阵列三维SAR分辨率增强方法研究

摘要

阵列三维SAR能克服二维SAR成像技术无法获取观测空间三维信息的缺陷，解决其在成像过程中存在的遮挡、空间模糊和顶底倒置等问题，还具有飞行轨迹易于控制、能实现正下视三维成像等优势，具有较好的应用前景和较高的研究价值。本文主要针对阵列三维SAR空间分辨率受发射信号带宽和阵列孔径限制的问题，围绕阵列SAR三维超分辨成像方法、阵列三维SAR信号收发方式和阵列三维SAR飞行方式展开研究。具体工作内容及创新点如下：
　　（1）介绍阵列三维 SAR的基本原理和数据处理方法。首先介绍了阵列三维SAR工作机理和四种工作模式及其特点；接着阐述了阵列三维SAR的信号模型、给出阵列三维SAR系统的三维空间分辨率。最后，介绍并对比了阵列三维SAR成像中的RD算法和BP算法。
　　（2）提出一种基于单快拍 MUSIC的距离向聚焦方法。针对距离压缩中距离分辨率受限于信号带宽且旁瓣高的问题，将阵列三维SAR距离向聚焦问题看成是目标所在距离单元及该距离单元幅值、相位的估计问题，采用单快拍MUSIC算法估计目标的回波时延，确定目标所在的距离单元，再结合最小二乘法估计该距离单元的幅度和相位，在保留其它维度聚焦所需相位信息且不损失信号带宽的情况下实现了阵列三维SAR距离像的超分辨重构。仿真实验证明该算法在较低信噪比条件下仍能获得较好的超分辨效果。实测数据处理结果也验证了该算法能实现距离向超分辨成像和旁瓣抑制。
　　（3）改进了基于MUSIC的阵列三维SAR沿航向和切航向超分辨成像方法。针对原方法使用空间滑动平均方法构造协方差矩阵，会牺牲合成阵列有效孔径的问题，采用一种能充分利用合成阵列孔径的方式构造协方差矩阵，得到了比原方法更好的超分辨效果。仿真实验结果证明改进后的方法比改进前具有更强的超分辨能力。
　　（4）研究了基于步进频信号的三维SAR实验系统。针对大带宽LFM信号硬件实现困难、在接收端要求高采样率等问题，将矢量网络分析仪作为阵列三维SAR实验系统的收发设备，发射步进频信号代替LFM信号实现距离向高分辨，以更低的成本获得更大的等效信号带宽。阐述了这种收发方式的距离向高分辨原理，推导了距离分辨率，分析了“走-停-走模式”的适用性和步进频信号对距离向聚焦的影响并给出了两种解决思路。外场实验结果验证了这种收发方式的可行性。
　　（5）研究了基于螺旋轨迹的三维 SAR实验系统。设计了基于螺旋轨迹的三维SAR实验系统，通过天线延螺旋轨迹运动合成圆环状阵列，得到天线运动平面的二维分辨率，结合步进频信号得到的距离向分辨率实现三维成像。推导了该合成阵列的径向模糊函数，为阵列分辨率分析提供了手段。在此基础上分析了圆环宽度对系统分辨率和旁瓣性能的影响。该阵列获得的各向分辨率相同且旁瓣性能优于单圆周阵列，为设计新的阵列三维SAR飞行方案，解决直线飞行时切航向分辨率远低于沿航向分辨率的问题提供了一种途径。最后通过外场实验验证了前述原理的正确性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 本论文的章节安排

第二章 阵列三维SAR成像原理

2.1 引言

2.2 阵列三维SAR成像机理

2.3 阵列三维SAR成像算法

2.4 本章小结

第三章 基于单快拍MUSIC算法的阵列SAR三维超分辨成像方法

3.1 引言

3.2 多重信号分类（MUSIC）算法概述

3.3 基于单快拍MUSIC的距离向聚焦方法

3.4基于单快拍MUSIC的三维SAR超分辨成像方法

3.5 本章小结

第四章 基于矢量网络分析仪的三维SAR实验系统

4.1 引言

4.2 基于矢网仪的三维SAR成像系统原理

4.3 外场实验与实测数据处理

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果