SAR系統(tǒng)中回波仿真、光學(xué)成像和信息提取技術(shù)的研究.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)（SAR，synthetic aperture radar）是一種重要的遙感手段。自從上世紀(jì)50年代第一個(gè)合成孔徑雷達(dá)成功運(yùn)行，合成孔徑雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)指標(biāo)和處理算法都持續(xù)的得到提升，它的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的拓展，逐步面向更加復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。這些應(yīng)用的場(chǎng)景確實(shí)對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)和算法提出了挑戰(zhàn)。首先，考慮到目前以星載、機(jī)載為主的SAR系統(tǒng)單次探測(cè)的運(yùn)行成本較高，在傳統(tǒng)SAR回波仿真技術(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，發(fā)展一些高精度高效率的合成孔徑

2、雷達(dá)回波仿真技術(shù)是非常有必要的。其次，最新設(shè)計(jì)的光電協(xié)同SAR成像處理器在處理星載小斜視（斜視角|θ|<θH/2，θH為波束寬度）[1]數(shù)據(jù)時(shí)存在一些問題。因此，在當(dāng)前光學(xué)成像算法基礎(chǔ)上，為該套可編程光電協(xié)同處理器研究可以同時(shí)處理正側(cè)視和小斜視數(shù)據(jù)的通用光學(xué)成像算法很有必要。再次，沿著多普勒方向SAR原始信號(hào)頻譜可能發(fā)生纏繞，形成多普勒模糊。因此，在SAR信息提取領(lǐng)域，發(fā)展一些直接作用于SAR原始數(shù)據(jù)而不需要在多普勒頻域進(jìn)行操作的信號(hào)級(jí)

3、信息提取技術(shù)是很有必要的。最后，傳統(tǒng)的雙通道動(dòng)目標(biāo)提取技術(shù)依然存在性能提升的空間，因此，在SAR信息提取領(lǐng)域，發(fā)展一些更加有效的雙通道圖像級(jí)動(dòng)目標(biāo)提取技術(shù)是很有必要的。
　　本文對(duì)以上提出的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行一定的研究，創(chuàng)新性的工作主要體現(xiàn)在：面向上述應(yīng)用場(chǎng)景，提出了對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行深度優(yōu)化的回波仿真技術(shù)和SAR光學(xué)成像技術(shù)，并發(fā)展了一系列信號(hào)級(jí)和圖像級(jí)的新信息提取技術(shù)。本文的工作主要可以概括為：
　　第一：對(duì)傳統(tǒng)的回波仿真技術(shù)進(jìn)行

4、了優(yōu)化，提出了基于回波對(duì)稱加速與時(shí)變RCS演算的SAR高速回波仿真技術(shù)。該技術(shù)依托GPU并行計(jì)算和回波矩陣對(duì)稱優(yōu)化算法，極大提升了SAR回波仿真技術(shù)的運(yùn)算效率。同時(shí)，為了進(jìn)一步提升生成回波的精度，我們又引入了一種基于高頻近似理論的由瞬時(shí)斜距和雷達(dá)入射角度計(jì)算后向散射系數(shù)的方法。在給定數(shù)字高程信息（DEM）和雷達(dá)入射角度范圍后，照射場(chǎng)景中每個(gè)散射中心在不同方位時(shí)刻的后向散射系數(shù)就可以被精確地計(jì)算得到。由此，相對(duì)傳統(tǒng)的SAR回波仿真技術(shù)，進(jìn)

5、一步提升了生成原始數(shù)據(jù)的精度。
　　第二：從星載光電協(xié)同處理的實(shí)際情況出發(fā)，提出了一種為最新的可編程光電協(xié)同處理器定制的對(duì)正側(cè)視和小斜視（斜視角|θ|<θH/2，θH為波束寬度）數(shù)據(jù)通用的SAR光學(xué)成像技術(shù)。在實(shí)際SAR光學(xué)成像處理中，大尺寸SAR回波數(shù)據(jù)被逐塊拆分成像并將成像結(jié)果拼接輸出。通過應(yīng)用光學(xué)預(yù)處理濾波器（Optical Preprocessing Filter），無論回波信號(hào)的多普勒中心頻率為多少，其二維頻譜將都會(huì)被移

6、動(dòng)至零多普勒位置。這使得由空間光調(diào)制器SLM加載的光學(xué)相位濾波器得以覆蓋大部分回波信號(hào)譜區(qū)域，如此保障了單次成像的高精度輸出。同時(shí)，在精細(xì)聚焦回波數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)成像結(jié)果的光路位置進(jìn)行了修正。單次光學(xué)成像的結(jié)果被移至光路的中心，如此，成像系統(tǒng)得以滿足后續(xù)圖像拼接的操作需求。綜上所述，該SAR光學(xué)成像技術(shù)，能夠?yàn)樽钚碌目删幊坦怆妳f(xié)同處理器提供正側(cè)視和小斜視數(shù)據(jù)通用的高精度光學(xué)成像解決方案。
　　第三：在信號(hào)級(jí)信息提取方面進(jìn)行了深入的研

7、究，提出了基于M-RANSAC（Modiifed RANdom Sample Consensus）和STFRFT（Short-Time FRactional Fourier Transform）的SAR信號(hào)級(jí)特征提取技術(shù)。為了避免多普勒頻域可能發(fā)生頻譜纏繞，該技術(shù)的輸入為SAR時(shí)域距離壓縮信號(hào)。由此，其主要貢獻(xiàn)在于可以實(shí)現(xiàn)散射中心的無模糊信號(hào)級(jí)信息提取操作。該技術(shù)提取的特征信息主要包括：（1）有望作為目標(biāo)分類關(guān)鍵屬性的后向散射包絡(luò)；（2

8、）表征地理信息的雷達(dá)平臺(tái)地距方向和沿軌道方向的兩維幾何位置。（3）沿航跡方向的散射中心和雷達(dá)平臺(tái)的相對(duì)速度。值得注意的是，該技術(shù)可以對(duì)無明確平臺(tái)速度而無法完成成像的SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，這種優(yōu)勢(shì)為該技術(shù)提供了額外的新穎性。
　　第四：在圖像級(jí)信息提取方面進(jìn)行了深入的研究，提出了基于WVL（Weighted Ve-locity Locator）和FAC（False Alarm Canceller）的SAR圖像級(jí)動(dòng)目標(biāo)提取技術(shù)。在該

9、技術(shù)的應(yīng)用中，我們引入了一個(gè)新的測(cè)度，稱為加權(quán)速度（WV，weighted velocity），它能夠綜合考慮目標(biāo)的強(qiáng)度和速度。如此，相應(yīng)的加權(quán)速度定位器（WVL）的輸出結(jié)果能夠避免噪聲相關(guān)虛警的影響。同時(shí)，該技術(shù)還引入了一個(gè)后處理濾波器（Postprocessing Filter），命名為虛警消除器（FAC），它能夠消除WVL檢測(cè)結(jié)果中雜波相關(guān)虛警的影響。因此，綜合利用上述兩項(xiàng)創(chuàng)新，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圖像級(jí)動(dòng)目標(biāo)提取的精細(xì)化。同時(shí)，本文還針