地球同步軌道合成孔徑雷達單基-雙基成像算法研究.pdf

1、星載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)具有全天時、全天候的觀測能力，可廣泛應用于地質(zhì)勘探、資源普查、災害管理和軍事偵察等領(lǐng)域。對于星載SAR來說，分辨率和測繪帶寬是衡量其性能的重要指標，在常規(guī)脈沖工作體制下，低軌SAR(Low Earth Orbit SAR,LEOSAR)的方位分辨率和測繪帶寬相互制約。提升軌道高度是解決這一制約關(guān)系的有效手段，因此，地球同步軌道SAR(Geosynchronous

2、 Earth Orbit SAR,GEOSAR)一經(jīng)提出便獲得了廣泛的關(guān)注和重視。相較于低軌SAR來說，GEOSAR具有較寬的測繪帶、較短的重復訪問周期、抗打擊和抗摧毀能力強以及可實現(xiàn)對特定區(qū)域較長時間監(jiān)控等優(yōu)點。但兼具這些優(yōu)點的同時，GEOSAR由于其天線尺寸大、功率消耗大以及發(fā)射成本高等因素大大限制了其工程實現(xiàn)。以GEOSAR為發(fā)射平臺、無人機載SAR(Unmanned Aerial Vehicle SAR,UAVSAR)為接收平臺

3、的雙基結(jié)構(gòu)(GEO-UAV BiSAR)能較好地解決這一問題，并可通過改變接收平臺的工作模式實現(xiàn)對不同區(qū)域的高分辨率或?qū)挏y繪帶成像。
　　由于GEOSAR具有較高的軌道位置、橢圓的運動軌跡、較長的合成孔徑時間、較寬的測繪帶等特點，使得該雷達的運動特性不同于其它星載雷達?；诖?，本文結(jié)合GEOSAR的運動特性，系統(tǒng)地分析了GEOSAR單基與雙基系統(tǒng)的斜距模型、回波信號模型以及點目標二維頻譜，進而研究其成像算法。本文圍繞以上研究內(nèi)容，

4、開展的主要工作可概括如下：
　　1、研究GEOSAR的運動特性及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計。GEOSAR的運動特性和多普勒特性不同于其它低軌和中軌星載雷達，而運動特性與多普勒特性是后續(xù)GEOSAR成像研究的基礎(chǔ)。因此，根據(jù)GEOSAR的空間幾何結(jié)構(gòu)，分析其運動特性及多普勒特性；基于該特性分析，進一步研究了GEOSAR的距離及方位分辨率、信號帶寬、脈沖重復頻率、平均發(fā)射功率等參數(shù)的設(shè)計過程。
　　2、GEOSAR單基系統(tǒng)的成像算法研究。由于

5、在較長合成孔徑時間內(nèi)GEOSAR的橢圓軌道運動，使得線性斜距模型不再適用于該雷達真實斜距歷程的高精度近似需求；并且考慮該雷達較高的軌道位置，無法忽略在電磁波傳播延遲時間內(nèi)雷達平臺的運動，使其不滿足“停-走-?！奔僭O(shè)條件。因此，通過泰勒展開原理推導非“停-走-?！奔僭O(shè)條件下的高精度斜距模型，并分析該模型的可行性和適用性；考慮該雷達具有較寬的測繪帶，應用級數(shù)反演算法推導距離空變的點目標二維頻譜，提出基于非“停-走-?！毙本嗄Ｐ偷腃S成像算法

6、與SPECAN成像算法，前者可實現(xiàn)清晰的大場景測繪帶成像，后者具有較高的運算效率。
　　3、大氣層對GEOSAR聚焦性能的影響及其抑制方法研究?？紤]GEOSAR主要工作于L波段，在較長的合成孔徑時間內(nèi)，大氣層中電離層與對流層的時間變化特性將嚴重影響L波段GEOSAR的聚焦性能。針對該問題，基于非“停-走-?！奔僭O(shè)，根據(jù)射線跟蹤法推導了電離層與對流層折射率變化所引起的斜距誤差模型，進一步分析電離層與對流層污染的回波信號模型，理論研究

7、電離層與對流層對雷達聚焦性能的影響及其抑制方法，并通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星服務系統(tǒng)(International GNSS Service,IGS)提供的電離層網(wǎng)格數(shù)據(jù)與大氣氣象信息，仿真分析電離層與對流層對成像質(zhì)量的影響，并驗證其抑制方法的有效性。
　　4、GEO-(ST)UAV BiSAR(Bistatic SAR with GEOSAR in the strip mode and UAVSAR in the strip mode,GE

8、O-(ST)UAV BiSAR)的幾何構(gòu)型及成像算法研究。GEO-(ST)UAV BiSAR的收發(fā)平臺均工作于條帶模式，由于該雙基雷達的收發(fā)平臺運動特性不同于其它星機體制雷達，需深入研究該雙基雷達的幾何構(gòu)型、二維分辨能力以及斜距模型，進而提出適用于其回波信號處理的成像算法。因此，根據(jù)收發(fā)平臺的運動特性，基于其波束地表掃描速度比值研究該雙基雷達的幾何構(gòu)型；分析其幾何構(gòu)型對合成孔徑時間以及二維分辨能力的影響，獲得較為優(yōu)化的雙基幾何構(gòu)型；應用

9、泰勒原理推導該雙基雷達的斜距模型，考慮距離空變的影響，通過級數(shù)反演算法推導距離空變的點目標二維頻譜表達式，并在此基礎(chǔ)上提出基于GEO-(ST)UAV BiSAR的CS成像算法。
　　5、GEO-(SA)UAV BiSAR(Bistatic SAR with GEOSAR in the strip mode and UAVSAR in the mode of steering antenna,GEO-(SA)UAV BiSAR)的成

10、像算法研究。GEO-(SA)UAV BiSAR的接收平臺工作于天線轉(zhuǎn)動模式，即聚束模式、滑動聚束模式以及TOPS(Terrain Observation by Progressive Scans,TOPS)模式。在收發(fā)平臺平穩(wěn)運動條件下，當脈沖重復頻率較小時，由于天線轉(zhuǎn)動可引起方位頻譜混疊現(xiàn)象，為解決該問題，引入dechirp方法消除方位頻譜混疊影響，以此提出了基于GEO-(SA)UAV BiSAR的CS成像算法；隨后，研究收發(fā)平臺非平