圓跡環(huán)掃合成孔徑雷達成像算法研究.pdf

1、合成孔徑雷達（SAR）是一種可在各種氣候條件下全天時工作的微波遙感技術，該技術同時也擁有對地下掩埋目標和廣域遙感圖像進行探測的能力。隨著近年來的不斷發(fā)展，SAR成像技術在許多應用領域得到了廣泛的實踐，越來越多的觀測任務對SAR的成像指標有了更高的要求，例如在地下資源勘探、戰(zhàn)場監(jiān)視、災難應急救援等應用中，尤其是在短時間內對大面積定點區(qū)域進行精確探測。這就對成像分辨率、測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、觀測的SAR成像模式，既保留了SAR的探測優(yōu)點，又具有重訪周期短、大視角成像等特點，已成為近年來的研究熱點。在圓跡環(huán)掃SAR模式中，飛行平臺在同一高度平面做圓形軌跡勻速飛行運動，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，雷達的波束將掃過一個圓環(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擁有更大的觀測面積。因而有利于實現快速廣域場景的成像，在許多的應用領域有著巨大的應用前景。
　　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成像算法進行全孔徑成像時所基于的直線運動軌跡近似無法對實際飛行軌跡進行較好的擬合，因而產生了斜距近似誤差，最終造成了圖像的散焦。針對以上問題，本文面對圓跡環(huán)掃SAR的關鍵問題和技術難點，重點針對圓跡環(huán)掃SAR高分辨成像、斜視圓跡環(huán)掃SAR成像和調頻連續(xù)波體制下的成像算法展開研究。同時，推導了圓跡環(huán)掃SAR回波信號精確二維頻譜，設計了基于高階斜距近似的成像算法，實現了

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距離多普勒算法。針對全孔徑圓跡環(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，在回波信號二維頻譜表達式的推導中利用卡爾丹方程求解方程獲得駐相點，進而利用駐定相位原理推導了精確二維頻譜，并根據圓跡環(huán)掃SAR的二維頻譜提出了改進距離多普勒算法，同時就分辨率特性進行了討論。最后，給出了一種結合慣導輸出及自聚焦方法的CTSSAR運動補

5、償解決思路。
　　第二部分研究了適用于圓跡環(huán)掃 SAR的基于級數反演的改進 Omega-K成像算法。為了得到一種適用性更廣的成像算法，采用級數反演法對圓跡環(huán)掃SAR二維頻譜進行推導，該方法利用多普勒頻率的展開式反演駐相點展開式系數，進而獲得信號的二維頻譜。該方法在推導過程中可以通過調整展開式的階數來有效控制二維頻譜表達式的精度，因此利于未來的拓展應用。基于級數反演獲得的頻譜，提出了改進Omega-K算法。仿真實驗驗證了頻譜及所述成

6、像算法的可行性和有效性。
　　第三部分研究了適用于大場景圓跡環(huán)掃SAR的改進Chirp Scaling算法，補償了曲線軌跡下的大場景距離徙動差問題，提高了場景邊緣點的成像質量。為了實現快速寬測繪帶高分辨成像，需要考慮不同距離單元處的斜距歷程距離空變性。首先根據平臺的運動特性，建立了高階幾何逼近的斜距方程，利用改進Chirp Scaling算法對不同距離處目標的距離徙動差進行了補償，再對整體距離徙動進行統(tǒng)一校正，成功實現大場景圓跡環(huán)

7、掃SAR高分辨精確成像。該算法無需插值操作，擁有較高的運算效率。點目標仿真結果表明所提算法能實現大場景圓跡環(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的獨特的觀測模式，建立對應的幾何模型，并就主要的性能指標進行了分析，并與正側視圓跡環(huán)掃SAR和經典直線SAR成像模式進行了對比分析，揭示了它們之間的內在聯系。針對斜視圓跡環(huán)掃SAR的模型特點，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Range/Doppler成像方法。該方法針對距離方程難以直接利用駐相點原理推導二維頻譜的問題，通過引入一個線性修正因子并結合傳統(tǒng)雙曲線型斜距表達式的形式，構造出一個修正雙曲線形式的等效距離方程對斜視 CTSSAR的真實斜距歷程進行合理近似，并在此基礎上推導了適用于斜視圓跡環(huán)掃SAR的二維頻譜表達式，同時給出了相應的成像算法，實現了精確聚焦。
　　第五部分提出了適用于調頻

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。針對調頻連續(xù)波圓跡環(huán)掃SAR的特點，建立了回波信號模型。不同于常規(guī)SAR成像處理，FMCW-CTSSAR需要同時考慮由于連續(xù)運動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。針對該問題，提出了一種調頻連續(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