《基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載sar成像與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償-研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
ABSTRACTAsanactivewayofremotesensingdetection,syntheticapertureradar(SAR)hastheall-weather,day/night,high-resolutionandlongrangeimagingcapabilities.Insomecomplexenvironment,SARimagingcanobtainbetterresultsthanopticalimagingandinfraredimaging.Therefore,SARimagingisahotresearchtopicinradarcommunityandhasfoundwideapplicationsinmilitaryandcivilianarea.Duetoatmosphericturbulence,airborneSAR,especiallythelow-altitudeUAVplatform,undergoesgreatdeviationsfromtheidealstraighttrajectory.Ifmotioncompensationisnotappliedforimageformation,theimagequalitywillleadtoaseriousdegradation.SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChinaunderGrantNo.11176022,thispaperprovidesadetailedinvestigationonradarimagingalgorithmsandcompensationtechniquesforrawdata.Thisthesisisorganizedasfollows:Firstly,thebasicsofSARimagingandseveralevaluationmetricsareintroduced.Then,twoclassicalimagingalgorithms,i.e.,Range-Doppleralgorithm(RDA)andChirpScalingalgorithm(CSA),areinvestigatedbyprovidingdetailedtheoreticalderivationandpointtargetssimulationresults,whichprovidesatheoreticalfoundationforthefollowingmotioncompensation.Basedontheanalysisofthemotionerrormodelforbroad-sidelookingSAR,detailsofthemotioncompensationispresented.ThemethodsforestimatingtheDopplercentroid,theDopplerrate,motionparametersarediscussed.Then,basedontherawdata,themotionerroralongthelineofsightandtheazimuthdirectionarewellcompensated.Further,thephasegradientautofocus(PGA)methodisemployedtoremovetheresidualthreeorhigherorderphaseerror.Sinceaunifiedphaseiscompensatedforazimuthmotion,theinducedgeometricdistortionswouldposeagreathindrancetoSARimageinterpretation.Therefore,acorrectionmethodbasedoninterpolationisprovided.Theexperimentalresultsonsimulateddataandrealdatashowthevalidityoftheproposedmethodsinthisthesis.Keywords:SyntheticApertureRadar(SAR)motioncompensationparameterestimationphasegradientautofocus(PGA)geometricdistortioncorrection萬(wàn)方數(shù)據(jù) 目錄摘要ABSTRACT目錄第一章緒論..............................................................................................................11.1研究背景及意義............................................................................................11.2機(jī)載SAR發(fā)展概況......................................................................................21.3機(jī)載SAR成像算法及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償概述...........................................................31.4本文研究?jī)?nèi)容................................................................................................4第二章SAR成像基礎(chǔ)..............................................................................................72.1SAR工作模式................................................................................................72.2SAR成像幾何模型........................................................................................82.3脈沖壓縮原理................................................................................................92.3.1線性調(diào)頻信號(hào).....................................................................................92.3.2脈沖壓縮過(guò)程...................................................................................112.4成像效果評(píng)估指標(biāo)......................................................................................122.5本章小結(jié).....................................................................................................13第三章SAR成像算法............................................................................................153.1距離多普勒算法..........................................................................................153.1.1距離多普勒算法推導(dǎo).......................................................................153.1.2正側(cè)視RD成像算法........................................................................183.1.3斜視RD成像算法............................................................................233.2ChirpScaling算法........................................................................................263.2.1CS算法推導(dǎo)......................................................................................263.2.2CS算法點(diǎn)目標(biāo)仿真..........................................................................293.3本章小結(jié).....................................................................................................31第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法.....................................................................334.1SAR運(yùn)動(dòng)誤差模型分析..............................................................................344.2多普勒參數(shù)估計(jì)..........................................................................................354.2.1多普勒中心頻率估計(jì).......................................................................354.2.2多普勒調(diào)頻率估計(jì)...........................................................................394.3垂直于航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償..................................................................................414.3.1基于多普勒參數(shù)估計(jì)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì).............................................41萬(wàn)方數(shù)據(jù) 