【摘要】：視頻SAR成像理論和相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研究是當(dāng)前SAR領(lǐng)域的最前沿課題之一。視頻SAR可以形成高幀率的連續(xù)幀圖像,將傳統(tǒng)SAR圖像的靜態(tài)散射信息推廣為動(dòng)態(tài)散射信息,提供了從時(shí)間維進(jìn)行SAR后期處理的新途徑。在視頻SAR的眾多應(yīng)用中,基于視頻SAR陰影的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)是其中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。該技術(shù)結(jié)合了基于陰影的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)以及視頻SAR陰影成像二者的優(yōu)勢(shì),可有效避免傳統(tǒng)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)的多種問題,提升動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)概率、定位精度和實(shí)時(shí)性。然而,各種后期應(yīng)用均建立在視頻SAR實(shí)時(shí)高分辨成像的前提下,對(duì)成像算法的效率和精度均提出了較高要求�；诖�,本文對(duì)視頻SAR成像理論及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,在高幀率成像、持續(xù)成像、實(shí)時(shí)成像、曲線模式成像等方面進(jìn)行了深入探討,希望能夠?qū)ξ覈曨lSAR系統(tǒng)的研制略盡綿薄之力。論文的主要內(nèi)容及貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面:1.基于SAR成像原理,對(duì)影響SAR幀率的因素進(jìn)行了分析,并對(duì)高頻視頻SAR和非高頻視頻SAR進(jìn)行了分析和比較;為滿足對(duì)地持續(xù)監(jiān)測(cè)的需求,提出了視頻SAR持續(xù)成像的概念,并對(duì)視頻SAR持續(xù)聚束模式和持續(xù)成像處理進(jìn)行了介紹;此外,針對(duì)基于視頻SAR陰影的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)這一研究熱點(diǎn),對(duì)陰影在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)以及視頻SAR在陰影成像中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析;最后,對(duì)視頻SAR持續(xù)成像基本理論進(jìn)行了研究,并對(duì)可行的成像算法進(jìn)行了分析和比較。2.針對(duì)圓周視頻SAR模式下的持續(xù)成像問題,提出了多種圓周PP算法。首先,將圓周模式下的視頻SAR持續(xù)成像問題分解為坐標(biāo)系匹配和分辨率匹配兩個(gè)問題,并對(duì)匹配條件進(jìn)行了分析和推導(dǎo);據(jù)此,提出了兩種基于傅里葉變換的圓周PP算法,即GPP算法和LPP算法;此外,通過將坐標(biāo)系匹配與傅里葉變換成像結(jié)合,利用2D-CZT一步實(shí)現(xiàn)圓周視頻SAR持續(xù)成像,提出了CPP算法,并對(duì)GPP算法、LPP算法以及CPP算法的計(jì)算量進(jìn)行了分析與比較;針對(duì)大角度下目標(biāo)的角度依賴散射問題,結(jié)合視頻SAR的高幀率特性,提出了一種基于視頻SAR的角度依賴散射成像算法,即AGLRT算法;最后,通過數(shù)值仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了以上算法的有效性。3.研究了圓周PP算法在近距離或大場(chǎng)景條件下的圖像扭曲問題,提出了多種圓周EPP算法。通過對(duì)平面波假設(shè)下的近似斜距與真實(shí)斜距進(jìn)行分析,推導(dǎo)出了目標(biāo)經(jīng)圓周PP算法成像后的重建位置與其真實(shí)位置間的映射關(guān)系,即圓周PPM;基于圓周PPM,對(duì)圓周PP算法形成的幀圖像進(jìn)行插值校正,實(shí)現(xiàn)了含扭曲校正的持續(xù)成像,提出了LEPP算法、GEPP算法以及CEPP算法;進(jìn)一步地,將傅里葉變換成像與圓周PPM結(jié)合,將成像后校正的過程由一次NuFFT-2實(shí)現(xiàn),提出了NLEPP算法以及NGEPP算法;隨后,對(duì)以上圓周EPP算法的計(jì)算量進(jìn)行了分析和比較,并對(duì)圓周PP算法和圓周EPP算法的有效成像范圍進(jìn)行了推導(dǎo);最后通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了以上算法的有效性并進(jìn)行了成像效率對(duì)比。4.為了拓展視頻SAR的應(yīng)用條件,研究了曲線視頻SAR模式下的持續(xù)成像問題,提出了多種曲線PP算法。首先,對(duì)曲線模式下的單幀波數(shù)譜進(jìn)行了分析,提出了基于分辨率匹配的孔徑自適應(yīng)劃分方法;在此基礎(chǔ)上,將PFA算法推廣到曲線持續(xù)成像,提出了FPP算法;此外,針對(duì)FPP算法中散點(diǎn)插值誤差引起的圖像失真問題,將波數(shù)譜的非均勻分布與傅里葉變換成像結(jié)合,提出了N1PP算法。N1PP算法由NuFFT-1直接實(shí)現(xiàn)成像,避免了FPP算法中散點(diǎn)插值引入的誤差和計(jì)算開銷。5.針對(duì)曲線PP算法在近距離或大場(chǎng)景條件下的圖像扭曲問題,將圓周PPM在曲線模式下進(jìn)行了推廣,推導(dǎo)出了曲線PPM;基于曲線PPM,對(duì)FPP算法和N1PP算法的成像結(jié)果進(jìn)行插值校正,分別提出了FEPP算法和N1EPP算法;進(jìn)一步地,將波數(shù)譜的非均勻分布與曲線PPM對(duì)應(yīng)的非均勻成像網(wǎng)格結(jié)合,將成像后校正的過程由一次NuFFT-3實(shí)現(xiàn),提出了N3EPP算法。N3EPP算法避免了成像前后的所有插值,簡(jiǎn)化了成像流程;最后,通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了以上算法的有效性并對(duì)成像效率進(jìn)行了比較。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN957.52
【圖文】：

