斜視條件下高分辨率合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù).pdf

1、合成孔徑雷達(dá) (Synthetic Aperture Radar,SAR) 利用雷達(dá)系統(tǒng)與被探察目標(biāo)之間的相對運(yùn)動合成一個(gè)較大范圍的雷達(dá)孔徑,進(jìn)而在方位向上獲得較高的分辨率,以獲得探測目標(biāo)在方位向上較高的分辨率. 合成孔徑雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)具有多種形式.其運(yùn)載平臺主要有機(jī)載、星載以及彈載等系統(tǒng);裝載于各運(yùn)載平臺上的雷達(dá)系統(tǒng)掃描方式有機(jī)械掃描的面陣系統(tǒng)和電子掃描相控陣系統(tǒng)等;SAR的工作模式有常見的條帶(Stripmap SAR)、聚束(

2、Spotlight SAR) 和掃描 (Scan SAR) 以及混合模式 (Hybrid SAR).SAR的雷達(dá)天線波束指可以分為正側(cè)視 (SideLooking) 和斜視 (Squint Looking).近年來還出現(xiàn)了多個(gè) SAR 系統(tǒng)協(xié)同工作的分布式 (Distributed SAR or Constellation SAR),主要采用星載方式實(shí)現(xiàn). SAR 利用雷達(dá)平臺與成像目標(biāo)之間的相對運(yùn)動而產(chǎn)生的Doppler效應(yīng),

3、在方位向上累積Doppler相位歷史,形成一定的帶寬.根據(jù)SAR飛行平臺的運(yùn)動規(guī)律將同一目標(biāo)的回波校正至相同距離門,再通過匹配濾波等脈沖壓縮方法在方位向上獲得與距離向相當(dāng)?shù)姆直媛? 隨著SAR系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的拓廣,要求SAR系統(tǒng)可以在更加靈活多樣的模式下工作,具有更高的分辨率,在更為嚴(yán)酷的條件下仍然可以獲得較為滿意的圖像結(jié)果等.這些都為SAR的信號處理提出了新的挑戰(zhàn),主要體現(xiàn)在以下幾方面. 首先,在大斜視角條件下,大場景的

4、成像算法.由于SAR系統(tǒng)采用大斜視角的波束指向,使得距離-Doppler(Range-Doppler,R-D)域內(nèi)距離向與方位向信號的非線性耦合非常強(qiáng),需要采用更加精確的描述以實(shí)現(xiàn)去耦合成像.此外耦合函數(shù)是距離相關(guān)的,在對距離與方位的耦合關(guān)系進(jìn)行精確描述的同時(shí)也使得不同距離門之間在模型參數(shù)上的差異變大,聚焦深度降低,使得對大場景的成像變得更加困難.在現(xiàn)有的成像算法中通常采用更高階的多項(xiàng)式(3次)來逼近耦合的相位及其變化規(guī)律,或直接采用傳

5、遞函數(shù)通過對SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行反濾波加以處理. 其次,高分辨率成像算法.SAR的距離向分辨率與發(fā)射信號的帶寬直接相關(guān),通?？梢酝ㄟ^提高發(fā)射帶寬來獲得更高的距離分辨率.為了獲得較高的方位向分辨率同樣可以通過增大方位帶寬實(shí)現(xiàn).具體而言,對于SAR系統(tǒng)可以采用更短的發(fā)射波長,更大的波束張角,提高合成孔徑時(shí)間等;對于飛行平臺而言可以降低高度縮短與目標(biāo)間距離,提高飛行速度等.普遍上是通過加大合成孔徑時(shí)間來加以實(shí)現(xiàn)的,但這樣會帶來更大的距離徙動

6、.由于高分辨率,就要采用更加精確的數(shù)學(xué)模型來描述SAR的回波信號,這樣就同樣會產(chǎn)生第一點(diǎn)所描述的那些問題. 第三,機(jī)載飛行平臺的不穩(wěn)定與星載平臺的軌道彎曲.在高分辨率SAR系統(tǒng)中,平臺的不穩(wěn)定或者實(shí)際飛行軌道與理想模型之間的差異對SAR圖像所帶來的誤差與SAR的分辨單元基本相當(dāng).所以這兩者對高分辨率SAR圖像的影響相當(dāng)嚴(yán)重.此外這兩種運(yùn)動誤差難以采用確定的表達(dá)式加以準(zhǔn)確的描述.在現(xiàn)代的飛行系統(tǒng)通常帶有高精度的姿態(tài)、定位以及運(yùn)動傳

7、感器,可以得到飛行器在某些瞬時(shí)的姿態(tài)、運(yùn)動和高度信息.如何在成像算法中融合這些信息成為關(guān)鍵. 最后,參數(shù)估計(jì)、機(jī)動目標(biāo)的識別與成像.在不能夠獲得足夠精度的SAR平臺運(yùn)動信息的情況下,只有由SAR的回波信號中提取有關(guān)的成像參數(shù).搭載于簡單運(yùn)動平臺上的SAR系統(tǒng),如無人機(jī),低軌道小衛(wèi)星等,通常情況下只能借助這種方法來實(shí)現(xiàn)精確的成像.隨著SAR分辨率的提高,針對地面動目標(biāo)的識別和成像算法顯得非常重要.由于在成像算法中通常只采用針對地面

8、靜止目標(biāo)的Doppler參數(shù)以及距離參數(shù)進(jìn)行成像處理,這樣會導(dǎo)致對動目標(biāo)的成像失配、散焦. 本文將側(cè)重以上幾方面,總結(jié)現(xiàn)有的算法和研究成果,針對斜視SAR系統(tǒng)成像過程中的一些問題進(jìn)行研究,創(chuàng)新性的工作主要體現(xiàn)在: 基于四次相位的斜視SAR條帶成像算法.該算法在耦合項(xiàng)逼近多項(xiàng)式階數(shù)和斜視角、場景寬度處理能力之間找到一個(gè)平衡點(diǎn),克服了經(jīng)典成像算法在斜視角處理能力和聚焦深度上的不足,同時(shí)將計(jì)算復(fù)雜度限制在可以接受的范圍.

9、 基于去走動技術(shù)的斜視SAR條帶成像算法.該算法改變以往只在Doppler域內(nèi)解決方位和距離之間的耦合的做法,將解耦合分散在時(shí)域和Doppler域內(nèi)完成以降低算法復(fù)雜度. 基于頻帶拼接的斜視聚束SAR成像算法.該技術(shù)將斜視條帶SAR的成像算法應(yīng)用在斜視聚束成像中.利用條帶斜視成像算法對各子孔徑成像,再沿方位向?qū)⒏骺讖綀D像在頻域內(nèi)進(jìn)行拼接.該算法對SAR系統(tǒng)的約束和要求較少,有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì),并且可以擴(kuò)展應(yīng)用到分布SAR系統(tǒng)等領(lǐng)域