旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)三維成像方法研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá)(ROSAR)是一種新型的雷達(dá)成像模式,它既保留了傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)(SAR)全天候、全天時(shí)、電磁穿透等優(yōu)點(diǎn),又具有重訪周期短、全視域成像等卓越性能,廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)難應(yīng)急救援、地下資源勘探、公共場所無損安檢、戰(zhàn)場監(jiān)視以及低空火力支援等領(lǐng)域。直升機(jī)等旋翼飛行器是ROSAR模式最為典型的應(yīng)用平臺(tái),ROSAR天線固定在剛性支架上,并指向外圍隨機(jī)翼一起做勻速圓周運(yùn)動(dòng),天線旋轉(zhuǎn)一周即能完成周圍場景一次探測。該技術(shù)巧妙地利用了機(jī)翼

2、旋轉(zhuǎn)特性,僅需要一個(gè)天線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),就能形成方位向圓弧形合成孔徑,從而實(shí)現(xiàn)周圍場景二維成像,極大地提高了飛行器的飛行安全。但是面對(duì)低空飛行任務(wù),周圍場景通常非常復(fù)雜,而獲取的二維圖像將可能錯(cuò)誤地反映潛在威脅物的空間信息,為此開展ROSAR三維成像研究顯得尤為必要。
　　本文以滿足低空空域安全飛行為目的,針對(duì)ROSAR三維成像中的關(guān)鍵問題和技術(shù)難點(diǎn),圍繞973項(xiàng)目“復(fù)雜低空飛行的自主避險(xiǎn)理論與方法研究”、國家自然科學(xué)基金“機(jī)載毫米波

3、雷達(dá)旋轉(zhuǎn)合成孔徑成像處理方法研究”等項(xiàng)目的研究任務(wù),從 ROSAR三維成像模型和三維成像方法等方面展開研究。具體的工作和貢獻(xiàn)如下:
　　1.介紹了傳統(tǒng)的二維ROSAR模型,為后續(xù)的三維成像理論奠定基礎(chǔ)。針對(duì)現(xiàn)有的二維成像方法運(yùn)算量大、大方位角散焦問題,提出了一種基于頻譜重構(gòu)的二維ROSAR成像方法。通過分析ROSAR回波信號(hào)形式,對(duì)其直接進(jìn)行傅立葉變換,獲取二維精確頻譜表達(dá)式。由于精確頻譜的形式過于復(fù)雜,導(dǎo)致后續(xù)處理無法進(jìn)行,折中

4、考慮頻譜的精確性和可操作性,采用四階頻譜重構(gòu)的方法,獲取形式簡潔、保留較多信息的高階頻譜,并基于該頻譜提出ROSAR距離徙動(dòng)算法(RMA)和調(diào)頻變標(biāo)算法(CSA)。仿真實(shí)驗(yàn)表明,在方位角不大于90度情況下,頻譜重構(gòu)方法都能實(shí)現(xiàn)高精度快速成像。
　　2.建立了ROSAR干涉成像模型,并重點(diǎn)分析了非理想情況載機(jī)平臺(tái)的軸偏移問題。通過ROSAR技術(shù)和干涉方法相結(jié)合,要求載機(jī)平臺(tái)在不同高度上進(jìn)行懸停,每懸停一次獲取一組場景數(shù)據(jù),對(duì)錄取的數(shù)

5、據(jù)進(jìn)行成像和干涉處理,可實(shí)現(xiàn)周圍場景全視域三維成像。針對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)非理想情況,討論了軸偏移對(duì)方位帶寬、圖像位置和干涉相位的影響。軸偏移導(dǎo)致干涉相位中增加一項(xiàng)附加相位,通過推導(dǎo)和分析附加相位形式,構(gòu)建了一個(gè)相位補(bǔ)償函數(shù),由于該函數(shù)需要場景高度這一未知信息,預(yù)先假設(shè)所有場景高度為零,然后通過構(gòu)建相位加權(quán)因子來消除高度置零的影響。最后對(duì)軸偏移的影響進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),并獲取了仿真場景三維高程圖。
　　3.建立了旋轉(zhuǎn)上升合成孔徑雷達(dá)(SSAR)三

6、維成像模型,并提出一種適用于該模型的三維成像算法。在現(xiàn)有的二維ROSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上,SSAR利用載機(jī)平臺(tái)上升在高度向上形成第二個(gè)合成孔徑,天線受水平旋轉(zhuǎn)和勻速上升的共同作用,在空中形成一個(gè)圓柱形合成陣面,同時(shí)結(jié)合距離向發(fā)射的寬帶信號(hào),使得該模型具有三維成像能力。關(guān)于三維成像算法,為了降低成像處理難度,首先分析方位向采樣和高度向上升對(duì)天線位置的影響,并構(gòu)建位置偏移補(bǔ)償函數(shù),將“旋轉(zhuǎn)上升”模式簡化為沿高度向“一步一懸停”模式。然后分析了簡

7、化模式的相位歷程,計(jì)算高度向中心頻率偏移量,推導(dǎo)波數(shù)域三維匹配函數(shù),構(gòu)建波數(shù)域插值函數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)簡化模式的三維成像。最后對(duì)該模型進(jìn)行了性能分析,并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成像算法的有效性。
　　4.建立了前行ROSAR(FMROSAR)三維成像模型,并針對(duì)該模型提出了一種三維成像算法。在前行狀態(tài)下,天線指向前方區(qū)域發(fā)射寬帶信號(hào),同時(shí)受到平臺(tái)前行和機(jī)翼旋轉(zhuǎn)的共同影響,在空中形成一個(gè)水平合成陣面,結(jié)合距離向高分辨能力以及二維陣面分辨能力,FM

8、ROSAR可實(shí)現(xiàn)三維前視成像。FMROSAR成像算法包括模式簡化和簡化模式三維成像兩大步驟。首先通過方位向偏移補(bǔ)償和順軌向偏移補(bǔ)償,將前行模式簡化為沿順軌向“一步一?！蹦Ｊ?。針對(duì)“一步一?！蹦Ｊ?又細(xì)分為距離-方位成像和距離-順軌成像兩個(gè)子步驟。在后者的成像過程中,分析了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)方位角變化的影響,并給出了順軌向有效聚焦的約束條件。同時(shí)考慮順軌向大斜視成像情況,提出了一種改進(jìn)的距離多普勒算法(RDA)。最后分析了上述模型的性能,并驗(yàn)證了