斜视聚束合成孔径雷达成像算法研究

论文摘要

合成孔径雷达能够实施全天候、全天时的观测,目前该雷达较成熟的工作模式有条带(Strip)、扫描(Scan)、干涉(INSAR)和聚束(Spotlight)工作模式。聚束式合成孔径雷达的优点是能够实现较小场景的方位向高分辨率成像。聚束工作模式通过控制雷达方位向天线波束指向,使其沿飞行路径连续照射同一块成像区域以增加其相干时间,此时聚束模式的方位向分辨率不受天线波束宽度的限制,因此为获得1m或小于1m分辨率的雷达图像开辟了一条可实现的途径。本文主要对聚束式合成孔径雷达距离徙动校正和降低高脉冲重复频率两个方面进行了深入的研究。距离徙动是由雷达与目标之间的相对运动产生的。通常把距离徙动的线性部分称为距离走动,二次项部分称为距离弯曲。大部分聚束式合成孔径雷达成像算法是基于正侧视模型提出的,此时多普勒中心频率为零,不存在距离走动部分。而在斜视情况下随着多普勒中心频率的增加,距离走动在距离徙动中逐渐起主导作用,已有的主要针对距离弯曲的成像算法无法做到有效的距离徙动校正。距离徙动算法是理论上最优的成像算法,其关键步骤是Stolt插值。对于实时成像或大数据量系统来说插值运算是不实际的。频率变标算法就是距离徙动算法较好的近似实现,通过对距离徙动算法的近似来精确校正距离徙动,避免了插值运算。但是基于正侧视模型提出的频率变标算法无法适用于斜视成像,其局限性主要体现在二次距离压缩的近似误差。为了降低高脉冲重复频率,通常将长的聚束孔径分成多个子孔径来处理,即方位向子孔径处理。阶梯变换方法是较成熟的子孔径处理方法。算法中影响最后聚焦效果的主要因素有两个,一个是相邻子孔径间谱峰的相对位移要满足整数倍频率间隔的限制条件,另一个是粗分辨率傅立叶变换结果存在高阶误差相位。针对以上几个问题,论文做了如下工作并提出了几个改进算法。第一:分析了距离徙动算法Stolt插值前信号的波数谱支撑区范围,得出了斜视成像的理论结果和斜视模型成像质量评估的理论值,并以此作为评估其它算法的主要依据。此外还提出了视线插值的距离徙动算法并给出了实验仿真结果。第二:针对频率变标算法的局限性,提出了适用于斜视处理的非线性频率变标算法,给出了非线性频率变标函数的最优解,将近似误差的二次项误差完全补偿,确保了大斜视角大场景成像的良好成像效果。第三:将自聚焦技术和阶梯变换方法有效地结合起来,用最小熵准则的自适应阶数多项式滤波器估计并去除误差相位,保证了精分辨率傅立叶变换的精度。本文最后给出了星载聚束式合成孔径雷达和滑动聚束式合成孔径雷达回波仿真及相应的成像处理结果,以及机载实际数据的处理图像。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 聚束式合成孔径雷达发展现状
• 1.2.1 国外机载聚束SAR 发展现状
• 1.2.2 国外星载聚束SAR 发展现状
• 1.2.3 国内聚束SAR 发展现状
• 1.3 聚束SAR 成像算法概述
• 1.4 论文结构和安排
• 第二章 聚束式合成孔径雷达成像原理
• 2.1 聚束式合成孔径雷达几何模型
• 2.1.1 聚束模式数据采集一般模型
• 2.1.2 聚束模式简化几何模型
• 2.1.3 星载聚束合成孔径雷达数据仿真模型
• 2.2 聚束式合成孔径雷达信号分析
• 2.2.1 距离向回波信号
• 2.2.2 方位向回波信号
• 2.2.3 距离向解线性调频信号（Dechirp）
• 2.2.4 方位向解线性调频信号
• 2.3 距离徙动和聚焦深度
• 2.4 本章小结
• 第三章 聚束式合成孔径雷达成像算法综述
• 3.1 极坐标格式算法
• 3.1.1 算法描述
• 3.1.2 极坐标插值
• 3.2 距离徙动算法
• 3.2.1 算法原理
• 3.2.2 线性调频信号的算法实现
• 3.2.3 解线性调频信号的算法实现
• 3.3 频率变标算法
• 3.3.1 频率变标算法去除距离徙动原理
• 3.3.2 频率变标方法
• 3.3.3 频率变标算法步骤
• 3.4 线性调频变标算法
• 3.4.1 算法描述
• 3.4.2 其他演化的线性调频算法
• 3.5 本章小结
• 第四章 用距离徙动算法处理斜视成像
• 4.1 斜视成像理论分析
• 4.1.1 斜视模型波数谱
• 4.1.2 斜视成像结果
• 4.1.3 实验仿真
• 4.2 视线插值
• 4.2.1 视线插值和固定场景插值
• 4.2.2 距离徙动算法的视线插值
• 4.2.3 实验仿真
• 4.3 改进的STOLT 插值距离徙动算法
• 4.3.1 算法思想
• 4.3.2 算法描述
• 4.3.3 实验仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 非线性频率变标算法
• 5.1 算法原理
• 5.1.1 频率变标算法的局限性
• 5.1.2 非线性频率变标函数的推导
• 5.2 算法描述
• 5.2.1 斜视解线性调频
• 5.2.2 剩余视频相位的处理
• 5.2.3 算法流程
• 5.3 实验仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 子孔径处理方法
• 6.1 子孔径算法
• 6.1.1 基本频谱分析方法
• 6.1.2 阶梯变换方法
• 6.2 利用自聚焦技术的阶梯变换方法
• 6.2.1 自聚焦技术
• 6.2.2 方位向信号子孔径处理分析
• 6.3 实验仿真
• 6.4 本章小结
• 第七章 成像处理结果
• 7.1 星载聚束式合成孔径雷达仿真实验
• 7.2 滑动聚束式合成孔径雷达仿真实验
• 7.2.1 滑动聚束模式系统设计
• 7.2.2 实验仿真
• 7.3 实际机载聚束式合成孔径雷达成像处理图像
• 7.4 本章小结
• 第八章 全文总结
• 8.1 主要结论
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 附录1 符号与标记
• 附录2 图标索引
• 附录3 表格索引
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文