星机双基地SAR频域成像理论与方法研究

论文摘要

星机双基地合成孔径雷达（ Spaceborne/Airborne Hybrid Bistatic SAR, SA-BSAR）系统是以低轨道雷达卫星作为发射平台、飞机作为接收平台的双基地SAR系统。与传统单基地SAR、星载/机载双基地SAR相比,SA-BSAR收、发平台间运动速度、空间位置差异大,系统的几何结构、平台间的相对位置关系随时间变化显著,传统成像理论及成像方法难以适用。本文研究了SA-BSAR成像机理及高分辨率成像算法的相关理论和关键技术,主要研究工作包括:1、建立、完善了SA-BSAR成像理论基础。从SA-BSAR系统收、发平台间空间特性、运动特性差异显著的特点出发,建立具有方位空变特性的SA-BSAR系统成像理论模型和参数关系、研究系统结构特点对成像参数特性的影响,从而为研究成像机理与算法、分析系统成像性能、优化系统设计等奠定理论基础。2、提出了一种建立SA-BSAR二维频域模型的方法。针对现有方位空变BSAR系统频谱求解方法用于建立SA-BSAR系统二维频域模型时所存在的不足,提出一种SA-BSAR系统二维频谱求解方法—Air-Phase法,并采用该方法建立了SA-BSAR系统二维频域模型,为研究SA-BSAR高分辨率频域成像机理和成像算法奠定了基础。该方法简洁、精确,适用于平台间运动速度、空间位置差异显著的SA-BSAR,且该方法并未对系统平台斜视角等做限制,适用范围广。3、构建了SA-BSAR二维空变距离单元徙动频域模型。针对SA-BSAR系统异构性导致其回波信号距离单元徙动存在显著距离、方位二维空变的问题,根据SA-BSAR系统二维频域模型,分别在二维频域、距离-多普勒域建立了空变距离单元徙动模型,进而揭示了SA-BSAR频域高分辨率成像的机理,为构建SA-BSAR高分辨率成像算法提供了重要的理论依据。4、提出了两种SA-BSAR小场景频域成像算法。对于成像场景范围较小的情况,分别基于空变距离单元徙动的二维频域一阶模型、空变距离单元徙动的距离-多普勒域一阶模型,提出利用尺度逆傅里叶变换、Chirp Scaling两种实现二维空变距离单元徙动补偿的方法,从而构建了两种频域成像算法。这两种算法均可实现小场景目标的高分辨率成像,无需插值,且运算量远小于时域成像算法。5、提出了一种SA-BSAR大场景频域成像算法。对于成像场景范围较大的情况,基于空变距离单元徙动的二维频域二阶模型,提出利用变尺度逆傅里叶变换结合场景分区的方法共同实现二维空变距离单元徙动补偿,并构建了相应的频域成像算法。该算法可实现大场景目标的高分辨率成像,无需插值,且运算量远小于时域成像算法。6、提出了一种SA-BSAR运动补偿方法。针对系统两平台运动过程中存在的距离空变轨迹误差,利用SA-BSAR二维频域模型以及频域成像算法的特点,提出了一种在成像处理过程中对运动误差进行补偿的方法。这种运动补偿方法能够与成像算法有机的结合,可有效消除运动误差对成像质量的影响。

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摘要

ABSTRACT

第一章引言

1.1 研究背景与意义

1.1.1 双/多基地SAR 及其优势

1.1.2 星机双/多基地SAR 及其优势

1.1.3 采用雷达卫星作为发射平台的星机双/多基地SAR 及其优势

1.2 国内外研究动态

1.2.1 SA-BSAR 系统实验

1.2.2 成像理论基础

1.2.3 成像机理及成像算法

1.2.4 运动补偿

1.3 本文的主要工作和创新

1.4 本文章节安排

第二章星机双基地SAR 系统成像理论基础

2.1 系统二维空间分辨率分析

2.1.1 距离分辨率

2.1.2 方位分辨率

2.1.3 方位分辨率受系统结构的影响

2.2 系统工作模式及成像参数

2.2.1 双向滑动聚束/聚束-反向滑动聚束模式

2.2.2 系统成像参数

2.3 系统回波斜距史模型及多普勒参数特性分析

2.3.1 系统回波信号斜距史模型

2.3.2 系统多普勒参数特性研究

2.4 系统回波信号模型和成像模型

2.4.1 回波信号模型

2.4.2 时域成像模型

2.5 本章小结

第三章星机双基地SAR 系统冲激响应二维频域模型

3.1 SAR 系统驻定相位时间点

3.2 LBF 和LBF-E 方法求解二维频谱

3.2.1 LBF 方法

3.2.2 LBF-E 方法

3.2.3 系统驻定相位时间点与LBF-E 时间展开点的联系

3.2.4 LBF 方法误差分析

3.2.5 LBF-E 方法误差分析

3.3 Air-Phase 法求解 SA-BSAR 二维频谱

3.3.1 Air-Phase 方法

3.3.2 Air-Phase 方法误差分析

3.4 仿真实验

3.5 本章小结

第四章星机双基地SAR 系统距离单元徙动特性研究

4.1 RCM 空变特性的二维频域分析

4.2 RCM 空变特性的距离时域-方位频域分析

4.3 空变RCM 对成像结果的影响

4.3.1 AD-RCM 对成像结果的影响

4.3.2 RD-RCM 对成像结果的影响

4.4 本章小结

第五章星机双基地SAR 小场景频域成像算法

5.1 基于尺度逆傅里叶变换的成像算法

5.1.1 算法推导

5.1.2 尺度因子的选择

5.1.3 算法运算量分析

5.2 基于 Chirp Scaling 的成像算法

5.2.1 算法推导

5.2.2 算法运算量分析

5.3 小场景成像算法误差分析

5.4 仿真实验

5.5 本章小结

第六章星机双基地SAR 大场景频域成像算法

6.1 大场景频域成像算法

6.1.1 变尺度傅里叶逆变换的应用

6.1.2 场景分区与变尺度傅里叶逆变换相结合的成像算法

6.2 大场景频域成像算法运算量分析

6.2.1 算法运算量

6.2.2 结合Block-SCFT 提高算法效率

6.3 仿真结果

6.3.1 距离向大场景仿真实验

6.3.2 方位向大场景仿真实验

6.4 本章小结

第七章星机双基地SAR 运动补偿研究

7.1 系统运动误差分析

7.1.1 线性误差

7.1.2 加速度误差

7.1.3 正弦误差

7.2 频域运动误差补偿成像算法

7.2.1 算法推导

7.2.2 算法实现

7.3 仿真实验

7.4 本章小结

第八章总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

星机双基地SAR频域成像理论与方法研究

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