地球同步軌道SAR與中高軌道SAR成像算法研究.pdf

1、星載SAR具有全天時(shí)、全天侯、高分辨、遠(yuǎn)作用距離、寬測繪帶等優(yōu)點(diǎn)，并且具有穿透一定深度的地表和植被獲取大面積的遙感圖像的能力。近年來，隨著SAR技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域研究的拓展，越來越多的觀測任務(wù)對星載SAR的性能指標(biāo)提出了更為苛刻的要求，例如地理測繪，海洋應(yīng)用，情報(bào)偵察、災(zāi)害監(jiān)控，這些應(yīng)用不僅要求星載SAR具有高的空間分辨率，還要求其具有高的時(shí)間分辨率，能夠?qū)Υ竺娣e定點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行長時(shí)間的頻繁觀測。這就在其重返周期、測繪帶寬等方面對系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。
　　 然而目前在軌的星載SAR系統(tǒng)均搭載于低軌道衛(wèi)星上，軌道高度通常在500km～1000km。由于軌道高度較低的限制，其可覆蓋區(qū)域小，測繪帶窄，重復(fù)觀測周期長等缺點(diǎn)也越來越明顯，特別是近年來空間彈道導(dǎo)彈、激光武器的飛速發(fā)展，對低軌道SAR(LEO SAR)的戰(zhàn)場生存能力提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，在很大程度上限制了其應(yīng)用。一個(gè)有效地途徑來克服LEO SAR的不足就是將軌道高度提高到中高軌道或者地球同步軌道。地球同步軌

3、道SAR(GEO SAR)和中高軌道SAR(MEO SAR)，其可以用很小的波束角覆蓋大面積區(qū)域，獲得大范圍、持續(xù)的對地觀測能力，在地震和火山預(yù)報(bào)、災(zāi)害監(jiān)控，海洋應(yīng)用研究等方面具有潛在的優(yōu)勢。并且，由于高的軌道高度，其抗打擊和摧毀能力強(qiáng)，有較強(qiáng)的戰(zhàn)場生存能力。同時(shí)，超長的合成孔徑使其具備了對動目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤與高分辨率成像的潛力，是未來星載SAR對地高分辨寬測繪帶探測的發(fā)展趨勢之一。
　　 GEO SAR和MEO SAR因?yàn)檐壍?/p>

4、高度高，衛(wèi)星速度小，其具有與LEO SAR不同的特性。并且，其合成孔徑時(shí)間長，成像幾何關(guān)系復(fù)雜，“停走”假設(shè)和直線運(yùn)動軌跡近似不再成立。因此，傳統(tǒng)的SAR成像算法已經(jīng)難以完成目標(biāo)的精確聚焦?；谝陨显?，論文分為兩個(gè)部分，第一部分開展GEO SAR成像算法的研究，第二部分開展MEO SAR成像算法的研究，雖然第一部分是以GEO SAR為研究對象，但是其中的大部分結(jié)論和分析方法對于MEO SAR也是適用的。本論文所取得的主要研究成果為：<

5、br>　　 1.對GEO SAR成像中的回波信號二維頻譜表達(dá)式的推導(dǎo)問題以求解方程獲得駐相點(diǎn)的思路和利用級數(shù)反演獲得駐相點(diǎn)的思路分別進(jìn)行了對比研究。發(fā)現(xiàn)通過級數(shù)反演方法建立的二維頻譜，精度高、拓展性強(qiáng)、易于算法實(shí)現(xiàn)，滿足了高分辨率GEO SAR成像的需求，為之后高分辨率成像算法的研究進(jìn)行了鋪墊。
　　 2.系統(tǒng)的研究了GEO SAR的特性和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。首先建立了GEOSAR的軌道模型，對其特殊的運(yùn)動特性進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研

6、究了目標(biāo)的多普勒特性。針對衛(wèi)星姿態(tài)誤差對多普勒參數(shù)的影響從而導(dǎo)致成像質(zhì)量下降的問題，通過推導(dǎo)存在姿態(tài)誤差情況下的多普勒參數(shù)表達(dá)式，分析了姿態(tài)誤差對多普勒參數(shù)的影響，分析結(jié)果將對衛(wèi)星平臺控制參數(shù)精度的確定提供理論依據(jù)。在特性分析的基礎(chǔ)上，對其各系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)，詳細(xì)分析了其系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并針對中國的地理位置，設(shè)計(jì)了高分辨率和低分辨率的兩組有效的雷達(dá)參數(shù)。
　　 3.研究了GEO SAR子孔徑成像算法。首先對其子孔徑

7、時(shí)間內(nèi)的信號特點(diǎn)進(jìn)行了分析，考慮了“停走”假設(shè)帶來的誤差和等效雷達(dá)速度和等效斜視角的空變性，建立了其子孔徑成像模型。接著，基于該成像模型提出了兩種適用于GEO SAR子孔徑成像的算法。一種是改進(jìn)的子孔徑SPECAN算法，該算法效率高，滿足實(shí)時(shí)成像要求。一種是改進(jìn)的子孔徑CS成像算法，其校正了空變的距離徙動，可實(shí)現(xiàn)較大場景的成像。這兩種算法可以看做LEO SAR上的SPECAN算法和CS算法在GEO SAR上的推廣，突破了衛(wèi)星高度的限制。

8、最后，經(jīng)過仿真驗(yàn)證了這兩種算法的可行性。
　　 4.針對全孔徑衄線軌跡下GEO SAR高分辨成像問題，在以級數(shù)反演法為基礎(chǔ)的二維頻譜上，提出了兩種GEO SAR全孔徑成像算法，即一種改進(jìn)近似OMEGA-K成像算法和一種改進(jìn)CS成像算法。由于GEO SAR軌道高度高，合成孔徑時(shí)間長，其相對地球的運(yùn)動變得更為復(fù)雜，直線軌跡模型不再適用，導(dǎo)致常規(guī)的基于直線軌跡模型的成像算法性能下降。因此，這兩種算法根據(jù)GEO SAR平臺的運(yùn)動特性，對

9、其幾何構(gòu)型采取高階逼近，建立了曲線軌跡模型下的斜距方程。結(jié)合級數(shù)反演法，推導(dǎo)了GEO SAR回波信號二維頻譜高階近似表達(dá)式。近似OMEGA-K成像算法是一種二維頻域算法，其所有的操作都由快速傅里葉變換和相位點(diǎn)乘完成，具有較高的效率。另外，改進(jìn)的CS成像算法，采用數(shù)值擬合并結(jié)合CS變標(biāo)的方法實(shí)現(xiàn)GEO SAR中目標(biāo)的距離徙動校正，相比通過插值操作實(shí)現(xiàn)的距離徙動校正擁有較高的運(yùn)算效率。點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果表明所提斜距方程精度較高，所提算法能實(shí)現(xiàn)G

10、EO SAR全孔徑高分辨成像。
　　 5.針對MEO SAR全孔徑曲線軌跡下的高分辨成像問題，提出了一種適用于MEO SAR的高階修正雙曲線距離方程，該距離方程通過引入一線性項(xiàng)和一四次項(xiàng)對雙曲線距離方程進(jìn)行修正，使得其能對MEO SAR真實(shí)斜距歷程進(jìn)行四階精確逼近。在此基礎(chǔ)上，采用駐相點(diǎn)近似的方法推導(dǎo)該距離方程下的二維頻譜的閉合解析解，并結(jié)合級數(shù)反演法對頻譜精度進(jìn)行分析。為了便于成像算法的設(shè)計(jì)，對二維頻譜各部分的空變性進(jìn)行了分析