前斜视高分辨SAR成像算法研究

摘要

合成孔径雷达(Synthetie Aperture Radar, SAR)具有全天时、全天候和远距离成像能力；因此，在军事和民用领域有着重要的应用价值。为了实现对机载平台斜前方区域成像，国内外开展了一些新型SAR成像技术研究。其中，斜视SAR通过控制天线波束指向，可以不需要飞越某一地区而能对该区域的目标进行探测；即也具有对前方目标成像能力。另外，直升机载前视旋转式阵列SAR利用雷达天线的旋转来合成方位向孔径，从而实现对前方目标的二维高分辨成像。它具有高时空分辨率、短重访周期、前视成像能力、结构简单硬件成本低等优点，且二维成像时不需要直升机平台做任何运动。因此，作为对具有前方目标成像能力的新型SAR模式，直升机载前视旋转式阵列SAR和大斜视SAR具有广泛的军事和民用前景；已经成为近年来SAR领域的研究热点。本文围绕大斜视SAR和直升机载前视旋转式阵列SAR原理和成像算法展开研究，主要内容和创新点有：
　　①在单基地大斜视 SAR成像模式下，系统固有的斜视角距离依赖特性以及在距离频率-方位时域去距离走动处理，会导致距离单元徙动(Range Cell Migration, RCM)二维空变性和方位多普勒参数空变性(包括多普勒中心，多普勒调制项等)。针对该问题，本章提出一种新的适合于大斜视高分辨SAR成像算法。该方法首先在距离频率-方位时域通过参考距离处线性RCM校正来移除大部分距离方位耦合。接着通过扩展的方位非线性调频变标算法(Extended Azimuth Nonlinear Chirp Scaling, EANLCS)移除方位向RCM空变性以及实现多普勒参数均衡。然后通过改进的CS(Modified Chirp Scaling, MCS)算法进行距离依赖RCM空变性校正，从而实现大斜视高分辨下距离方位二维大场景成像；并分析了提出算法的计算复杂度，距离方位成像场景扩展，以及如何融合运动补偿过程。最后，仿真结果验证该算法可以有效地提高大斜视SAR成像性能，扩展成像场景范围。
　　②针对直升机载前视旋转式阵列 SAR(Helicopter-borne Forward-looking Rotating Array SAR, HBFL-RoASAR)方位分辨率受限于重构角大小；因此，为了获得大的重构角需将斜距公式展开到高阶，这导致难以求解其精确的二维频谱解析表达式；从而高效的频域成像算法难以实现。针对该问题，依据二元函数泰勒级数展开定理，给出了一种新的斜距近似相位方程，并在此基础上提出了一种基于广义keystone变换(Generalized Keystone Transform，GKT)的高分辨HBFL-RoASAR成像算法，避免了斜距高阶近似而难以求其精确的二维频谱表达式问题。为进一步提高算法的效率，通过引入非均匀快速傅里叶变换(Nonuniform Fast Fourier Transform, NUFFT)代替GKT中的插值来降低算法计算复杂度。最后，计算机仿真结果验证了成像算法的有效性。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 单基地大斜视SAR研究概况

1.3 直升机载前视旋转式阵列SAR简介及研究现状

1.4 论文研究内容安排

2 SAR成像原理

2.1 引言

2.2 SAR二维分辨率

2.3 SAR几何模型及信号处理

2.4 本章小结

3 单基地大斜视高分辨SAR成像算法

3.1 引言

3.2 斜视SAR成像几何模型及距离依赖的斜视角分析

3.3 大斜视高分辨SAR成像算法

3.4 实际应用中的考虑

3.5 仿真结果及分析

3.6 本章小结

4 直升机载前视旋转式阵列SAR高分辨成像算法研究

4.1 引言

4.2 直升机载前视旋转式阵列SAR几何模型及目标斜距分析

4.3 旋转式阵列SAR高分辨成像算法

4.4 仿真结果及其分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 式(3.13)中多普勒调制项泰勒级数展开系数求解

B. 式(3.26)中RCM项的详细推导

C. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

D. 作者在攻读硕士学位期间参与项目