【摘要】：合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種重要的成像雷達系統(tǒng),通過雷達平臺與地面觀測區(qū)域之間的相對運動從而實現(xiàn)方位高分辨。SAR具有獨特的成像能力,能夠全天候、全天時工作。近年來隨著遙感應用的發(fā)展,具有高分寬幅(High-resolution and Wide-swath,HRWS)成像性能的SAR成為發(fā)展趨勢和國內(nèi)外研究熱點。然而,在單通道SAR系統(tǒng)中,高方位分辨率和寬距離測繪帶是不可調(diào)和的矛盾。根據(jù)奈奎斯特采樣定理,越高的方位分辨率,需要越大的脈沖重復頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF),而寬測繪帶需要較小的PRF以避免距離模糊。方位多通道SAR系統(tǒng)可以解決上述矛盾從而獲得HRWS SAR圖像。該系統(tǒng)采用單發(fā)多收的工作原理,由發(fā)射機和多個沿方位向均勻間隔的接收通道組成。發(fā)射機發(fā)射低PRF的寬波束信號,多個接收通道同時接收回波信號,增加的空域采樣用來補償時域采樣的欠缺,以提高方位等效采樣率實現(xiàn)高方位分辨率,或者避免方位模糊的情況下增加成像幅寬,從而實現(xiàn)高分寬幅成像。由于低PRF,每個接收通道回波信號的多普勒頻譜都是混疊的,多普勒譜的無模糊重構(gòu)是實現(xiàn)HRWS SAR成像的前提條件。然而實際上,通道間存在的誤差因素會使方位模糊抑制性能下降,因而在方位信號重構(gòu)前必須進行通道誤差校準。針對SAR成像在高分辨率與寬測繪帶方面日益增長的需求,本文旨在研究方位多通道高分寬幅SAR成像處理技術,分析總結(jié)了多通道SAR成像處理基礎,深入研究了方位多通道SAR的通道誤差校準與方位信號重構(gòu)。本文的主要創(chuàng)新性工作包括:第一,本文提出了快速通道誤差校準算法�；赟AR系統(tǒng)方位向波束方向圖的對稱分布,補償回波數(shù)據(jù)的多普勒中心以及與多普勒頻率相關的相位后,不存在通道誤差時,多通道SAR回波信號在距離多普勒域的協(xié)方差矩陣是一個實數(shù)Toeplitz矩陣�；趨f(xié)方差矩陣的實數(shù)特性,快速校準算法可以直接從實際多通道SAR信號的協(xié)方差矩陣計算通道相位誤差,具有魯棒性高運算量低的特點。仿真實驗及多通道SAR實測數(shù)據(jù)處理驗證了該算法的有效性和優(yōu)越性。第二,本文提出了穩(wěn)健通道誤差校準算法。多通道SAR方位信號重構(gòu)的本質(zhì)可以看作是信源分離,所以最小方差無失真響應(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)波束形成器可用于抑制方位模糊。當導向矢量精確時MVDR波束形成器的輸出功率達到最大,基于這一準則本文設計了一個最優(yōu)化問題,然后利用協(xié)方差矩陣的逆矩陣與名義導向矢量求解得到通道相位誤差。該算法相比子空間算法的優(yōu)勢是:無需冗余通道,降低系統(tǒng)復雜度;避免子空間交換現(xiàn)象,提高算法魯棒性;無需矩陣特征分解,降低算法運算量。本文通過仿真實驗和實測數(shù)據(jù)處理分析了所提算法的性能。第三,本文提出了基于周期性非均勻采樣的方位重構(gòu)算法。多通道SAR系統(tǒng)中,每個通道的回波信號在方位向是均勻采樣,而通道間的方位采樣可能是非均勻的,因此多通道SAR的方位采樣是周期性非均勻采樣。根據(jù)方位采樣的周期非均勻性與信號重構(gòu)理論,本文推導得到重構(gòu)濾波器系數(shù)的解析表達式,然后完成方位模糊抑制。與基于數(shù)字波束形成(Digital Beamforming,DBF)的重構(gòu)算法相比,本文所提重構(gòu)算法由解析表達式直接得到重構(gòu)濾波系數(shù),無需矩陣求逆,具有運算量低的特點。仿真實驗和實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明所提算法可以有效抑制方位模糊。第四,本文提出了自適應方位信號重構(gòu)算法。首先將方位采樣分為均勻采樣、過采樣與欠采樣等三種,推導模糊指數(shù)的計算公式;然后基于互相關運算自適應確定采樣類別并計算得到混疊數(shù)。進而利用空間譜估計方法得到平臺速度、PRF及通道間距的等效系統(tǒng)參數(shù)。最后,根據(jù)混疊數(shù)與等效系統(tǒng)參數(shù)確定每個多普勒單元的模糊指數(shù),完成方位信號的自適應重構(gòu)。即使在方位采樣非均勻程度很高時,該自適應重構(gòu)算法仍然具有良好的模糊抑制性能。仿真實驗及多通道機載SAR實測數(shù)據(jù)處理驗證了所提算法的有效性與優(yōu)越性,并分析了所提重構(gòu)算法的性能。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN957.52
【圖文】：

SAR成像處理技術研究圖1 2 DBF SAR的基本結(jié)構(gòu)Fig. 1 2 Basic DBF Configuration for SAR system使各個通道存儲的信號加權濾波形成多個具有自適應波形的波束。采用多個通道接收雷達回波信號所產(chǎn)生的附加信息可以用作：1）抑制來自地面的空間模糊信號；2）不減小成像區(qū)域的情況下提高接收天線增益；3）抑制空間局部干擾；4）獲取目標區(qū)域的動態(tài)信息。DBF SAR的主要優(yōu)勢包括[47, 48]： 系統(tǒng)主要由數(shù)字硬件組成 系統(tǒng)可以通過軟件重新配置 系統(tǒng)效率高，功耗低 系統(tǒng)方位分辨率與方位覆蓋范圍是相互獨立的 系統(tǒng)使用數(shù)字校準方位多通道SAR實現(xiàn)高分寬幅的基本思想是：多個通道同時接收回波信號，提高方位等效采樣率，因此多普勒帶寬可以更大以提高方位分辨率，或者減小PRF值以增加距離幅寬；DBF技術用于抑制方位模糊，減小了對PRF值的限制，SAR平臺在相鄰脈沖間的移動距離不必是整個天線長度的一半[10, 57]�！� 6 —

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 井偉;邢孟道;李燕平;保錚;;存在通道誤差情況下的多普勒解模糊方法[J];系統(tǒng)工程與電子技術;2008年11期

相關博士學位論文 前3條

1 張雙喜;高分辨寬測繪帶多通道SAR和動目標成像理論與方法[D];西安電子科技大學;2014年

2 楊桃麗;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[D];西安電子科技大學;2014年

3 賴濤;星載多通道SAR高分辨寬測繪帶成像方法研究[D];國防科學技術大學;2010年

本文編號：2785143