4.3.2基于估計(jì)參數(shù)的垂直航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償.................................................434.4沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償..........................................................................................454.5相位梯度自聚焦算法(PGA)........................................................................494.5.1PGA算法流程...................................................................................494.5.2PGA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理...........................................................................514.6本章小結(jié)......................................................................................................53第五章沿航向幾何形變.........................................................................................555.1沿航向幾何形變的產(chǎn)生..............................................................................555.2沿航向幾何形變的校正..............................................................................575.2.1仿真數(shù)據(jù)幾何形變校正....................................................................575.2.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)幾何形變校正....................................................................595.3本章小結(jié)......................................................................................................60第六章結(jié)束語(yǔ)........................................................................................................616.1工作總結(jié)......................................................................................................616.2工作展望......................................................................................................62致謝........................................................................................................................63參考文獻(xiàn)....................................................................................................................65作者在攻讀碩士學(xué)位期間（合作）的研究成果......................................................69萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第一章緒論1第一章緒論1.1研究背景及意義二戰(zhàn)期間，為了滿足軍事上的迫切需求，雷達(dá)技術(shù)獲得了快速的發(fā)展和廣泛[1]-[2]的應(yīng)用。由于雷達(dá)發(fā)射的電磁波通常在微波頻段，而微波頻段的電磁波在大氣中傳播時(shí)衰減很小，所以雷達(dá)的探測(cè)距離通?？梢赃_(dá)到幾百甚至上千公里。早[3]期的雷達(dá)系統(tǒng)功能比較單一，主要用來(lái)探測(cè)目標(biāo)的速度、位置和角度。伴隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)波束照射區(qū)域內(nèi)不同目標(biāo)進(jìn)行精確描述，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的高分辨率成像，成為了雷達(dá)研究新的發(fā)展方向，合成孔徑雷達(dá)(SyntheticApertureRadar，簡(jiǎn)寫(xiě)為SAR)的概念就是在這種應(yīng)用需求下提出來(lái)的。與被動(dòng)成像的光學(xué)傳感器不同，合成孔徑雷達(dá)自身發(fā)射電磁波，所以它是一種主動(dòng)式成像[4]系統(tǒng)。在云霧天氣，無(wú)光照條件下，合成孔徑雷達(dá)成像結(jié)果幾乎不受影響，能和光學(xué)成像系統(tǒng)起到很好的互補(bǔ)作用，有時(shí)甚至比光學(xué)傳感器具有更好的目標(biāo)表[5]征能力。合成孔徑雷達(dá)，顧名思義，就是把真實(shí)小孔徑天線合成一個(gè)等效大孔徑天線的雷達(dá)。類似于光學(xué)圖片，合成孔徑雷達(dá)能對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)二維高分辨[1]率成像。其中距離向上的高分辨率是通過(guò)雷達(dá)發(fā)射大帶寬的線性調(diào)頻信號(hào)，然后對(duì)接收到的目標(biāo)回波進(jìn)行脈沖壓縮獲得；而方位向上的高分辨率則是通過(guò)雷達(dá)在不同位置對(duì)同一目標(biāo)得到的回波信號(hào)，進(jìn)行相干積累得到的。[4]合成孔徑雷達(dá)具有全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)距離、高分辨和寬測(cè)繪帶等優(yōu)勢(shì)，在目標(biāo)跟蹤與識(shí)別、災(zāi)情評(píng)估、動(dòng)目標(biāo)顯示、農(nóng)作物產(chǎn)量估計(jì)、高程測(cè)量、環(huán)境[2]變化和水污染檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。由于雷達(dá)信號(hào)能夠穿透一些干砂類的物質(zhì)，在SAR圖像中，也能檢測(cè)到一些地下特征：如美國(guó)發(fā)射的星載合成孔徑雷達(dá)SIR-A通過(guò)對(duì)地球表面進(jìn)行測(cè)繪，發(fā)現(xiàn)了埋藏在撒哈拉沙漠下的古河道，[6]引起了世界的震驚。機(jī)載SAR平臺(tái)在飛行過(guò)程中，容易受到氣流的影響，導(dǎo)致飛機(jī)的飛行軌跡偏[7]離理想的航跡，這會(huì)對(duì)SAR的高分辨成像帶來(lái)很大的影響，為了獲得理想的SAR成像結(jié)果，需要對(duì)錄取的原始回波進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。常用的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方式有兩[8]種：基于高精度慣導(dǎo)的直接運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法和基于原始回波數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方式，由于受到技術(shù)的制約，國(guó)內(nèi)飛機(jī)平臺(tái)上掛載的慣導(dǎo)精度普遍較低，所以基于數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方式是目前雷達(dá)高分辨成像的一個(gè)研究熱點(diǎn)，本文采用的就是基于數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方式，通過(guò)回波數(shù)據(jù)對(duì)多普勒參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)、補(bǔ)償，從而獲得高質(zhì)量的SAR圖像。