【摘要】：合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像技術(shù)具有全天候、全天時、遠(yuǎn)距離作用、高分辨、廣域觀測的特點,能有效地提高了雷達(dá)的信息獲取能力,因而被廣泛地用于土地監(jiān)測、海洋觀測、海冰監(jiān)視和地貌變化等民事領(lǐng)域以及戰(zhàn)場偵察、軍隊動向監(jiān)視等軍事領(lǐng)域。隨著SAR技術(shù)的發(fā)展,SAR正在朝著波束指向更靈活、分辨率更高、場景覆蓋面積更大的方向發(fā)展,因此精確地獲取地表信息具有重要意義。由于波束指向的靈活性,SAR具備多種工作模式,包括聚束模式、條帶模式、滑動聚束模式和TOPS模式等。同時,每種工作模式又可以衍生出正側(cè)視和斜視兩種幾何構(gòu)型。在不同的工作模式、不同的幾何構(gòu)型下,數(shù)據(jù)錄取方式及回波信號的形式差異較大,需要研究新的成像算法以適應(yīng)不同工作模式的需求。本文針對機載SAR多模式成像及運動補償中存在的關(guān)鍵問題,圍繞國家自然科學(xué)基金、高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金、民口973項目開展研究,旨在拓展快速時域算法的適用范圍和改善算法的運算效率。論文的主要工作如下：第二章是本文的基礎(chǔ)理論章節(jié),介紹了目前幾種典型的SAR成像算法,討論了每種算法的成像原理、關(guān)鍵技術(shù)以及優(yōu)勢和不足。根據(jù)波數(shù)支撐區(qū)的特點,第二章首先介紹了針對斜視聚束SAR極坐標(biāo)處理的兩種重采樣方法,即沿視線極坐標(biāo)插值(LOSPI)和固定場景插值(SSPI),推導(dǎo)了重采樣之后的二維波數(shù)譜。需要指出的是,PFA不但生命力頑強、廣泛用于高分辨聚束SAR、CSAR和視頻SAR等,而且距離-多普勒域聚焦的成像特點和LOSPI為第三章開展基于快速時域算法的自聚焦處理提供了借鑒意義。此外,第二章還重點介紹了BP算法、FBP算法和FFBP算法三種時域算法,討論了圖像質(zhì)量對真實的APC位置和地形起伏的依賴性。在實際應(yīng)用中,大部分運動誤差可根據(jù)GPS/INS記錄的平臺運動信息得到校正。然而在高分辨SAR成像場合,即使幾厘米量級的殘余運動誤差都極可能對圖像聚焦產(chǎn)生影響,因此快速時域算法有必要開展基于圖像或數(shù)據(jù)的自聚焦處理。為此,第三章對FFBP算法進(jìn)行了必要的改進(jìn)。第一、選用LOS虛擬極坐標(biāo)網(wǎng)格代替原始FFBP算法中的極坐標(biāo)網(wǎng)格。使用該坐標(biāo)系重建的圖像不但可以提供圖像域與距離壓縮相位歷程域之間的傅里葉變換關(guān)系,而且能夠獲得沿水平方向散布的脈沖響應(yīng)函數(shù)。第二、利用FFBP算法的多孔徑結(jié)構(gòu)建立重疊子孔徑構(gòu)型(OSF)。 OSF是連接子孔徑相位誤差和全孔徑相位誤差函數(shù)的紐帶,從而實現(xiàn)了基于相位梯度自聚焦(PGA)的精確的運動補償。FFBP算法利用二維插值實現(xiàn)圖像的遞歸融合,然而插值操作不可避免地產(chǎn)生插值誤差,引起圖像質(zhì)量的損失。針對這個問題,第四章提出了一種基于波數(shù)譜融合的加速后向投影聚束SAR成像算法,即EBP算法。EBP算法創(chuàng)新地將子孔徑數(shù)據(jù)后向投影到全局極坐標(biāo)系,從而保證所有的子圖像波數(shù)譜均位于同一波數(shù)空間。無需二維插值和遞歸融合,EBP算法僅需通過子圖像波數(shù)譜的方位搬移便可得到全孔徑波數(shù)譜。EBP算法精確地保留波數(shù)譜的原有形式,避免了二維插值處理帶來的副作用,具有時域算法的精確性,而快速傅里葉變換(FFT)和循環(huán)移位操作又使其兼顧高效性。實驗證明,EBP算法在圖像質(zhì)量和運算效率方面均優(yōu)于FFBP算法。FFBP算法在聚束SAR領(lǐng)域取得了巨大成功,然而將其拓展至條帶SAR處理還是一個很大的挑戰(zhàn)。在第四章的啟發(fā)下,第五章從波數(shù)譜的角度出發(fā)重新梳理了FFBP算法,找出了FFBP算法難以直接用于條帶SAR處理的原因：第一、積分孔徑；第二、角域升采樣引起的大的運算負(fù)擔(dān)。針對這個問題,第五章提出了重疊圖像法,并成功實現(xiàn)了基于FFBP算法的條帶SAR處理。該方法無需角域升采樣,極大地保留了FFBP算法的運算效率優(yōu)勢,具有先聚束處理、后聚束一條帶處理的特點。重疊圖像法不但適用于正側(cè)視或斜視條帶SAR處理,還能拓展至TOPS SAR和滑動聚束SAR處理。本章最后,通過仿真實驗和實測數(shù)據(jù)處理驗證重疊圖像的可行性和有效性。至此,線性孔徑下不同成像模式皆可由快速時域算法實現(xiàn)。之前的章節(jié)實現(xiàn)了快速時域算法在線性孔徑下的拓展應(yīng)用,第六章針對圓跡SAR (CSAR)成像開展研究,提出了CEBP算法。為了避免過高的角域升采樣率,CEBP算法將整個合成孔徑(360°觀測)劃分為8個處理孔徑。每個處理孔徑單獨開展孔徑分解、子圖像形成和波數(shù)譜融合,經(jīng)由二維逆傅里葉變換(IFFT)得到處理孔徑圖像。將8幅處理孔徑圖像在直角坐標(biāo)系下進(jìn)行相干相加,得到最終聚焦的CSAR圖像。CEBP算法繼承了EBP算法精確和高效的優(yōu)勢,具備提供約λ/4的分辨能力。
[Abstract]:Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging technology has the characteristics of all-weather, all-time, long-range, high-resolution, wide-area observation, which can effectively improve the radar information acquisition capability. It is widely used in civil areas such as land monitoring, ocean observation, sea ice monitoring and landform changes, as well as in the battlefield reconnaissance, military trend monitoring and other military areas. With the development of SAR technology, SAR is moving towards the direction of more flexible beam pointing, higher resolution and larger scene coverage, so it is important to obtain the surface information accurately. At the same time, each mode of operation can derive two geometric configurations: forward-sidelook and squint. Under different working modes and geometric configurations, the data acquisition mode and echo signal form are quite different, so it is necessary to study new imaging algorithms to meet the needs of different working modes. The main work of this paper is as follows: Chapter 2 is the basic theory of this paper, and introduces the current situation of the research. Several typical SAR imaging algorithms are discussed, and the imaging principle, key techniques, advantages and disadvantages of each algorithm are discussed. According to the characteristics of wavenumber support region, two resampling methods for strabismus spotlight SAR polar coordinate processing, namely LOSPI and SSPI, are introduced in the second chapter. It should be pointed out that PFA is not only tenacious, but also widely used in high resolution spotlight