SAR成像理论及Matlab仿真-第一讲

SAR成像理论及Matlab仿真张顺生电子科学技术研究院内容简介第一讲SAR成像基本理论第二讲SAR回波信号建模第三讲脉冲压缩技术第四讲驻定相位原理第五讲RD成像算法第六讲SAR图像性能评估2020/6/152电子科技大学参考书目张澄波，《综合孔径雷达—原理、系统分析与应用》第三章第1，2节和第四章第1，2，3，7节的内容保铮，《雷达成像技术》第五章中5.1，5.2和5.3节的内容2020/6/153电子科技大学第一讲SAR成像基本理论SAR发展简史SAR的定义二维高分辨SAR分类2020/6/154电子科技大学1.1SAR发展简史1951年，美国GoodyearAerospace公司的CarlWiley首先提出利用频率分析的方法改善雷达的角分辨率。——“多普勒波束锐化”实孔径雷达方位分辨率：多普勒波束锐化方位分辨率：2020/6/155电子科技大学aaRDaaR目标A目标BR平台运动方向目标C1.1SAR发展简史1953年，在美国密西根大学举办的暑期讨论会上，许多学者提出了利用载机运动可将雷达的真实天线综合成大孔径的线性天线阵列的新概念。2020/6/156电子科技大学1.1SAR发展简史1960年4月，美国在华盛顿机场进行机载合成孔径成像雷达实验取得成功，诞生了国际上第一部合成孔径雷达。2020/6/157电子科技大学1.1SAR发展简史1978年6月，美国从范登堡基地成功发射世界上第一颗合成孔径雷达卫星—Seasat卫星，开辟了星载SAR的新纪元，使合成孔径雷达卫星成为空间对地观测发展的热点。2020/6/158电子科技大学1.1SAR发展简史1979年9月，中科院电子所研制的机载合成孔径雷达原理样机试飞成功，获取了国内第一张合成孔径雷达图像。2020/6/159电子科技大学1.1SAR发展简史2007年12月，RADARSAT-2卫星在哈萨克斯坦拜科努尔基地发射升空，它是一颗搭载C波段传感器的高分辨率商用雷达卫星，由加拿大太空署与MDA公司合作。2020/6/1510电子科技大学1.1SAR发展简史TerraSAR-X卫星系德国首颗雷达成像卫星，由德国政府机构德国航空中心（DLR）和EADSAstrium公司、Infoterra公司根据公私合营的模式共同开发。2020/6/1511电子科技大学1.2SAR的定义将装载着雷达的飞行器沿一定方向以速度v匀速直线前进，同时以固定的重复频率发射并接收信号，并将接收信号的幅度和相位信息存储起来，将它们按阵列回波作合成处理，利用这种合成阵列方式工作的雷达称为合成孔径雷达(SAR，SyntheticApertureRadar)。2020/6/1512电子科技大学1.3二维高分辨距离分辨率距离上，区分两个相邻目标的最小距离2020/6/1513电子科技大学1.3二维高分辨距离高分辨通过发射大时宽带宽积信号实现2020/6/1514电子科技大学022rccB1.3二维高分辨方位分辨率方位(横向)上，区分同一距离单元内两个相邻目标的最小距离。角分辨率同一距离上，区分两个相邻目标的最小角度波束宽度实孔径分辨率2020/6/1515电子科技大学D00aRRD1.3二维高分辨多普勒频率发射信号雷达到目标的距离接收的回波经正交解调后多普勒频移为2020/6/1516电子科技大学0()()exp(2)statjft0()RtRvt02()()()exp2()rststatjftRtc04()()expmstatjRvt1()22ddtvffdt1.3二维高分辨方位高分辨—定义有效阵列孔径长度则合成阵列的波束宽度为：那么，合成孔径雷达的方位分辨率为：2020/6/1517电子科技大学00saaLRRD2ssL0022aassRDRL1.3二维高分辨方位高分辨—信号处理正侧视模式下，目标的斜距史可表示为（二阶泰勒展开）对应的多普勒相位为：瞬时多普勒频移：类比于距离向，方位向也是一个线性调频信号2020/6/1518电子科技大学222000()()()2nnnvtRtRvtRR4()()nnRtt20()12()2nannndtvfttdtR1.3二维高分辨则方位向信号的多普勒带宽为：类比于距离向，方位向分辨率为：2020/6/1519电子科技大学2022sadrsLvvBfTRvD2aavDB1.4SAR分类按平台分类机载SAR弹载SAR临近空间SAR星载SAR低轨SAR中轨SAR高轨SAR2020/6/1520电子科技大学1.4SAR分类按波束控制分类条带SAR（Stripmap）天线波束的照射范围为与平台运动方向平行的带状区域聚束SAR（Spotlight）通过控制天线波束指向，使其沿飞行路径连续照射同一目标区域扫描SAR（ScanSAR）通过天线在距离向的扫描来获得宽测绘带2020/6/1521电子科技大学1.4SAR分类条带SAR聚束SAR扫描SAR2020/6/1522电子科技大学SAR天线SAR天线子测绘带合成测绘带SAR天线航向1.4SAR分类正侧视SAR（Side-looking）天线波束中心指向与平台运动方向垂直斜视SAR（Squint-looking）天线波束中心指向与正侧视方向在侧视平面内有一夹角，称为斜视角前视SAR（Forward-looking）距离向与平台飞行方向一致，方位向与平台飞行方向垂直，这与侧视SAR正好相反。