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究1.2機(jī)載SAR發(fā)展概況[9]合成孔徑的概念是在20世紀(jì)50年代初提出來(lái)的。早期雷達(dá)的分辨能力很[10]低，為了能對(duì)觀測(cè)目標(biāo)更好的識(shí)別、分類，增強(qiáng)對(duì)觀測(cè)對(duì)象的表征能力，必須提高雷達(dá)的兩維分辨率?？v向高分辨率的獲得相對(duì)容易一些，可以通過(guò)增大發(fā)射信號(hào)的帶寬實(shí)現(xiàn)，由分辨率公式??cB2可知，要達(dá)到亞米級(jí)的分辨率，只需要發(fā)射幾百兆赫茲帶寬的信號(hào)；而橫向分辨的提高，則比較困難，因?yàn)樗枰走_(dá)[11]天線擁有極大的孔徑，當(dāng)要求橫向分辨率為米級(jí)時(shí)，理論上雷達(dá)的實(shí)際孔徑通常要達(dá)到幾百米，如此大孔徑的天線，很難實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的掛載。1951年美國(guó)的CarlWiley等人提出可以通過(guò)利用回波的多普勒來(lái)改善雷達(dá)的[4]方位分辨率；1953年夏，在美國(guó)Michigan大學(xué)的一個(gè)討論會(huì)上，與會(huì)的學(xué)者提[8]出了合成孔徑的概念，真正開(kāi)啟了合成孔徑雷達(dá)的研究；到1957年Michigan[1]大學(xué)雷達(dá)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)室就獲得了第一張聚焦型SAR圖像。接下來(lái)的十余年間，軍方的需求不斷推動(dòng)著SAR技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)70年代以后，由于計(jì)算機(jī)性能的提高，以及更加高效算法的提出，SAR成像技術(shù)開(kāi)始了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，尤其是近些年來(lái)，國(guó)際上各種型號(hào)的機(jī)載SAR系統(tǒng)層出不窮，如德國(guó)DLR研制的E-SAR、美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Mini-SAR、丹麥的KRAS、美國(guó)休斯公司研制的HISAR、德國(guó)FGAN研制的PAMIR等。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的Mini-SAR，工作在Ku波段，重量輕，非常適合無(wú)人機(jī)的搭載。圖1.1是機(jī)載Mini-SAR對(duì)地面坦克目標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果，分辨率達(dá)到了0.1m×0.1m。圖1.1Mini-SAR成像結(jié)果自上世紀(jì)70年代，我國(guó)也開(kāi)始了關(guān)于機(jī)載SAR成像技術(shù)的研究，經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展在多功能雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)成像算法實(shí)現(xiàn)、參數(shù)估計(jì)等技術(shù)方面取萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第一章緒論3得了巨大進(jìn)步。2010年國(guó)內(nèi)多家單位聯(lián)合研制的小型機(jī)載SAR系統(tǒng)進(jìn)行了多次試飛，得到了分辨率達(dá)到0.15m的機(jī)載SAR圖像；2011年，國(guó)內(nèi)科研人員歷時(shí)三年成功研制了“機(jī)載多波段多極化干涉合成孔徑雷達(dá)測(cè)圖系統(tǒng)”，這套測(cè)圖系統(tǒng)使我國(guó)在復(fù)雜地形測(cè)圖方面突破了惡劣氣象環(huán)境和復(fù)雜地理?xiàng)l件的限制，真正做到了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地理國(guó)情。圖1.2為國(guó)內(nèi)某單位機(jī)載SAR成像結(jié)果，其雷達(dá)工作在X波段，成像分辨率為3m×3m。圖1.2國(guó)內(nèi)機(jī)載SAR成像結(jié)果1.3機(jī)載SAR成像算法及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償概述在機(jī)載SAR錄取回波的過(guò)程中，雷達(dá)波束照射區(qū)內(nèi)的任意一個(gè)目標(biāo)與雷達(dá)的瞬時(shí)斜距在不斷變化，斜距的改變會(huì)導(dǎo)致脈沖壓縮后，同一個(gè)目標(biāo)分布到不同的距離單元，也就是所謂的距離單元徙動(dòng)(RangeCellMigration,RCM)。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在方位向的精確聚焦，需要對(duì)距離徙動(dòng)進(jìn)行校正，而對(duì)距離徙動(dòng)校正的不同實(shí)[12]現(xiàn)方式正是區(qū)分不同成像算法的關(guān)鍵。機(jī)載SAR常用的成像算法有極坐標(biāo)算[13][16][18]法(PFA)、距離多普勒算法(RDA)、距離徙動(dòng)算法(RMA)和線頻調(diào)變標(biāo)算法[20](CSA)等，本節(jié)將針對(duì)這四種常用的成像算法做一個(gè)簡(jiǎn)單的概述。PFA是一種經(jīng)典的高分辨成像算法，最早在醫(yī)學(xué)成像中使用，后來(lái)被廣泛應(yīng)用到在機(jī)載聚束SAR成像中，該算法對(duì)回波數(shù)據(jù)使用了平面波假設(shè)，所以只適用[14]-[15]于小場(chǎng)景的成像。RDA是上世紀(jì)70年代為了處理SEASAT-SAR數(shù)據(jù)而提出的一種距離和方位分離處理的算法，該算法把回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到距離多普勒域進(jìn)[17][19]行處理，具有簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)。RMA起源于地震信號(hào)的處理，利用STOLT萬(wàn)方數(shù)據(jù) 4基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究插值來(lái)消除距離徙動(dòng)的影響，RMA是SAR成像的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)，但是該算法需要復(fù)雜的插值操作，處理效率偏低。CSA是20世紀(jì)90年代初由R.K.Raney等人提出[21]-[22]的一種避免插值的成像算法，該算法通過(guò)在原始回波中乘上一個(gè)小的線性調(diào)頻信號(hào)，從而使點(diǎn)目標(biāo)壓縮的位置發(fā)生改變，滿足了距離徙動(dòng)校正空變性的特點(diǎn)，[23][24]但斜視角很大時(shí)，該算法會(huì)失效。后來(lái)又有學(xué)者提出了非線性CS(NCS)算法、[25]頻率變標(biāo)(FS)算法，NCS算法適用于大斜視角直采數(shù)據(jù)的處理，而FS則主要用來(lái)處理以dechirp方式接收的回波數(shù)據(jù)。常規(guī)SAR成像算法都是假設(shè)雷達(dá)平臺(tái)沿理想軌跡運(yùn)動(dòng)，由于衛(wèi)星軌道平穩(wěn)，星載SAR近似滿足該條件；但是針對(duì)機(jī)載SAR平臺(tái)，考慮到氣流不穩(wěn)定因素，以及其他的一些外界干擾，很難保證載機(jī)沿理想航跡飛行，運(yùn)動(dòng)誤差不可避免。運(yùn)動(dòng)誤差會(huì)破壞SAR回波信號(hào)的相干性，給機(jī)載SAR高分辨成像帶來(lái)困難。[26]-[29]機(jī)載SAR運(yùn)動(dòng)誤差的補(bǔ)償方式大致分成兩種：基于慣導(dǎo)參數(shù)補(bǔ)償和基[30]-[34]于回波數(shù)據(jù)自適應(yīng)處理。基于高精度慣導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法是國(guó)外機(jī)載SAR最常用的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方式，但是由于國(guó)內(nèi)機(jī)載SAR系統(tǒng)的慣導(dǎo)系統(tǒng)精度相對(duì)較低，所以本文重點(diǎn)研究基于回波數(shù)據(jù)自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法。文獻(xiàn)[35]通過(guò)反射率偏移法(RDM)從原始回波數(shù)據(jù)中提取載機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。文獻(xiàn)[36]提出的相位梯度自聚焦(PGA)基于非參數(shù)化相位誤差模型，通過(guò)加權(quán)相加和迭代來(lái)提高相位誤差估計(jì)的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[47]針對(duì)地形起伏較大的場(chǎng)景提出了一種與地形和孔徑相關(guān)的新的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償策略。文獻(xiàn)[37]把相位誤差作為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行考慮，通過(guò)粒子群優(yōu)化方法對(duì)相位誤差進(jìn)行估計(jì)，從而對(duì)SAR圖像進(jìn)行重構(gòu)。