機載SAR快速后向投影成像算法研究.pdf

1、合成孔徑雷達(SAR)成像技術具有全天候、全天時、遠距離作用、高分辨、廣域觀測的特點，能有效地提高了雷達的信息獲取能力，因而被廣泛地用于土地監(jiān)測、海洋觀測、海冰監(jiān)視和地貌變化等民事領域以及戰(zhàn)場偵察、軍隊動向監(jiān)視等軍事領域。隨著SAR技術的發(fā)展，SAR正在朝著波束指向更靈活、分辨率更高、場景覆蓋面積更大的方向發(fā)展，因此精確地獲取地表信息具有重要意義。
　　由于波束指向的靈活性，SAR具備多種工作模式，包括聚束模式、條帶模式、滑動聚束

2、模式和TOPS模式等。同時，每種工作模式又可以衍生出正側視和斜視兩種幾何構型。在不同的工作模式、不同的幾何構型下，數(shù)據(jù)錄取方式及回波信號的形式差異較大，需要研究新的成像算法以適應不同工作模式的需求。本文針對機載SAR多模式成像及運動補償中存在的關鍵問題，圍繞國家自然科學基金、高等學校博士學科點專項科研基金、民口973項目開展研究，旨在拓展快速時域算法的適用范圍和改善算法的運算效率。論文的主要工作如下:
　　第二章是本文的基礎理論章

3、節(jié)，介紹了目前幾種典型的SAR成像算法，討論了每種算法的成像原理、關鍵技術以及優(yōu)勢和不足。根據(jù)波數(shù)支撐區(qū)的特點，第二章首先介紹了針對斜視聚束SAR極坐標處理的兩種重采樣方法，即沿視線極坐標插值(LOSPI)和固定場景插值(SSPI)，推導了重采樣之后的二維波數(shù)譜。需要指出的是，PFA不但生命力頑強、廣泛用于高分辨聚束SAR、CSAR和視頻SAR等，而且距離-多普勒域聚焦的成像特點和LOSPI為第三章開展基于快速時域算法的自聚焦處理提供了

4、借鑒意義。此外，第二章還重點介紹了BP算法、FBP算法和FFBP算法三種時域算法，討論了圖像質量對真實的APC位置和地形起伏的依賴性。
　　在實際應用中，大部分運動誤差可根據(jù)GPS/INS記錄的平臺運動信息得到校正。然而在高分辨SAR成像場合，即使幾厘米量級的殘余運動誤差都極可能對圖像聚焦產生影響，因此快速時域算法有必要開展基于圖像或數(shù)據(jù)的自聚焦處理。為此，第三章對FFBP算法進行了必要的改進。第一、選用LOS虛擬極坐標網(wǎng)格代替原

5、始FFBP算法中的極坐標網(wǎng)格。使用該坐標系重建的圖像不但可以提供圖像域與距離壓縮相位歷程域之間的傅里葉變換關系，而且能夠獲得沿水平方向散布的脈沖響應函數(shù)。第二、利用FFBP算法的多孔徑結構建立重疊子孔徑構型(OSF)。OSF是連接子孔徑相位誤差和全孔徑相位誤差函數(shù)的紐帶，從而實現(xiàn)了基于相位梯度自聚焦(PGA)的精確的運動補償。
　　FFBP算法利用二維插值實現(xiàn)圖像的遞歸融合，然而插值操作不可避免地產生插值誤差，引起圖像質量的損失。

6、針對這個問題，第四章提出了一種基于波數(shù)譜融合的加速后向投影聚束SAR成像算法，即EBP算法。EBP算法創(chuàng)新地將子孔徑數(shù)據(jù)后向投影到全局極坐標系，從而保證所有的子圖像波數(shù)譜均位于同一波數(shù)空間。無需二維插值和遞歸融合，EBP算法僅需通過子圖像波數(shù)譜的方位搬移便可得到全孔徑波數(shù)譜。EBP算法精確地保留波數(shù)譜的原有形式，避免了二維插值處理帶來的副作用，具有時域算法的精確性，而快速傅里葉變換(FFT)和循環(huán)移位操作又使其兼顧高效性。實驗證明，EB

7、P算法在圖像質量和運算效率方面均優(yōu)于FFBP算法。
　　FFBP算法在聚束SAR領域取得了巨大成功，然而將其拓展至條帶SAR處理還是一個很大的挑戰(zhàn)。在第四章的啟發(fā)下，第五章從波數(shù)譜的角度出發(fā)重新梳理了FFBP算法，找出了FFBP算法難以直接用于條帶SAR處理的原因:第一、積分孔徑;第二、角域升采樣引起的大的運算負擔。針對這個問題，第五章提出了重疊圖像法，并成功實現(xiàn)了基于FFBP算法的條帶SAR處理。該方法無需角域升采樣，極大地保留

8、了FFBP算法的運算效率優(yōu)勢，具有先聚束處理、后聚束—條帶處理的特點。重疊圖像法不但適用于正側視或斜視條帶SAR處理，還能拓展至TOPS SAR和滑動聚束SAR處理。本章最后，通過仿真實驗和實測數(shù)據(jù)處理驗證重疊圖像的可行性和有效性。至此，線性孔徑下不同成像模式皆可由快速時域算法實現(xiàn)。
　　之前的章節(jié)實現(xiàn)了快速時域算法在線性孔徑下的拓展應用，第六章針對圓跡SAR(CSAR)成像開展研究，提出了CEBP算法。為了避免過高的角域升采樣率