機(jī)載高分辨聚束SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法研究.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種主動(dòng)式的微波成像系統(tǒng)，具有全天時(shí)、全天候，遠(yuǎn)距離成像的特點(diǎn)，在較低頻段工作時(shí)，能夠穿透植被、地表等覆蓋物并發(fā)現(xiàn)隱藏目標(biāo)。SAR不僅在廣域監(jiān)視、戰(zhàn)場(chǎng)偵察等軍事領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，而且逐步成為地形測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估等民用領(lǐng)域的重要手段。機(jī)載聚束SAR具有靈活性強(qiáng)、重訪率高、易于實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，能夠突破天線波束寬度對(duì)方位分辨率的限制，獲得高分辨率SAR圖像，因而得到了廣泛應(yīng)用。
　　由于受到大氣湍流、

2、平臺(tái)自身抖動(dòng)等因素影響，機(jī)載SAR運(yùn)動(dòng)軌跡變化劇烈，為獲取高分辨率SAR圖像，必須進(jìn)行高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。受平臺(tái)載荷、試驗(yàn)成本等因素的限制，機(jī)載SAR一般只配備中等或低等精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高分辨SAR成像所需的波長(zhǎng)量級(jí)誤差補(bǔ)償精度要求。這時(shí)，需采用基于數(shù)據(jù)自適應(yīng)的精確運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法。
　　圍繞國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、國(guó)家高技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃等項(xiàng)目，本文以快速時(shí)域成像算法和極坐標(biāo)格式算法(PFA)為基

3、礎(chǔ)，針對(duì)機(jī)載高分辨聚束SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)研究，主要工作包括以下四個(gè)部分:
　　基于斜視聚束模式下的SAR數(shù)據(jù)采集幾何和信號(hào)模型，第二章分別介紹了以快速后向投影算法、快速分解后向投影算法為代表的快速時(shí)域成像算法和以距離徙動(dòng)類算法、PFA為代表的插值類頻域算法，分別討論了以上各種算法的基本思想、處理過(guò)程以及優(yōu)缺點(diǎn)，并分析了它們與自聚焦算法相結(jié)合的問(wèn)題。SAR成像與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償本是一個(gè)整體，后面各章節(jié)提出的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法

4、均以第二章的成像算法為基礎(chǔ)，或者對(duì)已有成像算法做出改進(jìn)，使成像算法與高精度自聚焦處理相結(jié)合，進(jìn)一步補(bǔ)償信號(hào)中殘余運(yùn)動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)高分辨SAR成像精確聚焦。
　　快速時(shí)域成像算法具有靈活選擇成像平面、獲得無(wú)畸變SAR圖像等優(yōu)點(diǎn)。但它們依靠積分方式重建方位維高分辨率圖像，難以獲取信號(hào)相位歷史域與最終圖像聚焦域之間的傅里葉變換關(guān)系，使得自聚焦算法無(wú)法與快速時(shí)域成像算法相結(jié)合進(jìn)行精確運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。針對(duì)這一問(wèn)題，第三章提出了一種結(jié)合高精度自聚焦算

5、法的加速時(shí)域成像算法處理流程。通過(guò)將各子圖像分別后向投影到全局廣義極坐標(biāo)網(wǎng)格，構(gòu)建出相位歷史域與最終圖像聚焦域之間的傅里葉變換關(guān)系，推導(dǎo)了自聚焦算法的使用條件。對(duì)各子孔徑圖像進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)和循環(huán)移位操作，獲得子孔徑圖像的無(wú)混疊二維波數(shù)譜并進(jìn)行無(wú)縫拼接。對(duì)全分辨數(shù)據(jù)二維波數(shù)譜做距離向逆傅里葉變換，采用基于加權(quán)最小均方相位梯度自聚焦算法實(shí)現(xiàn)相位誤差高精度補(bǔ)償。該方法采用FFT和循環(huán)移位操作實(shí)現(xiàn)子圖像的融合過(guò)程，避免了耗時(shí)、精度

6、受限的二維插值操作，且易與高精度自聚焦算法結(jié)合，提取信號(hào)中殘余的運(yùn)動(dòng)誤差并補(bǔ)償，提高成像質(zhì)量。
　　第四章研究基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法。首先結(jié)合全球定位系統(tǒng)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS/INS)信息，對(duì)距離脈壓后的雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行粗略的包絡(luò)偏移和相位誤差補(bǔ)償，采用簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的PFA處理。針對(duì)PFA中插值操作會(huì)放大并改變殘余運(yùn)動(dòng)誤差形式這一問(wèn)題，提出了分階段處理流程(SSA)，補(bǔ)償相位歷史域信號(hào)非系統(tǒng)距離單元徙動(dòng)(

7、NsRCM)的影響?？紤]到相位誤差在高分辨SAR成像中的空變特性影響，提出了基于加權(quán)對(duì)比度增強(qiáng)的自聚焦算法對(duì)距離單元徙動(dòng)完全校正后的方位相位誤差進(jìn)行距離空變補(bǔ)償。該方法以對(duì)比度為衡量圖像聚焦性能的標(biāo)準(zhǔn)，具有較高運(yùn)算效率和精度，且不要求成像場(chǎng)景中具有孤立散射點(diǎn)。
　　斜視SAR能夠?qū)ζ脚_(tái)不能立刻到達(dá)的熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重訪，大大增加了聚束SAR系統(tǒng)的靈活性。然而，在斜視模式下，運(yùn)動(dòng)誤差的非空變方向與平臺(tái)理想航跡方向不一致，不能將正側(cè)視模式

8、下的自聚焦算法直接應(yīng)用到斜視模式下。為獲取高分辨率圖像，斜視SAR的積累時(shí)間更長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)誤差變化也更劇烈、形式更復(fù)雜。針對(duì)這些問(wèn)題，第五章分析了斜視模式下的中心波束近似，給出了將實(shí)際三維運(yùn)動(dòng)誤差投影到斜距平面的轉(zhuǎn)化關(guān)系。結(jié)合GPS/INS信息，提出了一種新的運(yùn)動(dòng)誤差粗略補(bǔ)償方法。采用基于沿視線方向插值(LOSPI)的PFA，使得由相位誤差引起的方位模糊垂直于雷達(dá)視線方向?？紤]到LOSPI對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差的影響，采用SSA去除相位歷史域信號(hào)的Ns