文獻(xiàn)[38]通過(guò)加權(quán)相位梯度自聚焦(WPGA)估計(jì)出子孔徑中與距離無(wú)關(guān)的相位誤差，然后再通過(guò)局部最大似然WPGA搜索出與距離相關(guān)的相位誤差，對(duì)得到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。1.4本文研究?jī)?nèi)容本文主要對(duì)機(jī)載合成孔徑雷達(dá)成像的原理、成像算法和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法等進(jìn)行了深入研究。對(duì)常用的RDA，CSA等成像算法做了詳細(xì)理論推導(dǎo)，并給出了仿真數(shù)據(jù)成像處理結(jié)果。對(duì)于SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理給出了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)耐暾鞒?，詳?xì)推導(dǎo)了由運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和不均勻采樣帶來(lái)的幾何形變問(wèn)題，提出了基于插值處理的幾何形變校正方法，機(jī)載SAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證文中所述方法的有效性。本文共分六章，各章主要內(nèi)容如下：第一章為緒論，首先簡(jiǎn)述了課題研究的背景及意義，敘述了國(guó)內(nèi)外機(jī)載SAR的發(fā)展概況，介紹了常用成像算法和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法及其發(fā)展現(xiàn)狀，最后給出本文萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第一章緒論5研究?jī)?nèi)容的結(jié)構(gòu)。第二章為合成孔徑雷達(dá)成像基礎(chǔ)，首先介紹了SAR的幾種常用工作模式，接著介紹了SAR的二維高分辨原理以及成像基本模型；最后給出了后續(xù)處理中常用到的一些術(shù)語(yǔ)的定義。第三章為合成孔徑雷達(dá)成像算法，基于正側(cè)視和斜視兩種情況下給出了RD和CS兩種成像算法的理論推導(dǎo)，并分別利用仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像算法驗(yàn)證。第四章為基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理對(duì)基于回波數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償進(jìn)行深入研究，詳細(xì)介紹了多普勒中心和多普勒調(diào)頻率等多普勒參數(shù)的估計(jì)方法。并建立了機(jī)載SAR運(yùn)動(dòng)誤差的信號(hào)模型，從沿航向和垂直于航向兩個(gè)方面對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行分析。為了滿足成像質(zhì)量要求更高的成像需求，本章詳細(xì)介紹了相位梯度自聚焦(PGA)的方法，給出了PGA的處理流程以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。第五章為沿航線幾何形變校正，由于在做沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)采用的是統(tǒng)一相位補(bǔ)償?shù)姆绞?，這種方式會(huì)引入沿方位向空變的幾何形變。另外回波在方位向的采樣不均勻，也會(huì)引入方位向的幾何形變。所以本章對(duì)方位向的幾何形變校正問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和仿真，并給出了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)幾何形變校正的處理結(jié)果。最后，在第六章中對(duì)全文所做工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)下一步工作做了安排。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 6基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第二章SAR成像基礎(chǔ)7第二章SAR成像基礎(chǔ)合成孔徑雷達(dá)本質(zhì)上仍是一種相干寬帶雷達(dá)，其具體硬件結(jié)構(gòu)和一般的相干[4]雷達(dá)沒(méi)有任何區(qū)別。在SAR數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，通常將沿雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向稱為方位向或沿航向，將與其垂直的方向稱為距離向或徑向。SAR通過(guò)發(fā)射寬帶信號(hào)和脈沖壓縮處理獲得距離向高分辨率，利用雷達(dá)平臺(tái)與觀測(cè)目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的多普勒和方位聚焦處理獲得方位向高分辨率，因此，SAR成像能實(shí)現(xiàn)距離和方位上的二維高分辨。另外，SAR信號(hào)處理也是一個(gè)典型的逆問(wèn)題，可以利用回[39]波和匹配濾波器重構(gòu)來(lái)觀測(cè)場(chǎng)景區(qū)域的散射特性。2.1SAR工作模式[2]SAR按照波束的掃描方式可以分為三類：條帶式SAR、聚束式SAR和掃描式SAR，圖2.1是三種工作模式的示意圖。條帶式SAR聚束式SAR掃描式SAR圖2.1SAR工作模式示意圖條帶式SAR(StripmapSAR)：在這種工作模式下，天線的指向不隨雷達(dá)平臺(tái)的移動(dòng)發(fā)生改變，天線以恒定速度掃過(guò)目標(biāo)區(qū)域，對(duì)觀測(cè)區(qū)域的一定寬度進(jìn)行成像。條帶的長(zhǎng)度取決于雷達(dá)錄取數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，合成孔徑的長(zhǎng)度決定了方位向的分辨率。聚束SAR(SpotlightSAR)：SAR成像原理中可以通過(guò)增大目標(biāo)區(qū)域的照射波束寬度，增大等效的合成孔徑長(zhǎng)度，從而提高方位分辨率。增大合成孔徑長(zhǎng)度有兩種方式，第一種方法是通過(guò)改變雷達(dá)本身的波束寬度，第二種方式是采用聚束模式。雷達(dá)工作在聚束模式下天線波束的指向，會(huì)隨著雷達(dá)飛行而逐漸調(diào)整，從而使波束始終指向目標(biāo)區(qū)域。但是這會(huì)導(dǎo)致波束在地面的覆蓋區(qū)域是不連續(xù)的，即一次只能對(duì)一個(gè)有限的目標(biāo)區(qū)域成像，該成像模式適合于小場(chǎng)景高分辨率成像情況。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 8基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究掃描式SAR(ScanSAR)：這種模式與條帶式比較相似，兩者最大的不同在于天線會(huì)在一個(gè)合成孔徑時(shí)間內(nèi)沿著距離向多次掃描。在該模式下，雷達(dá)的方位分辨率等于掃描條帶數(shù)與條帶式下的方位分辨率的乘積。該成像模式適合于大場(chǎng)景低分辨率的普查成像情況。由于條帶模式是目前遙感合成孔徑雷達(dá)的主流模式，同時(shí)為其它工作模式提供參考，所以本文只重點(diǎn)介紹條帶模式下SAR數(shù)據(jù)處理方法。2.2SAR成像幾何模型雷達(dá)軌跡?BW??0測(cè)繪帶寬HRRS0O圖2.2機(jī)載SAR成像幾何模型圖2.2是機(jī)載條帶式SAR成像的幾何模型。其中，雷達(dá)平臺(tái)到地面的垂直距離H表示平臺(tái)的飛行高度，平臺(tái)的飛行軌跡到場(chǎng)景中心的垂直距離R表示雷達(dá)平0臺(tái)到場(chǎng)景中心的最近距離，R與H的夾角?表示雷達(dá)的俯仰角，R表示雷達(dá)平臺(tái)0S到場(chǎng)景中心的斜距，R與R的夾角?表示波束射線指向的斜視角，當(dāng)?的角度S000為零時(shí)，RR?，此時(shí)雷達(dá)處于正側(cè)視狀態(tài)。?表示波束寬度，當(dāng)雷達(dá)的波長(zhǎng)S0BW一定時(shí)，波束寬度直接決定了雷達(dá)方位向的分辨率。為了滿足合成陣列的要求，雷達(dá)以速度V沿直線航線飛行(不考慮運(yùn)動(dòng)誤差)，并發(fā)射和接收周期性的寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，以快時(shí)間t?(對(duì)應(yīng)光速c)和慢時(shí)間t(對(duì)應(yīng)飛行速度V)錄取數(shù)據(jù)，因m為雷達(dá)的飛行速度V相對(duì)于光速c很小，所以在一次回波內(nèi)由雷達(dá)的飛行速度V引起的相位變化可以忽略不計(jì)，這就是所謂的“一步一?！奔僭O(shè)條件。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第二章SAR成像基礎(chǔ)9載機(jī)的航跡與斜距組成的平面稱為數(shù)據(jù)錄取平面，對(duì)波束照射區(qū)域內(nèi)的任意一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，其回波的錄取都會(huì)投影到該平面進(jìn)行記錄。換句話說(shuō)，SAR在三維空間里只能實(shí)現(xiàn)二維的高分辨。圖2.3為雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取平面示意圖，對(duì)于場(chǎng)景內(nèi)的任意一點(diǎn)在波束照射過(guò)程中，如果把雷達(dá)每次采樣的位置當(dāng)成一個(gè)陣元，所有[9]陣元可以形成一個(gè)虛擬的大孔徑天線，這也就是合成孔徑名稱的由來(lái)。