發(fā)布時間：2018-09-11 14:23

【摘要】：合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像具有全天時、全天候獲取高分辨圖像的能力,已廣泛的用于軍事和民用領(lǐng)域。合成孔徑雷達回波模擬技術(shù)是一種通過計算機仿真來模擬合成孔徑雷達回波的技術(shù),它對于SAR成像算法,SAR圖像處理,以及SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計等都具有十分重要的作用,隨著合成孔徑雷達的觀測區(qū)域不斷增大,SAR回波的頻域快速模擬方法越來越受到重視,傳統(tǒng)的頻域算法都是基于理想條件下推導(dǎo),而隨著合成孔徑雷達逐步向高分辨、多平臺等方向發(fā)展,傳統(tǒng)的頻域回波模擬算法已經(jīng)不能滿足要求,需要有新的模擬算法保證不同模式下所產(chǎn)生的SAR回波信號的準確性以及高效性。本文系統(tǒng)的研究了SAR回波頻域模擬方面的關(guān)鍵問題,分別從變速運動SAR的回波模擬,超寬帶SAR的回波模擬以及雙站SAR的回波模擬等幾個方面展開了研究,并通過計算機仿真對回波模擬算法進行了驗證,本論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:1)對于變速運動雷達平臺,其二維頻域表達式較一般理想的勻速直線SAR更為復(fù)雜。針對此問題基于級數(shù)反演法提出了一種變速運動SAR回波二維頻域模擬快速算法。算法分析了變速運動模式SAR的幾何模型,并通過級數(shù)反演法,得到了較為準確的信號二維頻譜表達式,并分析了變速運動SAR的距離空變性,給出了模擬空變性的函數(shù),保證了大場景SAR回波數(shù)據(jù)的高相位精度。運算量分析表明,該算法可以大大的提高SAR回波的仿真速度,且仿真場景越大,其效率越高。最后通過仿真證明了該算法的準確性以及高效性。2)針對頻域回波模擬算法很難準確的添加運動誤差的問題,提出了一種對運動誤差進行模擬的大場景SAR回波頻域模擬快速算法。算法利用矢量表達式對瞬時斜距重新整理,分析了運動誤差對瞬時斜距的影響,明確了小斜視模式下影響回波質(zhì)量的主要運動誤差分量,并采用運動誤差兩步模擬的方法,首先模擬了不隨距離變化的大的運動誤差分量,然后模擬了大場景情況下隨距離變化的小的運動誤差的空變分量,從而完成曲線軌跡SAR回波數(shù)據(jù)的精確仿真。該算法能夠在保證高的相位精度情況下大大的提高仿真速度,仿真結(jié)果證明了該算法的有效性。3)針對超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)SAR工作頻段低,發(fā)射帶寬大,大累積角長孔徑,大距離徙動等特點,提出了一種超寬帶SAR高效原始回波數(shù)據(jù)模擬算法。算法研究了UWB-SAR的信號模型,在方位時域模擬了不隨距離空變的距離徙動,重新推導(dǎo)了UWB-SAR系統(tǒng)的二維頻域傳遞函數(shù),并對距離空變性進行了研究,實現(xiàn)了超寬帶SAR原始回波數(shù)據(jù)的精確仿真。仿真實驗證明了該算法的高效性以及實用性。4)分析了地球、月球以及環(huán)月衛(wèi)星的軌道構(gòu)型,提出了一種新的雙基SAR構(gòu)形——地星雙基合成孔徑雷達的概念,給出了地星雙基SAR系統(tǒng)模糊函數(shù)的定義,推導(dǎo)了其模糊函數(shù)的表達式,依據(jù)此式,對發(fā)射站處于地球不同位置的地星雙基SAR進行了計算機仿真。仿真結(jié)果表明地星雙基SAR的模糊函數(shù)不僅由發(fā)射信號的帶寬和合成孔徑時間決定,還與發(fā)射站在地球上所處的位置以及雙站構(gòu)型有關(guān)。研究了地星雙基SAR的幾何模型,提出了地星雙基合成孔徑雷達的原始回波數(shù)據(jù)二維頻域模擬算法,算法分析了地星雙基SAR的回波信號模型,結(jié)合級數(shù)反演法,得到了地星雙基SAR回波信號的二維頻域表達式,最后利用二維頻域表達式仿照單基SAR的頻域模擬方法得到了較為準確的地星雙基SAR回波數(shù)據(jù),仿真結(jié)果表明該算法兼顧了仿真效率與精度。
[Abstract]:Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging has been widely used in military and civilian fields because of its ability to acquire high-resolution images all-day and all-weather. As the observation area of synthetic aperture radar (SAR) increases, the fast simulation method of SAR echo in frequency domain becomes more and more important. The traditional frequency domain algorithm is based on the derivation under ideal conditions. With the development of synthetic aperture radar (SAR) towards high resolution, multi-platform and so on. The traditional frequency-domain echo simulation algorithm can not meet the requirements, and a new simulation algorithm is needed to ensure the accuracy and efficiency of the SAR echo signal generated in different modes. This paper systematically studies the key issues of the frequency-domain simulation of SAR echo, including the echo simulation of variable-speed SAR and the echo simulation of UWB SAR. The echo simulation algorithm of bistatic SAR is validated by computer simulation. The main research contents of this paper include the following aspects: 1) For the variable-speed moving radar platform, its two-dimensional frequency domain expression is more complex than the ideal uniform linear SAR. A fast algorithm for 2-D frequency domain echo simulation of variable-speed SAR is proposed by series inversion method. The geometric model of variable-speed SAR is analyzed, and a more accurate 2-D spectrum expression of signal is obtained by series inversion method. The range-spatiality of variable-speed SAR is analyzed, and the function of simulated spatiality is given to guarantee the algorithm. The computation analysis shows that the algorithm can greatly improve the simulation speed of SAR echo, and the larger the simulation scene, the higher its efficiency. Finally, the simulation proves the accuracy and efficiency of the algorithm. 