SAR解多普勒模糊與雙基SAR成像算法研究.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種非常重要的遙感工具,相對(duì)于光學(xué)遙感和其它微波遙感設(shè)備,具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本論文主要對(duì)SAR成像中的兩個(gè)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了深入的研究:其一為SAR多普勒中心估計(jì)中的解多普勒模糊方法,其二為雙基SAR成像算法。論文內(nèi)容可概括為如下六部分:
　　 第一部分,提出了一種SAR多普勒中心估計(jì)中的解多普勒模糊的新方法。通過(guò)對(duì)SAR回波信號(hào)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):在壓縮方位時(shí)間/距離頻率域內(nèi),所有目標(biāo)的軌跡所占據(jù)的距離頻率帶寬

2、相同而且它們所呈現(xiàn)的斜率也相同,而此斜率與多普勒模糊數(shù)成正比。本部分提出的解多普勒模糊的新方法正是基于上述事實(shí)的。為了測(cè)量上面提到的斜率,給出了一種簡(jiǎn)化的Radon變換。在搜索Radon變換后圖像中的“能量聚集點(diǎn)”時(shí),利用熵來(lái)改善算法的穩(wěn)健性。這種新的解多普勒模糊方法可直接得到多普勒模糊數(shù)的可靠估計(jì),而且解多普勒模糊與估計(jì)基帶多普勒中心是相互獨(dú)立的。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這利,新的解多普勒模糊方法對(duì)中、高對(duì)比度的場(chǎng)景非常有效。除此之外

3、,此方法還具有這樣一個(gè)優(yōu)點(diǎn):只要場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)所引起的多普勒頻移不超過(guò)一個(gè)PRF,則運(yùn)動(dòng)目標(biāo)不會(huì)對(duì)多普勒模糊數(shù)的估計(jì)結(jié)果造成影響。
　　 第二部分,在Neo提出的MSR(級(jí)數(shù)反演)雙基二維譜的基礎(chǔ)上,提出了兩種處理雙基SAR數(shù)據(jù)的OMEGA-K成像算法,即一種簡(jiǎn)易的OMEGA-K算法和一種改進(jìn)的OMEGA—K算法。推導(dǎo)這兩種OMEGA-K算法的關(guān)鍵步驟是推導(dǎo)其距離頻率映射函數(shù),而推導(dǎo)距離頻率映射函數(shù)的關(guān)鍵是如何對(duì)二維譜進(jìn)行線性

4、化。對(duì)于簡(jiǎn)易OMEGA-K算法,二維譜線性化的關(guān)鍵是利用了一個(gè)角度近似假設(shè),而對(duì)于改進(jìn)OMEGA-K算法,二維譜線性化的關(guān)鍵是在雙基幾何模型的地平面上引入一個(gè)參考向量(值得注意的是,在本部分中還詳細(xì)研究了該參考向量的最優(yōu)方向,而此最優(yōu)方向?yàn)檫@樣一個(gè)方向:在此方向上的所有點(diǎn)目標(biāo)具有相同的零方位時(shí)刻瞬時(shí)多普勒頻率)。對(duì)于中等雙基配置結(jié)構(gòu)(即雙基基線不太長(zhǎng)的情況),兩種算法的聚焦性能差別不大,均能夠取得較好的成像性能,此時(shí),簡(jiǎn)易OMEGA—K

5、算法的運(yùn)算量較小,易于編程實(shí)現(xiàn)。對(duì)于極端的雙基配置結(jié)構(gòu)(即雙基基線較長(zhǎng)或合成孔徑時(shí)間較長(zhǎng)的情況),改進(jìn)的OMEGA—K算法在聚焦性能上明顯優(yōu)于簡(jiǎn)易OMEGA-K算法,因此極端的雙基配置結(jié)構(gòu)適合用改進(jìn)的OMEGA-K算法進(jìn)行聚焦成像。
　　 第三部分,針對(duì)已有的MSR雙基距離多普勒算法,提出了一種更新聚焦函數(shù)所需的距離導(dǎo)數(shù)的新方法。推導(dǎo)這種方法主要利用了兩點(diǎn):第一點(diǎn)是在雙基SAR幾何模型的地平面上引入一個(gè)參考向量,第二點(diǎn)是利用了級(jí)

6、數(shù)反演原理。這種新方法的主要特點(diǎn)是其具有“解析性”。因此,這種新方法易于編程實(shí)現(xiàn)且比較精確。值得注意的是,本部分提出的這種更新成像算法所需參數(shù)的新方法還用于了其它的雙基成像算法(見(jiàn)下面將要提到的第四部分和第六部分)。
　　 第四部分,針對(duì)混合星載/機(jī)載雙基SAR這種特殊的配置結(jié)構(gòu),對(duì)MSR雙基二維譜進(jìn)行了推廣,得到了一種推廣的MSR(EMSR)雙基二維譜。這種EMSR雙基二維譜適合處理混合雙基SAR數(shù)據(jù)。為了推導(dǎo)EMSR雙基二維

