合成孔徑雷達自聚焦算法研究及其在機載干涉技術(shù)中的應用.pdf

1、合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)具有對目標場景進行全天候、全天時、遠距離觀測的能力，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，SAR成像技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟。由于SAR是相干成像系統(tǒng)，SAR圖像和接收信號相位之間存在緊密的聯(lián)系。為了獲得高分辨率，高質(zhì)量的SAR圖像，必須利用自聚焦算法對SAR圖像作進一步處理，估計其相位誤差函數(shù)并進行補償。從20世紀60年代開始，干涉合成孔徑雷達(Interferometric Syn

2、thetic Aperture Radar，簡稱InSAR)被廣泛應用于對觀測場景中目標高度信息的測量，并最終實現(xiàn)對于目標場景的三維成像。利用自聚焦算法獲得高質(zhì)量的SAR圖像可以保證InSAR后續(xù)干涉處理的準確性。
　　本文第一章緒論分別回顧了SAR和InSAR的發(fā)展歷史，詳細描述了自聚焦算法與InSAR技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，最后概括了本文的主要研究內(nèi)容。
　　第二章研究了基于多子孔徑處理的SAR自聚焦算法。在傳統(tǒng)基于多

3、子孔徑處理的SAR自聚焦算法中，基于二階導數(shù)的子孔徑相位誤差函數(shù)拼接技術(shù)雖然可以正確實現(xiàn)對SAR圖像的自聚焦處理，但是在相位拼接過程中會引起相位估計誤差的嚴重積累，導致基于多子孔徑處理自聚焦方法的實際算法性能不夠理想。本章針對上述問題，結(jié)合相位梯度自聚焦(Phase Gradient Autofocus，PGA)算法和子孔徑偏移(Map Drift,簡稱MD)算法，提出了一種新的基于多子孔徑處理的自聚焦算法(PGA-MD)。理論分析以及

4、實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果對比均表明無論針對條帶模式SAR圖像還是聚束模式SAR圖像，PGA-MD算法均可以有效提高子孔徑相位誤差函數(shù)的拼接精度，優(yōu)化基于多子孔徑處理的SAR自聚焦算法性能。
　　第三章研究了基于投影近似子空間跟蹤(Projection Approximation Subspace Tracking，簡稱PAST)技術(shù)的自聚焦算法?；谔卣飨蛄糠ǖ淖跃劢顾惴ɡ枚鄠€脈沖估計相位誤差函數(shù)，可以獲得比PGA算法更好的自聚焦效果，

5、但必須對協(xié)方差矩陣進行特征分解(EigenvalueDecomposition,簡稱ED)，所以該自聚焦算法運算量大、工程實現(xiàn)困難。本章針對特征分解過程影響算法實時處理的問題，提出了利用PAST技術(shù)估計所需特征向量，完成SAR圖像自聚焦處理。通過算法性能分析和實際數(shù)據(jù)處理結(jié)果對比，證明基于PAST技術(shù)的自聚焦算法在降低原自聚焦算法計算復雜度的同時，可以獲得同樣優(yōu)于PGA算法的自聚焦性能，是一種可滿足實時處理要求的有效自聚焦算法。利用該算

6、法替代PGA算法對子孔徑相位誤差函數(shù)進行估計，可以更進一步提高基于多子孔徑處理SAR自聚焦算法的算法性能。
　　第四章主要介紹了InSAR高程測量的原理及其信號處理過程中的關(guān)鍵步驟。本章首先通過公式推導，對干涉相位的統(tǒng)計特性進行了分析和研究，然后對InSAR高程測量的信號處理流程進行了簡單的介紹，利用實測干涉數(shù)據(jù)給出了部分關(guān)鍵步驟的處理結(jié)果。隨后通過研究SAR工作的成像幾何關(guān)系，推導出由干涉相位值生成數(shù)字地形高度圖(Digital

7、 ElevationModel，簡稱DEM)的對應轉(zhuǎn)換公式，完成干涉相位值到高程值的轉(zhuǎn)換過程。最后，詳細分析了圖像中目標位移的原因，并具體推導了目標在方位向和距離向上的位移量與成像幾何，目標高度之間的數(shù)學關(guān)系，提供了正確定位目標真實位置的方法。
　　第五章重點研究了InSAR相位解纏繞技術(shù)。二維相位解纏繞處理是InSAR數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。本章提出了一種基于等效殘差點的InSAR相位解纏繞算法。該算法首先提出了等效殘差點的概念，利用質(zhì)

8、量圖與殘差點分布之間的關(guān)系，將殘差點密集的低質(zhì)量相位區(qū)域視為等效殘差點，采用不同方法分別對高質(zhì)量相位區(qū)域和等效殘差點的內(nèi)部區(qū)域進行相位解纏繞。新的相位解纏繞算法基于等效殘差點正確的設置枝切線，可以阻止由于積分路徑穿過殘差點密集的低質(zhì)量相位區(qū)域所引起的展開相位跳變現(xiàn)象，同時利用多像素單元共同估計的方法對殘差點的內(nèi)部區(qū)域進行相位展開，突破了傳統(tǒng)相位解纏繞算法對于干涉相位梯度值的限制，并且可以有效阻止相位解纏繞誤差由低質(zhì)量相位區(qū)域向高質(zhì)量相位