z數(shù)據(jù)錄取平面線航y(tǒng)0場(chǎng)景中心線（基準(zhǔn)線）x圖2.3雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取示意圖2.3脈沖壓縮原理2.3.1線性調(diào)頻信號(hào)前面已經(jīng)介紹過(guò)，SAR距離上的高分辨是由于雷達(dá)發(fā)射寬帶信號(hào)，對(duì)回波進(jìn)行匹配濾波得到的。而線性調(diào)頻信號(hào)是SAR系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛一種信號(hào)形式，其瞬時(shí)頻率是時(shí)間的線性函數(shù)。在時(shí)域中線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式為??t2st????rect??exp?j2?ftj??t?(2-1)??Tc??p其中?TP1...t???t??2rect????(2-2)TT??P?P0...t???2T為脈沖持續(xù)時(shí)間，rect是脈沖的矩形包絡(luò)，f是信號(hào)的載頻，?是線性調(diào)pc頻率。為了分析的方便，假設(shè)信號(hào)的載頻為零，則信號(hào)的表達(dá)式為??t2st???rect??exp?j??t?(2-3)??T??p萬(wàn)方數(shù)據(jù) 10基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究圖2.4給出了一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)的示例，信號(hào)的帶寬為200MHz，脈沖持續(xù)時(shí)間為10?s。由圖2.4(a)和圖2.4(b)可以明顯看出，實(shí)部和虛部均為震蕩函數(shù)，離時(shí)間原點(diǎn)越遠(yuǎn)，震蕩頻率越大。式(2-3)中的指數(shù)項(xiàng)代表相位，單位是弧度2??tt????(2-4)圖2.4(c)中脈沖相位為時(shí)間的二次函數(shù)。對(duì)時(shí)間微分后的瞬時(shí)頻率為211dt???dt????ft????(2-5)22??dtdt瞬時(shí)頻率的單位是Hz，由式(2-5)可以看出線性調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率f是時(shí)間t的線性函數(shù)，斜率是?。信號(hào)的帶寬就是調(diào)頻斜率的絕對(duì)值與信號(hào)持續(xù)時(shí)間的乘積BT??(2-6)p信號(hào)帶寬是一個(gè)重要的參數(shù)，通過(guò)后面的分析可以得到，發(fā)射信號(hào)的帶寬直接決定了雷達(dá)距離上的分辨率。110.50.500幅度幅度-0.5-0.5-1-1-505-505時(shí)間(?s)時(shí)間(?s)(a)信號(hào)的實(shí)部(b)信號(hào)的虛部010050斜率=?-5000弧度MHz-1000-50-1500-100-505-505時(shí)間(?s)時(shí)間(?s)(c)信號(hào)的相位(d)信號(hào)的頻率圖2.4線性調(diào)頻脈沖示意圖萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第二章SAR成像基礎(chǔ)112.3.2脈沖壓縮過(guò)程在雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中，常用的方式是通過(guò)發(fā)射脈沖信號(hào)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)的距離、速度、形狀進(jìn)行測(cè)量。為了保證測(cè)量有效，接收脈沖必須具有足夠強(qiáng)的能量和足夠高的分辨率。足夠強(qiáng)的能量意味著接收信號(hào)的SNR必須足夠高，而足夠高的分辨率又意味著每個(gè)目標(biāo)回波的持續(xù)時(shí)間必須足夠短。所以為了同時(shí)滿足以上兩個(gè)要求，在不做任何處理的情況下，雷達(dá)必須發(fā)射峰值功率非常高的窄脈沖，而這在工程上是很難實(shí)現(xiàn)的。通常采用的方法是雷達(dá)發(fā)射信號(hào)長(zhǎng)度遠(yuǎn)高于分辨率所要求的脈沖長(zhǎng)度的信號(hào)，通過(guò)對(duì)接收到的回波進(jìn)行脈沖壓縮處理，從而得到一個(gè)峰值功率足夠高的窄脈沖。脈沖壓縮是一種廣泛用于雷達(dá)、聲吶、地震、和其他探測(cè)系統(tǒng)的信[4]號(hào)處理技術(shù)。脈沖壓縮的效果由脈沖壓縮比來(lái)表示，它是雷達(dá)發(fā)射脈沖信號(hào)的長(zhǎng)度與壓縮后脈沖信號(hào)的長(zhǎng)度之比。常用的線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮比可達(dá)幾百甚至幾千量級(jí)。線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)匹配濾波的過(guò)程。設(shè)發(fā)射信號(hào)st??為式(2-1)，則t0時(shí)延后的接收到的目標(biāo)回波可表示為??tt?2st????rect0exp??j???tt?(2-7)r????0T??P由匹配濾波理論可知，將回波信號(hào)壓縮到t的匹配濾波器ht??的時(shí)域表達(dá)式0為發(fā)射信號(hào)st??時(shí)間反褶后的復(fù)共軛??t2ht????rect??exp?j??t?(2-8)T??P匹配濾波的輸出結(jié)果為sout?t???str??ht????(2-9)???suhtudur??????通過(guò)駐定相位點(diǎn)法，得到壓縮后的輸出結(jié)果近似為sinc函數(shù)s??Tsinc???Ttt??(2-10)outP??P0圖2.5示意了基帶信號(hào)的匹配濾波過(guò)程。圖2.5(a)給出的是去除時(shí)延后點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)的實(shí)部，圖2.5(b)為經(jīng)過(guò)脈沖壓縮之后回波信號(hào)的幅度。仿真過(guò)程中假設(shè)接收到的原始回波信號(hào)的長(zhǎng)度為10?s，則經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后信號(hào)的3dB寬約為0.005?s，壓縮比近似為2000。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 12基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究10000180000.560000幅度幅度4000-0.52000-10-505-505時(shí)間(?s)時(shí)間(?s)(a)信號(hào)的實(shí)部(b)壓縮后的信號(hào)圖2.5基帶線性調(diào)頻信號(hào)的匹配濾波2.4成像效果評(píng)估指標(biāo)沖激響應(yīng)寬度(IRW)：沖激響應(yīng)3dB主瓣的寬度，在SAR成像中又稱為圖像的分辨率。距離分辨率c???(2-11)r2其中c是光速，?是線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮之后的3dB主瓣的寬度，由于信號(hào)的雙程傳播，所以等效速度為c2。由式(2-10)可知線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖壓縮之后是sinc函數(shù)，信號(hào)的時(shí)寬帶寬積近似為1，即???B1。所以距離向的分辨率為cc????(2-12)r22B同樣的道理，方位分辨率???Vt(2-13)amV是雷達(dá)的速度，?t是方位壓縮之后信號(hào)的3dB主瓣的寬度。經(jīng)過(guò)分析知m道，方位向信號(hào)近似為線性調(diào)頻信號(hào)，所以方位向信號(hào)壓縮之后也是一個(gè)sinc函數(shù)，多普勒帶寬近似為2V??f(2-14)dDD為天線的實(shí)際孔徑，所以經(jīng)過(guò)方位壓縮之后方位向的分辨率VD???Vt??(2-15)am?f2d峰值旁瓣比(PSLR)：峰值旁瓣比是指最大旁瓣與主瓣的高度比，以分貝(dB)萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第二章SAR成像基礎(chǔ)13表示。峰值旁瓣比的表達(dá)式??AsidelobePSLR?20log??(2-16)10A??mainlobeA表示第一旁瓣的幅度，A表示主瓣的幅度。在不加窗的情況下，sidelobemainlobe理想條件下，脈沖壓縮后PSLR約為-13.2dB。SAR圖像中的PSLR需要小于該值，否則弱目標(biāo)會(huì)被鄰近的強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)所掩蓋。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，為了降低PSLR，需要使用銳化窗，常用的銳化窗函數(shù)有海明窗，漢寧窗等。積分旁瓣比(ISLR):雖然圖像是二維的，但通常做法是在一維上分析旁瓣的功率。積分旁瓣比通過(guò)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)剖面圖的峰值周圍信號(hào)功率進(jìn)行積分得到。積分旁瓣比的表達(dá)式為??PP?totalmainISLR?10log??(2-17)10P??mainP為點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)的總功率，P為主瓣功率。主瓣的寬度以峰值為中心，totalmain相鄰零點(diǎn)為主瓣的寬度，ISLR不應(yīng)過(guò)大，否則SAR圖像中的暗回波區(qū)會(huì)被強(qiáng)鄰[2]近散射區(qū)所污染。