7、譜,我們首先推導(dǎo)了“等效平移不變方位時(shí)間”。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),該等效平移不變方位時(shí)間可以從物理意義上解釋為發(fā)射天線平移不變方位時(shí)間與接收天線平移不變方位時(shí)間的加權(quán)和,而加權(quán)因子恰好分別為發(fā)射天線和接收天線的方位調(diào)頻率與雙基總的方位調(diào)頻率之比。在推導(dǎo)EMSR二維譜的過(guò)程中,我們還推導(dǎo)了一個(gè)重要的參數(shù),即“等效平臺(tái)速度”。利用該等效平臺(tái)速度,可以把聚焦后的SAR圖像的坐標(biāo)校正到地面方位坐標(biāo)。本部分另外一個(gè)重點(diǎn)是把所推導(dǎo)的EMSR雙基二維譜應(yīng)用到

8、MSR雙基距離多普勒算法中。在應(yīng)用MSR雙基距離多普勒算法的過(guò)程中,利用了第三部分給出的更新距離導(dǎo)數(shù)的新方法。對(duì)于混合星載/機(jī)載雙基SAR距離多普勒算法,本部分對(duì)若干問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)討論,比如SAR圖像坐標(biāo)校正問(wèn)題,確定方位不變區(qū)域大小的問(wèn)題。
　　 第五部分,利用“把雙基SAR系統(tǒng)等效為單基SAR系統(tǒng)”的思想,推導(dǎo)了一種新的雙基二維譜。這種新的雙基二維譜的相位包含兩部分:“等效單基”相位部分與“雙基變形”相位部分。推導(dǎo)這種新的雙

9、基二維譜的關(guān)鍵步驟是利用一個(gè)包含“一個(gè)三次項(xiàng)與一個(gè)四次項(xiàng)”的“代數(shù)算子”來(lái)補(bǔ)償“雙根號(hào)”與“單根號(hào)”之差,從而在補(bǔ)償后,雙基SAR系統(tǒng)可以等效為單基SAR系統(tǒng),進(jìn)而得到一種新的雙基二維譜。這種新雙基二維譜可以看作孫進(jìn)平的二維譜的推廣與改進(jìn),并且,它融入了“Rocca’s smile”算子的思想。這種新的雙基二維譜的相位可精確到四次項(xiàng),并且此二維譜適用于“一般意義”上的雙基SAR結(jié)構(gòu)配置(如雷達(dá)平臺(tái)速度不相等,雷達(dá)平臺(tái)飛行軌跡不平行,雷達(dá)

10、平臺(tái)高度不相等)。另外,本部分還從理論上分析對(duì)比了四種雙基二維譜(包括本部分推導(dǎo)的雙基二維譜、孫進(jìn)平的二維譜、LBF二維譜以及ELBF二維譜)并用仿真實(shí)驗(yàn)比較了它們的聚焦性能。理論分析與仿真結(jié)果表明本部分推導(dǎo)的新雙基二維譜的應(yīng)用范圍最廣泛且精度最高。
　　 第六部分,基于第五部分推導(dǎo)的等效雙基二維譜,推導(dǎo)了一種新的雙基距離多普勒算法。為了推導(dǎo)這種算法,首先從二維譜的“等效單基”相位中分解出“二次距離壓縮”項(xiàng),然后把此項(xiàng)與“雙基變

11、形”相位項(xiàng)合并從而形成一個(gè)新的“雙基變形”相位項(xiàng)。對(duì)于新的“雙基變形”相位項(xiàng),由于它是空間慢變的,因此我們可以在二維頻率域內(nèi)以“分塊”的方式(在同一塊內(nèi)認(rèn)為“雙基變形”相位項(xiàng)不變)把其消掉。為了解決“距離走動(dòng)”相位項(xiàng)與“方位調(diào)制”相位項(xiàng)隨距離變化的問(wèn)題,對(duì)第三部分給出的用于MSR距離多普勒算法的距離導(dǎo)數(shù)更新的方法作稍微改動(dòng),使得此方法能夠?qū)θ齻€(gè)等效參數(shù)(即等效距離、等效速度以及等效斜視角)沿著距離進(jìn)行有效更新。本部分所推導(dǎo)的距離多普勒算

12、法易于編程實(shí)現(xiàn),因?yàn)椤熬嚯x走動(dòng)”與“方位調(diào)制”的表達(dá)式具有“簡(jiǎn)潔閉合”的形式(而非復(fù)雜的級(jí)數(shù)展開(kāi)形式)。就成像步驟而言,本部分推導(dǎo)的距離多普勒算法與傳統(tǒng)單基距離多普勒算法相比,只是多了一個(gè)“更新等效參數(shù)”的步驟,這意味著傳統(tǒng)的單基距離多普勒算法經(jīng)過(guò)較小修改后可直接用于對(duì)雙基SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行成像。另外,本部分還給出了一種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ā４诉\(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法是在傳統(tǒng)的“兩步補(bǔ)償”法的基礎(chǔ)上修改得到的,而修改的關(guān)鍵步驟是沿著參考向量進(jìn)行“距離相關(guān)的運(yùn)