發(fā)布時間：2018-03-19 23:04

  本文選題：航空和衛(wèi)星雷達(dá)　切入點：成像　出處：《武漢大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：美國國家航空航天局(NASA)戈達(dá)德航天中心(GSFC)最近研發(fā)了一款先進(jìn)的L波段航空雷達(dá)——波束成形合成孔徑雷達(dá)(DBSAR)。為了集成多模式的雷達(dá)測量技術(shù),該雷達(dá)傳感器采用了一些高級雷達(dá)技術(shù),該雷達(dá)可以自定義數(shù)據(jù)獲取模式,也可以實現(xiàn)實時在線處理。DBSAR將被作為一個測試平臺用于開發(fā)、實施和測試波束成形合成孔徑雷達(dá)技術(shù)用于地球科學(xué)和行星測量。本研究的目的是將DBSAR原始數(shù)據(jù)處理成單視復(fù)數(shù)圖像(SLC),并且盡可能的考慮運動補(bǔ)償及干涉測量應(yīng)用,如生產(chǎn)數(shù)字高程模型(DEMs)和二路的差分解纏相位圖。 然而,本研究的DBSAR數(shù)據(jù)缺乏高精度飛行數(shù)據(jù),這對高清晰和高相位保真地成像處理造成了一些特殊困難。因為：1)飛行的前向速度和近距長度等運動參數(shù)對成像來說是必不可少的。缺乏這些參數(shù)將無法對DBSAR成像;2)航空合成孔徑雷達(dá)(SAR)通常都會受到氣流抖動的影響,這會使得傳感器的航線偏離正常的直線飛行軌跡。缺乏這些運動偏離參數(shù)將無法對這些運動做相應(yīng)的補(bǔ)償,并成出高清晰和高相位保真的圖像。 為了處理DBSAR的原始數(shù)據(jù),作者開發(fā)了一款針對航空雷達(dá)原始數(shù)據(jù)成像和運動補(bǔ)償軟件。 對雷達(dá)成像處理來說,選擇一個高精度和高效的成像算法對最終聚焦的圖像產(chǎn)品的清晰度和相位保真度很重要,特別是當(dāng)客戶對清晰度和相位保真度要求較高時�；谌舾蓪嶒瀸Ρ�,作者從多個成像算法(如range-Doppler算法,chirp scaling算法和wavenumber domain算法)中選擇了chirp scaling這一高效和高精度的算法,并將其用于聚焦DBSAR原始數(shù)據(jù)。 為了提高成像質(zhì)量和相位保真度,成像過程中必須將傳感器的運動軌跡糾正到理想的直線運動軌跡。傳感器的運動偏離誤差可以從慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)數(shù)據(jù),或原始數(shù)據(jù)中獲得。由于本研究中DBSAR的飛行數(shù)據(jù)不可用,這些運動誤差數(shù)據(jù)只能從原始數(shù)據(jù)中估計。為了估計這些運動誤差數(shù)據(jù),本文提出了一種基于chirp scaling算法的運動誤差參數(shù)提取方法。該方法可以很好地分離出方位向的前向速度和視線方向(LOS)上的偏移量。該方法分兩步：第一步,從原始數(shù)據(jù)中提取出即時的多普勒調(diào)頻率；第二步,基于這些提取的調(diào)頻率,分離出方位向的前向速度和視線方向上的偏移量。為了實施運動補(bǔ)償,本文提出一種基于chirp scaling算法的運動誤差補(bǔ)償方法。該方法在距離方向上和方位向分兩步補(bǔ)償從原始數(shù)據(jù)中提取的運動誤差。首先,在距離方向上補(bǔ)償由視線方向上的偏移量引起的相位誤差和信號包絡(luò)偏移；然后,在方位向和range-Doppler域補(bǔ)償由于前向速度變化引起的多普勒調(diào)頻率變化,完成方位向壓縮后,再重采樣聚焦后的圖像來完成地物在方位向的位置偏移糾正。與使用統(tǒng)一速度和近距離,而不考慮前向速度和方位向偏移量的傳統(tǒng)的chirp scaling算法,結(jié)合了運動補(bǔ)償?shù)腸hirp scaling算法聚焦出了明顯質(zhì)量更高的圖像。 本文的另一個強(qiáng)調(diào)的重點是在通過實施雷達(dá)干涉測量,來驗證這些用從原始數(shù)據(jù)中估計的參數(shù)聚焦出的SLC圖像的相位保真度。由于DBSAR缺乏高精度飛行數(shù)據(jù),本研究不能完全補(bǔ)償由運動誤差造成的散焦情況,相位也不能完全保真。而且,我們僅有一幅DBSAR數(shù)據(jù),不能使用僅有的一幅圖像開展重復(fù)軌道的干涉測量研究。下一代的DBSAR數(shù)據(jù)中將包含高精度的飛行數(shù)據(jù),并將開展二路或多路的重復(fù)軌道干涉。為了準(zhǔn)備下一代的DBSAR研發(fā),本文提出并運行了一個全面的評估方案,來評估用從一對Advanced Land Observing Satellite/Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar (ALOS/PALSAR)原始數(shù)據(jù)中提取的各項參數(shù)來聚焦圖像,并產(chǎn)生數(shù)字高程模型(DEMs)和2路差分干涉解纏相位圖的可能性。初步的實驗結(jié)果表明對衛(wèi)星雷達(dá)來說,從原始數(shù)據(jù)中提取的各項參數(shù)來聚焦圖像,并產(chǎn)生數(shù)字高程模型(DEMs)和2路差分干涉解纏相位圖是可行的,特別是當(dāng)精度要求不太高時。也就是說,用從原始數(shù)據(jù)中提取的各項參數(shù)聚焦出的SLC圖像相位是足夠保真的,這進(jìn)一步證明了本文提出的運動補(bǔ)償方案是可行的。該評估為下一代DBSAR研發(fā)提供了一個積極的參考。這些聚焦后的SLC圖像將幫助NASA/GSFC的其他科研人員測量北美森林的三維結(jié)構(gòu)(樹高和稠密度)。
[Abstract]:The United States National Aeronautics and Space Administration (NASA) Goddard Space Center (GSFC) recently developed an advanced synthetic aperture radar L band airborne radar - beamforming (DBSAR) radar technology. In order to integrate multi mode, the radar sensor adopts some advanced radar technology, the radar can customize the data acquisition mode, can also be to achieve real-time online processing of.DBSAR will be used as a test platform for the development, implementation and testing of beamforming synthetic aperture radar technology for Earth Science and planetary geodesy. The purpose of this study is to DBSAR the original data processing into a single look complex (SLC), and as much as possible to consider the motion compensation and interference measurement applications, such as the production of digital elevation model (DEMs) and two differential phase unwrapping.
However, the lack of DBSAR data in the study of high precision flight data, which caused some special difficulties of high definition and high phase fidelity imaging. Because: 1) the flight parameters to the speed and length of short-range motion on the imaging is essential. You will not be able to DBSAR imaging is the lack of these parameters; 2) aviation synthetic aperture radar (SAR) are usually affected by airflow jitter, which makes the sensor deviation linear normal flight trajectories. The lack of these parameters will not deviate from the movement of these sports do the corresponding compensation, and a high resolution image and high phase fidelity.
In order to deal with the original data of DBSAR, the author developed a software for radar original data imaging and motion compensation.