不加窗的情況下典型一維ISLR約為-10dB，加窗之后ISLR約為-17dB。峰值位置：峰值位置是指SAR圖像中點(diǎn)目標(biāo)沖激響應(yīng)最大值的位置。該參數(shù)一般用于SAR圖像的幾何定標(biāo)(即圖像的相對(duì)以及絕對(duì)幾何定位精度)。SAR圖像作為一種重要的遙感測(cè)繪手段，最終處理出的圖像一般要加注經(jīng)度和緯度等地理位置信息。為了獲得測(cè)量的絕對(duì)精度，可以將圖像中的特殊目標(biāo)與地圖或勘測(cè)位置進(jìn)行對(duì)比。相對(duì)精度反映了場(chǎng)景中不同點(diǎn)之間的間隔，而與圖像的固定偏移和旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，換句話說(shuō)，圖像中目標(biāo)的形狀應(yīng)該是地面上目標(biāo)形狀的真實(shí)反映，測(cè)量出的目標(biāo)尺寸應(yīng)和地圖上標(biāo)注的尺寸一致。在第五章中討論的圖像的幾何形變校正，確定的主要是圖像的相對(duì)精度。2.5本章小結(jié)本章主要介紹了合成孔徑雷達(dá)成像的一些基本理論，為后面機(jī)載SAR成像的仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理打下基礎(chǔ)。本章首先介紹了SAR的三種工作模式，分別是條帶式、聚束式、掃描式；接著介紹了成像的幾何模型，回波數(shù)據(jù)錄取的過(guò)程，以及快時(shí)間，慢時(shí)間的基本概念。然后對(duì)算法中用到的脈沖壓縮技術(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式進(jìn)行了詳細(xì)的分析，仿真了線性調(diào)頻信號(hào)的示意圖；對(duì)脈沖壓縮的過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，同時(shí)給出了線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)距離壓縮之后的完整表達(dá)式，并通過(guò)圖像，對(duì)壓縮前后的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。最后，介紹了一些萬(wàn)方數(shù)據(jù) 14基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究常用的概念及圖像的評(píng)估指標(biāo)，包括分辨率、積分旁瓣比、峰值旁瓣比、圖像峰值位置等。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第三章SAR成像算法15第三章SAR成像算法合成孔徑雷達(dá)與常規(guī)脈沖雷達(dá)在系統(tǒng)構(gòu)造和工作方式上大致相同，自從合成孔徑雷達(dá)的概念提出以后，快速而高效的成像算法及其相關(guān)問(wèn)題一直是合成孔徑[5]雷達(dá)研究的熱點(diǎn)。緒論中已經(jīng)對(duì)成像算法做了簡(jiǎn)單地介紹，本章將重點(diǎn)討論兩種最常用的算法：距離多普勒算法、ChirpScaling算法。3.1距離多普勒算法距離多普勒算法(RDA)是在20世紀(jì)70年代為處理SEATSAT-SAR數(shù)據(jù)而提[17]出來(lái)的，該算法于1978年處理出第一幅機(jī)載SAR數(shù)字圖像。RD算法利用了距離和方位上速度的巨大差別，在兩個(gè)一維操作之間使用距離徙動(dòng)校正(RCMC)，對(duì)距離和方位進(jìn)行了近似的分離處理。1984年，JPL對(duì)RD算法進(jìn)行了二次距離[16]壓縮(SRC)改進(jìn)，以處理中等斜視下的回波數(shù)據(jù)。本節(jié)將針對(duì)正側(cè)視和斜視兩種情況下對(duì)距離多普勒算法進(jìn)行推導(dǎo)和仿真。3.1.1距離多普勒算法推導(dǎo)為了推導(dǎo)公式的方便，先給出SAR與點(diǎn)目標(biāo)的幾何關(guān)系圖，如圖3.1所示，點(diǎn)線表示雷達(dá)照射區(qū)域大小。假設(shè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)有一個(gè)強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)P，雷達(dá)到該點(diǎn)的最近距離為R，虛線R表示瞬時(shí)斜距，當(dāng)波束中心通過(guò)P時(shí)，雷達(dá)與P的距離為BR，為了具有一般性，假設(shè)雷達(dá)工作于斜視模式下，斜視角為?，當(dāng)波束中心線00通過(guò)目標(biāo)P時(shí)為方位慢時(shí)間t的起點(diǎn)。mRtan?B0PR0RRB?00AVtA?tm(X)m圖3.1SAR與點(diǎn)目標(biāo)幾何關(guān)系萬(wàn)方數(shù)據(jù) 16基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究22RtR?;??R??Vt?Rtan??(3-1)mBBmB0雷達(dá)在tt??域接收到的基頻回波是m??2;RtR?mB?sttR??,;mB???Awt0r???wta?m???c(3-2)2??????2;RtR?mB???4πexp??jπ???t???exp??jRtR?mB;?????c?????其中，A表示接收信號(hào)的幅度；t?代表距離向快時(shí)間；t表示方位向慢時(shí)間；0mwtr???代表距離向包絡(luò)(矩形窗函數(shù))；wtam??代表方位向包絡(luò)(sinc平方型函數(shù))；?代表發(fā)射脈沖的波長(zhǎng)；?代表距離向脈沖的調(diào)頻率；R代表雷達(dá)到點(diǎn)目標(biāo)的最近B斜距；RtR?;?代表雷達(dá)到點(diǎn)目標(biāo)的瞬時(shí)斜距。mB首先要進(jìn)行距離向匹配濾波，基頻回波做快時(shí)間域t?的傅里葉變換S1?ftRr,;mB??FTSttRr??????,;mB?(3-3)????SttR??,;mB?exp?j2?ftdtr?????時(shí)域信號(hào)的相位形式如式(3-4)所示2??2,RtR?mB?4???t???????t???2;?ftr??RtR?mB?(3-4)??c?對(duì)??t??關(guān)于t?求導(dǎo)可得??2,RtR?mB??'?t???2????t???2?f(3-5)r??c?'()t?*?0得到駐相點(diǎn)令?*fr2,RtR?mB?t??(3-6)?c將式(3-6)代入式(3-3)得到回波信號(hào)的距離向傅里葉變換為S1?ftRr,;mB??FTSttRr??????,;mB?2??f??frr??wrm???wt??exp??j???????44?????exp???jRtR?m;B?fr?exp?jRtR?m;B???c????2??f??f??4??w??rwt??exp???j?rexp?jRtR?;??f?f?(3-7)r???m???????cmBcr萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第三章SAR成像算法17再對(duì)方位向進(jìn)行傅里葉變換S?ffR,;??FTS???ftR,;?21raBa??rmB???S?ftR,;?exp?j2?ft?dt(3-8)?1rmBamm??方位向傅里葉變換式中的相位是2fr4??ffcr????tm?????RtR?m;2B???ftam(3-9)?c把式(3-1)代入式(3-9)，并對(duì)相位??t?關(guān)于慢時(shí)間t求導(dǎo)可得mm24???fc??fVr??tmRBtan0V?????tf????2(3-10)ma22cRB???VtmRBtan?0?*令???t??0得到方位向駐相點(diǎn)m????*??cRfBaRBtan?0t?????(3-11)mcf22V??21?f??fV?2a??cr2?2??4V?fcrf?*把方位向駐相點(diǎn)t代入式(3-8)，并令t?Rtan?V，得到mcB0??f????RfrBaS(,ffR;)??w??w??t2raBr???a??2??22c2V(1ff)(ff)??rcaaM2??frexp????jπexp?j2?ft?(3-12)ac?????22?f?f??f?exp????jR4?craB???????cV??2???式中fV?2?表示回波的最大多普勒。在整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程中，只是用了駐相aM點(diǎn)法，沒(méi)有做任何近似，所以SffR(,;)是回波信號(hào)二維頻域的精確表達(dá)。因2raB2為ff??，在窗函數(shù)中近似認(rèn)為(1?ff)=1。rcrc瞬時(shí)多普勒的表達(dá)式fV??2sin??，其中?為照射波束的瞬時(shí)斜視角，所a以sin??ff(3-13)aaM2cos???1?ff?(3-14)aaM以后在公式推導(dǎo)中使用的sin?，cos?均是指這兩個(gè)表達(dá)式。式(3-12)中第三個(gè)指數(shù)項(xiàng)包含了方位向調(diào)制、距離向和方位向的耦合，為了給出不同相位項(xiàng)的顯萬(wàn)方數(shù)據(jù) 18基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究式表達(dá)，式(3-12)的相位可以重寫(xiě)為以下的形式22?f?f??f?cra??ffR,;???4?R?????raBB?cV??2?24??Rcos2ffBrr??1??(3-15)222?ffcos?cos?cc對(duì)相位??ffR,;?在f?0處進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)raBr2fr??fr,fRa;B??????01?fRa;B????fRa;B?fr?(3-16)23???23?fRa;;B?fr??fRaB?fr?其中4?RRBBcos?2?22??fR;?????f?f(3-17)0aBaMa?V44??RRBB?1?fRaB;?????cccos?1(?ff)2aaM(3-18)2??sin???fR;2??R(3-19)2aBB23ccos?22??sin???fR;2???R(3-20)3aBB35ccos?..