高分辨率及新模式SAR成像算法研究

二○一二年四月高分辨率及新模式SAR成像算法研究Studyofhigh-resolutionSARandnewtypeSARImaging刘燕邢孟道教授工学信号与信息处理学科、专业学科门类提交论文日期指导教师姓名、职务作者姓名题（中、英文）目TN957107010810310047公开代号分类号密级学号作者简介刘燕，陕西西安人。2004年毕业于空军工程大学，获通信工程专业学士学位。2008年毕业于空军工程大学，获信号与信息处理专业硕士学位，同年进入西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室攻读博士学位。导师：邢孟道教授。主要研究方向：高分辨率合成孔径雷达成像以及动目标检测。代表性成果及经历：已在《IEEETRANSACTIONSONGeoscienceandRemoteSensing》、《中国科学F辑：信息科学》等权威刊物发表学术论文数篇，获发明专利一项。YanLiu,wasborninXian,ShannxiProvince,China,in1982.ShereceivedherB.A.inTelecommunicationEngineeringfromAirForceEngineeringUniversityin2004andtheM.S.degreeinSignalandInformationProcessingfromAirForceEngineeringUniversityin2008.Currently,sheispursuingthePh.DdegreewiththeNationalKeyLaboratoryforRadarSignalProcessing,XiDianUniversity.Herresearchinterestsincludehighresolutionsyntheticapertureradarimagingandmovingtargetdetection.作者照片西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：日期：摘要雷达信号处理国家重点实验室I摘要合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar，SAR）成像技术具有全天候、全天时和远距离成像的特点，有效地提高了雷达的信息获取能力，具有重大的军用和民用价值。获得高质量和高分辨率图像是SAR成像追求的目标。相对于低分辨率SAR而言，高分辨率SAR要求成像处理更为精确，因此需要构建精度更高的成像模型。本文围绕高速平台高分辨率SAR成像、大场景超高分辨星载SAR成像、圆轨迹SAR成像、宽测绘带高分辨率动目标成像和运动参数估计这几个方面作了一些工作，具体如下：1.高速平台高分辨率SAR回波信号分析以及成像处理目前SAR成像处理大多采用了对雷达载体运动的“一步一停”假设。“一步一停”假设忽略了两种雷达运动，一种是发射和接收期间的雷达运动，另一种是信号传输期间的雷达运动。忽略这两种雷达运动会使成像处理存在一定误差，随着SAR分辨率的提高，这些误差有可能会影响成像效果。针对这一问题，推导了“一步一停”假设给成像带来的误差，包括：距离向二次相位误差、距离徙动误差、方位向三次相位误差以及方位向偏移，同时，给出了“一步一停”假设的适用范围。分析得到：当雷达载体为高速运动平台（例如，卫星或高空超音速飞行器）时，在分辨率很高的情况下，“一步一停”假设带来的误差会影响成像质量。在一个方位向分辨率为0.2m的星载聚束SAR仿真实验中，展示了“一步一停”假设给成像带来的不可忽略的误差，仿真实验验证了分析的有效性。为了保证大测绘带宽以及降低系统数据传输的压力，脉冲重复频率PRF不能过高，但高分辨率成像又需要大方位带宽，因此接收到的信号通常是方位频谱混叠的。为了利用条带SAR成像处理方法对回波进行精确成像处理，需要得到方位频谱不混叠的数据。所提出的高速平台高分辨率聚束SAR的成像算法借鉴了“两步”算法的思想，“第一步”采用随距离频域空变的方位deramp函数进行方位deramp处理来去除方位频谱混叠；“第二步”结合所提出的精确回波模型的频域表达式，采用ω-k算法对方位频谱不混叠的数据进行成像处理。方位预处理仿真实验展示了随距离频率空变的方位deramp函数在方位解模糊时的优势。点目标SAR成像仿真实验验证了所提成像方法的有效性。2.基于修正ω-k算法的大场景超高分辨星载SAR成像处理方法在考虑了星载SAR等效斜视模型误差补偿以及“一步一停”假设带来误差的补偿的情况下，采用星载等效斜视模型推导了一种基于改进ω-k算法的大场景高分辨率SAR成像算法。成像算法针对传统ω-k算法中的Stolt插值无法在距离频域处理等效速度和等效斜视角沿距离向的变化这一问题，首先，分析了采用恒定的等效速度进行Stolt插值给距离徙动校正带来的误差，并给出一个超高分辨率下高分辨率与新模式SAR成像算法研究西安电子科技大学博士论文II该误差随场景距离向宽度变化的实例，指出对传统Stolt插值进行修正的必要性；其次，通过分析等效速度以及等效速度的平方随距离的变化规律，对传统Stolt插值进行了修正；昀后，基于修正的Stolt插值，推导得到了沿距离向的成像指标一致的修正ω-k成像算法。仿真实验验证了所提算法的有效性。3.圆轨迹SAR快速成像由于圆轨迹SAR特殊的运动轨迹，直线SAR的成像算法不能直接应用于圆轨迹SAR数据处理。