圓跡環(huán)掃合成孔徑雷達(dá)成像算法研究.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種可在各種氣候條件下全天時(shí)工作的微波遙感技術(shù)，該技術(shù)同時(shí)也擁有對(duì)地下掩埋目標(biāo)和廣域遙感圖像進(jìn)行探測(cè)的能力。隨著近年來的不斷發(fā)展，SAR成像技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的實(shí)踐，越來越多的觀測(cè)任務(wù)對(duì)SAR的成像指標(biāo)有了更高的要求，例如在地下資源勘探、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、災(zāi)難應(yīng)急救援等應(yīng)用中，尤其是在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大面積定點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行精確探測(cè)。這就對(duì)成像分辨率、測(cè)繪帶寬等提出了新的挑戰(zhàn)。
　　圓跡環(huán)掃SAR作為一種新型快速廣域

2、觀測(cè)的SAR成像模式，既保留了SAR的探測(cè)優(yōu)點(diǎn)，又具有重訪周期短、大視角成像等特點(diǎn)，已成為近年來的研究熱點(diǎn)。在圓跡環(huán)掃SAR模式中，飛行平臺(tái)在同一高度平面做圓形軌跡勻速飛行運(yùn)動(dòng)，天線始終保持固定朝向圓外，通過一次完整的圓跡飛行觀測(cè)，雷達(dá)的波束將掃過一個(gè)圓環(huán)區(qū)域。由于該成像模式提高了方位向的掃描速度，因此相比于傳統(tǒng)條帶SAR擁有更大的觀測(cè)面積。因而有利于實(shí)現(xiàn)快速廣域場(chǎng)景的成像，在許多的應(yīng)用領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。
　　不同于傳統(tǒng)條帶

3、SAR成像模式，由于受到圓跡環(huán)掃SAR圓形飛行軌跡的影響，利用傳統(tǒng)SAR成像算法進(jìn)行全孔徑成像時(shí)所基于的直線運(yùn)動(dòng)軌跡近似無法對(duì)實(shí)際飛行軌跡進(jìn)行較好的擬合，因而產(chǎn)生了斜距近似誤差，最終造成了圖像的散焦。針對(duì)以上問題，本文面對(duì)圓跡環(huán)掃SAR的關(guān)鍵問題和技術(shù)難點(diǎn)，重點(diǎn)針對(duì)圓跡環(huán)掃SAR高分辨成像、斜視圓跡環(huán)掃SAR成像和調(diào)頻連續(xù)波體制下的成像算法展開研究。同時(shí)，推導(dǎo)了圓跡環(huán)掃SAR回波信號(hào)精確二維頻譜，設(shè)計(jì)了基于高階斜距近似的成像算法，實(shí)現(xiàn)了

4、圓跡環(huán)掃SAR的精確聚焦。取得的主要研究成果如下：
　　第一部分研究了基于卡爾丹方程的改進(jìn)距離多普勒算法。針對(duì)全孔徑圓跡環(huán)掃SAR高分辨成像中圓形飛行軌跡所引入的高階斜距近似誤差問題，在回波信號(hào)二維頻譜表達(dá)式的推導(dǎo)中利用卡爾丹方程求解方程獲得駐相點(diǎn)，進(jìn)而利用駐定相位原理推導(dǎo)了精確二維頻譜，并根據(jù)圓跡環(huán)掃SAR的二維頻譜提出了改進(jìn)距離多普勒算法，同時(shí)就分辨率特性進(jìn)行了討論。最后，給出了一種結(jié)合慣導(dǎo)輸出及自聚焦方法的CTSSAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)

5、償解決思路。
　　第二部分研究了適用于圓跡環(huán)掃 SAR的基于級(jí)數(shù)反演的改進(jìn) Omega-K成像算法。為了得到一種適用性更廣的成像算法，采用級(jí)數(shù)反演法對(duì)圓跡環(huán)掃SAR二維頻譜進(jìn)行推導(dǎo)，該方法利用多普勒頻率的展開式反演駐相點(diǎn)展開式系數(shù)，進(jìn)而獲得信號(hào)的二維頻譜。該方法在推導(dǎo)過程中可以通過調(diào)整展開式的階數(shù)來有效控制二維頻譜表達(dá)式的精度，因此利于未來的拓展應(yīng)用?；诩?jí)數(shù)反演獲得的頻譜，提出了改進(jìn)Omega-K算法。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了頻譜及所述成

6、像算法的可行性和有效性。
　　第三部分研究了適用于大場(chǎng)景圓跡環(huán)掃SAR的改進(jìn)Chirp Scaling算法，補(bǔ)償了曲線軌跡下的大場(chǎng)景距離徙動(dòng)差問題，提高了場(chǎng)景邊緣點(diǎn)的成像質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)快速寬測(cè)繪帶高分辨成像，需要考慮不同距離單元處的斜距歷程距離空變性。首先根據(jù)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，建立了高階幾何逼近的斜距方程，利用改進(jìn)Chirp Scaling算法對(duì)不同距離處目標(biāo)的距離徙動(dòng)差進(jìn)行了補(bǔ)償，再對(duì)整體距離徙動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)一校正，成功實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景圓跡環(huán)

7、掃SAR高分辨精確成像。該算法無需插值操作，擁有較高的運(yùn)算效率。點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果表明所提算法能實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景圓跡環(huán)掃SAR精確成像。
　　第四部分系統(tǒng)地研究了斜視圓跡環(huán)掃SAR模型和特性參數(shù)并提出了有效的成像算法。首先考慮到斜視圓跡環(huán)掃SAR的獨(dú)特的觀測(cè)模式，建立對(duì)應(yīng)的幾何模型，并就主要的性能指標(biāo)進(jìn)行了分析，并與正側(cè)視圓跡環(huán)掃SAR和經(jīng)典直線SAR成像模式進(jìn)行了對(duì)比分析，揭示了它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。針對(duì)斜視圓跡環(huán)掃SAR的模型特點(diǎn)，提出了

8、一種適用于斜視圓跡環(huán)掃 SAR的基于修正雙曲線距離方程的改進(jìn)Range/Doppler成像方法。該方法針對(duì)距離方程難以直接利用駐相點(diǎn)原理推導(dǎo)二維頻譜的問題，通過引入一個(gè)線性修正因子并結(jié)合傳統(tǒng)雙曲線型斜距表達(dá)式的形式，構(gòu)造出一個(gè)修正雙曲線形式的等效距離方程對(duì)斜視 CTSSAR的真實(shí)斜距歷程進(jìn)行合理近似，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了適用于斜視圓跡環(huán)掃SAR的二維頻譜表達(dá)式，同時(shí)給出了相應(yīng)的成像算法，實(shí)現(xiàn)了精確聚焦。
　　第五部分提出了適用于調(diào)頻

9、連續(xù)波圓跡環(huán)掃 SAR(FMCW-CTSSAR)體制的修正殘余相位的近似Omega-K成像算法。針對(duì)調(diào)頻連續(xù)波圓跡環(huán)掃SAR的特點(diǎn)，建立了回波信號(hào)模型。不同于常規(guī)SAR成像處理，F(xiàn)MCW-CTSSAR需要同時(shí)考慮由于連續(xù)運(yùn)動(dòng)所引入的剩余二次相位以及圓形飛行軌跡所固有的三次相位誤差的影響。針對(duì)該問題，提出了一種調(diào)頻連續(xù)波圓跡環(huán)掃SAR修正殘余相位的高階近似Omega-K成像算法。該方法充分考慮了圓跡環(huán)掃SAR模式下的斜距高階近似誤差，并且