【摘要】：合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種全天時、全天候的微波遙感成像系統(tǒng)。為了獲取更豐富、更細節(jié)的目標散射信息,提高目標的檢測、識別和認知能力,人類對SAR的二維分辨率提出了更高要求。高精度的寬帶合成和運動補償分別是突破SAR圖像距離維和方位維高分辨率的關(guān)鍵技術(shù)。在寬帶合成方面,步進調(diào)頻SAR脈沖組內(nèi)空變斜距誤差的精確補償是提高合成距離像性能的主要瓶頸;在運動補償方面,軌跡復雜和誤差空變條件下如何實現(xiàn)高效、高精度的運動誤差估計是提高方位向聚焦性能的研究重點。為提高SAR二維成像精度,本文在國家高分專項和總裝預研基金支持下,對寬帶合成和運動補償?shù)燃夹g(shù)展開了深入研究,核心內(nèi)容和主要創(chuàng)新點如下:1、后向投影圖像域?qū)拵Ш铣煞椒ㄔ诓竭M調(diào)頻SAR中,子帶脈沖發(fā)射/接收位置的不同將造成子帶信號間空變的斜距誤差,惡化合成距離像旁瓣性能。傳統(tǒng)寬帶合成方法均采用參考點對斜距誤差進行補償,無法解決斜距誤差空變問題。針對該問題,在精確推導了時域BP成像解析模型的基礎上,提出了時域BP圖像域?qū)拵Ш铣煞椒?該方法在時域BP方位壓縮的同時精確補償每個像素點的斜距誤差,克服了斜距誤差的空變性,精確保持了子帶圖像空間譜邊緣相位的連續(xù)性,很好地抑制了合成距離像的旁瓣。為了提高后向投影圖像域?qū)拵Ш铣尚?提出了頻域BP圖像域?qū)拵Ш铣煞椒āＪ紫冉柚l域BP原理清晰地闡釋了 SAR圖像空間譜概念,揭示了圖像域?qū)拵Ш铣傻谋举|(zhì),然后推導了子帶圖像空間譜截斷位置與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系,在保持與時域BP圖像域?qū)拵Ш铣煞椒ㄐ阅芟嗤那疤嵯?實現(xiàn)了空間譜截斷的全自動化。2、后向投影嵌入式寬帶合成方法針對序貫發(fā)射模式的雙基步進調(diào)頻SAR距離向高分辨率與大測繪帶寬之間的矛盾,提出雙基多通道步進調(diào)頻SAR系統(tǒng)方案,降低了對系統(tǒng)PRF的要求,同時具有高分辨距離像合成與測繪帶寬保持的能力。雖然后向投影圖像域?qū)拵Ш铣煞椒軌蚩朔訋盘栭g斜距誤差的空變性,但其要求圖像中所有像素點的距離維分辨率方向一致,因此在距離維分辨率方向空變的雙基多通道步進調(diào)頻SAR中并不適用。針對該問題,提出了后向投影嵌入式寬帶合成方法,該方法將斜距誤差補償和寬帶合成嵌入到后向投影成像過程中,逐脈沖、逐像素點地進行斜距誤差補償和寬帶頻譜拼接,實現(xiàn)了距離維分辨率方向空變條件下的高精度距離像重建。3、高效高精度自聚焦后向投影算法在復雜軌跡條件下的SAR運動補償方面,全局自聚焦BP算法性能良好,適用范圍廣。但是,該算法的存儲量和運算量均極其龐大。針對該問題,提出了利用部分區(qū)域進行相位誤差估計的局部自聚焦BP算法,重點分析了通過局部區(qū)域進行全局自聚焦的合理性,并分析了局部區(qū)域的選擇問題。與全局自聚焦BP相比,該算法在保持相同聚焦性能的前提下,大幅提升了自聚焦BP算法效率,并且運算效率和存儲效率的優(yōu)勢隨場景尺寸增大而不斷增大。雖然全局/局部自聚焦BP能對較小的目標場景實現(xiàn)高精度運動補償,但由于這兩種方法均對相位誤差進行建模,無法適用于運動誤差空變特征顯著的大范圍寬測繪帶成像。針對該問題,提出了對位置誤差進行最優(yōu)化建模的天線相位中心誤差估計算法,詳細推導了目標函數(shù)的梯度,利用共軛梯度法對最優(yōu)化模型進行求解,結(jié)果表明該算法聚焦性能在運動誤差空變條件下有效提高。4、大動態(tài)誤差補償及高精度二維頻譜當SAR平臺初始定位誤差可變范圍太大時(幾百米～幾千米),上述自聚焦BP算法將失效。針對大動態(tài)誤差補償問題,首先分析了笛卡爾坐標系中三個維度的初始位置誤差對成像的影響,然后提出了大動態(tài)誤差自聚焦BP算法,并利用遺傳算法求解最優(yōu)化模型。為了提高遺傳算法求解效率,進一步提出“粗估計+精估計”的兩步策略,快速實現(xiàn)初始高度誤差米量級的高精度穩(wěn)定估計,有效克服了幾何畸變效應。此外,在頻域成像模型方面,提出了基于Chebyshev最佳逼近的三階斜距模型和三階二維頻譜模型,相比于泰勒四階模型,該模型為簡化高精度頻域成像算法提供了借鑒。
【圖文】：

