直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR與雙基SAR大斜視成像算法研究.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像是一種全天時、全天候的微波遙感技術(shù);在地球觀測、環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察及飛行器安全飛行和降落等方面具有重要意義。為提高SAR系統(tǒng)性能,擴(kuò)展其應(yīng)用平臺,國內(nèi)外開展了新型SAR技術(shù)研究。直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR利用雷達(dá)天線的旋轉(zhuǎn)來合成方位向孔徑,從而得到高分辨二維SAR圖像。它具有高時空分辨率、短重訪周期、前視成像能力、結(jié)構(gòu)簡單硬件成本低等優(yōu)點,且二維成像時不需要直升機(jī)平

2、臺做任何運動。另外,結(jié)合直升機(jī)平臺運動和天線旋轉(zhuǎn)可合成虛擬二維面陣天線,同時融合距離脈沖壓縮技術(shù)可實現(xiàn)對觀測區(qū)域的三維成像。雙基SAR是指發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位于不同平臺上的新型SAR模式。與單基SAR相比,雙基SAR具有可獲得目標(biāo)非后向散射特征、系統(tǒng)設(shè)計靈活及便于接收機(jī)隱身設(shè)計等優(yōu)點。特別地,大斜視雙基SAR可以不需要飛越某一地區(qū)而能對該區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行探測;即也具有對前方目標(biāo)成像能力。因此,作為對具有前方目標(biāo)成像能力的新型SAR模式,直升機(jī)

3、載旋轉(zhuǎn)式SAR和雙基SAR具有廣泛的軍事和民用前景。
　　本文在國家自然科學(xué)基金和國家973項目支撐下,圍繞直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR和雙基SAR原理和成像算法展開研究,主要創(chuàng)新點如下:
　　1、針對直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式 SAR方位分辨率依賴于方位重構(gòu)角的大小,傳統(tǒng)的劃分子孔徑的方法使得方位分辨率低的問題。在詳細(xì)分析其成像幾何模型基礎(chǔ)上,使用高階逼近原理近似構(gòu)造直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR的回波信號模型,然后借助級數(shù)反演法求得其精確的二維頻譜表

4、達(dá)式。在此基礎(chǔ)上,提出了一種高分辨直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR成像算法,給出算法的完整推導(dǎo)過程和各補(bǔ)償因子的表達(dá)式;并詳細(xì)分析了系統(tǒng)參數(shù)選擇對直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR分辨率的影響。
　　2、針對直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式 SAR雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)成像時平臺存在運動的問題。提出一種融合直升機(jī)平臺運動補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)Chirp Scaling算法。該算法首先建立了存在平臺運動時直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR成像的幾何模型。在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析平臺運動引起的目標(biāo)斜距誤差在單個孔徑時

5、間內(nèi)隨目標(biāo)位置的變化關(guān)系,得到了平臺運動誤差的空變性大小并給出誤差補(bǔ)償方法。然后,分析了直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式 SAR幾何構(gòu)型帶來的速度隨目標(biāo)位置變化特性對成像質(zhì)量的影響,并把其影響補(bǔ)償融入到Chirp Scaling算法的距離徙動空變性校正和方位壓縮中。整個算法只包含快速傅立葉變換和復(fù)數(shù)乘操作,不涉及插值,易于工程實現(xiàn)。最后,計算機(jī)仿真結(jié)果表明,該算法能夠?qū)χ鄙龣C(jī)平臺運動時大場景進(jìn)行成像并具有良好的成像效果。
　　3、提出了一種基于調(diào)頻

6、連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)的直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR新的成像模式并給出了相應(yīng)的成像算法。該方法首先利用等效相位中心原理,將收發(fā)分置天線系統(tǒng)的回波信號等效為“自發(fā)自收”單基系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,求得了其精確的二維頻譜同時分析了雷達(dá)天線連續(xù)運動的影響--產(chǎn)生多普勒頻移,并給出補(bǔ)償方法;然后運用高效的逆Chirp-Z變換校正了距離徙動空變性。詳細(xì)分析了速度近似誤差對成像區(qū)域大小的影響,

7、并把其影響補(bǔ)償融合到成像算法中。整個算法只包含快速傅立葉變換和復(fù)乘操作,不涉及插值,易于工程實現(xiàn)。最后,仿真結(jié)果驗證了分析結(jié)論的正確性和算法的有效性。
　　4、結(jié)合直升機(jī)平臺的運動和安裝在旋翼末端的雷達(dá)天線的旋轉(zhuǎn),直升機(jī)旋轉(zhuǎn)式SAR能實現(xiàn)對載機(jī)前方目標(biāo)的三維成像。本文根據(jù)直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR幾何構(gòu)型和回波信號特性,提出一種新的直升機(jī)載旋轉(zhuǎn)式SAR前視三維成像算法。該算法首先將雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)得到回波數(shù)據(jù)采用改進(jìn) Chirp Scali

8、ng算法處理獲得單幅SAR圖像;然后把沿每個方位向?qū)?yīng)的斜距-沿航向平面的切片數(shù)據(jù)看成前下視成像模式的回波數(shù)據(jù),利用融合子場景劃分技術(shù)的Omega-k成像算法沿方位依次進(jìn)行成像處理,最后獲得直升機(jī)平臺前方目標(biāo)的三維圖像。仿真結(jié)果驗證了該算法的有效性和正確性。該模式僅僅利用了一根天線就能獲得載機(jī)平臺前方目標(biāo)的三維SAR圖像,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢。
　　5、在大斜視方位時變雙基 SAR模式下,一方面,距離走動校正引入的距離偏移外

9、,方位時變的幾何構(gòu)型也引入一個距離偏移。尤其是在接收和發(fā)射平臺航線夾角較大時,幾何構(gòu)型引入的空變性變得更劇烈。另一方面,隨著斜視角的增大,方位調(diào)頻率高次項和三次相位的空變性已經(jīng)不能忽略。針對該問題,提出一種改進(jìn)的方位非線性調(diào)頻變標(biāo)算法。該方法首先在距離頻率-方位時域完成距離走動和多普勒中心校正,然后在二維頻域通過一致二次距離壓縮校正剩余的距離單元徙動和距離-方位高次耦合。在分析方位時變雙基SAR幾何構(gòu)型引入的方位空變性、方位調(diào)頻率高次項