【摘要】：地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)(Geosynchronous Orbit Synthetic Aperture Radar,GEO SAR)飛行于具有一定軌道傾角的同步軌道上。與常規(guī)的低軌SAR(Low Earth Orbit Synthetic Aperture Radar,LEO SAR)相比,GEO SAR具有時間分辨率高、可視觀測范圍大、駐留觀測時間長等優(yōu)點。在軍事和民用領(lǐng)域,如軍事偵查、資源探測、災(zāi)害檢測、地形測繪、海洋環(huán)境等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。目前,國際上公認(rèn)的航天強國如美國、俄羅斯、歐空局等都對GEO SAR開展研究。然而,GEO SAR本身存在的特性如長回波時延、長合成孔徑時間、變速慢速運動、復(fù)雜運動軌跡、寬成像場景、受地球自轉(zhuǎn)影響大等,使得其系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計及成像處理更加復(fù)雜。GEO SAR長回波時延導(dǎo)致了信號回波模型“停-走-停”假設(shè)的失效,長合成孔徑時間及復(fù)雜的運動軌跡導(dǎo)致了常規(guī)的二次斜距表達(dá)式并不適合于GEO SAR的斜距模型的描述。地球自轉(zhuǎn)引入等效斜視角,造成成像距離與方位向耦合嚴(yán)重。GEO SAR寬成像場景以及方位向多普勒參數(shù)時變,導(dǎo)致了成像時存在距離與方位向上空變。因此,GEO SAR成像算法不能直接繼承和引用LEO SAR已有的方法和結(jié)論。本文從研究GEO SAR信號特點出發(fā),結(jié)合地球同步軌道的特性,建立了GEO SAR不同成像模式下的回波信號模型�；诨夭ㄐ盘柲Ｐ�,研究了條帶成像、聚束成像、馬賽克成像等三種典型成像模式成像處理方法。具體研究工作如下:(1)結(jié)合理論推導(dǎo)和仿真示例,深入分析了GEO SAR的成像特性。分析了GEO SAR星下點軌跡、衛(wèi)星運動速度、合成孔徑時間、多普勒頻率等,從而揭示了GEO SAR區(qū)別于低軌SAR的成像特性。針對GEO SAR復(fù)雜的成像特性,常規(guī)的低軌SAR參數(shù)設(shè)計將不能適用于GEO SAR參數(shù)指標(biāo)設(shè)計的實際情況,從雷達(dá)最基本原理出發(fā),進(jìn)行了GEO SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計,包括系統(tǒng)的分辨率、模糊度及時序設(shè)計等。提出了一套適用于GEO SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方法,為后續(xù)成像算法的研究奠定了理論基礎(chǔ)。(2)研究了GEO SAR條帶模式成像處理算法。建立了回波信號模型,考慮了回波“停-走-�！奔僭O(shè)不成立的情況。針對常規(guī)二階斜距模型不能精確描述GEO SAR斜距,提出了基于四階展開的斜距表達(dá)式。在高階斜距模型建立的基礎(chǔ)上,提出了一種基于Chirp Z變換(Chirp Z Transform,CZT)與方位變標(biāo)新的GEO SAR成像算法,利用CZT變換校正距離走動,并緩解距離彎曲和距離調(diào)制信號沿距離向和方位向的二維變化。利用距方位改進(jìn)的變標(biāo)因子校正方位信號三次展開項系數(shù)的線性時變性,解決了方位向空變性問題。利用計算機仿真手段及地面滑軌試驗的實測數(shù)據(jù)對算法有效性進(jìn)行了驗證。仿真及實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明所提出的算法能夠?qū)崿F(xiàn)條帶模式聚焦成像。(3)研究了GEO SAR聚束模式成像處理算法。針對聚束模式下超長合成孔徑時間導(dǎo)致的常規(guī)四階斜距模型精度不夠及頻譜混疊的問題,提出了一種基于五階斜距模型改進(jìn)的頻域成像算法。算法考慮了“停-走-停”模式誤差,采用譜分析技術(shù)去除了信號頻譜混疊,避免了方位向子孔徑分割及子孔徑拼接的操作,提高了算法處理效率�；诩墧�(shù)反演方法給出了信號的二維頻譜表達(dá)式,利用基于五階斜距展開改進(jìn)的變標(biāo)算法進(jìn)行距離向壓縮處理及方位向信號壓縮處理。成像性能結(jié)果評估表明提出的成像處理算法能夠?qū)崿F(xiàn)聚束模式聚焦成像。(4)研究了GEO SAR馬賽克模式成像處理算法。針對馬賽克模式成像特點,分析了其多普勒特性,給出了回波信號模型,提出了一種改進(jìn)的二維非線性調(diào)頻變標(biāo)(Non-linear Chirp Scaling,NLCS)成像處理算法�？紤]等效調(diào)頻斜率隨時延差量的一階線性及二次非線性變化特性,有效解決了寬測繪帶的距離空變性;針對方位向的空變性的問題,引入了方位向非線性變標(biāo)算法,考慮方位向信號的多普勒調(diào)頻斜率隨時延差量的一階線性及二次非線性變化特性,補償了方位向引入的非線性調(diào)頻操作引入的高階項相位誤差。仿真結(jié)果驗證了算法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN957.52;TJ5
【圖文】：

圖 1-1 JPL 實驗室早期提出的 GEO SAR 重訪覆蓋示意圖[44]2003 年，JPL 實驗室又給出了全球地震衛(wèi)星系統(tǒng)[45]，計劃發(fā)射 10 顆 GEO SAR 衛(wèi)星形成對全球不間斷的覆蓋能力，提升對全球地殼形變觀測能能力。JPL 實驗室提出用10 顆衛(wèi)星組成一個星座，劃分成 5 組。每組的兩顆衛(wèi)星遵循相同的星下點軌跡，則干涉周期是 12 個小時。每顆衛(wèi)星運行在傾角為 60°近乎為圓形的地球同步軌道上。在任何時間內(nèi)，這 10 顆衛(wèi)星可以覆蓋地球 80%的區(qū)域，大約 20%的區(qū)域能由 1 到 2 顆衛(wèi)星持續(xù)觀測。對于地球的大部分區(qū)域，在 10 分鐘內(nèi)可以獲得 20 米分辨率的圖像。

圖 1-1 JPL 實驗室早期提出的 GEO SAR 重訪覆蓋示意圖[4JPL 實驗室又給出了全球地震衛(wèi)星系統(tǒng)[45]，計劃發(fā)射 10 間斷的覆蓋能力，提升對全球地殼形變觀測能能力。JP一個星座，劃分成 5 組。每組的兩顆衛(wèi)星遵循相同的星下時。每顆衛(wèi)星運行在傾角為 60°近乎為圓形的地球同步軌衛(wèi)星可以覆蓋地球 80%的區(qū)域，大約 20%的區(qū)域能由 1 的大部分區(qū)域，在 10 分鐘內(nèi)可以獲得 20 米分辨率的圖

圖 1-3 Cranfield 大學(xué) 12 顆衛(wèi)星星座覆蓋區(qū)域示意圖[46]泰羅尼亞理工大學(xué)的 Rodon[47]論述了 Ku 波段 GEO SA沖重復(fù)頻率僅為 30Hz。同時也對系統(tǒng)的發(fā)射功率、距行了分析，利用 BP 成像算法進(jìn)行了仿真分析。圖 1-4 Ku 波段 GEO SAR 系統(tǒng)地面覆蓋示意圖[47]

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