星載多通道高分辨寬測繪帶合成孔徑雷達成像處理技術研究.pdf

1、星載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)因其全天時、全天候的全球觀測能力,受到了越來越多國家和地區(qū)的重視,在軍事偵察、國民經(jīng)濟建設和科學研究中得到了廣泛的應用。但是,傳統(tǒng)星載單通道SAR存在最小天線面積限制,無法同時滿足高分辨寬測繪帶(High Resolution Wide Swath, HRWS)成像的要求:方位高分辨要求較高的脈沖重復頻率(Pulse Repetition Frequency,

2、 PRF),而寬距離測繪帶則要求較低的PRF。多通道結(jié)合數(shù)字波束形成( Digital Beam-Forming, DBF)技術可克服這一限制,從而實現(xiàn)高分辨寬測繪帶SAR成像。
　　本文針對星載多通道HRWS SAR系統(tǒng),重點研究了成像處理的幾個關鍵技術。全文總體上分為兩個部分:第一部分主要研究了星載方位多通道高分辨寬測繪帶SAR成像處理技術,方位多通道SAR是目前高分辨寬測繪帶成像實現(xiàn)最多的體制,在保證距離測繪帶寬和距離模糊度

3、要求的前提下,通過多通道DBF處理實現(xiàn)多普勒模糊抑制從而得到HRWS SAR圖像。隨著分辨率和測繪帶寬的提高,回波數(shù)據(jù)量也大大增加了,對星上存儲設備和傳輸鏈路等也提出了更高的要求,第二部分針對此問題,研究了星載距離多波束HRWS SAR成像技術,該技術在保證其它性能參數(shù)的前提下,可大大降低回波采樣數(shù)據(jù)量,為未來星載HRWS SAR的實現(xiàn)提供了新的方案。
　　本文的主要工作可概括如下:
　　1.星載方位多通道HRWS SAR成

4、像處理技術
　　本文第二章和第三章首先分析了星載方位多通道HRWS SAR回波信號模型,給出了兩種典型的成像處理方法,并針對星載方位多通道HRWS SAR成像的特點,開展了以下研究工作:
　　針對星載方位多通道HRWS SAR系統(tǒng),推導了三維坐標系下接收通道的等效相位中心相位補償公式?，F(xiàn)有的方位多通道HRWS SAR成像算法均假設各通道接收回波補償一常數(shù)相位后可等效為參考接收通道的延時,但并未給出具體的補償公式,或只給出了兩

5、維坐標系下的補償值,也未考慮發(fā)射通道和接收通道間的垂直航向基線。本文所提方法充分考慮了發(fā)射通道與接收通道間的三維空間位置關系,同時補償了由沿航向基線和垂直航向基線引起的等效相位中心相位值,并對殘余相位誤差進行了分析,指出當接收通道與參考接收通道間存在垂直航向基線時,相位補償值存在一定的空變性。當空變引起的相位誤差不可忽略時,可在距離壓縮后利用先驗數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)輔助分塊補償。計算機

6、仿真實驗驗證了本文所提方法的精確性。
　　針對方位多通道 HRWS SAR系統(tǒng),對空時自適應處理( Space Time Adaptive Processing, STAP)法的處理性能進行了分析。傳遞函數(shù)法和空時自適應處理法是目前兩種典型的多普勒模糊抑制算法,前者已有大量文獻對其處理性能進行了分析,并利用地基、機載和星載實測數(shù)據(jù)對其進行了驗證,卻鮮有文獻對STAP法的處理性能進行分析?；诖?本文首先從理論上分析了利用STAP進

7、行多普勒模糊抑制后的成像等效相位中心位置,驗證了 STAP的保相性和保幅性,經(jīng)多普勒模糊抑制后輸出回波可看作參考接收通道增加脈沖重復頻率后得到的無模糊回波,且各個方位時刻回波所對應的衛(wèi)星軌道位置由參考接收通道的位置決定,這為后續(xù)的干涉處理和目標定位奠定了基礎。除此之外,本文還從不同于現(xiàn)有文獻且更利于理解的角度分析了 STAP解多普勒模糊后的信噪比損失和方位模糊信號比,并利用仿真實驗對其進行了驗證。實驗表明,當PRF偏離均勻采樣時,相比其

8、它模糊抑制算法,STAP的處理性能更優(yōu),能更好地保留回波信號能量,抑制多普勒模糊。
　　針對方位多通道SAR系統(tǒng),分析了通道誤差因素及其影響。利用DBF技術進行多普勒模糊抑制要求各通道間的特性一致,但在實際情況中,由于加工工藝、運行環(huán)境等的影響,通道間不可避免地存在誤差,此外,受測量儀器精度的限制,通道位置也存在測量誤差?；诖?我們首先對通道誤差因素進行了分析,根據(jù)各誤差因素對DBF的影響將其歸結(jié)為通道幅度誤差、通道相位誤差和通

9、道沿航向位置誤差,然后推導分析了通道誤差對HRWS SAR成像的影響,并利用計算機仿真實驗對其進行了驗證。實驗表明,通道相位誤差對DBF的影響最大,而通道沿航向位置誤差的影響相對較小,但也應控制在厘米量級,通道幅度誤差可通過簡單的通道均衡予以消除。與其它算法相比,STAP法具有更高的誤差容忍度。
　　提出了兩種方位多通道HRWS SAR系統(tǒng)通道誤差估計和補償方法。在實際情況中,通道誤差不可避免,為了提高HRWS SAR成像性能,必

10、須對其進行補償,特別是通道相位誤差。針對方位多通道SAR系統(tǒng),我們提出了兩種通道相位誤差估計方法:信號子空間法(Signal Subspace Comparison Method, SSCM)和天線方向圖法(Antenna Pattern Method, APM)。信號子空間法基于信號特征向量張成的空間(即信號子空間)與真實導向矢量張成的空間相同這一特性對通道誤差進行估計。首先對利用回波信號估計得到的協(xié)方差矩陣進行特征分解得到信號子空間

11、,然后與利用系統(tǒng)參數(shù)得到理想的信號子空間相比較,從而得到通道相位誤差,與其它算法相比,該方法運算量更小,且適用范圍廣。天線方向圖法假設觀測場景均勻分布,在此條件下,利用發(fā)射和接收天線方向圖對理想信號導向矢量進行加權(quán),然后與回波信號協(xié)方差矩陣對比,得到各通道間的相對相位誤差。天線方向圖法無須特征分解,運算量小,但適用范圍受限。最后利用地基實測數(shù)據(jù)對兩種方法的有效性進行了驗證。
　　2.星載距離多通道HRWS SAR成像處理技術

12、>　　本文第四章給出了一種新的高分辨寬測繪帶SAR成像技術。隨著分辨率和測繪帶寬的提高,回波信號的數(shù)據(jù)量大大增加,對星上存儲設備和傳輸鏈路的要求也隨之提高?；诖?我們針對距離多波束分時發(fā)射技術,給出了詳細的系統(tǒng)實施方案和處理方法,并對其距離模糊度(Range Ambiguity to Signal Ratio, RASR)等系統(tǒng)性能進行了分析。通過由遠及近分時發(fā)射信號,各子波束回波將重疊在一起,這樣可大大縮短接收窗長度,減小回波采樣數(shù)