直升机载旋转式SAR与双基SAR大斜视成像算法研究

摘要

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像是一种全天时、全天候的微波遥感技术;在地球观测、环境监测、军事侦察及飞行器安全飞行和降落等方面具有重要意义。为提高SAR系统性能,扩展其应用平台,国内外开展了新型SAR技术研究。直升机载旋转式SAR利用雷达天线的旋转来合成方位向孔径,从而得到高分辨二维SAR图像。它具有高时空分辨率、短重访周期、前视成像能力、结构简单硬件成本低等优点,且二维成像时不需要直升机平台做任何运动。另外,结合直升机平台运动和天线旋转可合成虚拟二维面阵天线,同时融合距离脉冲压缩技术可实现对观测区域的三维成像。双基SAR是指发射机和接收机位于不同平台上的新型SAR模式。与单基SAR相比,双基SAR具有可获得目标非后向散射特征、系统设计灵活及便于接收机隐身设计等优点。特别地,大斜视双基SAR可以不需要飞越某一地区而能对该区域的目标进行探测;即也具有对前方目标成像能力。因此,作为对具有前方目标成像能力的新型SAR模式,直升机载旋转式SAR和双基SAR具有广泛的军事和民用前景。
　　本文在国家自然科学基金和国家973项目支撑下,围绕直升机载旋转式SAR和双基SAR原理和成像算法展开研究,主要创新点如下:
　　1、针对直升机载旋转式 SAR方位分辨率依赖于方位重构角的大小,传统的划分子孔径的方法使得方位分辨率低的问题。在详细分析其成像几何模型基础上,使用高阶逼近原理近似构造直升机载旋转式SAR的回波信号模型,然后借助级数反演法求得其精确的二维频谱表达式。在此基础上,提出了一种高分辨直升机载旋转式SAR成像算法,给出算法的完整推导过程和各补偿因子的表达式;并详细分析了系统参数选择对直升机载旋转式SAR分辨率的影响。
　　2、针对直升机载旋转式 SAR雷达天线旋转成像时平台存在运动的问题。提出一种融合直升机平台运动补偿的改进Chirp Scaling算法。该算法首先建立了存在平台运动时直升机载旋转式SAR成像的几何模型。在此基础上,详细分析平台运动引起的目标斜距误差在单个孔径时间内随目标位置的变化关系,得到了平台运动误差的空变性大小并给出误差补偿方法。然后,分析了直升机载旋转式 SAR几何构型带来的速度随目标位置变化特性对成像质量的影响,并把其影响补偿融入到Chirp Scaling算法的距离徙动空变性校正和方位压缩中。整个算法只包含快速傅立叶变换和复数乘操作,不涉及插值,易于工程实现。最后,计算机仿真结果表明,该算法能够对直升机平台运动时大场景进行成像并具有良好的成像效果。
　　3、提出了一种基于调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)的直升机载旋转式SAR新的成像模式并给出了相应的成像算法。该方法首先利用等效相位中心原理,将收发分置天线系统的回波信号等效为“自发自收”单基系统。在此基础上,求得了其精确的二维频谱同时分析了雷达天线连续运动的影响--产生多普勒频移,并给出补偿方法;然后运用高效的逆Chirp-Z变换校正了距离徙动空变性。详细分析了速度近似误差对成像区域大小的影响,并把其影响补偿融合到成像算法中。整个算法只包含快速傅立叶变换和复乘操作,不涉及插值,易于工程实现。最后,仿真结果验证了分析结论的正确性和算法的有效性。
　　4、结合直升机平台的运动和安装在旋翼末端的雷达天线的旋转,直升机旋转式SAR能实现对载机前方目标的三维成像。本文根据直升机载旋转式SAR几何构型和回波信号特性,提出一种新的直升机载旋转式SAR前视三维成像算法。该算法首先将雷达天线旋转得到回波数据采用改进 Chirp Scaling算法处理获得单幅SAR图像;然后把沿每个方位向对应的斜距-沿航向平面的切片数据看成前下视成像模式的回波数据,利用融合子场景划分技术的Omega-k成像算法沿方位依次进行成像处理,最后获得直升机平台前方目标的三维图像。仿真结果验证了该算法的有效性和正确性。该模式仅仅利用了一根天线就能获得载机平台前方目标的三维SAR图像,具有结构简单、成本低等优势。
　　5、在大斜视方位时变双基 SAR模式下,一方面,距离走动校正引入的距离偏移外,方位时变的几何构型也引入一个距离偏移。尤其是在接收和发射平台航线夹角较大时,几何构型引入的空变性变得更剧烈。另一方面,随着斜视角的增大,方位调频率高次项和三次相位的空变性已经不能忽略。针对该问题,提出一种改进的方位非线性调频变标算法。该方法首先在距离频率-方位时域完成距离走动和多普勒中心校正,然后在二维频域通过一致二次距离压缩校正剩余的距离单元徙动和距离-方位高次耦合。在分析方位时变双基SAR几何构型引入的方位空变性、方位调频率高次项和三次相位空变特性的基础上,推导出变标函数的系数。相比传统的非线性调频变标算法,该算法没有增加任何多余处理步骤。该算法可以有效的提高双基SAR成像性能,极大的扩展方位向聚焦深度。

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第一章 绪论

1.1论文研究工作的背景和意义

1.2 SAR发展简介

1.3 直升机载旋转式SAR简介及研究现状

1.4 双基SAR发展概况

1.5 论文的研究内容和安排

第二章 SAR成像基础

2.1 引言

2.2 SAR二维成像原理

2.3 SAR工作模式和回波模型

2.4 SAR信号处理

2.5 本章小结

第三章 高分辨直升机载旋转式合成孔径雷达成像算法

3.1 引言

3.2 直升机载ROSAR成像几何模型及目标斜距分析

3.3 直升机载ROSAR成像算法分析

3.4 参数选择和性能分析

3.5 仿真实验及其分析

3.6 本章小结

第四章 直升机载旋转式SAR平台运动误差补偿及成像算法

4.1 引言

4.2 直升机运动的ROSAR的几何模型及信号特性

4.3 直升机平台运动误差影响分析

4.4 直升机载ROSAR成像处理

4.5 仿真实验及其分析

4.6 本章小结

第五章 直升机载调频连续波旋转式SAR信号分析与成像算法

5.1 引言

5.2 FMCW信号概述

5.3 直升机载FMCW-ROSAR几何模型

5.4 双基等效单基处理

5.5 直升机载FMCW-ROSAR信号处理

5.6 仿真结果及其分析

5.7 本章小结

第六章 一种新的直升机载旋转式合成孔径雷达前视三维成像算法

6.1 引言

6.2 直升机载ROSAR三维成像几何模型

6.3 直升机载ROSAR三维成像算法

6.4 仿真结果及其分析

6.5 本章小结

第七章 大斜视高分辨方位时变双基SAR成像算法

7.1 引言

7.2 方位时变双基SAR几何模型及其二维频谱

7.3 EANLCS算法

7.4 仿真结果及其分析

7.5 本章小结

第八章 结束语

8.1 全文内容总结

8.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果