超高分辨率宽测绘带星载SAR成像方法研究

摘要

高分辨率宽测绘带星载SAR具有十分重要的研究价值和应用前景，提高SAR图像的分辨率能够极大的提升雷达对观测目标的特征提取和精细表征能力，从而提升SAR图像在各领域应用中的价值，提高SAR的测绘带宽度则可以提高对大场景的测绘效率。所以大量的学者纷纷投身其中，进行了大量的研究，但是还有很多问题需要探讨解决。在星载SAR中，卫星绕着地球转动，同时地球自西向东自转，当卫星转动到不同的纬度时，地面切向速度也不相同，这些因素都造成了SAR成像几何的复杂性。在低分辨率的情况下，星载弯曲几何可以用直线模型来近似，但是当星载SAR的分辨率提高到一定程度后，弯曲的卫星轨道不能再用直线几何来近似，双曲线斜距模型不再适用，传统基于双曲线模型的成像方法也不再适用。针对这个问题，本文围绕着星载SAR的“高分辨率”和“宽测绘带”两个需求，提出了等效加速度斜距模型和斜视等效加速度斜距模型，对双曲线斜距模型加以改进，以适应超高分辨率的需求。以这两个斜距模型为基础，分别研究了超高分辨率星载滑动聚束SAR速度变标成像方法和超高分辨率星载斜视滑动聚束SAR全孔径成像方法，并且结合多发多收技术研究了超高分辨率宽测绘带星载多发多收SAR成像。
　　具体来说，本文的主要工作内容如下：
　　1.首先介绍了星载SAR的成像原理，包括星载SAR的几何关系，星载SAR中比较基本的术语，两维分辨率的概念和表达式，以及最小天线面积原理。然后对本文着重进行研究的滑动聚束模式进行了简要的介绍，对滑动聚束模式的几何关系和时频关系进行了分析，对滑动聚束模式的两大类成像算法，即基于子孔径的成像算法和基于去斜的成像算法，进行了讨论。
　　2.在星载滑动聚束SAR中，卫星沿着曲线在运动，当分辨率比较低时，可以用直线几何来近似，传统基于双曲线斜距模型的成像方法都可以适用。但是当分辨率很高时，星载SAR的弯曲轨道不能用直线几何来近似，传统的双曲线斜距模型不再适用，等效速度的方位空变性也不能忽略，因此传统基于双曲线斜距模型的成像方法不再适用。针对这个问题，本文提出了一种等效加速度斜距模型，把等效速度的方位空变性包含在内，可以精确地处理星载SAR弯曲几何。然后基于等效加速度斜距模型提出了一种速度变标算法，通过方位重采样对等效速度进行了时间尺度上的放大或缩小，得到非空变的等效速度。新的速度变标算法可以适应超高分辨率星载SAR的需要。最后通过仿真实验证明了新的斜距模型和成像方法的有效性。
　　3.区别于普通的滑动聚束模式，在斜视滑动聚束模式中，斜视角度的增大带来了新的问题，斜距历程的方位空变性更大，距离和方位的耦合更为严重。针对这个问题，首先对本文提出的等效加速度斜距模型进行了扩展，提出了一种斜视等效加速度斜距模型，可以精确处理超高分辨率星载斜视SAR的弯曲轨道。然后基于此模型提出了一种基于去斜的斜视全孔径成像方法，结合了两步算法和RMA算法的基本思路，并根据斜视等效加速度斜距模型的表达式对该算法加以改进，可以对等效速度的方位空变性以及二维频谱的距离空变性进行处理。最后通过仿真实验证明了新的斜距模型和成像方法的有效性。
　　4.把超高分辨率星载滑动聚束 SAR速度变标成像方法与多发多收技术相结合，不仅能实现高分辨率还能实现宽测绘带。首先建立了超高分辨率宽测绘带星载多发多收SAR的信号模型，然后对整个成像流程进行了研究，包括方位向解模糊处理，距离向频带合成处理，以及后续的成像处理。在进行子带拼接时，由于相邻子带之间会有频谱混叠，在进行匹配滤波后会产生较高的虚像，影响成像质量。针对此问题提出了一种优化的线性调频信号发射波形，可以有效降低子带拼接后的虚像电平。另外，对三种典型的高分辨率宽测绘带体制从不同角度进行了性能分析和比较，为工程实现提供参考。

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第一章 绪论

1.1合成孔径雷达的发展状况

1.2 SAR成像算法介绍

1.3高分辨率宽测绘带星载SAR研究现状

1.4本文研究内容及安排

第二章星载SA R成像基础

2.1.引言

2.2.星载S AR成像原理

2.3. 滑动聚束模式及其成像算法

2.4.结论

第三章 超高分辨率星载滑动聚束SAR速度变标成像方法

3.1. 引言

3.2. 等效加速度斜距模型

3.3. 速度变标成像方法

3.4. 仿真实验

3.5. 地形高度对成像结果的影响

3.6. 结论

第四章 超高分辨率星载斜视滑动聚束SAR全孔径成像方法

4.1.引言

4.2. 斜视等效加速度斜距模型

4.3.斜视全孔径成像方法

4.4.仿真实验

4.5.结论

第五章 超高分辨率宽测绘带星载多发多收SAR成像

5.1.引言

5.2.信号模型

5.3.成像流程

5.4.仿真分析

5.5.优化的线性调频信号发射波形

5.6.三种不同高分宽测体制的比较

5.7.结论

第六章 结束语

6.1本文内容总结

6.2工作展望

附录A

附录B

附录C

参考文献

致谢

作者简介