第六章(雷達(dá)成像--邢孟道)

1、1第 6 章 基于回波數(shù)據(jù)的合成孔徑雷達(dá)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償在前兩章里已經(jīng)討論了 SAR 的基本原理和成像算法，由于載體的運(yùn)動(dòng)而形成長(zhǎng)的線性合成陣列，從而獲得高的橫向分辨率。在前面我們也曾指出，為便于分析，設(shè)載機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況是理想的，雷達(dá)以確定指向和恒定速度作平行于地面的直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上載機(jī)運(yùn)動(dòng)狀況不可能是理想的，星載 SAR 的狀況還比較好，人造衛(wèi)星在外層空間的運(yùn)動(dòng)比較穩(wěn)定；機(jī)載 SAR，特別是中、低空飛行的機(jī)載 SAR，由于氣流不穩(wěn)定的影響，運(yùn)

2、動(dòng)的不穩(wěn)定性較大，如果不采取運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，則所錄取的數(shù)據(jù)受到不穩(wěn)定因素的影響會(huì)有較大的失真，從而使成像質(zhì)量下降，甚至不能成像。所謂“運(yùn)動(dòng)是 SAR 的依據(jù)，也是產(chǎn)生問題的根源” 。載機(jī)受氣流影響產(chǎn)生顛簸主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是位置；另一是姿態(tài)（即轉(zhuǎn)動(dòng)） 。兩者都是三維的，姿態(tài)的變化包括偏航、俯仰和橫滾。聯(lián)系到合成孔徑雷達(dá)，位置誤差主要影響天線相位中心（APC）的位置，因而影響它到目標(biāo)的距離，我們知道，距離變化會(huì)影響回波相位，對(duì)合成孔徑雷達(dá)是

3、至關(guān)重要的。姿態(tài)變化則會(huì)影響雷達(dá)波束指向。實(shí)際上，機(jī)載合成孔徑雷達(dá)的天線必須安裝在由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）精確控制的穩(wěn)定平臺(tái)上，能使雷達(dá)波束指向與預(yù)定航線的角坐標(biāo)精度滿足要求。而位置誤差則不可能完全控制和消除，只是可以加以測(cè)量，用測(cè)量到的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。所以本章所討論的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償主要是雷達(dá) APC 偏離預(yù)定的理想位置時(shí)的補(bǔ)償問題。機(jī)載 SAR 的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償主要有基于儀表測(cè)量的和基于信號(hào)處理的，前者主要依靠載機(jī)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和全球定位

4、系統(tǒng)（GPS） ，用以測(cè)定載機(jī)的精確位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)響應(yīng)速度快，具有短時(shí)間測(cè)量精度，這正是合成孔徑雷達(dá)成像所需要的，它基本上能將成像相干積累時(shí)間里的誤差狀況測(cè)量出來。不過，它直接測(cè)量的是加速度，通過兩次時(shí)間積分才能得到位置數(shù)據(jù)，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)產(chǎn)生誤差積累。全球定位系統(tǒng)是直接測(cè)量位置數(shù)據(jù)的，但系統(tǒng)響應(yīng)較慢。將兩者相結(jié)合，?？色@得高的位置精度。實(shí)際上，為保證 SAR 成像所需的精度主要靠響應(yīng)速度快的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，至于測(cè)量時(shí)載機(jī)所在地實(shí)際區(qū)域

5、和位置的確定主要靠全球定位系統(tǒng)。3進(jìn)行基于回波數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)；6.3 節(jié)討論法平面和沿航線運(yùn)動(dòng)誤差的補(bǔ)償；6.4 節(jié)討論 PGA 自聚焦補(bǔ)償方法；6.5 節(jié)介紹結(jié)合運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)?SAR 成像的實(shí)例。6.1 SAR 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況6.1.1 慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)情況簡(jiǎn)介 慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)情況簡(jiǎn)介運(yùn)動(dòng)參數(shù)通?？捎脩T性測(cè)量單元（IMU）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）測(cè)得。對(duì)從 IMU 或 INS 的加速度計(jì)和陀螺儀獲得

6、的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以重構(gòu)出飛機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡（即沿航線，垂直航線，天頂方向） ，同時(shí)也可得到 IMU 位置的三個(gè)角度分量（即偏航角，俯仰角，橫滾角） 。慣性測(cè)量單元主要測(cè)量參數(shù)有：航向角、俯仰角、橫滾角、速度東、速度北、速度天、加速度東、加速度北、加速度天、載機(jī)經(jīng)度、載機(jī)緯度等，也可輸出偏流角、擦地角、方位角、前向加速度、橫向加速度、前向速度、橫向速度等。但是從已有的一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來說，一般飛機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)量精度相對(duì)較低，速度和斜視角有時(shí)有

7、壞值，測(cè)量加速度的變化更加劇烈，每個(gè)脈沖都有較大差異。圖 6.1 為由慣導(dǎo)系統(tǒng)（測(cè)量精度一般）所獲得的部分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的例子，其中圖 6.1(a)為 160 秒時(shí)間區(qū)間的前向加速度的時(shí)間變化曲線，圖 6.1(b)為160 秒時(shí)間區(qū)間的橫向加速度曲線，可見加速度變化劇烈，主要由于加速度計(jì)非常敏感，而快速對(duì)稱振蕩變化的加速度對(duì)速度沒有影響，實(shí)際產(chǎn)生影響的是它的中值，圖 6.1(c)和(d)對(duì)圖 6.1(a)和(b)每秒輸出的加速度慣導(dǎo)數(shù)據(jù)取中值