地球同步轨道单基SAR系统成像关键技术研究

摘要

合成孔径雷达（SAR）成像技术具有全天时、全天候、成像距离远以及透过一定遮挡物获取高分辨率图像的能力。近几年来，随着星载SAR技术的发展，一种将SAR平台有效载荷放置在地球同步轨道卫星上的遥感系统成为SAR领域的新兴研究热点。相对于低轨道星载SAR系统而言，地球同步轨道 SAR（GEO SAR）具有重访周期短，测绘带宽，战场生存能力强等优点，在灾害评估、海洋监测、情报侦察、地理测绘等方面具有非常广泛的应用前景。
　　GEO SAR系统卫星轨道高度较高、合成孔径时间长，具有与低轨道星载SAR(LEO SAR）不同的特性，例如雷达载体运动的直线运行轨迹假设及“走-停”假设斜距模型不再成立等。因此，适用于低轨星载 SAR系统的成像算法难以实现 GEO SAR精确聚焦。本文详细地分析了 GEO SAR系统特性，并围绕 GEO SAR零多普勒中心控制、回波信号建模及高分辨成像算法方面进行深入研究，所取得的主要研究成果如下：
　　1.结合GEO SAR系统运动特性，提出了适用于GEO SAR弯曲轨迹模型的合成孔径时间计算和分辨率分析方法。首先，以空间六坐标系为基础建立了卫星轨道模型，并对其特殊的运动特性进行了详细分析。基于该特性分析，进一步研究了 GEO SAR合成孔径时间长短与卫星参数之间的关系，并提出了基于矢量梯度法的 GEO SAR空间分辨率计算方法。所推导的方位向分辨率数学表达式仅与合成孔径初始和结束时刻天线和目标的相对位置有关，适用于弯曲合成孔径轨迹的 GEO SAR成像系统，为后续的高分辨率成像算法研究奠定基础。
　　2.针对GEO SAR多普勒中心频率受地球自转和椭圆轨道影响所产生的频率偏移问题，提出了适用于椭圆轨道GEO SAR的2-D零多普勒中心频率控制方法。首先，对 GEO SAR多普勒特性进行了详细分析，给出多普勒中心频率和调频率的数学表达式，并讨论了卫星姿态扰动对多普勒中心频率和多普勒调频率的影响。接着，研究了一种基于矢量运算的2-D姿态角偏航导引方法，即通过调整 GEO卫星平台的俯仰角和偏航角来实现回波信号的多普勒中心频率保持在零频附近。最后，介绍了一种2-D相位扫描的控制方法避免了 GEO SAR平台姿态转动，提高了零多普勒中心控制的可靠性和灵活性。仿真结果表明，采用零多普勒中心偏航导引方法可以有效降低 GEO SAR成像处理对多普勒参数误差的敏感程度，从而提高图像质量。
　　3.研究了GEO SAR小场景快速成像算法。首先，基于卫星轨道参数建立了适用于小场景 GEO SAR的斜距模型，并对 GEO SAR目标斜距模型的适用性进行了分析。随后，考虑了“走-停”假设带来的误差，提出了适用于 GEO SAR的高精度回波信号模型，并对“走-停”假设给成像带来的影响进行分析。接着，基于推导的精确回波模型，提出了两种适用于 GEO SAR小场景成像算法。一种为改进 SPECAN成像算法，该算法具有较高的成像效率，适用于实时成像处理。另一种为改进NLCS成像算法，该算法补偿了随距离空变的距离单元走动，适用于 GEO SAR宽测绘场景高精度聚焦成像。这两种算法可以看作是中、低轨道星载 SAR中的 SPECAN算法和 NLCS算法在 GEO SAR平台上的推广。最后，通过点目标仿真实验验证了所提两种成像算法的有效性。
　　4.研究了GEO SAR大场景高分辨成像算法。首先，建立了GEO SAR弯曲轨迹模型下的高精度斜距模型，并对该斜距模型相干积累时间的适用范围进行了分析。随后，针对大场景 GEO SAR成像处理中目标距离单元徙动（RCM）在距离向和方位向具有空变性这一问题，提出两种成像方法。一种是基于扩展 Keystone变换的成像方法，该方法是针对传统 Keystone变换不能处理目标非线性 RCM的问题提出的一种新的数据处理方法，可看作是对传统Keystone变换的扩展。另一种是基于广义 Omega-k算法的成像方法。该方法是针对传统 Omega-k算法中的 Stolt插值无法处理目标 RCM沿方位向空变的问题提出的一种新 Stolt处理方法。前者拥有较高的运算效率，后者的作用范围较广，适用于更大场景的高分辨率 GEO SAR成像处理。最后，仿真实验验证了所提方法的有效性。

目录

第1章绪 论

1.1论文研究背景和意义

1.2 GEO SAR发展与现状

1.3论文研究内容及安排

第2章星载SAR成像基础与GEO SAR系统特性

2.1引言

2.2星载SAR成像基本原理

2.3 GEO SAR的系统特性

2.4本章小结

第3章GEO SAR多普勒特性及零多普勒中心偏航导引研究

3.1引言

3.2 GEO SAR多普勒参数的数学推导

3.3卫星姿态扰动对多普勒特性的影响

3.4 GEO SAR零多普勒中心控制研究

3.5仿真实验分析

3.6本章小结

第4章小场景GEO SAR回波信号分析及成像算法研究

4.1引言

4.2 GEO SAR大/小成像场景概念

4.3小场景GEO SAR回波模型分析

4.4“走-停”假设给成像带来的误差

4.5改进SPECAN成像算法

4.6改进NLCS成像算法

4.7本章小结

第5章大场景高分辨GEO SAR成像算法研究

5.1引言

5.2大场景GEO SAR斜距模型研究

5.3基于扩展Keystone变换的GEO SAR成像算法

5.4基于广义Omega-k算法的GEO SAR成像方法

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢

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