SAR解多普勒模糊與雙基SAR成像算法研究.pdf

1、合成孔徑雷達(SAR)是一種非常重要的遙感工具,相對于光學遙感和其它微波遙感設備,具有一些獨特的優(yōu)點。本論文主要對SAR成像中的兩個相關內(nèi)容進行了深入的研究:其一為SAR多普勒中心估計中的解多普勒模糊方法,其二為雙基SAR成像算法。論文內(nèi)容可概括為如下六部分:
　　 第一部分,提出了一種SAR多普勒中心估計中的解多普勒模糊的新方法。通過對SAR回波信號進行分析發(fā)現(xiàn):在壓縮方位時間/距離頻率域內(nèi),所有目標的軌跡所占據(jù)的距離頻率帶寬

2、相同而且它們所呈現(xiàn)的斜率也相同,而此斜率與多普勒模糊數(shù)成正比。本部分提出的解多普勒模糊的新方法正是基于上述事實的。為了測量上面提到的斜率,給出了一種簡化的Radon變換。在搜索Radon變換后圖像中的“能量聚集點”時,利用熵來改善算法的穩(wěn)健性。這種新的解多普勒模糊方法可直接得到多普勒模糊數(shù)的可靠估計,而且解多普勒模糊與估計基帶多普勒中心是相互獨立的。理論分析和實驗結(jié)果表明,這利,新的解多普勒模糊方法對中、高對比度的場景非常有效。除此之外

3、,此方法還具有這樣一個優(yōu)點:只要場景中的運動目標所引起的多普勒頻移不超過一個PRF,則運動目標不會對多普勒模糊數(shù)的估計結(jié)果造成影響。
　　 第二部分,在Neo提出的MSR(級數(shù)反演)雙基二維譜的基礎上,提出了兩種處理雙基SAR數(shù)據(jù)的OMEGA-K成像算法,即一種簡易的OMEGA-K算法和一種改進的OMEGA—K算法。推導這兩種OMEGA-K算法的關鍵步驟是推導其距離頻率映射函數(shù),而推導距離頻率映射函數(shù)的關鍵是如何對二維譜進行線性

4、化。對于簡易OMEGA-K算法,二維譜線性化的關鍵是利用了一個角度近似假設,而對于改進OMEGA-K算法,二維譜線性化的關鍵是在雙基幾何模型的地平面上引入一個參考向量(值得注意的是,在本部分中還詳細研究了該參考向量的最優(yōu)方向,而此最優(yōu)方向為這樣一個方向:在此方向上的所有點目標具有相同的零方位時刻瞬時多普勒頻率)。對于中等雙基配置結(jié)構(gòu)(即雙基基線不太長的情況),兩種算法的聚焦性能差別不大,均能夠取得較好的成像性能,此時,簡易OMEGA—K

5、算法的運算量較小,易于編程實現(xiàn)。對于極端的雙基配置結(jié)構(gòu)(即雙基基線較長或合成孔徑時間較長的情況),改進的OMEGA—K算法在聚焦性能上明顯優(yōu)于簡易OMEGA-K算法,因此極端的雙基配置結(jié)構(gòu)適合用改進的OMEGA-K算法進行聚焦成像。
　　 第三部分,針對已有的MSR雙基距離多普勒算法,提出了一種更新聚焦函數(shù)所需的距離導數(shù)的新方法。推導這種方法主要利用了兩點:第一點是在雙基SAR幾何模型的地平面上引入一個參考向量,第二點是利用了級

6、數(shù)反演原理。這種新方法的主要特點是其具有“解析性”。因此,這種新方法易于編程實現(xiàn)且比較精確。值得注意的是,本部分提出的這種更新成像算法所需參數(shù)的新方法還用于了其它的雙基成像算法(見下面將要提到的第四部分和第六部分)。
　　 第四部分,針對混合星載/機載雙基SAR這種特殊的配置結(jié)構(gòu),對MSR雙基二維譜進行了推廣,得到了一種推廣的MSR(EMSR)雙基二維譜。這種EMSR雙基二維譜適合處理混合雙基SAR數(shù)據(jù)。為了推導EMSR雙基二維