2020/6/1523电子科技大学第二讲SAR回波信号建模stopandgo原理侧斜视SAR几何模型SAR回波信号模型菲涅尔衍射图SAR回波Matlab仿真实验2020/6/1524电子科技大学2.1Stopandgo原理由于电磁波的传播速度远大于机械运动的速度，所以可近似认为SAR飞行到某个位置后，发射一个脉冲信号，然后停在那个位置，待接收到回波后继续飞行一个PRT(PulseRepetitionTime)时间，到达下一个位置后再发射下一个脉冲信号，然后停在那个位置接收回波，…2020/6/1525电子科技大学PTa/2-Ta/2radar方位向PRT2.2侧斜视SAR几何模型2020/6/1526电子科技大学22()2sin()ncncnsRtRvtRvt.斜视角下视角PYOsZ目标()nRtX0RcRv2.3SAR回波信号模型点目标回波模型设雷达发射的脉冲串为：每个发射的脉冲为：为脉内相位调制函数,通常采用线性调频设场景中存在一个点目标，后向散射系数为，在雷达的第n个脉冲发射时刻，天线相位中心与点目标的距离为，则接收的回波信号为：2020/6/1527电子科技大学()()prtnftptnT()()cos2()rcptatftt()t2()rtkt(,)pppxy()nRt2.3SAR回波信号模型回波信号通过正交混频后2020/6/1528电子科技大学2()(,)2()2()2()cos2nrnprtnnprtnnrcprtprtnpRtsttptnTcRttnTRtRtcaftnTtnTTcc22()4()2()(,)expnprtnnrnrrprtnpRttnTRtRtcsttajjktnTTc2.3SAR回波信号模型正交混频2020/6/1529电子科技大学()cos2()cstAftt移相90度低通滤波器()cos(2)refcstft低通滤波器1cos()2At1sin()2At2.3SAR回波信号模型分布目标回波模型根据点散射模型，分布目标可以分解成多个点目标，则分布目标回波可以表示成多个点目标回波之和：2020/6/1530电子科技大学212()4()2()(,)expmnMprtmnmnrnmrrprtmnpRttnTRtRtcsttajjktnTTc2.3SAR回波信号模型二维数据录取2020/6/1531电子科技大学雷达几何模型回波采集平面nttbR目标V距离徙动......2.3SAR回波信号模型回波信号的实部和相位2020/6/1532电子科技大学020040060080010001200-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81采样点数幅度020040060080010001200-400-350-300-250-200-150-100-50050采样点数相位回波信号的频谱及相位0200400600800100012000510152025303540采样点数幅度02004006008001000120001234567x104采样点数相位2.4菲涅尔衍射图当距离向和方位向调频率符号相反时，点目标回波的菲涅尔衍射图为双曲线。当距离向和方位向调频率符号相同时，点目标回波的菲涅尔衍射图为椭圆。2020/6/1534电子科技大学2.5SAR回波Matlab仿真实验仿真参数设置2020/6/1535电子科技大学平台高度(m)3000平台速度(m/s)100下视角(deg)45波长(m)0.03125方位向波束宽度(deg)1.5脉冲宽度(us)20信号带宽(MHz)60采样频率(MHz)100脉冲重复频率(Hz)1000测绘带宽(km)1方位向场景(km)1点目标坐标(m)(3000,0)2.5SAR回波Matlab仿真实验实验内容(1)根据仿真参数，产生点目标的SAR回波，绘出菲涅尔衍射图；(2)绘制某一个脉冲回波的时域信号波形及其相位；(3)绘制(2)对应频域信号的波形及其相位。2020/6/1536电子科技大学2.5SAR回波Matlab仿真实验参数设计通常，已知SAR系统的工作波段，距离和方位分辨率，测绘带宽，作用距离等。(1)距离维参数信号带宽采样率2020/6/15372rcB(1.2~1.5)sfB2.5SAR回波Matlab仿真实验参数设计(1)距离维参数最小及最大斜距距离向采样点数2020/6/1538电子科技大学22min22max22rcrcWRXHWRXHmaxmin2()rpsRRNTfc2.5SAR回波Matlab仿真实验参数设计(2)方位维参数合成孔径长度合成孔径时间多普勒带宽2020/6/1539电子科技大学2cscacaaRLRRDssLTvaavB2.5SAR回波Matlab仿真实验参数设计(2)方位维参数脉冲重复频率方位向采样点数2020/6/1540电子科技大学(1.2~1.5)aPRFBaasWNTPRFv2.5SAR回波Matlab仿真实验目标是否被波束照射(条带SAR)照射条件：2020/6/1541电子科技大学/2npsvtyL