星載多通道高分辨寬測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)成像處理技術(shù)研究.pdf

1、星載合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)因其全天時(shí)、全天候的全球觀測(cè)能力,受到了越來(lái)越多國(guó)家和地區(qū)的重視,在軍事偵察、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。但是,傳統(tǒng)星載單通道SAR存在最小天線面積限制,無(wú)法同時(shí)滿足高分辨寬測(cè)繪帶(High Resolution Wide Swath, HRWS)成像的要求:方位高分辨要求較高的脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency,

2、 PRF),而寬距離測(cè)繪帶則要求較低的PRF。多通道結(jié)合數(shù)字波束形成( Digital Beam-Forming, DBF)技術(shù)可克服這一限制,從而實(shí)現(xiàn)高分辨寬測(cè)繪帶SAR成像。
　　本文針對(duì)星載多通道HRWS SAR系統(tǒng),重點(diǎn)研究了成像處理的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。全文總體上分為兩個(gè)部分:第一部分主要研究了星載方位多通道高分辨寬測(cè)繪帶SAR成像處理技術(shù),方位多通道SAR是目前高分辨寬測(cè)繪帶成像實(shí)現(xiàn)最多的體制,在保證距離測(cè)繪帶寬和距離模糊度

3、要求的前提下,通過(guò)多通道DBF處理實(shí)現(xiàn)多普勒模糊抑制從而得到HRWS SAR圖像。隨著分辨率和測(cè)繪帶寬的提高,回波數(shù)據(jù)量也大大增加了,對(duì)星上存儲(chǔ)設(shè)備和傳輸鏈路等也提出了更高的要求,第二部分針對(duì)此問(wèn)題,研究了星載距離多波束HRWS SAR成像技術(shù),該技術(shù)在保證其它性能參數(shù)的前提下,可大大降低回波采樣數(shù)據(jù)量,為未來(lái)星載HRWS SAR的實(shí)現(xiàn)提供了新的方案。
　　本文的主要工作可概括如下:
　　1.星載方位多通道HRWS SAR成

4、像處理技術(shù)
　　本文第二章和第三章首先分析了星載方位多通道HRWS SAR回波信號(hào)模型,給出了兩種典型的成像處理方法,并針對(duì)星載方位多通道HRWS SAR成像的特點(diǎn),開(kāi)展了以下研究工作:
　　針對(duì)星載方位多通道HRWS SAR系統(tǒng),推導(dǎo)了三維坐標(biāo)系下接收通道的等效相位中心相位補(bǔ)償公式?，F(xiàn)有的方位多通道HRWS SAR成像算法均假設(shè)各通道接收回波補(bǔ)償一常數(shù)相位后可等效為參考接收通道的延時(shí),但并未給出具體的補(bǔ)償公式,或只給出了兩

5、維坐標(biāo)系下的補(bǔ)償值,也未考慮發(fā)射通道和接收通道間的垂直航向基線。本文所提方法充分考慮了發(fā)射通道與接收通道間的三維空間位置關(guān)系,同時(shí)補(bǔ)償了由沿航向基線和垂直航向基線引起的等效相位中心相位值,并對(duì)殘余相位誤差進(jìn)行了分析,指出當(dāng)接收通道與參考接收通道間存在垂直航向基線時(shí),相位補(bǔ)償值存在一定的空變性。當(dāng)空變引起的相位誤差不可忽略時(shí),可在距離壓縮后利用先驗(yàn)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)輔助分塊補(bǔ)償。計(jì)算機(jī)

6、仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提方法的精確性。
　　針對(duì)方位多通道 HRWS SAR系統(tǒng),對(duì)空時(shí)自適應(yīng)處理( Space Time Adaptive Processing, STAP)法的處理性能進(jìn)行了分析。傳遞函數(shù)法和空時(shí)自適應(yīng)處理法是目前兩種典型的多普勒模糊抑制算法,前者已有大量文獻(xiàn)對(duì)其處理性能進(jìn)行了分析,并利用地基、機(jī)載和星載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證,卻鮮有文獻(xiàn)對(duì)STAP法的處理性能進(jìn)行分析。基于此,本文首先從理論上分析了利用STAP進(jìn)

