雙-多基SAR成像算法研究.pdf

1、分布式小衛(wèi)星是近年來提出的一種新概念、新體制，它利用一顆在軌星載SAR(也可以重新發(fā)射)作信號(hào)源，在其前/后發(fā)射若干小衛(wèi)星接收地面回波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)一顆衛(wèi)星不可能完成的功能，如：高分辨寬幅成像，地面高程測(cè)量，地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，測(cè)洋流等。為了防止碰撞，小衛(wèi)星和主星的間距一般比較遠(yuǎn)，所以對(duì)小衛(wèi)星接收的回波數(shù)據(jù)不能直接用單基成像算法進(jìn)行成像。另一方面，SAR圖像又是實(shí)現(xiàn)分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)上述各項(xiàng)功能的前提和基礎(chǔ)。因此雙基SAR成像算法的研究成為

2、現(xiàn)在雷達(dá)界的熱點(diǎn)，也正是本文選題的一個(gè)主要原因。雖然本文是以分布式小衛(wèi)星為基礎(chǔ)，但為了突出雙基SAR的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)載雙基SAP,也進(jìn)行了研究，而且主要構(gòu)形為具有方位平移不變性的平行軌道雙基SAR系統(tǒng)，因?yàn)樵诤铣煽讖綍r(shí)間內(nèi)，收發(fā)平臺(tái)都可以認(rèn)為以恒定的速度等速運(yùn)行。 雙基SAR系統(tǒng)的點(diǎn)目標(biāo)斜距歷程為收發(fā)斜距和的雙根號(hào)形式(稱為“平頂雙曲線”)，與單基SAR系統(tǒng)相比，隨方位時(shí)間與最近距離的變化減弱，因此雙基SAR的聚焦深度增加，徙動(dòng)量減

3、小，這是一個(gè)有利因素。但由于相位歷程為雙根號(hào)形式，用駐相點(diǎn)法很難得到其精確的多普勒域解析表達(dá)式。這對(duì)設(shè)計(jì)快速的雙基頻域成像算法造成一定的困難。 本文提出一種基于瞬時(shí)頻率法推導(dǎo)雙基SAR回波信號(hào)二維頻域解析表達(dá)式的方法。從得到的表達(dá)式，一方面可以清晰地看出雙基與等效單基的關(guān)系，易于在單基SAR的基礎(chǔ)上理解雙基SAR，另一方面可以方便地分析各個(gè)參數(shù)對(duì)成像的影響。表達(dá)式中包含幾個(gè)雙基獨(dú)有的參數(shù)：最近距離和、最近距離差、半類雙基角。如果

4、以最近距離和作為距離變量，則雙基成像算法首先要解決后兩個(gè)變量在方位(指多普勒)和距離(指最近距離和)的二維空變問題。 通過兩次泰勒級(jí)數(shù)近似可得到半類雙基角和最近距離差隨多普勒和距離二維變化的近似表達(dá)式，進(jìn)而提出一種計(jì)算復(fù)雜度不高，且適用于高分辨寬幅的雙基距離徙動(dòng)成像算法(RMA)。 在大斜視情況下，半類雙基角和最近距離差的二維空變比較嚴(yán)重，用上述近似處理還存在誤差。因此本文提出用數(shù)值計(jì)算方法獲得這兩個(gè)參數(shù)的方法，然后代入

5、點(diǎn)目標(biāo)頻域響應(yīng)函數(shù)得到一種精確的數(shù)值RMA成像算法。 由于RMA算法需要進(jìn)行“類stolt”插值，運(yùn)算量比較大，另外，插值誤差還會(huì)影響SAR圖像的初相，增大后續(xù)干涉處理的相位誤差。因此基于上述點(diǎn)目標(biāo)頻域響應(yīng)函數(shù)提出一種不需要插值、高保相、高效率的雙基CS成像算法。實(shí)現(xiàn)此算法的關(guān)鍵是把表達(dá)式中隨縱向距離空變的參數(shù)進(jìn)行線性化處理。 上面兩種成像算法的思想是把單基SAR里相應(yīng)的成像算法進(jìn)行推廣，另一種思路是把雙基的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過

