快速時(shí)域SAR成像與三維SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法研究.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)（SAR）具有全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)作用距離、二維高分辨率及寬場(chǎng)景成像等特點(diǎn)，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(jìn)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(zhǎng)合成孔徑、超高分辨率、大斜視、寬幅、多工作模式等等對(duì)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(shí)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(diǎn)在于計(jì)算量龐大。分級(jí)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(biāo)系進(jìn)行圖像融合逐級(jí)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(jì)算效率和計(jì)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(jī)理，從三種不同的角度分別提出了三種更為快速的時(shí)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(chǎng)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(duì)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(diǎn)。搭載于小型飛機(jī)尤其是無人機(jī)的MIMO SAR系統(tǒng)（如德國(guó)的ARTINO）受氣流干擾嚴(yán)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法顯得格外重要，本論文分析了線陣MIMO SAR三維成像運(yùn)動(dòng)誤差模型，提出了能同時(shí)補(bǔ)償平動(dòng)誤差和轉(zhuǎn)動(dòng)誤差的基于聯(lián)合自聚焦技術(shù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。
　　本文的具體研

4、究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：
　　1.通過分析 FFBPA算法的計(jì)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(jí)圖像重建階段，F(xiàn)FBPA依舊采用低效的BPA實(shí)現(xiàn)，因此子孔徑越小，F(xiàn)FBPA運(yùn)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(shí)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(jì)算效率隨子

5、孔徑長(zhǎng)度的增大而提升，同時(shí)，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(jì)算效率、內(nèi)存需求，同時(shí)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(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中論述的正確性。
　　2.針對(duì)FFBPA在圖像融合過程采用大量插值操作造成計(jì)算效率和計(jì)算精度之間的矛盾的問題，提出一種無需插值的快速實(shí)現(xiàn)方法。文中分析了子圖像在不同極坐標(biāo)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(biāo)操作，實(shí)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(jì)算效率和精度。文中分析了快速方法的計(jì)算復(fù)雜度、適用范圍，最后通過仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)傳統(tǒng)算法和快速方法進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
　　3. FFBPA采用極坐標(biāo)系進(jìn)行圖像存取，因?yàn)樵跇O坐標(biāo)系下可以以較低的采樣率對(duì)圖像采樣而不會(huì)造成頻譜混疊，然而圖像在極坐標(biāo)系下會(huì)發(fā)生畸變，且不同極坐標(biāo)系之間畸變不一致，因此需逐點(diǎn)插值實(shí)現(xiàn)圖像投影融合。相比極坐標(biāo)系，直角坐

7、標(biāo)系因其對(duì)二維空域均勻采樣，圖像融合在直角坐標(biāo)系下更容易實(shí)現(xiàn)，而直角坐標(biāo)系下進(jìn)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(yùn)算效率。本文針對(duì)此問題提出了一種譜壓縮技術(shù)，該技術(shù)通過距離時(shí)域和距離頻域兩次補(bǔ)償，大幅壓縮了直角坐標(biāo)系子孔徑成像的方位譜寬度，同時(shí)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(biāo)系下進(jìn)行多級(jí)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(yùn)算復(fù)雜度，并通過星載0.1m仿真成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jī)載0.2m實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)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(dòng)的影響也較為突出，尤其對(duì)于沒有搭載慣導(dǎo)設(shè)備的小型載機(jī)平臺(tái)。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法只能補(bǔ)償載機(jī)的平動(dòng)誤差，忽略轉(zhuǎn)動(dòng)誤差，而轉(zhuǎn)動(dòng)誤差對(duì)三維成像的影響也是不能