…式(3-16)中，相位??fR;?代表方位向的調(diào)制，??fR;?表示的是距離徙動(dòng)，0aB1aB是需要校正的部分，??fR;?則源自距離和方位的交叉耦合，交叉耦合項(xiàng)對(duì)于2aB大斜視角下目標(biāo)的聚焦尤其重要。當(dāng)在正側(cè)視或小斜視時(shí)，由于此時(shí)二次以上相位很小，所以此時(shí)只考慮二次及以下相位，當(dāng)斜視角很大時(shí)，為了保持良好的聚焦效果，必須考慮三次相位??fR;?。3aB從下面的分析可知，RD成像算法中，不同斜視角下的成像算法就是對(duì)二維頻譜相位??ffR,;?的不同近似。raB3.1.2正側(cè)視RD成像算法匹配濾波時(shí)，距離向包絡(luò)的寬度及位置由發(fā)射脈沖的寬度和回波的時(shí)延決定，方位向包絡(luò)的寬度與位置由雷達(dá)的方位波束寬度及斜視角決定，兩者對(duì)成像的質(zhì)量沒(méi)有影響，所以為了分析方便假設(shè)距離和方位向包絡(luò)仍用w和w表示。ra當(dāng)SAR工作在正側(cè)視或小斜視的情況下tan??0，此時(shí)不考慮式(3-16)中的0萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第三章SAR成像算法19三次及以上相位，對(duì)式(3-12)進(jìn)行重寫(xiě)??SffR(,;)w??frw??RfBa??????3raBr???a??22??21V??fafaM?2??fRrB??2?22exp????j?exp?jff???VaMa(3-21)????2??4?RB???sin?2exp???jfexp??2?RfrB23r??ccos???ccos?對(duì)式(3-21)進(jìn)行距離向傅里葉逆變換得到距離多普勒域的表達(dá)式??2(;RfRaaBB)??R?fStfR4(,?a;B)?wtr?????wa?????c??2V221(?ff)??aaM(3-22)??2(;RfR)22exp?????aBexp???22??j??e??t?????jRBfaM?fa????cV????式中111??(3-23)???eSRC212sin???RB23??ccosSRC(3-24)RfR(,)?Rcos?aBB(3-25)由式(3-22)可以看到，在距離多普勒域，距離向的調(diào)頻率由?變?yōu)榱?。調(diào)頻e率的改變是由于距離和方位向存在耦合，斜視角越大，?與?的差別也越大。換e句話說(shuō)，在f越大的地方，距離和方位的耦合現(xiàn)象越嚴(yán)重，所以當(dāng)正側(cè)視但波束a寬度很大，或是在斜視的情況下，為了保證精確的聚焦，在距離壓縮之后，需要通過(guò)二次壓縮(SRC)濾波器來(lái)校正耦合造成的散焦，在距離多普勒域SRC濾波器的調(diào)頻率就為?。SRC在正側(cè)視和小斜視的前提下，瞬時(shí)斜距通過(guò)泰勒展開(kāi)可以滿足如下近似2RfR(,)?Rcos??R1(?ff)aBBBaaM22?fa??RR(3-26)BB28V其中等式右邊的第二項(xiàng)代表距離徙動(dòng)量，可以很明顯看到距離徙動(dòng)具有空變性。當(dāng)測(cè)繪帶寬很大時(shí)，在整個(gè)測(cè)繪帶寬內(nèi)距離徙動(dòng)量變化很大，通常的做法是在距離多普勒域用插值來(lái)消除其影響，對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)二維頻域表達(dá)式為萬(wàn)方數(shù)據(jù) 20基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究??f??Rf?rBaSf(,fR;)?w??w??5raBr???a??22?2V1(ff)??aaM????224??RfBaexp????j??Rf(3-27)Br2??cV??82??fr??2?22exp???j?exp?jRf?f??BaMa???e??V由式(3-24)可以看出，SRC補(bǔ)償項(xiàng)是R和f的函數(shù)，即SRC和RCM一樣也Ba是空變的。在大場(chǎng)景、寬測(cè)繪帶時(shí)需要考慮SRC的空變性，從而保障處理的精度。理論上為了精確補(bǔ)償SRC，應(yīng)該在回波進(jìn)行距離脈壓之后，在距離多普勒域中將SRC函數(shù)合并進(jìn)RCMC插值函數(shù)中，但是由于合并后的濾波器，在長(zhǎng)度上比RCMC插值函數(shù)長(zhǎng)，增大了時(shí)間復(fù)雜度，同時(shí)SRC與R是弱相關(guān)的，通常的做B法是不考慮二次距離壓縮項(xiàng)的空變性，在二維頻域上進(jìn)行距離脈壓和SRC補(bǔ)償。R對(duì)應(yīng)載機(jī)到場(chǎng)景中心距離的垂直RBs212sin???R(3-28)s23??ccosSRC在二維頻域進(jìn)行距離壓縮，式(3-27)需要乘以一個(gè)參考信號(hào)，考慮到距離和方位的耦合，距離壓縮和二次距離壓縮同時(shí)進(jìn)行，此時(shí)參考信號(hào)在的調(diào)頻率為?(,fR)。參考信號(hào)的表達(dá)式為eas??12HffR(,;)?exp??j?f(3-29)1rasr?(,fR)??eas距離壓縮及二次相位補(bǔ)償之后，通過(guò)距離向的逆傅里葉變換將信號(hào)變換到距離多普勒域(,?;)sinc????2(RRB??)?exp??2?22StfR?????f??t??jRf?f(3-30)6aBnr??BaMa????cV??式(3-30)中的?R是距離脈壓之后的距離徙動(dòng)項(xiàng)，其表達(dá)式對(duì)應(yīng)式(3-26)中等式右邊的第二項(xiàng)，?f表示發(fā)射信號(hào)的帶寬，V表示雷達(dá)平臺(tái)的速度，為了分析方r便，距離脈壓后的幅度統(tǒng)一用?表示。為了保證同一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的回波都在同一個(gè)n距離單元內(nèi)，接下來(lái)要通過(guò)sinc插值對(duì)距離徙動(dòng)進(jìn)行校正，校正后的信號(hào)在距離多普勒域的表達(dá)式為(,?;)sinc?????2RBexp??2?22StfR?????f??t??jRf?f(3-31)7aBnr??BaMa????cV??式(3-31)中的最后一個(gè)指數(shù)項(xiàng)是方位需要補(bǔ)償?shù)舻南辔?，在方位多普勒域?gòu)造萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第三章SAR成像算法21脈壓函數(shù)??2?22HtfR??,;???exp??jRff(3-32)2aBBaMa??V將HtfR??,;?與式(3-31)相乘，對(duì)結(jié)果進(jìn)行方位向的傅里葉反變換得到壓縮2aB后的圖像????2RSttR(,;?)??sinc???f??t??Bsinc??ft?(3-33)0mBram????c式(3-33)中，?表示方位脈壓后信號(hào)的幅度，?f表示多普勒帶寬。至此正側(cè)a視下及小斜視下RD算法已經(jīng)推導(dǎo)完了，圖3.2(a)是正側(cè)視RDA的流程圖，圖3.2(b)是斜視狀態(tài)下RDA的流程圖，斜視狀態(tài)下RDA的推導(dǎo)將在下節(jié)給出。原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)距離向FFT距離向FFT方位向FFT方位向FFT三次相位補(bǔ)償距離壓縮距離壓縮SRC相位補(bǔ)償SRC相位補(bǔ)償距離向IFFT距離向IFFT插值校正距離徙動(dòng)插值校正距離徙動(dòng)方位匹配濾波方位匹配濾波方位向IFFT方位向IFFTSAR圖像SAR圖像(a)正側(cè)視RDA流程圖(b)斜視RDA流程圖圖3.2RD成像算法流程圖正側(cè)視RDA的推導(dǎo)過(guò)程已經(jīng)在前面給出，下面通過(guò)仿真對(duì)成像算法進(jìn)行驗(yàn)證，表3.1是正側(cè)視仿真參數(shù)，圖3.3是仿真結(jié)果。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 22基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究表3.1正側(cè)視仿真參數(shù)脈沖寬度5?s信號(hào)帶寬150MHz重復(fù)頻率250Hz載機(jī)速度160m/s波長(zhǎng)0.1225m天線尺寸1.8847m采樣率200MHz到場(chǎng)景中心斜距8000m?斜視角0目標(biāo)間隔200m400200500(m)01000距離距離向-2001500-4002000-400-200020040050010001500方位(m)方位向(a)點(diǎn)目標(biāo)位置分布圖(b)點(diǎn)目標(biāo)回波圖95095010001000距離向距離向10501050110011005001000150050010001500方位向方位向(c)SRC后場(chǎng)景中心距離多普勒域圖(d)場(chǎng)景中心距離徙動(dòng)校正結(jié)果400350200300(m)0250距離距離向-200200-400-400-2000200400200250300350方位(m)方位向(e)點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果(f)場(chǎng)景邊緣目標(biāo)等高線圖圖3.3正側(cè)視仿真結(jié)果示意圖觀察圖3.3中的仿真結(jié)果，圖(c)是距離脈壓和二次距離壓縮之后的結(jié)果，圖中存在很嚴(yán)重的距離徙動(dòng)，圖(d)是通過(guò)sinc插值進(jìn)行距離徙動(dòng)校正的結(jié)果，可以萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第三章SAR成像算法23看到，通過(guò)插值能夠有效的校正距離徙動(dòng)。