7、譜,我們首先推導了“等效平移不變方位時間”。通過分析發(fā)現(xiàn),該等效平移不變方位時間可以從物理意義上解釋為發(fā)射天線平移不變方位時間與接收天線平移不變方位時間的加權(quán)和,而加權(quán)因子恰好分別為發(fā)射天線和接收天線的方位調(diào)頻率與雙基總的方位調(diào)頻率之比。在推導EMSR二維譜的過程中,我們還推導了一個重要的參數(shù),即“等效平臺速度”。利用該等效平臺速度,可以把聚焦后的SAR圖像的坐標校正到地面方位坐標。本部分另外一個重點是把所推導的EMSR雙基二維譜應用到

8、MSR雙基距離多普勒算法中。在應用MSR雙基距離多普勒算法的過程中,利用了第三部分給出的更新距離導數(shù)的新方法。對于混合星載/機載雙基SAR距離多普勒算法,本部分對若干問題進行了詳細討論,比如SAR圖像坐標校正問題,確定方位不變區(qū)域大小的問題。
　　 第五部分,利用“把雙基SAR系統(tǒng)等效為單基SAR系統(tǒng)”的思想,推導了一種新的雙基二維譜。這種新的雙基二維譜的相位包含兩部分:“等效單基”相位部分與“雙基變形”相位部分。推導這種新的雙

9、基二維譜的關鍵步驟是利用一個包含“一個三次項與一個四次項”的“代數(shù)算子”來補償“雙根號”與“單根號”之差,從而在補償后,雙基SAR系統(tǒng)可以等效為單基SAR系統(tǒng),進而得到一種新的雙基二維譜。這種新雙基二維譜可以看作孫進平的二維譜的推廣與改進,并且,它融入了“Rocca’s smile”算子的思想。這種新的雙基二維譜的相位可精確到四次項,并且此二維譜適用于“一般意義”上的雙基SAR結(jié)構(gòu)配置(如雷達平臺速度不相等,雷達平臺飛行軌跡不平行,雷達

10、平臺高度不相等)。另外,本部分還從理論上分析對比了四種雙基二維譜(包括本部分推導的雙基二維譜、孫進平的二維譜、LBF二維譜以及ELBF二維譜)并用仿真實驗比較了它們的聚焦性能。理論分析與仿真結(jié)果表明本部分推導的新雙基二維譜的應用范圍最廣泛且精度最高。
　　 第六部分,基于第五部分推導的等效雙基二維譜,推導了一種新的雙基距離多普勒算法。為了推導這種算法,首先從二維譜的“等效單基”相位中分解出“二次距離壓縮”項,然后把此項與“雙基變

11、形”相位項合并從而形成一個新的“雙基變形”相位項。對于新的“雙基變形”相位項,由于它是空間慢變的,因此我們可以在二維頻率域內(nèi)以“分塊”的方式(在同一塊內(nèi)認為“雙基變形”相位項不變)把其消掉。為了解決“距離走動”相位項與“方位調(diào)制”相位項隨距離變化的問題,對第三部分給出的用于MSR距離多普勒算法的距離導數(shù)更新的方法作稍微改動,使得此方法能夠?qū)θ齻€等效參數(shù)(即等效距離、等效速度以及等效斜視角)沿著距離進行有效更新。本部分所推導的距離多普勒算

12、法易于編程實現(xiàn),因為“距離走動”與“方位調(diào)制”的表達式具有“簡潔閉合”的形式(而非復雜的級數(shù)展開形式)。就成像步驟而言,本部分推導的距離多普勒算法與傳統(tǒng)單基距離多普勒算法相比,只是多了一個“更新等效參數(shù)”的步驟,這意味著傳統(tǒng)的單基距離多普勒算法經(jīng)過較小修改后可直接用于對雙基SAR數(shù)據(jù)進行成像。另外,本部分還給出了一種運動補償?shù)姆椒?。此運動補償方法是在傳統(tǒng)的“兩步補償”法的基礎上修改得到的,而修改的關鍵步驟是沿著參考向量進行“距離相關的運