快速时域SAR成像与三维SAR运动补偿方法研究

摘要

合成孔径雷达（SAR）具有全天时、全天候、远作用距离、二维高分辨率及宽场景成像等特点，已在军事及民事领域得到广泛的应用。随着技术的进步，SAR系统工作模式早已不局限于线性轨道正侧视条带，非线性轨道、超长合成孔径、超高分辨率、大斜视、宽幅、多工作模式等等对传统成像算法提出了更高的要求。后投影成像算法（BPA）从时域逐脉冲积累能量，理论上适用于任意轨道模型和任意成像模式，其缺点在于计算量庞大。分级后投影成像算法（FFBPA）通过拆分合成孔径，分别得到粗糙子图像，再借助于局部极坐标系进行图像融合逐级提升分辨率，相比 BPA大幅减少插值次数。然而FFBPA在图像融合过程中往往需要借助于二维图像域插值操作，其计算效率和计算精度均受限于插值算法的选择。本论文通过深入分析FFBPA的机理，从三种不同的角度分别提出了三种更为快速的时域成像算法，这些算法同样适用于非线性轨道、超高分辨率等多种模式。
　　单通道或沿航向多通道SAR系统得到的图像是三维场景在二维成像平面的投影，跨航向线性阵列多输入多输出（MIMO）SAR系统具有三维成像能力，能对一些特殊地貌（如活火山等）获得更为丰富的信息，近些年已成为研究热点。搭载于小型飞机尤其是无人机的MIMO SAR系统（如德国的ARTINO）受气流干扰严重，在没有搭载高精度惯导的情况下，研究稳定的高精度运动补偿方法显得格外重要，本论文分析了线阵MIMO SAR三维成像运动误差模型，提出了能同时补偿平动误差和转动误差的基于联合自聚焦技术的运动补偿算法。
　　本文的具体研究内容主要包括以下几个方面：
　　1.通过分析 FFBPA算法的计算量，可知 FFBPA的插值次数取决于子孔径划分的大小，究其根本原因在于，在第一级图像重建阶段，FFBPA依旧采用低效的BPA实现，因此子孔径越小，FFBPA运算效率越高。而子孔径越小意味着图像融合步骤更多，FFBPA算法采用二维图像域插值实现图像融合，插值误差的积累造成图像质量的下降。本论文通过理论分析，提出一种结合 PFA和图像融合的新方法。该方法的计算效率随子孔径长度的增大而提升，同时，由于更少的图像域插值引入，使得算法成像精度更高。文中分析了新算法的计算效率、内存需求，同时也分析了新算法在多模式SAR下的应用，最后通过仿真和实测实验验证了文中论述的正确性。
　　2.针对FFBPA在图像融合过程采用大量插值操作造成计算效率和计算精度之间的矛盾的问题，提出一种无需插值的快速实现方法。文中分析了子图像在不同极坐标系之间投影的偏移量，借助于距离维平移和角度维旋转以及两维线性变标操作，实现图像融合。该快速方法无需插值，因此相比传统的基于二维图像域插值的FFBPA算法，该方法具有更高的计算效率和精度。文中分析了快速方法的计算复杂度、适用范围，最后通过仿真和实测数据对传统算法和快速方法进行了对比验证。
　　3. FFBPA采用极坐标系进行图像存取，因为在极坐标系下可以以较低的采样率对图像采样而不会造成频谱混叠，然而图像在极坐标系下会发生畸变，且不同极坐标系之间畸变不一致，因此需逐点插值实现图像投影融合。相比极坐标系，直角坐标系因其对二维空域均匀采样，图像融合在直角坐标系下更容易实现，而直角坐标系下进行子孔径成像的奈奎斯特采样率具有较大冗余，这将拖累算法的运算效率。本文针对此问题提出了一种谱压缩技术，该技术通过距离时域和距离频域两次补偿，大幅压缩了直角坐标系子孔径成像的方位谱宽度，同时可以将斜视造成的倾斜谱校正为正谱。谱压缩技术使得在直角坐标系下进行多级快速BP融合成为可能，且避免了插值操作，具有堪比原始BPA的成像质量。此外，文中分析了该算法在非线性轨道SAR模式下的应用，分析了新算法的运算复杂度，并通过星载0.1m仿真成像实验验证了该算法可以处理高分辨率曲线轨道SAR数据，并通过机载0.2m实测实验进一步验证了算法的高效率和高精度。
　　4.线性阵列MIMO SAR系统因其在第三维具有基线而具备三维成像能力，而其第三维基线受气流扰动的影响也较为突出，尤其对于没有搭载惯导设备的小型载机平台。传统的运动补偿算法只能补偿载机的平动误差，忽略转动误差，而转动误差对三维成像的影响也是不能忽视的。针对此问题本文通过数学建模，联合多个通道回波数据，提出了一种三维SAR运动补偿算法。该算法通过分析转动误差对线性阵列的影响随着阵元位置的变化规律，利用多值优化技术，提升运动误差估计精度，同时补偿平动误差和转动误差对相位的影响，大幅提升成像质量。最后通过三维成像仿真实验对补偿算法的有效性进行了验证。

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第一章 绪论

1.1合成孔径雷达的产生和发展

1.2 SAR成像算法介绍

1.3本文研究背景

1.4本文研究内容及安排

第二章 快速极坐标格式后向投影方法

2.1 引言

2.2 BPA和FFBPA原理及推导

2.3 FPFBPA原理与推导

2.4 计算效率分析与对比

2.5 FPFBPA在多模式SAR下的应用

2.6 仿真和实测数据处理实验

2.7结论

第三章 基于坐标转换的FFBP快速实现方法

3.1 引言

3.2 基于坐标转换的FFBP快速实现方法

3.3计算效率分析与对比

3.4误差分析与适用范围讨论

3.5仿真与实测数据实验

3.6结论

第四章 直角坐标多级后投影成像算法

4.1 引言

4.2 子孔径直角坐标BP成像的奈奎斯特采样率需求

4.3 CFBPA原理分析

4.4 计算量和成像质量分析

4.5仿真与实测数据处理

4.6 结论

第五章 基于多通道联合自聚焦技术的机载三维SAR运动补偿

5.1引言

5.2机载3维SAR理想成像几何模型

5.3机载3维SAR运动误差几何模型

5.4机载3维SAR基于回波数据运动补偿

5.5仿真

5.6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

参考文献

致谢

作者简介