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文統(tǒng)的噪聲系數(shù)、帶寬以及功率等指標(biāo)均達(dá)到了機(jī)載成像 視頻 SAR 系統(tǒng)的信號(hào)處理和軟件部分則由 Techn司提供。該部分的目標(biāo)是對(duì)統(tǒng)一的接收信號(hào)，同時(shí)實(shí)時(shí)、GMTI 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果以及陰影檢測(cè)結(jié)果三大信息流到統(tǒng)一的顯示設(shè)備中，為用戶提供實(shí)時(shí)的多傳感器信息能力和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤能力。 視頻 SAR 計(jì)劃進(jìn)展順利，于 2015 年完成系統(tǒng)集成，于，并已成功進(jìn)行了多次機(jī)載飛行試驗(yàn)。2018 年四月底， IEEE 國際雷達(dá)會(huì)議上，雷神公司公布了全球首幅 23果，見圖 1-1[32]。在經(jīng)過定標(biāo)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、成像以及自聚焦效果良好，可清晰呈現(xiàn)出角反射器、動(dòng)目標(biāo)、草地、靜止車輛、飛機(jī)庫及其陰影等各種圖像特征，驗(yàn)證了 高分辨成像能力、動(dòng)目標(biāo)成像能力以及陰影成像能力。

(c)圖 1-2 DARPA 視頻 SAR 系統(tǒng)的成像和慢速目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果[32]。(a) 某時(shí)刻的幀圖像；(b) 另一時(shí)刻的幀圖像；(c) 某時(shí)刻的慢速目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果.2.2 SNL 視頻 SAR 系統(tǒng)與 DARPA 通過提高工作頻率來實(shí)現(xiàn)視頻 SAR 高幀率成像不同，美國桑迪家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratory，簡(jiǎn)稱 SNL）則采用孔徑重疊處理的方提高成像幀率，在本文中，將此類視頻 SAR 系統(tǒng)稱為非高頻視頻 SAR 系統(tǒng)。高頻視頻 SAR 和非高頻視頻 SAR 的聯(lián)系和比較，將在 2.3.2 小節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)。經(jīng)過三十多年的積累[35-36]，SNL 在機(jī)載 SAR 技術(shù)方面，取得了世界領(lǐng)先的，先后成功研制出了 Lynx SAR[37]、MiniSAR[38]、Copperhead 以及 FARAD[39部機(jī)載小型 SAR 系統(tǒng)。其最新的系統(tǒng)同時(shí)具備聚束 SAR、條帶 SAR、GMT干變化檢測(cè)（Coherent Change Detection，簡(jiǎn)稱 CCD）等多種模式和功能，可分辨率為 0.1m 的實(shí)時(shí)成像。除去軍事領(lǐng)域的應(yīng)用之外，SNL 的 SAR 系統(tǒng)還

[17]；2010 年，SNL 首次將視頻 SAR 部署于 Ku 頻段雷達(dá)中，并基于商用圖形處理器（Graphics Processing Unit，簡(jiǎn)稱 GPU）實(shí)現(xiàn)了機(jī)載視頻 SAR 實(shí)時(shí)成像；在此基礎(chǔ)上，SNL 于 2012 年實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視頻相干變化檢測(cè)（Video Coherent ChangeDetection，簡(jiǎn)稱 VideoCCD）；2013 年，SNL 完成了全極化視頻 SAR 的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；截止到目前，SNL 已經(jīng)成功將視頻 SAR 模塊集成到多部 SAR 系統(tǒng)中，并成功部署于多個(gè)載人或無人平臺(tái)。當(dāng)前，SNL 正在對(duì)其最新的多頻段全極化 FARAD 雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)和測(cè)試。值得一提的是，SNL 在其官網(wǎng)上公布了四段視頻 SAR 相關(guān)成果視頻[43]，引起了業(yè)界和學(xué)界的關(guān)注。四段視頻分別為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)場(chǎng)景的視頻 SAR 成像結(jié)果（視頻1）、靜止場(chǎng)景的視頻 SAR 成像結(jié)果（視頻 2）、VICT 結(jié)果（視頻 3）以及視頻 SAR系統(tǒng)與紅外系統(tǒng)的實(shí)時(shí)成像對(duì)比（視頻 4）。以上成果驗(yàn)證了視頻 SAR 在高幀率成像、陰影成像、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤以及全天候成像等方面的可行性及優(yōu)勢(shì)。圖 1-3 為從視頻 4 中截取的某時(shí)刻 SNL 視頻 SAR 系統(tǒng)與紅外系統(tǒng)的實(shí)時(shí)成像結(jié)果對(duì)比[43]�？梢钥闯觯茖拥恼趽鯇�(dǎo)致紅外系統(tǒng)失效；但在相同條件下，SNL視頻 SAR 系統(tǒng)卻能正常工作，實(shí)現(xiàn)穿云透霧的對(duì)地實(shí)時(shí)持續(xù)觀測(cè)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 趙雨露;張群英;李超;紀(jì)奕才;方廣有;;視頻合成孔徑雷達(dá)振動(dòng)誤差分析及補(bǔ)償方案研究[J];雷達(dá)學(xué)報(bào);2015年02期

2 沈宏海;黃猛;李嘉全;劉晶紅;戴明;賈平;;國外先進(jìn)航空光電載荷的進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)分析[J];中國光學(xué);2012年01期

3 蓋旭剛;陳晉汶;韓俊;王惠斌;;合成孔徑雷達(dá)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J];飛航導(dǎo)彈;2011年03期

本文編號(hào)：2778182