7、行多普勒模糊抑制后的成像等效相位中心位置,驗(yàn)證了 STAP的保相性和保幅性,經(jīng)多普勒模糊抑制后輸出回波可看作參考接收通道增加脈沖重復(fù)頻率后得到的無(wú)模糊回波,且各個(gè)方位時(shí)刻回波所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星軌道位置由參考接收通道的位置決定,這為后續(xù)的干涉處理和目標(biāo)定位奠定了基礎(chǔ)。除此之外,本文還從不同于現(xiàn)有文獻(xiàn)且更利于理解的角度分析了 STAP解多普勒模糊后的信噪比損失和方位模糊信號(hào)比,并利用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)PRF偏離均勻采樣時(shí),相比其

8、它模糊抑制算法,STAP的處理性能更優(yōu),能更好地保留回波信號(hào)能量,抑制多普勒模糊。
　　針對(duì)方位多通道SAR系統(tǒng),分析了通道誤差因素及其影響。利用DBF技術(shù)進(jìn)行多普勒模糊抑制要求各通道間的特性一致,但在實(shí)際情況中,由于加工工藝、運(yùn)行環(huán)境等的影響,通道間不可避免地存在誤差,此外,受測(cè)量?jī)x器精度的限制,通道位置也存在測(cè)量誤差?；诖?我們首先對(duì)通道誤差因素進(jìn)行了分析,根據(jù)各誤差因素對(duì)DBF的影響將其歸結(jié)為通道幅度誤差、通道相位誤差和通

9、道沿航向位置誤差,然后推導(dǎo)分析了通道誤差對(duì)HRWS SAR成像的影響,并利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明,通道相位誤差對(duì)DBF的影響最大,而通道沿航向位置誤差的影響相對(duì)較小,但也應(yīng)控制在厘米量級(jí),通道幅度誤差可通過(guò)簡(jiǎn)單的通道均衡予以消除。與其它算法相比,STAP法具有更高的誤差容忍度。
　　提出了兩種方位多通道HRWS SAR系統(tǒng)通道誤差估計(jì)和補(bǔ)償方法。在實(shí)際情況中,通道誤差不可避免,為了提高HRWS SAR成像性能,必

10、須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償,特別是通道相位誤差。針對(duì)方位多通道SAR系統(tǒng),我們提出了兩種通道相位誤差估計(jì)方法:信號(hào)子空間法(Signal Subspace Comparison Method, SSCM)和天線方向圖法(Antenna Pattern Method, APM)。信號(hào)子空間法基于信號(hào)特征向量張成的空間(即信號(hào)子空間)與真實(shí)導(dǎo)向矢量張成的空間相同這一特性對(duì)通道誤差進(jìn)行估計(jì)。首先對(duì)利用回波信號(hào)估計(jì)得到的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解得到信號(hào)子空間

11、,然后與利用系統(tǒng)參數(shù)得到理想的信號(hào)子空間相比較,從而得到通道相位誤差,與其它算法相比,該方法運(yùn)算量更小,且適用范圍廣。天線方向圖法假設(shè)觀測(cè)場(chǎng)景均勻分布,在此條件下,利用發(fā)射和接收天線方向圖對(duì)理想信號(hào)導(dǎo)向矢量進(jìn)行加權(quán),然后與回波信號(hào)協(xié)方差矩陣對(duì)比,得到各通道間的相對(duì)相位誤差。天線方向圖法無(wú)須特征分解,運(yùn)算量小,但適用范圍受限。最后利用地基實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)兩種方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　2.星載距離多通道HRWS SAR成像處理技術(shù)

12、>　　本文第四章給出了一種新的高分辨寬測(cè)繪帶SAR成像技術(shù)。隨著分辨率和測(cè)繪帶寬的提高,回波信號(hào)的數(shù)據(jù)量大大增加,對(duì)星上存儲(chǔ)設(shè)備和傳輸鏈路的要求也隨之提高。基于此,我們針對(duì)距離多波束分時(shí)發(fā)射技術(shù),給出了詳細(xì)的系統(tǒng)實(shí)施方案和處理方法,并對(duì)其距離模糊度(Range Ambiguity to Signal Ratio, RASR)等系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析。通過(guò)由遠(yuǎn)及近分時(shí)發(fā)射信號(hào),各子波束回波將重疊在一起,這樣可大大縮短接收窗長(zhǎng)度,減小回波采樣數(shù)