同轨双基SAR成像算法研究

摘要

与传统的单基合成孔径雷达不同,双基地合成孔径雷达(Bistatic Synthetic Aperture Radar, BiSAR)的接收机和发射机放置在不同的运动平台上,发射机和接收机可以有不同的空间位置和速度。因此双基地SAR在军事应用,资源调查和地壳形变监测等方面具有特殊的优势。在诸多的双基SAR构型中,同轨双基SAR的发射机和接收机以相同的速度沿着相同的航迹匀速直线飞行,这种体制的双基地SAR编队构形相对简单,工程上较容易实现,在地面运动目标检测等方面有着广阔的应用前景。基于此,本文对同轨构型双基SAR目标二维频谱精度和同轨构型不同模式下的成像算法进行了一些研究,主要工作概括如下:
　　1.理论上LBF(Loffeld’s bistatic formula, LBF)双基SAR目标频谱适用于任意的双基构型,但是在具体的双基构型条件下其谱精度因不同参数配置的影响而有所不同。针对同轨双基地SAR构型,本文通过数学方法将其与一种严格解析的双基目标二维频谱进行对比分析,详细推导出了影响LBF双基谱精度的两个约束条件。即半双基角的余弦值大小以及半基线长度与目标到航线的最近距离的比值是否等于半双基角的正切值。当半双基角的余弦值等于1,半基线长度与目标到航线的最近距离的比值等于半双基角的正切值这两个条件同时得到满足时,LBF谱是完全严格解析的。在这两个影响谱精度的约束条件中,LBF双基谱的谱精度对半双基角的余弦值的大小变化更为敏感,而并不直接受到基线长度和斜视角大小的影响,通过仿真实验详细分析讨论了各种因素对于LBF谱精度的影响。
　　2.提出一种同轨构型下基于严格解析双基 SAR目标二维频谱的线频调变标(Chirp Scaling, CS)成像算法,解决条带模式下双基地SAR包络徙动的空变问题。不同于波数域的成像算法,整个成像过程不需要进行插值运算,在频域聚焦实现快速成像。高精度的双基频谱使得所提算法对基线的长短不再敏感,可以进行大双基角,长基线情形下的同轨双基SAR数据处理。仿真实验和对比实验验证了所提算法的有效性和优越性。
　　3.针对大斜视情形下同轨双基 SAR目标的距离徙动和二次距离压缩(Second Range Compression, SRC)的空变性问题,基于严格解析的双基SAR目标二维频谱,提出了一种适用于同轨构型双基 SAR的非线性 CS(Nonlinear Chirp Scaling Algorithm, NCSA)成像算法,不同于适用于小斜视角条件的CS成像算法,非线性CS算法不仅考虑了调频率随多普勒频率的变化,而且也考虑了其随距离的线性变化,更好地实现了同轨双基SAR中SRC的精确补偿,取得了满意的聚焦效果。仿真实验验证了所提算法的有效性。
　　4.对于聚束模式下的同轨双基SAR构型,基于同轨构型下严格解析的半双基角和谱分析方法,提出了一种适用于同轨构型下聚束式双基 SAR的频率变标(Frequency Scaling, FS)成像算法。首先,类比单基情形,推导出了双基地情形下的deramp函数,实现方位向的粗聚焦,有效地消除系统方位向的频谱混叠问题。然后基于同轨构型下严格解析的双基SAR目标二维频谱,通过一种适用于聚束式双基地SAR的FS成像算法校正目标的距离徙动,取得理想的成像效果。FS算法通过相位相乘代替插值操作实现目标的距离徙动校正,可以实现快速成像。精确的双基频谱使得所提算法可以进行长基线情形下的数据处理。仿真实验验证了算法的有效性。此外,针对大斜视情形下SRC的空变问题,提出一种基于严格解析双基频谱的改进频率变标成像算法,通过非线性变标操作消除由大斜视导致的随距离变化的二次距离压缩项。仿真实验表明,与常规FS算法相比,改进算法在大斜视情形下可实现目标良好的成像,点目标冲激响应的主副瓣可清晰分辨。

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第一章 绪论

1.1合成孔径雷达发展概述

1.2双基合成孔径雷达发展概述

1.3双基SAR成像算法的发展概述

1.4本论文的内容和安排

本章参考文献

第二章 同轨双基SAR的LBF谱精度分析

2.1引言

2.2同轨构型下LBF谱精度分析

2.3仿真实验

2.4本章小结

本章参考文献

第三章 同轨双基SAR的线频调变标成像算法

3.1引言

3.2同轨双基SAR的信号模型

3.3同轨双基SAR的CS成像算法

3.4仿真实验

3.5本章小结

本章参考文献

第四章 同轨双基SAR的非线性CS成像算法

4.1引言

4.2同轨双基SAR的非线性CS成像算法

4.3仿真实验

4.4本章小结

本章参考文献

第五章 同轨双基SAR的频率变标成像算法

5.1引言

5.2双基地deramp函数推导

5.3同轨聚束式双基地SAR模型

5.4同轨聚束式双基地SAR的FS成像算法

5.5大斜视同轨双基SAR的改进频率变标成像算法

5.6本章小结

本章参考文献

第六章 结束语

6.1全文总结

6.2工作展望

附录A DBPμ 的估算过程

致谢

作者在读期间的研究成果