快速時域SAR成像與三維SAR運動補償方法研究.pdf

1、合成孔徑雷達（SAR）具有全天時、全天候、遠作用距離、二維高分辨率及寬場景成像等特點，已在軍事及民事領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的進步，SAR系統(tǒng)工作模式早已不局限于線性軌道正側(cè)視條帶，非線性軌道、超長合成孔徑、超高分辨率、大斜視、寬幅、多工作模式等等對傳統(tǒng)成像算法提出了更高的要求。后投影成像算法（BPA）從時域逐脈沖積累能量，理論上適用于任意軌道模型和任意成像模式，其缺點在于計算量龐大。分級后投影成像算法（FFBPA）通過拆分合成孔徑

2、，分別得到粗糙子圖像，再借助于局部極坐標系進行圖像融合逐級提升分辨率，相比 BPA大幅減少插值次數(shù)。然而FFBPA在圖像融合過程中往往需要借助于二維圖像域插值操作，其計算效率和計算精度均受限于插值算法的選擇。本論文通過深入分析FFBPA的機理，從三種不同的角度分別提出了三種更為快速的時域成像算法，這些算法同樣適用于非線性軌道、超高分辨率等多種模式。
　　單通道或沿航向多通道SAR系統(tǒng)得到的圖像是三維場景在二維成像平面的投影，跨航向

3、線性陣列多輸入多輸出（MIMO）SAR系統(tǒng)具有三維成像能力，能對一些特殊地貌（如活火山等）獲得更為豐富的信息，近些年已成為研究熱點。搭載于小型飛機尤其是無人機的MIMO SAR系統(tǒng)（如德國的ARTINO）受氣流干擾嚴重，在沒有搭載高精度慣導(dǎo)的情況下，研究穩(wěn)定的高精度運動補償方法顯得格外重要，本論文分析了線陣MIMO SAR三維成像運動誤差模型，提出了能同時補償平動誤差和轉(zhuǎn)動誤差的基于聯(lián)合自聚焦技術(shù)的運動補償算法。
　　本文的具體研

4、究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：
　　1.通過分析 FFBPA算法的計算量，可知 FFBPA的插值次數(shù)取決于子孔徑劃分的大小，究其根本原因在于，在第一級圖像重建階段，F(xiàn)FBPA依舊采用低效的BPA實現(xiàn)，因此子孔徑越小，F(xiàn)FBPA運算效率越高。而子孔徑越小意味著圖像融合步驟更多，F(xiàn)FBPA算法采用二維圖像域插值實現(xiàn)圖像融合，插值誤差的積累造成圖像質(zhì)量的下降。本論文通過理論分析，提出一種結(jié)合 PFA和圖像融合的新方法。該方法的計算效率隨子

5、孔徑長度的增大而提升，同時，由于更少的圖像域插值引入，使得算法成像精度更高。文中分析了新算法的計算效率、內(nèi)存需求，同時也分析了新算法在多模式SAR下的應(yīng)用，最后通過仿真和實測實驗驗證了文中論述的正確性。
　　2.針對FFBPA在圖像融合過程采用大量插值操作造成計算效率和計算精度之間的矛盾的問題，提出一種無需插值的快速實現(xiàn)方法。文中分析了子圖像在不同極坐標系之間投影的偏移量，借助于距離維平移和角度維旋轉(zhuǎn)以及兩維線性變標操作，實現(xiàn)圖像

6、融合。該快速方法無需插值，因此相比傳統(tǒng)的基于二維圖像域插值的FFBPA算法，該方法具有更高的計算效率和精度。文中分析了快速方法的計算復(fù)雜度、適用范圍，最后通過仿真和實測數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)算法和快速方法進行了對比驗證。
　　3. FFBPA采用極坐標系進行圖像存取，因為在極坐標系下可以以較低的采樣率對圖像采樣而不會造成頻譜混疊，然而圖像在極坐標系下會發(fā)生畸變，且不同極坐標系之間畸變不一致，因此需逐點插值實現(xiàn)圖像投影融合。相比極坐標系，直角坐

7、標系因其對二維空域均勻采樣，圖像融合在直角坐標系下更容易實現(xiàn)，而直角坐標系下進行子孔徑成像的奈奎斯特采樣率具有較大冗余，這將拖累算法的運算效率。本文針對此問題提出了一種譜壓縮技術(shù)，該技術(shù)通過距離時域和距離頻域兩次補償，大幅壓縮了直角坐標系子孔徑成像的方位譜寬度，同時可以將斜視造成的傾斜譜校正為正譜。譜壓縮技術(shù)使得在直角坐標系下進行多級快速BP融合成為可能，且避免了插值操作，具有堪比原始BPA的成像質(zhì)量。此外，文中分析了該算法在非線性軌道

8、SAR模式下的應(yīng)用，分析了新算法的運算復(fù)雜度，并通過星載0.1m仿真成像實驗驗證了該算法可以處理高分辨率曲線軌道SAR數(shù)據(jù)，并通過機載0.2m實測實驗進一步驗證了算法的高效率和高精度。
　　4.線性陣列MIMO SAR系統(tǒng)因其在第三維具有基線而具備三維成像能力，而其第三維基線受氣流擾動的影響也較為突出，尤其對于沒有搭載慣導(dǎo)設(shè)備的小型載機平臺。傳統(tǒng)的運動補償算法只能補償載機的平動誤差，忽略轉(zhuǎn)動誤差，而轉(zhuǎn)動誤差對三維成像的影響也是不能