機(jī)載雙—多站合成孔徑雷達(dá)成像理論與算法研究.pdf

1、機(jī)載雙-多站合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)是在常規(guī)單站SAR的基礎(chǔ)上,結(jié)合了雙-多站雷達(dá)的最新研究成果發(fā)展起來的一種新體制成像雷達(dá)。由于采用了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分置的模式,使得雷達(dá)系統(tǒng)的配置更加靈活,成本進(jìn)一步降低,特別是在雙站構(gòu)型下所表現(xiàn)出來的一些突出優(yōu)勢,如非后向散射回波提供的更加豐富的目標(biāo)信息、利用干涉圖樣獲取目標(biāo)場景的三維圖像、雷達(dá)的生存能力和抗干擾能力大幅度提高等等,使之成為近年來SAR技

2、術(shù)研究領(lǐng)域的熱點。
　　收、發(fā)雷達(dá)分置及其空間的幾何構(gòu)型是機(jī)載雙-多站SAR的基本特征,提高了雙-多站SAR的實用價值,同時也給成像算法的研究帶來了巨大挑戰(zhàn)。雙站SAR的斜距歷程為發(fā)射機(jī)斜距歷程與接收機(jī)斜距歷程之和,具有平頂雙曲線的形狀,使方位時間與最近距離的依賴關(guān)系減弱,距離彎曲減小,聚焦深度增加,形成了雙站SAR回波信號的自身特點。相位歷程的雙根號形式限制了駐定相位法的使用,無法直接得到回波信號的二維頻譜。雷達(dá)回波信號同時具有

3、了距離向空變性和方位向空變性,對方位向空變性的處理還缺乏理論支撐,成為雙-多站SAR成像的難點。收、發(fā)載機(jī)運動狀態(tài)及其隨機(jī)擾動誤差對成像質(zhì)量的影響還沒有得到充分研究。本文旨在對機(jī)載雙-多站SAR空間結(jié)構(gòu)影響下的信號特性及其空變性特點進(jìn)行研究,建立雙-多站SAR成像的理論體系,為各種雙站構(gòu)型,包括方位向移(空)不變構(gòu)型和一般構(gòu)型的雙站SAR提供高效、精確的成像算法。
　　論文建立了機(jī)載雙站SAR的通用幾何模型,提出用兩個雙站結(jié)構(gòu)參數(shù)

4、和對雙站構(gòu)型進(jìn)行分類的方法。這種分類方法兼顧了雙站SAR的空間結(jié)構(gòu)及其空變性,為雙站SAR系統(tǒng)的描述提供了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。a0 a2
　　模糊函數(shù)法得出的雙站SAR分辨率公式與雙站結(jié)構(gòu)有關(guān),不能用于某些特殊構(gòu)型,如串行雙站SAR等,對此論文提出了一種基于匹配濾波的三維分辨率分析法,它以固定的三維坐標(biāo)系為參考,不受雙站結(jié)構(gòu)變化的影響,具有很強(qiáng)的適用性。利用這組三維分辨率公式,可以全面描述所有機(jī)載雙站SAR的分辨特性,具有更高的工程實用價值

5、。
　　為了得到機(jī)載雙站SAR二維頻譜的解析表達(dá)式,論文提出了一種基于半單站駐定相位展開法的推導(dǎo)思路。與其它方法,如級數(shù)反演法、瞬時頻率法相比,這種方法得出的結(jié)果參數(shù)少,物理意義明確,有利于算法的研究。表達(dá)式的精度與收、發(fā)載機(jī)的飛行速度及雷達(dá)的斜視角有關(guān),在機(jī)載雙站SAR的中度斜視情況下能夠滿足成像精度的要求。
　　二維空變性是雙站SAR的顯著特點,論文提出了對一般構(gòu)型機(jī)載雙站SAR二維空變性的分析方法。通過對雙站雷達(dá)回波的

6、距離走動、距離彎曲、距離向空變性、方位向空變性的深入研究,總結(jié)出了一般構(gòu)型雙站SAR空變性的新特點,彌補(bǔ)了雙站SAR成像理論研究的不足。針對收、發(fā)載機(jī)飛行軌跡不平行對雷達(dá)信號二維空變性的影響,論文提出了解耦合的概念和解耦合的方法,利用解耦合公式將成像目標(biāo)相對于發(fā)射機(jī)軌跡
　　和接收機(jī)軌跡的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來,統(tǒng)一到以接收機(jī)軌跡為中心的柱坐標(biāo)系下,為成像算法的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　雙站移不變結(jié)構(gòu)是機(jī)載雙站SAR的一種特殊構(gòu)型,可以利

7、用單站算法來成像,據(jù)此論文提出了一種基于等效相位中法(EPC)的通用BRD算法。該算法的特點是對雙站斜距歷程做精確補(bǔ)償,避免了近似補(bǔ)償帶來的誤差限制。在等效單站的多普勒頻率與雙站多普勒頻率近似相等的條件下,利用單站SAR的距離-多普勒算法(RDA)可以精確聚焦雙站SAR數(shù)據(jù)。該算法具有一定的通用性,可以用于機(jī)載串行和并行雙站SAR成像,但其適用性受到基線長度和雙站角大小的限制。
　　為了克服上述成像算法的限制,論文提出了一類利用C

8、hirp-Z變換來校正雙站距離徙動的新算法。CZT具有變標(biāo)功能,且不受信號線性調(diào)頻性的苛求,非常適合于處理雙站SAR回波信號。論文從雙站SAR的二維頻譜出發(fā),提出了機(jī)載串行和并行雙站SAR的CZT算法,其中串行CZT算法引入的近似很少,并行CZT算法在對數(shù)據(jù)做距離向分塊后可以消除雙站結(jié)構(gòu)參數(shù)距離空變性的影響,它們都能精確聚焦雙站SAR數(shù)據(jù)。這類用于機(jī)載移不變構(gòu)型雙站SAR成像的CZT算法,處理過程簡單,適用性強(qiáng),不受基線長度和雙站角大小

9、的限制,計算復(fù)雜度與單站CZT算法相同。a2
　　一般構(gòu)型是機(jī)載雙站SAR成像的理想模式,但受雷達(dá)回波信號二維空變性的影響,還沒有開發(fā)出高效的成像算法。論文提出了采用二維CZT變換分別校正目標(biāo)回波的距離向徙動和方位向徙動的思想,得到了一種適用于一般構(gòu)型雙站SAR成像的二維CZT算法。算法通過對回波數(shù)據(jù)做距離-方位向分塊,消除了雙站結(jié)構(gòu)參數(shù)和空變性對成像的影響,在每個數(shù)據(jù)塊上對距離向和方位向分別做CZT校正了距離向徙動和方位向徙動,

10、獲得了聚焦性能良好的圖像。該算法計算過程簡單,計算效率高,適用于收、發(fā)載機(jī)均斜視的一般構(gòu)型雙站SAR成像,對基線長度和雙站角的變化也有很強(qiáng)的包容性。a0 a2
　　載機(jī)的飛行姿態(tài)控制及其運動誤差分析是機(jī)載雙-多站SAR成像中運動誤差補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ),論文重點研究了收、發(fā)載機(jī)的隨機(jī)擾動對雙-多站SAR成像的影響,推導(dǎo)出了影響成像質(zhì)量的隨機(jī)擾動誤差準(zhǔn)則。根據(jù)這些準(zhǔn)則可以確定需要補(bǔ)償?shù)碾S機(jī)擾動誤差容限,而且論文提出的分析方法可以直接推廣到更一