SAR极坐标格式处理波前弯曲补偿方法研究

摘要

合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar,简称SAR）具有二维高分辨率成像能力，能够全天时、全天候、远距离对目标进行成像，在军事和民用领域有着广泛的应用。成像算法是SAR实现高分辨率的核心。在众多时域和频域算法中，极坐标格式算法（PolarFormatAlgorithm,简称PFA）因其计算效率高且易于结合运动补偿等优势而受到广泛关注。但传统PFA存在波前弯曲近似，成像结果几何保真度和有效成像场景大小都受到一定限制。同时，高的方位向分辨率意味着大孔径，雷达平台的机动飞行难以避免，导致PFA的波前弯曲误差补偿更加困难。
　　双基SAR系统中，发射机和接收机分置使得回波信号的多普勒相位历史较为复杂，在补偿双基PFA波前弯曲时会产生新的问题。本文讨论核心是极坐标格式算法波前弯曲误差补偿，针对上述问题，研究比较了基于空变后处理的方法和基于数字聚束的方法，同时为提高算法效率，分析了可以利用尺度变换原理（PrincipleofChirpScaling,简称PCS）实现PFA二维重采样。
　　第一章是绪论，主要介绍了单基和双基SAR技术的发展历程和研究现状，并介绍了本文的研究背景和主要工作。
　　第二章主要研究了基于尺度变换原理的PFA。首先介绍了PFA算法原理，并从距离徙动校正的角度解释了二维重采样的过程，分析了极坐标格式转换过程中距离向和方位向重采样的尺度变换本质；然后对基于PCS的PFA算法流程进行了分析推导，并通过仿真实验从算法效率、成像质量等方面对基于插值的PFA和基于PCS的PFA进行了比较。
　　第三章主要研究了基于空变后处理的PFA。首先对造成波前弯曲的相位误差进行分析，这是对平面波前假设进行补偿的基础；然后利用该相位模型，构造了空变滤波器，对散焦效应进行补偿，同时通过图像域的重采样校正几何失真，扩大了PFA成像的有效聚焦范围。
　　第四章主要研究了基于数字聚束技术的PFA。首先对数字聚束预滤波处理的流程进行了介绍，并针对其运算量过大的问题进行了适应性改进；然后对PFA中使用数字聚束的算法流程进行了分析推导，并提出了一种改进的方法；最后通过仿真实验分析了大机动条件下，基于数字聚束PFA相较于空变滤波PFA的优越性。
　　第五章主要研究了双基PFA波前弯曲误差补偿的问题。首先介绍了双基聚束SAR成像几何关系和双基PFA处理流程；然后基于双基回波信号相位的泰勒展开式，分析了双基PFA波前弯曲误差的解析表达式，并设计空变滤波器应用于双基PFA图像聚焦；最后，对数字聚束方法运用于双基PFA的注意事项进行了详细介绍。
　　第六章对全文的工作进行总结，并指出了下一步需要继续研究的问题。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 合成孔径雷达的研究背景和意义

1.2 研究历史和现状

1.3 本文主要研究工作

1.4 本文的内容安排

第二章 极坐标格式算法

2.1 引言

2.2 基于插值的PFA算法原理

2.3 二维重采样的距离徙动校正解释[46]

2.4 基于尺度变换原理的PFA

2.5 仿真实验比较验证

2.6 本章小结

第三章 基于空变后处理的PFA算法

3.1 引言

3.2 PFA波前弯曲误差分析

3.3 空变后处理的具体实现过程

3.4 仿真和实测数据验证

3.5 本章小结

第四章 基于数字聚束处理的PFA波前弯曲补偿

4.1 引言

4.2 数字聚束

4.3 基于数字聚束的PFA波前弯曲误差补偿

4.4 基于PCS的数字聚束实现

4.5 大机动条件下空变后处理方法和数字聚束方法比较

4.6 本章小结

第五章 双基PFA波前弯曲补偿

5.1 引言

5.2 双基PFA介绍

5.3 用空变后处理的方法补偿双基PFA中波前弯曲

5.4 用数字聚束的方法补偿双基PFA中波前弯曲

5.5 本章小结

第六章 结束语

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文