然而，对于圆轨迹SAR系统而言，其响应函数具有“沿角度维平移不变”的特性。因此可以利用这一特性，借鉴条带SAR成像算法的思想，在频域研究圆轨迹SAR数据的快速成像方法。本文推导了完全精确的柱面坐标系下圆轨迹聚束SAR和圆轨迹环视SAR的回波频谱解析表达式。利用条带SAR成像算法的思想，通过对频谱的合理近似，给出了圆轨迹SAR的成像算法。仿真实验验证了算法的有效性。4.低重频采样SAR系统中地面运动目标运动参数估计与成像基于压缩感知理论，本文提出一种低重频采样SAR系统中地面运动目标高分辨率成像以及运动参数估计的新方法。该方法利用距离脉压后的数据进行杂波相消以此保留了运动目标信息；去除由雷达载体速度产生的多普勒调频项后，采用基于keystone变换的稀疏走动校正的方法对多个运动目标的包络进行走动校正；昀后，基于压缩感知理论，本文构造冗余基矩阵，将空间稀疏分布的目标运动参数估计以及成像问题转化为求优化方程的稀疏解，从而实现运动目标的准确重建。关键词：合成孔径雷达(SAR)，高速平台高分辨率SAR,大场景,圆轨迹SAR，地面运动目标成像ABSTRACT雷达信号处理国家重点实验室IIIABSTRACTSyntheticApertureRadar(SAR)imagingisapowerfulandwellestablishedmicrowaveremotesensingtechniquewhichcanbeusedforlongdistanceimagingandenableshighresolutionmeasurementsoftheearthsurfaceindependentofweatherconditionsandsunlightillumination.ItisproducinghighresolutionandhighqualityimagesthatSARimagingpursuits.ComparedwithlowresolutionSAR,highresolutionSARdataneedsmoreacurrateimagingformationmodelandmorepreciseimagingprocessing.ThisdissertationisdevotedtoimagingforHighResolutionSARonHigh-SpeedPlatform,imagingforwidefieldandhighresolutionspacebornespotlightSAR,fastimagingforcircularSAR,imagingandmotionparametersestimationformovingtargetsinhighresolutionSARsystemwithwideswath.Themainresearchresultsareasfollows:1.EchoModelAnalysesandImagingAlgorithmforHighResolutionSARonHighSpeedPlatform“Stop-go-stop”approximationofradarcarriersimpliestheprocessingofSARimaging,whichiswidelyusedintheSARsystems.ThereexisttwokindsofneglectedmotioninthegeometricconfigurationofSARbasedonthe“stop-go-stop”approximation:themotionoccurringbetweentransmissionandreceptionofapulseandduringtheintervaltransmissionandreceptionofapulse,sothattheimagingprocessingbasedonthe“stop-go-stop”approximationisnotaccurate.Withtheincreasingrequirementsonhighresolutionimaging,theerrorsbroughtbythe“stop-go-stop”approximationmaybeintolerableforSARimaging.Theerrorscausedbythe“stop-go-stop”approximationareintroduced,includingthequadraticphaseerrorinrange,therangecellmigrationerror,thecubicphaseerrorinazimuthandthelocationdeviationofthetargets,andthentheapplicationscopeforthe“stop-go-stop”approximationispresentedcorrespondingly.AreferencesystemofthespacebornespotlightSARwith0.2mazimuthresolutionisgivenforsimulationtoillustratetheintolerableerrors.Inordertomakesurethecoverageperformanceofthesystemandreducethepressuretodatatransmissionsystem,thepuls