星载低轨/地球同步轨道SAR成像算法研究

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随着应用需求对成像性能要求的不断提高，针对星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)的研究逐步朝着高分辨率、宽测绘带、多模式等方向推进。当分辨率较高或者运行轨道高度较高时，由于受到地球自转的影响，卫星将沿三维空间曲线运动，最终导致传统成像模型及成像算法无法正常工作。我们从对星载 SAR的成像几何模型重新构造开始，重点围绕星载低轨SAR(Low Earth-Orbit SAR, LEO-SAR)及地球同步轨道SAR(Geosynchronous SAR, GEO-SAR)中的距离-方位耦合，频谱混叠及空变特性等问题展开研究。各章主要工作概括如下：
　　1.在高分辨或大场景情形下，星载SAR的运动轨迹并不是一个严格的直线而是一个三维空间曲线，因而常规基于匀速直线假设的星载SAR模型存在较大误差。针对这个问题，利用矢量运算及坐标转换建立了精确的星-地几何模型，深入的剖析了影响星载SAR建模的若干因素，推导了星载SAR的多普勒和分辨率等系统参数的精确表达式，为后续的系统参数及算法设计奠定了基础。针对星载 SAR“走-停”模型不适用的问题，提出了一种“等效中点”距离模型。根据收-发几何关系，对双程时延表达式进行精确推导，并利用“等效中点”距离历程对收发双程距离历程等效处理，大大降低了星载SAR模型的复杂度，且该模型考虑了卫星曲线飞行轨迹的影响，相比基于匀速直线飞行的星载SAR非“走-停”模型，其精度更高、适用性更强。
　　2.针对大斜视情形下星载BS-SAR的成像聚焦问题，从统一化的角度进行研究，提出了一种通用的波数域成像处理算法(Omega-K Algorithm,ωKA)。首先对斜视情况下包括聚束、滑动聚束、方位波束扫描(Terrain Observation by Progressive Scans, TOPS)等多种工作模式的分析和总结，构造了统一的BS-SAR的信号模型。然后，对大斜视及波束指向变化给多普勒频率及方位维带宽等回波特性带来的影响进行了分析，并根据分析结果对常规两步处理技术进行修正使其适用于大斜视BS-SAR的信号处理。最后，通过对预处理前后的二维频谱对比分析，利用傅里叶变换时移及频移的性质，推导了经过预处理后精确的斜视两维频谱表达式，即应用于斜视情况的ωKA的精确的参考匹配函数表达式，并利用该参考函数完成对场景的聚焦处理。该方法充分的考虑了斜视角及波束指向变化的影响，能够有效的解决频谱混叠及耦合的问题，适用于不同模式的星载SAR，具有流程简单、易实现的特点。
　　3.针对高分辨情况下星载LEO-SAR沿弯曲轨迹运动导致的耦合及空变问题，提出了一种方位维频率域非线性变标算法(Azimuth Frequency Nonlinear Chirp Scaling, AFNCS)。卫星沿弯曲轨迹运动主要带来两方面影响，一方面会导致传统双曲线距离模型失效，另一方面导致传统基于匀速直线模型设计的聚焦算法失效。针对这些问题，首先，建立了高分辨聚束式星载SAR的信号模型，采用在距离等式中引入等效加速度变量的距离模型，以便精确的描述真实的距离历程。然后，利用级数反演法(Method of Series Reversion, MSR)对二维频域表达式进行推导并对频谱的空变性进行了分析。最后，根据目标方位位置与方位维频率的非线性变化关系对变标函数进行推导，采用方位时域预滤波与方位频域变标相结合的操作，在消除空变及距离-方位耦合的同时完成聚焦处理。该方法可以很好去除方位调制项的空变特性，有效地扩大成像范围。
　　4.针对星载GEO-SAR信号的距离-方位两维空变特性问题，提出了一种距离-方位两维变标的聚焦处理算法。首先，根据星-地几何模型及物理学知识，在考虑了地球自转影响的前提下，利用卫星的运动参数矢量对卫星真实的运动轨迹进行拟合，获得精确的卫星-目标瞬时距离历程表达式。然后，对两维频谱中距离徙动项、距离调频率系数及方位调制项的两维空变性进行了量化分析。最后，基于对空变性的分析结果，在距离维采用变标方法消除距离徙动项的距离空变性，在方位维采用沿距离向不断更新的方位时域两步变标的方法补偿距离-方位两维空变性，完成最终的聚焦处理。由于充分考虑了方位空变性的影响且大部分处理步骤是在距离-多普勒域或者两维频域完成，该算法可以高效的处理大场景回波数据。

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作者
郭苹;
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作者单位

西安电子科技大学;

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授予单位西安电子科技大学;
学科信息与通信工程
授予学位博士
导师姓名张林让;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类数据、图像处理及录取;
关键词
合成孔径雷达; 星载低轨; 地球同步轨道; 成像算法; 运动轨迹; 空变特性; 频谱混叠;

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