6、補(bǔ)償變?yōu)槟硞€(gè)等效單基的回波數(shù)據(jù)，然后按照單基的成像算法去成像，即等效單基法。此方法的好處是避開雙根號(hào)積分問題。原理上，即使SAR具有很高的分辨率，一個(gè)像素仍相當(dāng)于一復(fù)雜目標(biāo)，其回波有很強(qiáng)的方向敏感性，雙基回波不能用單基來等效。但在BORN-階近似的前提條件下(即忽略二次和多次散射現(xiàn)象)，可以把散射點(diǎn)看作是獨(dú)立的點(diǎn)目標(biāo)。這時(shí)，就可以把雙基SAR的回波數(shù)據(jù)等效為一定視角的單基SAR回波數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@時(shí)它們的區(qū)別只是在波程差上。常規(guī)的等效相位中

7、心法(EPC)是把雙基等距線橢圓補(bǔ)償為圓心在收發(fā)中點(diǎn)，與橢圓相交的一系列圓。在遠(yuǎn)場(chǎng)條件滿足時(shí)，此方法是完全精確的。在基線較長時(shí)，需要補(bǔ)償?shù)綦S距離和多普勒二維變化的一個(gè)相位，并且基于如下近似：等效單基和雙基的多普勒相等。此近似只在基線較短時(shí)成立。 DMO方法是從地震成像學(xué)中推廣過來的，此方法把雙基等距線(橢圓)等效為一系列與之相切的圓，這些圓的圓心和半徑(分別對(duì)應(yīng)等效單基的位置和斜距)各不相同，圓半徑和橢圓長軸之間的差就是需要補(bǔ)償

8、的斜距。根據(jù)SAR系統(tǒng)具有包絡(luò)緩變和相位快變的特點(diǎn)，對(duì)補(bǔ)償函數(shù)分兩步進(jìn)行：首先在距離多普勒域?qū)τ绊懴辔坏牟糠志_補(bǔ)償，然后在二維頻率域用場(chǎng)景中心線的包絡(luò)補(bǔ)償函數(shù)對(duì)全場(chǎng)景進(jìn)行統(tǒng)一補(bǔ)償，也可以分距離塊進(jìn)行更精確的補(bǔ)償。本文給出用幾何關(guān)系推導(dǎo)DMO補(bǔ)償函數(shù)的全新方法，并提出了實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償?shù)淖儤?biāo)傅氏變換法，但此方法的缺點(diǎn)是運(yùn)算量很大。 DMO等效單基改變了雙基回波信號(hào)的距離向波數(shù)，從而帶來很大的好處，首先，它沒改變雙基回波的多普勒波數(shù)；

9、其次，它沒有改變雙基系統(tǒng)的方位和距離分辨率特性；另外，它沒有改變雙基SAR圖像的干涉特性(此單基和雙基得到的SAR圖像完全相干)，完全可用于基于SAR圖像的干涉后處理。 分布式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)(比如Cartwheel構(gòu)形的主輔式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng))的一個(gè)重要應(yīng)用就是利用多個(gè)接收小衛(wèi)星得到的雙基SAR圖像進(jìn)行地面高程測(cè)量和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，完成這兩項(xiàng)任務(wù)首先要保證每幅SAR圖像具有高保相性(即在成像處理過程中沒有破壞初相)，其次還要保證圖

10、像對(duì)之間具有較高的相干性。本文分析了雙基SAR圖像的初相，以及地形起伏對(duì)雙基SAR圖像的影響，在DMO等效單基思想的基礎(chǔ)上，提出一種利用兩幅雙基SAR圖像的等效視角譜匹配來提高具有水平基線雙基SAR的干涉預(yù)濾波方法。此方法可以把雙基SAR圖像對(duì)中由于基線引起的非相干成分全部濾除。 信噪比問題是分布式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)面臨的一大難題，在主星帶伴隨小衛(wèi)星群體制的分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)中，主星是已有的SAR衛(wèi)星，用來發(fā)射信號(hào)，其發(fā)射信號(hào)的平均