双站合成孔径雷达成像波数域解决方案

摘要

合成孔径雷达（SAR）具有全天候、全天时工作和高分辨率的成像能力，是一种重要的对地观测工具，在军事和国民经济的许多领域有着重要的应用。 科学工作者最近几年把更多的目光投向双站合成孔径雷达（Bistatic SAR）研究领域，这与双站合成孔径雷达自身的特点是分不开的。双站合成孔径雷达，即双站SAR的发射机和接收机安装在不同的平台上，可以有不同的空间位置和运动速度。双站SAR是分布式合成孔径雷达系统的典型代表，是分布式合成孔径雷达系统的基本模型，更是研究分布式合成孔径雷达系统的突破口。双站SAR或分布式合成孔径雷达系统具有获取信息丰富、天线方向灵活、抗干扰性能强、抗截获性能好和雷达散射截面积（RCS）特性好等优点。在军事上，星载双站SAR以其机动性和隐蔽性更有其广泛的用途。尽管Bi-SAR有着如此突出的优势，但是很多相关的技术问题，诸如基地间同步、天线方向、轨迹测量和运动补偿等问题还有待解决。同时随着这些技术问题的不断突破，双站信号处理问题开始制约双站SAR成像的进一步发展，很多和双站成像算法相关的问题还没有得到解决。 与单站SAR一样，星载双站SAR方位高分辨率也是通过对卫星飞过目标时形成的方位多普勒信号进行处理实现的。理论上双站SAR成像也可以用单站算法的改进形式实现，但是由于双站收发距离和的变化规律较单站SAR雷达到目标双程距离更为复杂，且距离徙动量更大，用一般的改进算法难以达到理想的成像效果。 到目前为止，有关双站合成孔径雷达成像理论和技术方面的公开文献并不多见。近两年提出的双站构型的数学建模为双站SAR成像理论的发展翻开了崭新的一页。新的理论提供了精确描述发射雷达和接收雷达飞行轨迹的矢量模型，同时将地面点目标的响应在距离－时间域上建模。时空域上的建模为更灵活的双站SAR成像算法的研究提供了发展机遇。 波数域算法是在波数域实现场景图像的重建。无论雷达斜视角如何，也不管场景大小，波数域算法都能对整个区域基于散射点模型而不加其他近似条件实现无几何形变的完全聚焦。双波数域处理的灵活性更是波数域算法不可忽视的特点，论文试图通过对改进的波数域算法和一般双站构型的数学建模的研究，进一步发展双站SAR成像算法，并通过大场景点目标仿真结果验证理论分析的正确性。 论文首先介绍了双站合成孔径雷达成像的基本原理和研究现状，指出了双站雷达的主要特点和有待突破的关键技术，并适当阐述了其发展前景。论文对合成孔径雷达波数域算法进行了分析，从波数域的基本概念和物理意义开始详细推导了波数域算法实现的基本过程，给出了单站SAR成像波数域算法的实现和仿真结果，选取合适的参考距离和适当复杂度的Stolt插值是算法实现的关键。论文对经典波数域算法进行了一定的改进，包括通过坐标旋转改进Stolt插值和对参考距离的改进，这些改进在斜视情况下是有意义而且有效的，其有效性得到了仿真结果的证实。论文将双站合成孔径雷达补偿法成像技术和波数域算法结合起来，提出并发展了双站SAR补偿法成像的波数域解决方案。其中首先给出了一般双站构型下补偿法成像的数学推导和基本处理方法，然后遵循从一般到特殊的原则，简化了特殊构型下的补偿法成像算法。然后在补偿法成像的基础上引入改进的波数域算法的思想，提出了与发射雷达和接收雷达斜视角同时相关的坐标旋转角的计算方法，使得通过坐标旋转能够成功获得有限区域波数谱上完整的有效数据。仿真结果证实了这一算法思想的可行性和有效性。论文最后试图站在不同于补偿法解决双站合成孔径雷达成像问题的角度，以双站SAR回波传递函数为基础推导新的双站SAR成像算法处理方案。推导从双站平行飞行的特殊构型出发，给出了一种基于线性逼近和相位补偿的处理过程，并通过进一步分析提出了一种具体的解决方案。