For radar imaging, clarity and fidelity of phase selection of a high precision and efficient imaging algorithm focusing on the final image of the product is very important, especially when the customer for clarity and fidelity phase higher requirements. Some experiments based on the author, from a plurality of imaging algorithms (such as range-Doppler algorithm, chirp scaling algorithm and wavenumber domain chose chirp scaling) algorithm in the high efficiency and high accuracy of the algorithm, and the DBSAR used to focus on the original data.
In order to improve the imaging quality and phase fidelity, the imaging process must be corrected trajectory sensor to linear motion trajectory. The ideal movement of the sensor deviation from the inertial navigation system (INS) and global positioning system (GPS) data, or the original data. Because the flight data of DBSAR in this study is not available. The motion error of data can only be estimated from the original data. In order to estimate the motion error of the data, this paper proposes a extraction method of kinematic error parameters of chirp based on scaling algorithm. This method can be effectively separated prior to the range speed and direction of the line of sight (LOS) offset. This method consists of two steps the first step: extract the Doppler frequency immediately from the original data; the second step, the extraction rate of FM Based on isolated range prior to the speed and direction of the line of sight to the partial Shift. In order to implement the motion compensation, this paper proposes a motion compensation method of chirp based on scaling algorithm. The motion error of this method is in the range direction and azimuth on the two steps of compensation from the original data extraction. Firstly, the phase error and the signal envelope offset caused by the offset along the line of sight of the compensation in the distance direction; then, in azimuth and range-Doppler because of the Doppler frequency domain compensation to changes caused by the change in speed, complete azimuth compression, re sampling the image after focusing to complete the object in the azimuth position offset correction. With the use of uniform speed and short distance, without considering the forward velocity and azimuth to offset the traditional chirp scaling algorithm, chirp scaling algorithm combines focused motion compensation out of the image significantly higher quality.
Another emphasis of this paper is through the implementation of radar interferometry, to verify the fidelity of phase out of the SLC image focusing parameters estimated from the original data of these. Due to lack of DBSAR high precision flight data, this research could not completely compensate the defocusing caused by motion error, phase can not be completely fidelity. Moreover, we only one DBSAR data, can not carry out repeat track interferometry using an image only. DBSAR data will be the next generation contains flight data with high precision, and will carry out repeat orbit two path or multi-path interference. In order to prepare for the next generation of DBSAR research, proposed and run a comprehensive evaluation scheme to assess from a pair of Advanced Land Observing Satellite/Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar (ALOS/PALSAR) in the extraction of raw data The parameters to focus image and digital elevation model (DEMs) interference possibility of unwrapping phase map and 2. Preliminary experimental results show that the satellite radar, the parameters extracted from the raw data to produce a focused image and digital elevation model (DEMs) and 2 differential interferometric phase unwrapping the phase diagram is feasible, especially when the accuracy requirement is not too high. That is to say, using SLC image phase parameters of focusing the extraction from the original data is sufficient fidelity, which proves that the motion compensation scheme is proposed in this paper. It is feasible to provide a positive reference for the evaluation generation of DBSAR is developed. The 3D structure of SLC images of the focus will help NASA/GSFC other researchers measured North American forest (tree height and density).

【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：P23;P225.1

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本文編號：1636402