斜視條件下高分辨率合成孔徑雷達成像技術(shù).pdf

1、合成孔徑雷達 (Synthetic Aperture Radar,SAR) 利用雷達系統(tǒng)與被探察目標之間的相對運動合成一個較大范圍的雷達孔徑,進而在方位向上獲得較高的分辨率,以獲得探測目標在方位向上較高的分辨率. 合成孔徑雷達的實現(xiàn)具有多種形式.其運載平臺主要有機載、星載以及彈載等系統(tǒng);裝載于各運載平臺上的雷達系統(tǒng)掃描方式有機械掃描的面陣系統(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 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現(xiàn). SAR 利用雷達平臺與成像目標之間的相對運動而產(chǎn)生的Doppler效應,

3、在方位向上累積Doppler相位歷史,形成一定的帶寬.根據(jù)SAR飛行平臺的運動規(guī)律將同一目標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?shù)姆直媛? 隨著SAR系統(tǒng)應用領(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,需要采用更加精確的描述以實現(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)系進行精確描述的同時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),通常可以通過提高發(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,提高合成孔徑時間等;對于飛行平臺而言可以降低高度縮短與目標間距離,提高飛行速度等.普遍上是通過加大合成孔徑時間來加以實現(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)學模型來描述SAR的回波信號,這樣就同樣會產(chǎn)生第一點所描述的那些問題. 第三,機載飛行平臺的不穩(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.所以這兩者對高分辨率SAR圖像的影響相當嚴重.此外這兩種運動誤差難以采用確定的表達式加以準確的描述.在現(xiàn)代的飛行系統(tǒng)通常帶有高精度的姿態(tài)、定位以及運動傳

7、感器,可以得到飛行器在某些瞬時的姿態(tài)、運動和高度信息.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、機動目標的識別與成像.在不能夠獲得足夠精度的SAR平臺運動信息的情況下,只有由SAR的回波信號中提取有關(guān)的成像參數(shù).搭載于簡單運動平臺上的SAR系統(tǒng),如無人機,低軌道小衛(wèi)星等,通常情況下只能借助這種方法來實現(xiàn)精確的成像.隨著SAR分辨率的提高,針對地面動目標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、靜止目標的Doppler參數(shù)以及距離參數(shù)進行成像處理,這樣會導致對動目標的成像失配、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.該算法在耦合項逼近多項式階數(shù)和斜視角、場景寬度處理能力之間找到一個平衡點,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,同時將計算復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,將解耦合分散在時域和Doppler域內(nèi)完成以降低算法復雜度. 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,并且可以擴展應用到分布SAR系統(tǒng)等領(lǐng)域