服距离模糊的必要条件。此情形说明在单通道合成孔径雷达系统中,高分辨和宽测绘带是一对矛盾的性能指标。多通道合成孔径雷达系统的应用可以很好地解决这个问题,它结合数字波束形成技术(Digital Beam-Forming, DBF)可以高效地实现高分辨宽测绘带对地观测。本文以多通道SAR系统的成像中的几个关键问题和难点为研究目标,重点针对其中的斜视模式下成像算法以及高分辨宽测绘带成像中引起的多普勒谱模糊问题进行分析研究并提出了合适的解决方法和算法。论文内容可以概括为如下几个主要部分：1、多通道高分辨宽测绘带SAR成像中的多普勒中心估计本文第三章对多通道高分辨宽测绘带SAR成像中的多普勒中心估计方法进行了研究。对于方位多通道SAR系统,由于每个通道回波的多普频谱都存在模糊,已有的传统多普勒中心估计算法对此情况已不再适用。本章提出一种基于最大似然数的多通道高分辨率宽测绘带SAR系统多普勒中心估计算法,对工作在斜视模式下的方位多通道SAR系统成像处理中多普勒中心估计方法进行研究。首先,我们对相邻通道之间相关函数的相位进行估计；接着,利用前一步估计所获得的相位与距离频率之间的关系,进一步估计出一个系数矩阵,该矩阵包括通道位置信息和多普勒中心信息；然后,利用上一步估计得到系数矩阵将多普勒中心提取出来；最后,通过仿真实验结果验证了该算法的可行性和有效性。2、斜视模式下MC-SAR成像的多普勒域走动校正技术本文第四章对斜视模式下MC-SAR系统的回波模型及成像原理进行了研究,并提出了一种考虑随距离空变性的成像方法。在斜视情况下,雷达回波信号的多普勒中心并不为零,因此将会带来多普勒中心模糊,特别在有些特别情况下将带来方位多普勒谱断裂。为了解决这种情况可以可以先沿方位向上来进行多普勒频移,接然后再把回波信号变换到二维频域后再进行二维频域的匹配滤波处理。在斜视情况下,由于因为频谱的倾斜而导致需要处理的数据量变大,所以算法选择在方位多普勒域上进行走动校正。这样不仅可以对频谱沿距离的倾斜进行校正,并且降低了所需要处理的数据量。对于不在同一个距离上的不同点目标,它们的两维频谱存在高次相位的误差,距离误差越大相位误差也越大。利用线性调频变标(chirp)一scaling)算法可以有效地解决这种沿距离上存在弯曲差的问题。本章所提算法先在两维频域进行走动校正和二次预滤波；然后把数据变换到距离多普勒域；接着进行线性变标处理,把沿距离向上不同的弯曲量变成统一的弯曲量；最后进行距离脉压和方位脉压获到聚焦好的SAR图像。仿真实验证明了该算法的可行性和有效性。3、多通道高分辨宽测绘带SAR方位信号重建技术本文第五章对方位信号重建技术及重建过程中的误差问题进行了研究,并提出了一种基于局部多项式傅里叶变换(LPFT)的合成孔径雷达方位信号重建算法。在混合基线情况下,斜视模式的多通道合成孔径雷达高分辨率宽测绘带成像研究是比较复杂的。由于混合基线和地形起伏,方位信号重建问题是这种情形下成像的一个关键问题。为了解决这一问题,本章提出了一种充分考虑场景地形高程因素影响的新型方位信号重建方法。首先,在方位时域进行线性距离单元徙动校正(RCMC)和相位补偿预处理；接着,根据方位向回波信号的特点,利用局部多项式傅立叶变换(LPFT)获得一个粗聚焦的SAR图像；然后,基于联合像素矢量和鲁棒波束形成(RCB)技术,提出一种用于进行LPFT频域多普勒模糊方位信号重建的多普勒模糊抑制方法。该方法利用成像场景数字高程模型(DEM)消除了其中因为混合基线和地形起伏而造成的影响。最后,利用现有的斜视模式HRWSMC-SAR成像算法对SAR回波进行成像聚焦处理。通过仿真数据和斜视模式MC-HRWS SAR实测数据证明,本章所提出的方位信号的重建方法是一种有效和可行的方法。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN957.52
【部分图文】：

?测绘巧宽度ｒｒ；?／??图２．１斜视模式下ＨＲＷＳ方位多通道ＳＡＲ系统的３－Ｄ几何示意图??第Ｗ通道斜距平面几何关系的示意图如图２．２所示。图中篮色粗线表示雷达平??台在＾点位置时的波束照射范围，波束的中私位置为公点，＆为点目标在波束中??屯、穿越位置时目标与参考通道间的距离，０。为波束中也线所对应锥角。在雷达平??２０??

??台运动到点时，公点为波束中‘。位置。图２．２中的户点位置与图２．１中点目标Ｐ??相对应。??波Ｊ＾ｉ照肘范巧??ｒ?＇?Ｊ??夺?４?来／个／／？？??＾?Ｗ??ｉ?／。。＼?！??＾?：?／ｎ＂）?＞??Ａ?平台飞巧路线?／（Ａ＇）??图２．２第ｍ通道斜距平面几何关系示意图??方位多通道ＳＡＲ系统一般采用通过参考通道发射大带宽宽波束的线性调频信??号的同时Ｗ所有的通道接收相应回波信号的工作方式。这种王作方式一般＆中间??通道作为其参考通道。因为单平台多通道ＳＡＲ系统具有短的基线，所Ｗ通过补偿??一个常数相位可Ｗ使这种单发多收方式等效为各通道自发自收，并可认为各通??道都位于等效相位中‘＾Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ?Ｐｈａｓｅ?Ｃｅｎｔｅｒ，?ＥＰＣ）的位置上。假设ＳＡＲ系统的??第Ｗ通道在时刻ｆ时的坐标为（＂＋义。，，０，＆＿＿），其中．＾。，是参考通道与第，《通道之间??沿方位向的基线长度，ｆ为方位慢时间。那么，第Ｗ通道所接收到的回波信号经过??距离脉压和等效相位中也处理后可Ｗ表示为：??＜Ｘ，０?＝?＂ｙ）Ｗ（／ｒ?）各〔ｆ?－?Ｘ?十?而＊?ｅｘｐ?ｊ４巧化也??（２－１）??式中为位于坐标＋?处目标的复散射系数，Ｃ是电磁波传播速度，乂．??表示发射信号基带频率

?ａ＾）??图２．３?ＳＡＲ斜视成像几何模型??ＳＡ民斜视成像化何如图２．３所示。载机平台沿航线做速度为Ｖ的匀速直线运??动，其距离点目标Ｐ的最近距离为成。将慢时间的起点设在载机位于＾点的时刻，??此时通过Ｐ点而与航线的平行线与波束射线相交于５点，也就是说？，，＝?０时波束射??线指向公点，＾点到公之间的距离为欠。。经过之后，载机平台从＾点移动到＾’，??它的横坐标变化为Ｗ，。。假设一个孔径长度为Ｚ，点目标Ｐ与公点之间的横距为Ｘ。，??由心４’户公’可得斜距与ｆ？，的关系式为；??Ｗｍ；及ｎ）二?＿?Ｘｊｉ?＋?巧－风－?ＸＪｓｉｎ０?Ｘ？－—＜ｔ？＜Ｘ？＋—??（２－７）??对式（２－７）进行泰勒级数展开，忽略四次及其四次上的高次项可得：??Ｒ（ｔ
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本文编号：2837111