【摘要】：地球同步軌道合成孔徑雷達(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。在軍事和民用領域,如軍事偵查、資源探測、災害檢測、地形測繪、海洋環(huán)境等領域都有廣闊的應用前景。目前,國際上公認的航天強國如美國、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、復雜運動軌跡、寬成像場景、受地球自轉影響大等,使得其系統(tǒng)參數設計及成像處理更加復雜。GEO SAR長回波時延導致了信號回波模型“停-走-停”假設的失效,長合成孔徑時間及復雜的運動軌跡導致了常規(guī)的二次斜距表達式并不適合于GEO SAR的斜距模型的描述。地球自轉引入等效斜視角,造成成像距離與方位向耦合嚴重。GEO SAR寬成像場景以及方位向多普勒參數時變,導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已有的方法和結論。本文從研究GEO SAR信號特點出發(fā),結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)結合理論推導和仿真示例,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復雜的成像特性,常規(guī)的低軌SAR參數設計將不能適用于GEO SAR參數指標設計的實際情況,從雷達最基本原理出發(fā),進行了GEO SAR系統(tǒng)參數設計,包括系統(tǒng)的分辨率、模糊度及時序設計等。提出了一套適用于GEO SAR系統(tǒng)參數設計方法,為后續(xù)成像算法的研究奠定了理論基礎。(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式。在高階斜距模型建立的基礎上,提出了一種基于Chirp Z變換(Chirp Z Transform,CZT)與方位變標新的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制信號沿距離向和方位向的二維變化。利用距方位改進的變標因子校正方位信號三次展開項系數的線性時變性,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據對算法有效性進行了驗證。仿真及實測數據處理結果表明所提出的算法能夠實現條帶模式聚焦成像。(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的頻域成像算法。算法考慮了“停-走-�！蹦Ｊ秸`差,采用譜分析技術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。基于級數反演方法給出了信號的二維頻譜表達式,利用基于五階斜距展開改進的變標算法進行距離向壓縮處理及方位向信號壓縮處理。成像性能結果評估表明提出的成像處理算法能夠實現聚束模式聚焦成像。(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,提出了一種改進的二維非線性調頻變標(Non-linear Chirp Scaling,NLCS)成像處理算法�？紤]等效調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算法,考慮方位向信號的多普勒調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頻操作引入的高階項相位誤差。仿真結果驗證了算法的有效性。
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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，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 分鐘內可以獲得 20 米分辨率的圖

圖 1-3 Cranfield 大學 12 顆衛(wèi)星星座覆蓋區(qū)域示意圖[46]泰羅尼亞理工大學的 Rodon[47]論述了 Ku 波段 GEO SA沖重復頻率僅為 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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