SAR, CSAR and video SAR. The imaging characteristics of range-Doppler focusing and LOSPI provide a reference for the self-focusing processing based on fast time-domain algorithm in Chapter 3. FBP algorithm and FFBP algorithm are used to discuss the dependence of image quality on the real APC position and terrain fluctuation. In practice, most motion errors can be corrected according to the platform motion information recorded by GPS/INS. Because of the influence of image focusing, it is necessary to develop a fast time-domain algorithm based on image or data self-focusing processing. In chapter 3, the FFBP algorithm is improved. Firstly, LOS virtual polar coordinate grid is selected to replace the polar coordinate grid in the original FFBP algorithm. Second, the overlapping sub-aperture configuration (OSF) is constructed by using the multi-aperture structure of FFBP algorithm. OSF is the link between the sub-aperture phase error and the full-aperture phase error function, thus realizing the phase-based phase error. The FFBP algorithm uses two-dimensional interpolation to realize the recursive fusion of images. However, interpolation inevitably produces interpolation errors, resulting in the loss of image quality. To solve this problem, the fourth chapter proposes an accelerated backward projection spotlight SAR imaging algorithm based on wavenumber spectrum fusion, namely EBP algorithm. The EBP algorithm innovatively projectes the sub-aperture data back to the global polar coordinate system to ensure that all the sub-image wavenumber spectra are in the same wavenumber space. Without two-dimensional interpolation and recursive fusion, the EBP algorithm can obtain the full-aperture wavenumber spectra only by the azimuth shift of the sub-image wavenumber spectra. Formal, avoiding the side effects of two-dimensional interpolation processing, has the accuracy of the time-domain algorithm, and fast Fourier transform (FFT) and cyclic shift operation make it both efficient. Experiments show that the EBP algorithm is superior to the FFBP algorithm in image quality and operational efficiency. FFBP algorithm has achieved great success in the field of spotlight SAR, but will be used in the future. Enlightened by Chapter 4, Chapter 5 reorganizes FFBP algorithm from the perspective of wavenumber spectrum and finds out the reasons why FFBP algorithm is difficult to be directly used in strip SAR processing: first, integral aperture; second, the heavy computational burden caused by angular domain rising sampling. In the fifth chapter, the overlapping image method is proposed and the stripe SAR processing based on FFBP algorithm is realized successfully. This method does not need angle-domain up-sampling and greatly retains the advantages of FFBP algorithm in operation efficiency. It has the characteristics of first spotlight processing and then spotlight-stripe processing. Finally, the feasibility and validity of overlapped images are verified by simulation experiments and real-time data processing. So far, different imaging modes in linear aperture can be implemented by fast time-domain algorithm. The previous chapters have realized the extended application of fast time-domain algorithm in linear aperture. Chapter 6 is aimed at the sixth chapter. In order to avoid high angle-domain sampling rate, the CEBP algorithm divides the whole synthetic aperture (360 degree observation) into eight processing apertures. Each processing aperture is decomposed separately, sub-image is formed and wavenumber spectrum is fused. The processing aperture map is obtained by two-dimensional inverse Fourier transform (IFFT). Image. Eight processed aperture images are added coherently in rectangular coordinates to obtain the final focused CSAR image. CEBP algorithm inherits the advantages of EBP algorithm, which is accurate and efficient, and has the ability to provide about a quarter of the resolution.
【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】：2015
【分類號】：TN957.52

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本文編號：2230657