机载方位多通道SAR相干成像关键技术研究及实验

摘要

高分辨率宽测绘带(High Resolution and Wide Swath，HRWS)是当前合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)系统的一个主要发展方向，而其最常用的实现方式是方位多通道SAR。但是在实际的应用过程中，方位多通道SAR处理面临多普勒谱重构，通道误差校正等关键问题。此外，星载SAR系统在投入应用之前通常需要先经过机载SAR试验系统的验证。与星载方位多通道SAR处理不同，机载方位多通道SAR处理面临运动补偿的问题，同时也应该充分考虑运动补偿对通道回波一致性的影响。此外，由于非平稳运动的影响以及较小的斜距，诸多误差源对机载SAR系统性能的影响较星载SAR系统更为复杂，同时一些星载系统中可忽略的误差在机载平台上也变得不可忽略。因此，对机载方位多通道SAR/干涉SAR数据处理技术开展系统性的研究具有重要的科研意义和工程应用价值。 本文旨在提高机载方位多通道SAR处理的效率和精度，完善机载方位多通道SAR处理流程，主要开展了以下研究工作： (1)国内外研究现状总结与重要概念阐述 在本文的第一章中，回顾并总结了历年来方位多通道SAR系统及数据处理技术的发展现状。第二章介绍了机载方位多通道SAR信号模型，分析了机载方位多通道SAR系统中运动误差和通道自身误差对通道一致性的具体影响及表现形式，最后给出了通道误差模型的一般形式。 (2)方位多通道SAR通道误差校正技术 通道误差是影响方位多通道SAR系统性能的关键因素，因此对通道误差的估计和校正是方位多通道SAR处理中必不可少的重要步骤。本文第三章针对机载方位多通道SAR系统中存在的通道不平衡问题，主要开展了以下研究工作： 提出了一种基于距离谱分析的方位多通道HRWS SAR通道偏差稳健估计算法。该算法首先通过对相邻通道距离频域回波进行共轭相乘和方位几何平均，获得其沿距离频率的相位差异；然后，经由相位解缠绕，加权多项式拟合等操作实现对常数相位项和线性相位项系数（对应通道时延偏差）的稳健估计；最后，利用空间互相关系数理论，通过常数相位项估计值可以同时估计得到基带多普勒中心和通道间相位偏差。该算法优势在于克服了相位缠绕和跳变的影响，能够在实现通道距离时延偏差稳健估计的同时得到基带多普勒中心和通道幅度相位偏差。基于实测数据的实验结果验证了所提算法的正确性和精度。本文算法相比于传统的多项式拟合法，距离配准方法，校正精度更高，稳健性更好，能够有效提升通道回波之间的相干性。 为解决各接收通道间相位不一致的问题，基于杂波相消的理论提出了一种简单有效的方位多通道HRWS SAR通道相位偏差估计算法。理论分析表明，对于选定的参考通道而言，其回波信号可以由其余通道信号构造。在不考虑噪声的情况下，当通道间相位偏差不存在时，该重构信号和参考通道的实际信号完全一致。因此，可以通过最小化重构信号和实际信号之差估计通道间相位偏差。该算法要求多通道系统中存在一个冗余接收通道，这在很多情况下是可以得到满足的。基于仿真和实测数据的实验结果分别证明了所提算法的精度和有效性。性能对比实验说明，相比于自适应加权最小二乘算法，该算法具有运算量和精度两个方面具有明显的优势。 提出了一种全新的基于多普勒谱优化的通道方位基线误差估计算法。理论分析和仿真数据结果表明，在机载SAR系统下，即使是毫米量级的误差，通道方位基线误差对多普勒解模糊的性能也不能忽略。类似于通道相位误差，通道方位基线误差同样会降低多普勒重构的性能，从而使得信号能量沿方位频率的分布更加均匀。基于以上事实，提出了一种基于多普勒谱优化的通道方位基线误差估计算法，该算法通过最大化多普勒带宽内外信号的平均功率比以估计通道方位基线误差。机载实测数据的实验结果证明了该算法的正确性。 (3)方位多通道SAR多普勒参数估计技术 多普勒中心和多普勒调频率是SAR成像的重要参数之一，而且在方位多通道SAR处理中，通道相位偏差校正算法的精度依赖于准确的多普勒中心。但是由于方位多通道SAR系统的特殊性，常规的多普勒参数估计算法已经不再适用。针对如何准确地估计多普勒参数，本文在第四章开展了以下研究工作： 首先分析了相邻通道间的互相关系数，得出了多普勒中心和通道相位偏差之间存在线性关系的结论，然后分析了多普勒中心偏差对多普勒重构谱的影响。基于上述分析结果，提出了一种基于最大化多普勒带宽内能量的基带多普勒中心估计方法。该算法利用了相邻通道的干涉相位信息，以多普勒中心表示通道相位误差，通过优化多普勒频谱使得多普勒带宽内能量最大，从而有效地估计多普勒中心。实验结果表明，与空间互相关系数法相比，本文算法具有相同的精度，且在通道空间欠采样时表现更加稳健。 首先给出了距离徙动的一般形式，说明了基于距离徙动进行多普勒参数估计的可能。基于上述分析，提出了一种简单有效的多普勒中心和多普勒调频率估计算法。该方法首先利用空间互相关系数法估计基带多普勒中心，然后根据方位非相干积累后距离差分信号方差最大的准则估计多普勒中心模糊数，继而得到准确的多普勒中心；然后在校正距离压缩数据中的距离线性走动后，基于最大对比度等准则选择强点目标，通过预处理、插值等操作提取出完整的距离徙动曲线并进行多项式拟合以获得准确的多普勒调频率。该方法简单有效，且易于实现。此外，通过预处理、基于对比度准则的特显选择等操作可以有效地提高算法的精度和稳健性。实验结果验证了算法的有效性。 (4)机载方位多通道SAR/lnSAR相干成像 方位多通道SAR可以实现高分辨宽测绘带成像，而地理测绘等应用更多地依赖于干涉SAR和极化干涉SAR。为了进一步的干涉及极化方面的研究，成像时必须充分考虑到保相性的问题，不仅包括同一天线各接收通道回波间的相位关系，也包括主辅天线间的干涉保相性。 本文在第五章首先提出了一种简单高效的方法以快速计算方位多通道SAR系统运动补偿处理中的斜距误差，然后提出了一种两步精校正的方法用于校正随方位、高程和距离空变的通道相位误差，最后提出了一套完整的机载方位多通道SAR/lnSAR相干成像流程。该流程充分考虑了机载方位多通道SAR处理的特殊性，给出了行之有效的运动补偿方法和完善的通道误差校正策略。实测数据证明，该方法在实现SAR图像良好聚焦的同时，有效地保持了各接收通道间的相位关系，具有良好的干涉保相性。通过对比分析多通道成像干涉结果和单通道成像干涉结果，可知所提出的处理流程对相干性的影响较小，对干涉性能的影响可以忽略不计。

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