2) It is difficult to accurately add motion error to the frequency domain echo simulation algorithm. A fast algorithm for large-scale SAR echo simulation in frequency domain is presented. The algorithm rearranges the instantaneous squint distance by using vector expression, analyzes the influence of motion error on the instantaneous squint distance, and defines the main motion error components that affect the echo quality in small squint mode. The algorithm is simulated by two-step motion error simulation. Methods: Firstly, the large motion error components which do not vary with the distance are simulated, and then the small motion error components which vary with the distance in the large scene are simulated. Thus, the precise simulation of curve trajectory SAR echo data is completed. The validity of the algorithm is proved. 3) Aiming at the characteristics of Ultra-Wide-Band (UWB) SAR, such as low operating frequency, wide transmitting bandwidth, large cumulative angle, long aperture and large range migration, an efficient raw echo data simulation algorithm for UWB-SAR is proposed. The signal model of UWB-SAR is studied. The algorithm simulates the signal in azimuth-time domain and does not vary with the space-distance. In this paper, the two-dimensional frequency-domain transfer function of UWB-SAR system is deduced again, and the range-spatiality variability is studied. The precise simulation of UWB-SAR raw echo data is realized. The simulation results show that the algorithm is efficient and practical. 4) The orbital configurations of earth, moon and lunar satellite are analyzed, and a new type of orbit configuration is proposed. The concept of bistatic SAR configuration-bistatic synthetic aperture radar is presented. The definition of ambiguity function of bistatic SAR system is given. The expression of ambiguity function is derived. According to this expression, the computer simulation of bistatic SAR with different positions on the earth is carried out. The simulation results show that the ambiguity function of bistatic SAR is not only from the ground-satellite ambiguity function. The bandwidth and synthetic aperture time of the transmitted signal depend on the position of the transmitting station on the earth and the configuration of the bistatic SAR. The geometric model of the bistatic SAR is studied, and a two-dimensional frequency-domain simulation algorithm of the original echo data of the bistatic SAR is proposed. The series inversion method is used to obtain the two-dimensional frequency-domain expression of the earth-satellite bistatic SAR echo signal. Finally, the accurate data of the earth-satellite bistatic SAR echo are obtained by using the two-dimensional frequency-domain expression imitating the frequency-domain simulation method of the single-base SAR. The simulation results show that the algorithm takes into account the simulation efficiency and accuracy.
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN957.51

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