在高精度機載ＳＡＲ系統(tǒng)研制方面，美國和德國最為成熟，最高分辨率可達到逡逑０．０５米。我國雖然具備了高精度機載ＳＡＲ系統(tǒng)研制的技術(shù)實力，也在國內(nèi)各高校、逡逑研宄所的相互協(xié)作和共同努力下，分辨率己達到分米級甚至厘米級（如圖１－５），逡逑但與國際上一流的ＳＡＲ系統(tǒng)相比仍存在較大差距，特別是在系統(tǒng)研制、運動補償逡逑等方面存在較大的發(fā)展空間。逡逑■■■逡逑⑻邐（ｂ）逡逑圖１－５中國某研宄所Ｋａ波段機載ＳＡＲ邋０．２ｍ分辨率圖像。（ａ）場景１；邋（ｂ）場景２逡逑１．２．１．２星載ＳＡＲ系統(tǒng)逡逑（１）邐ＥＲＳ／Ｅｎｖｉｓａｔ邋系統(tǒng)逡逑歐空局于１９９１年發(fā)射了搭載Ｃ波段ＳＡＲ系統(tǒng)的衛(wèi)星ＥＲＳ－１，并于１９９５年發(fā)逡逑射了邋ＥＲＳ－２［４１Ｈ４３］。ＥＲＳ－２與ＥＲＳ－１相比，除了多一個測量臭氧含量的設備外完全逡逑相同。這兩顆衛(wèi)星采集了大量陸地、海洋、冰川數(shù)據(jù)，，用以監(jiān)測洪水、地震等自逡逑然災害。Ｅｎｖｉｓａｔ［４４Ｈ４５］在ＥＲＳ基礎上對覆蓋范圍、入射角范圍、極化方式和工作模逡逑式等方面進行了性能提升。雖然Ｅｎｖｉｓａｔ于２０１２年失聯(lián)，但在１０年服役期間，其逡逑采集的大量數(shù)據(jù)為地球環(huán)境研究作出了重要貢獻。ＥｎｖｉｓａｔａＳＡＲ圖像如圖１－６所示。逡逑＿■■羞辱逡逑⑷邐（ｂ）逡逑圖１－６邋Ｅｎｖｉｓａｔ邋ＳＡＲ圖像（ｌｍＸｌｍ）。（ａ）印度洋；（ｂ）南極冰川逡逑（２）邐ＴｅｒｒａＳＡＲ邋

在高精度機載ＳＡＲ系統(tǒng)研制方面，美國和德國最為成熟，最高分辨率可達到逡逑０．０５米。我國雖然具備了高精度機載ＳＡＲ系統(tǒng)研制的技術(shù)實力，也在國內(nèi)各高校、逡逑研宄所的相互協(xié)作和共同努力下，分辨率己達到分米級甚至厘米級（如圖１－５），逡逑但與國際上一流的ＳＡＲ系統(tǒng)相比仍存在較大差距，特別是在系統(tǒng)研制、運動補償逡逑等方面存在較大的發(fā)展空間。逡逑■■■逡逑⑻邐（ｂ）逡逑圖１－５中國某研宄所Ｋａ波段機載ＳＡＲ邋０．２ｍ分辨率圖像。（ａ）場景１；邋（ｂ）場景２逡逑１．２．１．２星載ＳＡＲ系統(tǒng)逡逑（１）邐ＥＲＳ／Ｅｎｖｉｓａｔ邋系統(tǒng)逡逑歐空局于１９９１年發(fā)射了搭載Ｃ波段ＳＡＲ系統(tǒng)的衛(wèi)星ＥＲＳ－１，并于１９９５年發(fā)逡逑射了邋ＥＲＳ－２［４１Ｈ４３］。ＥＲＳ－２與ＥＲＳ－１相比，除了多一個測量臭氧含量的設備外完全逡逑相同。這兩顆衛(wèi)星采集了大量陸地、海洋、冰川數(shù)據(jù)，用以監(jiān)測洪水、地震等自逡逑然災害。Ｅｎｖｉｓａｔ［４４Ｈ４５］在ＥＲＳ基礎上對覆蓋范圍、入射角范圍、極化方式和工作模逡逑式等方面進行了性能提升。雖然Ｅｎｖｉｓａｔ于２０１２年失聯(lián)，但在１０年服役期間，其逡逑采集的大量數(shù)據(jù)為地球環(huán)境研究作出了重要貢獻。ＥｎｖｉｓａｔａＳＡＲ圖像如圖１－６所示。逡逑＿■■羞辱逡逑⑷邐（ｂ）逡逑圖１－６邋Ｅｎｖｉｓａｔ邋ＳＡＲ圖像（ｌｍＸｌｍ）。（ａ）印度洋；（ｂ）南極冰川逡逑（２）邐ＴｅｒｒａＳＡＲ邋
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN957.52

【參考文獻】

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本文編號：2533782