地球同步轨道合成孔径雷达单基/双基成像算法研究

摘要

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)具有全天时、全天候的观测能力，可广泛应用于地质勘探、资源普查、灾害管理和军事侦察等领域。对于星载SAR来说，分辨率和测绘带宽是衡量其性能的重要指标，在常规脉冲工作体制下，低轨SAR(Low Earth Orbit SAR,LEOSAR)的方位分辨率和测绘带宽相互制约。提升轨道高度是解决这一制约关系的有效手段，因此，地球同步轨道SAR(Geosynchronous Earth Orbit SAR,GEOSAR)一经提出便获得了广泛的关注和重视。相较于低轨SAR来说，GEOSAR具有较宽的测绘带、较短的重复访问周期、抗打击和抗摧毁能力强以及可实现对特定区域较长时间监控等优点。但兼具这些优点的同时，GEOSAR由于其天线尺寸大、功率消耗大以及发射成本高等因素大大限制了其工程实现。以GEOSAR为发射平台、无人机载SAR(Unmanned Aerial Vehicle SAR,UAVSAR)为接收平台的双基结构(GEO-UAV BiSAR)能较好地解决这一问题，并可通过改变接收平台的工作模式实现对不同区域的高分辨率或宽测绘带成像。
　　由于GEOSAR具有较高的轨道位置、椭圆的运动轨迹、较长的合成孔径时间、较宽的测绘带等特点，使得该雷达的运动特性不同于其它星载雷达。基于此，本文结合GEOSAR的运动特性，系统地分析了GEOSAR单基与双基系统的斜距模型、回波信号模型以及点目标二维频谱，进而研究其成像算法。本文围绕以上研究内容，开展的主要工作可概括如下：
　　1、研究GEOSAR的运动特性及系统参数设计。GEOSAR的运动特性和多普勒特性不同于其它低轨和中轨星载雷达，而运动特性与多普勒特性是后续GEOSAR成像研究的基础。因此，根据GEOSAR的空间几何结构，分析其运动特性及多普勒特性；基于该特性分析，进一步研究了GEOSAR的距离及方位分辨率、信号带宽、脉冲重复频率、平均发射功率等参数的设计过程。
　　2、GEOSAR单基系统的成像算法研究。由于在较长合成孔径时间内GEOSAR的椭圆轨道运动，使得线性斜距模型不再适用于该雷达真实斜距历程的高精度近似需求；并且考虑该雷达较高的轨道位置，无法忽略在电磁波传播延迟时间内雷达平台的运动，使其不满足“停-走-停”假设条件。因此，通过泰勒展开原理推导非“停-走-停”假设条件下的高精度斜距模型，并分析该模型的可行性和适用性；考虑该雷达具有较宽的测绘带，应用级数反演算法推导距离空变的点目标二维频谱，提出基于非“停-走-停”斜距模型的CS成像算法与SPECAN成像算法，前者可实现清晰的大场景测绘带成像，后者具有较高的运算效率。
　　3、大气层对GEOSAR聚焦性能的影响及其抑制方法研究。考虑GEOSAR主要工作于L波段，在较长的合成孔径时间内，大气层中电离层与对流层的时间变化特性将严重影响L波段GEOSAR的聚焦性能。针对该问题，基于非“停-走-停”假设，根据射线跟踪法推导了电离层与对流层折射率变化所引起的斜距误差模型，进一步分析电离层与对流层污染的回波信号模型，理论研究电离层与对流层对雷达聚焦性能的影响及其抑制方法，并通过全球导航卫星服务系统(International GNSS Service,IGS)提供的电离层网格数据与大气气象信息，仿真分析电离层与对流层对成像质量的影响，并验证其抑制方法的有效性。
　　4、GEO-(ST)UAV BiSAR(Bistatic SAR with GEOSAR in the strip mode and UAVSAR in the strip mode,GEO-(ST)UAV BiSAR)的几何构型及成像算法研究。GEO-(ST)UAV BiSAR的收发平台均工作于条带模式，由于该双基雷达的收发平台运动特性不同于其它星机体制雷达，需深入研究该双基雷达的几何构型、二维分辨能力以及斜距模型，进而提出适用于其回波信号处理的成像算法。因此，根据收发平台的运动特性，基于其波束地表扫描速度比值研究该双基雷达的几何构型；分析其几何构型对合成孔径时间以及二维分辨能力的影响，获得较为优化的双基几何构型；应用泰勒原理推导该双基雷达的斜距模型，考虑距离空变的影响，通过级数反演算法推导距离空变的点目标二维频谱表达式，并在此基础上提出基于GEO-(ST)UAV BiSAR的CS成像算法。
　　5、GEO-(SA)UAV BiSAR(Bistatic SAR with GEOSAR in the strip mode and UAVSAR in the mode of steering antenna,GEO-(SA)UAV BiSAR)的成像算法研究。GEO-(SA)UAV BiSAR的接收平台工作于天线转动模式，即聚束模式、滑动聚束模式以及TOPS(Terrain Observation by Progressive Scans,TOPS)模式。在收发平台平稳运动条件下，当脉冲重复频率较小时，由于天线转动可引起方位频谱混叠现象，为解决该问题，引入dechirp方法消除方位频谱混叠影响，以此提出了基于GEO-(SA)UAV BiSAR的CS成像算法；随后，研究收发平台非平稳运动条件下，运动误差对该雷达聚焦性能的影响，从回波数据中估计获得多普勒参数，实现高精度运动补偿，以此研究非平稳GEO-(SA)UAV BiSAR的成像算法。

目录

第 1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容和结构

第 2章GEOSAR的运动特性及参数设计

2.1引言

2.2 GEOSAR的运动特性

2.3 GEOSAR的多普勒特性

2.4 GEOSAR的系统参数设计

2.5本章小结

第 3章GEOSAR单基系统的成像算法

3.1引言

3.2非“停-走-停”斜距模型

3.3距离空变的点目标二维频谱

3.4基于非“停-走-停”斜距模型的CS成像算法

3.5基于非“停-走-停”斜距模型的SPECAN成像算法

3.6本章小结

第 4章大气层对GEOSAR聚焦性能的影响及其抑制

4.1引言

4.2大气折射率对非“停-走-停”斜距模型的影响

4.3电离层对GEOSAR聚焦性能的影响及其抑制

4.4对流层对GEOSAR聚焦性能的影响及其抑制

4.5仿真分析

4.6本章小结

第 5章GEO-(ST)UAV BiSAR几何构型及成像算法

5.1引言

5.2GEO-(ST)UAV BiSAR的几何构型

5.3GEO-(ST)UAV BiSAR的距离及方位分辨率

5.4基于GEO-(ST)UAV BiSAR的CS成像算法

5.5本章小结

第 6章GEO-(SA)UAV BiSAR的成像算法

6.1引言

6.2GEO-(SA)UAV BiSAR的工作模式

6.3基于GEO-(SA)UAV BiSAR的CS成像算法

6.4基于非平稳GEO-(SA)UAV BiSAR的CS成像算法

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历