本文關(guān)鍵詞：快速時域SAR成像與三維SAR運(yùn)動補(bǔ)償方法研究

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【摘要】：合成孔徑雷達(dá)(SAR)具有全天時、全天候、遠(yuǎn)作用距離、二維高分辨率及寬場景成像等特點(diǎn),已在軍事及民事領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步,SAR系統(tǒng)工作模式早已不局限于線性軌道正側(cè)視條帶,非線性軌道、超長合成孔徑、超高分辨率、大斜視、寬幅、多工作模式等等對傳統(tǒng)成像算法提出了更高的要求。后投影成像算法(BPA)從時域逐脈沖積累能量,理論上適用于任意軌道模型和任意成像模式,其缺點(diǎn)在于計(jì)算量龐大。分級后投影成像算法(FFBPA)通過拆分合成孔徑,分別得到粗糙子圖像,再借助于局部極坐標(biāo)系進(jìn)行圖像融合逐級提升分辨率,相比BPA大幅減少插值次數(shù)。然而FFBPA在圖像融合過程中往往需要借助于二維圖像域插值操作,其計(jì)算效率和計(jì)算精度均受限于插值算法的選擇。本論文通過深入分析FFBPA的機(jī)理,從三種不同的角度分別提出了三種更為快速的時域成像算法,這些算法同樣適用于非線性軌道、超高分辨率等多種模式。單通道或沿航向多通道SAR系統(tǒng)得到的圖像是三維場景在二維成像平面的投影,跨航向線性陣列多輸入多輸出(MIMO)SAR系統(tǒng)具有三維成像能力,能對一些特殊地貌(如活火山等)獲得更為豐富的信息,近些年已成為研究熱點(diǎn)。搭載于小型飛機(jī)尤其是無人機(jī)的MIMO SAR系統(tǒng)(如德國的ARTINO)受氣流干擾嚴(yán)重,在沒有搭載高精度慣導(dǎo)的情況下,研究穩(wěn)定的高精度運(yùn)動補(bǔ)償方法顯得格外重要,本論文分析了線陣MIMO SAR三維成像運(yùn)動誤差模型,提出了能同時補(bǔ)償平動誤差和轉(zhuǎn)動誤差的基于聯(lián)合自聚焦技術(shù)的運(yùn)動補(bǔ)償算法。本文的具體研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:1.通過分析FFBPA算法的計(jì)算量,可知FFBPA的插值次數(shù)取決于子孔徑劃分的大小,究其根本原因在于,在第一級圖像重建階段,FFBPA依舊采用低效的BPA實(shí)現(xiàn),因此子孔徑越小,FFBPA運(yùn)算效率越高。而子孔徑越小意味著圖像融合步驟更多,FFBPA算法采用二維圖像域插值實(shí)現(xiàn)圖像融合,插值誤差的積累造成圖像質(zhì)量的下降。本論文通過理論分析,提出一種結(jié)合PFA和圖像融合的新方法。該方法的計(jì)算效率隨子孔徑長度的增大而提升,同時,由于更少的圖像域插值引入,使得算法成像精度更高。文中分析了新算法的計(jì)算效率、內(nèi)存需求,同時也分析了新算法在多模式SAR下的應(yīng)用,最后通過仿真和實(shí)測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中論述的正確性。2.針對FFBPA在圖像融合過程采用大量插值操作造成計(jì)算效率和計(jì)算精度之間的矛盾的問題,提出一種無需插值的快速實(shí)現(xiàn)方法。文中分析了子圖像在不同極坐標(biāo)系之間投影的偏移量,借助于距離維平移和角度維旋轉(zhuǎn)以及兩維線性變標(biāo)操作,實(shí)現(xiàn)圖像融合。該快速方法無需插值,因此相比傳統(tǒng)的基于二維圖像域插值的FFBPA算法,該方法具有更高的計(jì)算效率和精度。文中分析了快速方法的計(jì)算復(fù)雜度、適用范圍,最后通過仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)算法和快速方法進(jìn)行了對比驗(yàn)證。3.FFBPA采用極坐標(biāo)系進(jìn)行圖像存取,因?yàn)樵跇O坐標(biāo)系下可以以較低的采樣率對圖像采樣而不會造成頻譜混疊,然而圖像在極坐標(biāo)系下會發(fā)生畸變,且不同極坐標(biāo)系之間畸變不一致,因此需逐點(diǎn)插值實(shí)現(xiàn)圖像投影融合。相比極坐標(biāo)系,直角坐標(biāo)系因其對二維空域均勻采樣,圖像融合在直角坐標(biāo)系下更容易實(shí)現(xiàn),而直角坐標(biāo)系下進(jìn)行子孔徑成像的奈奎斯特采樣率具有較大冗余,這將拖累算法的運(yùn)算效率。本文針對此問題提出了一種譜壓縮技術(shù),該技術(shù)通過距離時域和距離頻域兩次補(bǔ)償,大幅壓縮了直角坐標(biāo)系子孔徑成像的方位譜寬度,同時可以將斜視造成的傾斜譜校正為正譜。譜壓縮技術(shù)使得在直角坐標(biāo)系下進(jìn)行多級快速BP融合成為可能,且避免了插值操作,具有堪比原始BPA的成像質(zhì)量。此外,文中分析了該算法在非線性軌道SAR模式下的應(yīng)用,分析了新算法的運(yùn)算復(fù)雜度,并通過星載0.1m仿真成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法可以處理高分辨率曲線軌道SAR數(shù)據(jù),并通過機(jī)載0.2m實(shí)測實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了算法的高效率和高精度。4.線性陣列MIMO SAR系統(tǒng)因其在第三維具有基線而具備三維成像能力,而其第三維基線受氣流擾動的影響也較為突出,尤其對于沒有搭載慣導(dǎo)設(shè)備的小型載機(jī)平臺。傳統(tǒng)的運(yùn)動補(bǔ)償算法只能補(bǔ)償載機(jī)的平動誤差,忽略轉(zhuǎn)動誤差,而轉(zhuǎn)動誤差對三維成像的影響也是不能忽視的。針對此問題本文通過數(shù)學(xué)建模,聯(lián)合多個通道回波數(shù)據(jù),提出了一種三維SAR運(yùn)動補(bǔ)償算法。該算法通過分析轉(zhuǎn)動誤差對線性陣列的影響隨著陣元位置的變化規(guī)律,利用多值優(yōu)化技術(shù),提升運(yùn)動誤差估計(jì)精度,同時補(bǔ)償平動誤差和轉(zhuǎn)動誤差對相位的影響,大幅提升成像質(zhì)量。最后通過三維成像仿真實(shí)驗(yàn)對補(bǔ)償算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN957.52

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 李燕平;邢孟道;保錚;;一種基于回波數(shù)據(jù)的運(yùn)動補(bǔ)償方法[J];數(shù)據(jù)采集與處理;2007年01期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 吳玉峰;多模式SAR成像及參數(shù)估計(jì)方法研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

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本文編號：1285880