直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR與雙基SAR大斜視成像算法研究.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像是一種全天時(shí)、全天候的微波遙感技術(shù);在地球觀測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事偵察及飛行器安全飛行和降落等方面具有重要意義。為提高SAR系統(tǒng)性能,擴(kuò)展其應(yīng)用平臺(tái),國(guó)內(nèi)外開展了新型SAR技術(shù)研究。直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR利用雷達(dá)天線的旋轉(zhuǎn)來合成方位向孔徑,從而得到高分辨二維SAR圖像。它具有高時(shí)空分辨率、短重訪周期、前視成像能力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單硬件成本低等優(yōu)點(diǎn),且二維成像時(shí)不需要直升機(jī)平

2、臺(tái)做任何運(yùn)動(dòng)。另外,結(jié)合直升機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和天線旋轉(zhuǎn)可合成虛擬二維面陣天線,同時(shí)融合距離脈沖壓縮技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)區(qū)域的三維成像。雙基SAR是指發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位于不同平臺(tái)上的新型SAR模式。與單基SAR相比,雙基SAR具有可獲得目標(biāo)非后向散射特征、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活及便于接收機(jī)隱身設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。特別地,大斜視雙基SAR可以不需要飛越某一地區(qū)而能對(duì)該區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè);即也具有對(duì)前方目標(biāo)成像能力。因此,作為對(duì)具有前方目標(biāo)成像能力的新型SAR模式,直升機(jī)

3、載旋轉(zhuǎn)式SAR和雙基SAR具有廣泛的軍事和民用前景。
　　本文在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家973項(xiàng)目支撐下,圍繞直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR和雙基SAR原理和成像算法展開研究,主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1、針對(duì)直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式 SAR方位分辨率依賴于方位重構(gòu)角的大小,傳統(tǒng)的劃分子孔徑的方法使得方位分辨率低的問題。在詳細(xì)分析其成像幾何模型基礎(chǔ)上,使用高階逼近原理近似構(gòu)造直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR的回波信號(hào)模型,然后借助級(jí)數(shù)反演法求得其精確的二維頻譜表

4、達(dá)式。在此基礎(chǔ)上,提出了一種高分辨直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR成像算法,給出算法的完整推導(dǎo)過程和各補(bǔ)償因子的表達(dá)式;并詳細(xì)分析了系統(tǒng)參數(shù)選擇對(duì)直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR分辨率的影響。
　　2、針對(duì)直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式 SAR雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)成像時(shí)平臺(tái)存在運(yùn)動(dòng)的問題。提出一種融合直升機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)Chirp Scaling算法。該算法首先建立了存在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR成像的幾何模型。在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的目標(biāo)斜距誤差在單個(gè)孔徑時(shí)

5、間內(nèi)隨目標(biāo)位置的變化關(guān)系,得到了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差的空變性大小并給出誤差補(bǔ)償方法。然后,分析了直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式 SAR幾何構(gòu)型帶來的速度隨目標(biāo)位置變化特性對(duì)成像質(zhì)量的影響,并把其影響補(bǔ)償融入到Chirp Scaling算法的距離徙動(dòng)空變性校正和方位壓縮中。整個(gè)算法只包含快速傅立葉變換和復(fù)數(shù)乘操作,不涉及插值,易于工程實(shí)現(xiàn)。最后,計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明,該算法能夠?qū)χ鄙龣C(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)大場(chǎng)景進(jìn)行成像并具有良好的成像效果。
　　3、提出了一種基于調(diào)頻

6、連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)的直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR新的成像模式并給出了相應(yīng)的成像算法。該方法首先利用等效相位中心原理,將收發(fā)分置天線系統(tǒng)的回波信號(hào)等效為“自發(fā)自收”單基系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,求得了其精確的二維頻譜同時(shí)分析了雷達(dá)天線連續(xù)運(yùn)動(dòng)的影響--產(chǎn)生多普勒頻移,并給出補(bǔ)償方法;然后運(yùn)用高效的逆Chirp-Z變換校正了距離徙動(dòng)空變性。詳細(xì)分析了速度近似誤差對(duì)成像區(qū)域大小的影響,

7、并把其影響補(bǔ)償融合到成像算法中。整個(gè)算法只包含快速傅立葉變換和復(fù)乘操作,不涉及插值,易于工程實(shí)現(xiàn)。最后,仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性和算法的有效性。
　　4、結(jié)合直升機(jī)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和安裝在旋翼末端的雷達(dá)天線的旋轉(zhuǎn),直升機(jī)旋轉(zhuǎn)式SAR能實(shí)現(xiàn)對(duì)載機(jī)前方目標(biāo)的三維成像。本文根據(jù)直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR幾何構(gòu)型和回波信號(hào)特性,提出一種新的直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR前視三維成像算法。該算法首先將雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)得到回波數(shù)據(jù)采用改進(jìn) Chirp Scali

8、ng算法處理獲得單幅SAR圖像;然后把沿每個(gè)方位向?qū)?yīng)的斜距-沿航向平面的切片數(shù)據(jù)看成前下視成像模式的回波數(shù)據(jù),利用融合子場(chǎng)景劃分技術(shù)的Omega-k成像算法沿方位依次進(jìn)行成像處理,最后獲得直升機(jī)平臺(tái)前方目標(biāo)的三維圖像。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性和正確性。該模式僅僅利用了一根天線就能獲得載機(jī)平臺(tái)前方目標(biāo)的三維SAR圖像,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)。
　　5、在大斜視方位時(shí)變雙基 SAR模式下,一方面,距離走動(dòng)校正引入的距離偏移外

9、,方位時(shí)變的幾何構(gòu)型也引入一個(gè)距離偏移。尤其是在接收和發(fā)射平臺(tái)航線夾角較大時(shí),幾何構(gòu)型引入的空變性變得更劇烈。另一方面,隨著斜視角的增大,方位調(diào)頻率高次項(xiàng)和三次相位的空變性已經(jīng)不能忽略。針對(duì)該問題,提出一種改進(jìn)的方位非線性調(diào)頻變標(biāo)算法。該方法首先在距離頻率-方位時(shí)域完成距離走動(dòng)和多普勒中心校正,然后在二維頻域通過一致二次距離壓縮校正剩余的距離單元徙動(dòng)和距離-方位高次耦合。在分析方位時(shí)變雙基SAR幾何構(gòu)型引入的方位空變性、方位調(diào)頻率高次項(xiàng)