合成孔径雷达原始回波频域模拟算法研究

摘要

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)成像具有全天时、全天候获取高分辨图像的能力，已广泛的用于军事和民用领域。合成孔径雷达回波模拟技术是一种通过计算机仿真来模拟合成孔径雷达回波的技术，它对于SAR成像算法，SAR图像处理，以及SAR系统参数设计等都具有十分重要的作用，随着合成孔径雷达的观测区域不断增大，SAR回波的频域快速模拟方法越来越受到重视，传统的频域算法都是基于理想条件下推导，而随着合成孔径雷达逐步向高分辨、多平台等方向发展，传统的频域回波模拟算法已经不能满足要求，需要有新的模拟算法保证不同模式下所产生的SAR回波信号的准确性以及高效性。
　　本文系统的研究了SAR回波频域模拟方面的关键问题，分别从变速运动SAR的回波模拟，超宽带SAR的回波模拟以及双站SAR的回波模拟等几个方面展开了研究，并通过计算机仿真对回波模拟算法进行了验证，本论文的主要研究内容包括以下几个方面：
　　1)对于变速运动雷达平台，其二维频域表达式较一般理想的匀速直线SAR更为复杂。针对此问题基于级数反演法提出了一种变速运动SAR回波二维频域模拟快速算法。算法分析了变速运动模式SAR的几何模型，并通过级数反演法，得到了较为准确的信号二维频谱表达式，并分析了变速运动SAR的距离空变性，给出了模拟空变性的函数，保证了大场景SAR回波数据的高相位精度。运算量分析表明，该算法可以大大的提高SAR回波的仿真速度，且仿真场景越大，其效率越高。最后通过仿真证明了该算法的准确性以及高效性。
　　2)针对频域回波模拟算法很难准确的添加运动误差的问题，提出了一种对运动误差进行模拟的大场景SAR回波频域模拟快速算法。算法利用矢量表达式对瞬时斜距重新整理，分析了运动误差对瞬时斜距的影响，明确了小斜视模式下影响回波质量的主要运动误差分量，并采用运动误差两步模拟的方法，首先模拟了不随距离变化的大的运动误差分量，然后模拟了大场景情况下随距离变化的小的运动误差的空变分量，从而完成曲线轨迹SAR回波数据的精确仿真。该算法能够在保证高的相位精度情况下大大的提高仿真速度，仿真结果证明了该算法的有效性。
　　3)针对超宽带(Ultra Wide Band，UWB)SAR工作频段低，发射带宽大，大累积角长孔径，大距离徙动等特点，提出了一种超宽带SAR高效原始回波数据模拟算法。算法研究了 UWB-SAR的信号模型，在方位时域模拟了不随距离空变的距离徙动，重新推导了 UWB-SAR系统的二维频域传递函数，并对距离空变性进行了研究，实现了超宽带SAR原始回波数据的精确仿真。仿真实验证明了该算法的高效性以及实用性。
　　4)分析了地球、月球以及环月卫星的轨道构型，提出了一种新的双基SAR构形——地星双基合成孔径雷达的概念，给出了地星双基SAR系统模糊函数的定义，推导了其模糊函数的表达式，依据此式，对发射站处于地球不同位置的地星双基SAR进行了计算机仿真。仿真结果表明地星双基SAR的模糊函数不仅由发射信号的带宽和合成孔径时间决定，还与发射站在地球上所处的位置以及双站构型有关。研究了地星双基SAR的几何模型，提出了地星双基合成孔径雷达的原始回波数据二维频域模拟算法，算法分析了地星双基SAR的回波信号模型，结合级数反演法，得到了地星双基SAR回波信号的二维频域表达式，最后利用二维频域表达式仿照单基SAR的频域模拟方法得到了较为准确的地星双基SAR回波数据，仿真结果表明该算法兼顾了仿真效率与精度。

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第一章 绪论

1.1 论文背景及意义

1.2 SAR发展历史及现状

1.3 SAR回波模拟发展现状

1.4 论文研究内容及安排

第二章 SAR回波信号频域模拟基础

2.1 引言

2.2 SAR原理

2.3 合成孔径雷达回波模拟主要性能指标

2.4 SAR回波信号模型

2.5 SAR回波时域模拟算法

2.6 SAR回波频域模拟算法

2.7 小结

第三章 基于级数反演法的变速运动SAR回波模拟算法

3.1 引言

3.2 变速运动SAR几何模型

3.3 基于级数反演法的系统传递函数表达式

3.4 变速运动SAR回波二维频域模拟算法

3.5 运算量分析

3.6 仿真结果

3.7 总结

第四章 曲线轨迹运动误差模拟SAR回波数据频域仿真方法

4.1 引言

4.2 几何模型

4.3 运动误差分析

4.4 SAR回波二维频域算法

4.5 运算量分析

4.6 仿真实验

4.7 结论

第五章 超宽带SAR原始回波数据二维频域快速模拟算法

5.1 引言

5.2 信号模型

5.3 超宽带探地SAR原始数据二维频域模拟算法

5.4 运算量分析

5.5 仿真实验

5.6 结论

第六章 地星双基SAR回波模拟算法

6.1 引言

6.2 地星双基SAR

6.3 地星双基SAR几何模型

6.4 地星双基SAR模糊函数

6.5 地星双基SAR二维频域模拟算法

6.6 地星双基SAR仿真结果

6.7 总结

第七章 结论与展望

附录A

参考文献

致谢

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