圖(f)是場(chǎng)景邊緣目標(biāo)的等高線圖，為了觀察方便，做了8倍的插值，該點(diǎn)目標(biāo)距離向的峰值旁瓣比為-13.2940dB，積分旁瓣比為-9.9051dB，分辨率0.9375m；方位向的峰值旁瓣比為-13.2528dB，積分旁瓣比為-10.1092dB，分辨率0.9600m，成像處理過(guò)程中未對(duì)數(shù)據(jù)加窗，點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果良好。3.1.3斜視RD成像算法在正側(cè)視RD成像算法的討論中，通過(guò)泰勒展開(kāi)，對(duì)式(3-16)做了兩方面的近似。第一，忽略了相位項(xiàng)中三次及以上相位，當(dāng)斜視角很大時(shí)這樣的近似會(huì)導(dǎo)致距離脈壓后，距離向圖像不對(duì)稱；第二，在距離徙動(dòng)校正的過(guò)程中只考慮距離等式二次分解項(xiàng)，距離等式被近似為拋物線方程式，這種近似在窄波束、低斜視角的情況下是成立的。當(dāng)斜視角很大時(shí)，這種近似存在嚴(yán)重的誤差。隨著斜視角的增大，距離和方位的耦合現(xiàn)象更加嚴(yán)重，綜合以上兩點(diǎn)因素，本節(jié)將討論一種在斜視情況下仍然可以使用的RD成像算法。由前面的分析可知式(3-12)是二維頻譜的精確表達(dá)。為了能夠在斜視的情況下使用，在考慮三次相位的前提下對(duì)式(3-12)進(jìn)行重寫(xiě)??StfR(,?;)w??frw??RfBa?3aB??r???a?????22??21V??fafaM?2??fRrB??2?22exp???j??exp??j2ftac?exp???jfaM?fa(3-34)???e??V22??4?RRBB??2??sin?3exp????jfexp??jfrr35??ccos???ccos?正如在正側(cè)視RDA中分析的一樣，三次相位和SRC項(xiàng)都是隨目標(biāo)距離空變的，但是由于它們和距離是弱相關(guān)的，所以為了提高處理的效率，在距離脈壓的過(guò)程中均選取場(chǎng)景中心的距離R來(lái)代替空變的距離RsB22??123??2?Rs?sin?HffR(,;)?exp??j?fexp??jf(3-35)1rasr35r????e(,fRas)??ccos距離壓縮及三次相位補(bǔ)償之后，通過(guò)距離向的逆傅里葉變換將信號(hào)變換到距離多普勒域????2Rcos?StfR(,?;)??sinc???f??t??B4aBnr????c(3-36)??2?22exp??j2?ftac?exp???jRBfaM?fa??V萬(wàn)方數(shù)據(jù) 24基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究RDA中的RCMC在距離多普勒域中進(jìn)行，當(dāng)波束中心指向目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)與目標(biāo)的距離為參考斜距，即RCMC后目標(biāo)距離向的位置，由式可(3-36)得到RCMRRBBR??(3-37)RCMcos??cos0在大斜視的情況下不能再對(duì)R項(xiàng)進(jìn)行拋物線近似，這里直接用式(3-37)，RCM通過(guò)插值對(duì)距離徙動(dòng)量進(jìn)行校正得到????2Rcos?StfR(,?;)?Asinc???f??t??B05aBr????c(3-38)??2?22exp??j2?ftac?exp???jRBfaM?fa??V接下來(lái)的處理結(jié)果和正側(cè)視的類似，進(jìn)行方位向壓縮，參考函數(shù)為?,;exp2exp??2?22HtfR?????j?ft???jRff(3-39)2aBacBaMa??V方位匹配濾波后進(jìn)行方位向逆傅里葉變換得到結(jié)果如式(3-33)所示，下面通過(guò)仿真對(duì)斜視RD成像算法進(jìn)行驗(yàn)證，表3.2是斜視仿真參數(shù)，圖3.4是仿真結(jié)果。表3.2斜視RDA仿真參數(shù)脈沖寬度5?s信號(hào)帶寬150MHz重復(fù)頻率250Hz載機(jī)速度160m/s波長(zhǎng)0.1225m天線尺寸1.8847m采樣率200MHz到場(chǎng)景中心斜距8000m?斜視角20目標(biāo)間隔200m400500200(m)01000距離距離向-2001500-4002000-400-200020040050010001500方位(m)方位向(a)點(diǎn)目標(biāo)位置分布圖(b)目標(biāo)回波圖萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第三章SAR成像算法2550050010001000距離向距離向15001500200020005001000150050010001500方位向方位向(c)脈壓及三次相位校正后距離多普勒域結(jié)果(d)插值進(jìn)行距離徙動(dòng)校正結(jié)果400350200300(m)0250距離距離向-200200-400150-400-2000200400150200250300350方位(m)方位向(e)點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果(f)點(diǎn)目標(biāo)等高線圖圖3.4斜視RDA仿真結(jié)果圖3.4(c)中，距離脈壓及三次相位校正后，在距離向有明顯的距離走動(dòng)現(xiàn)象，走動(dòng)量可能達(dá)到數(shù)百個(gè)距離單元，所以必須對(duì)距離壓縮后的結(jié)果進(jìn)行距離徙動(dòng)校正，校正結(jié)果如圖3.4(d)所示。圖3.6(f)中，由于存在斜視角，所以旁瓣會(huì)出現(xiàn)傾斜，計(jì)算積分旁瓣比和峰值旁瓣比時(shí)，需要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。點(diǎn)目標(biāo)距離向的峰值旁瓣比為-13.3447dB，積分旁瓣比為-10.6652dB，分辨率為1.0313m；方位向的峰值旁瓣比為-13.2630dB，積分旁瓣比為-10.2873dB，分辨率為0.8800m。處理過(guò)程中未對(duì)數(shù)據(jù)加窗，成像結(jié)果良好。?本節(jié)所采用的斜視RD成像算法，在斜視角小于30，中等測(cè)繪帶寬內(nèi)都是適?用的。當(dāng)斜視角很大時(shí)(40以上)該算法的適用性會(huì)受到很大的限制。這里主要有兩方面的原因：一方面隨著斜視角的增大，距離和方位的耦合增強(qiáng)，此時(shí)式(3-16)中更高次的相位會(huì)對(duì)聚焦產(chǎn)生很大的影響；另一方面由于在三次相位處理和SRC過(guò)程中，未考慮距離的空變性，在大斜視角、大測(cè)繪帶寬下，這種近似會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)景邊緣處有很大的殘余相位，從而使場(chǎng)景邊緣目標(biāo)有很大的散焦。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 26基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究3.2ChirpScaling算法[5]RD算法是為民用星載SAR開(kāi)發(fā)的第一個(gè)成像算法，它具有簡(jiǎn)單，高效的特點(diǎn)，至今仍在廣泛使用。但是RD算法是通過(guò)插值來(lái)完成距離徙動(dòng)校正(RCMC)的，為了提高距離徙動(dòng)校正的精度，必須提高插值的精度，而插值的精度是由插值核決定，插值核越長(zhǎng)，精度越高，相應(yīng)的運(yùn)算量也就越大。CS算法避免了RCMC中的插值操作，該算法通過(guò)在原始回波中乘上一個(gè)小的線性調(diào)頻信號(hào)，從而使點(diǎn)[20]目標(biāo)壓縮的位置發(fā)生改變，滿足了距離徙動(dòng)校正空變性的特點(diǎn)。3.2.1CS算法推導(dǎo)由前面RDA的推導(dǎo)過(guò)程可知式(3-12)是回波信號(hào)在二維頻域的精確表達(dá)式。為了能讓CS算法在斜視角較大時(shí)也能使用，類似斜視下RDA的推導(dǎo)過(guò)程，在CS算法的推導(dǎo)過(guò)程中也考慮三次相位。與RDA不同的是在二維頻域只進(jìn)行三次相位的濾波，參考函數(shù)為22??2?Rs?sin?3HffR(,;)exp???jf(3-40)1ras35r??ccos?用式(3-34)與式(3-40)相乘，并變換到距離多普勒域得??StfR?,;wt???2R?fRaB;?w??RfB?ard?aB??r????a?????c22????21V??ffaaM???2exp;???2R?fRaB;???j??ea?fRB???t??(3-41)????c????2?22exp??j2?ftac?exp????jRBfaMfa??V其中RRBBRfR?;???(3-42)aBcos?1?ff2?aaM?由式(3-42)所示，目標(biāo)在距離多普勒域的斜距是關(guān)于最近距離R和多普勒頻B率f的函數(shù)。為了分析的方便，在圖3.5給出了距離多普勒域中RCM及其校正a示意圖。在圖3.5中，橫軸表示斜距，縱軸表示多普勒，實(shí)線表示近距、場(chǎng)景中心、遠(yuǎn)距處目標(biāo)在距離多普勒域的目標(biāo)軌跡，虛線表示場(chǎng)景中心處的目標(biāo)斜距在該點(diǎn)處的投影。R是場(chǎng)景中心的最近距離，假設(shè)雷達(dá)斜視角為?，當(dāng)波束中心照S0射到目標(biāo)時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的多普勒位置就是圖3.5中f所在的水平直線。由圖3.5dc萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第三章SAR成像算法27可以看到，在距離多普勒域中RCM存在明顯的空變性，距離越遠(yuǎn)，RCM越大，這給RCMC帶來(lái)了難度。RDA是通過(guò)插值實(shí)現(xiàn)RCMC的，但是插值的運(yùn)算量大，處理效率低，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)較為困難。本節(jié)的CS算法則避免了插值，它的基本思想是回波信號(hào)乘以一個(gè)變標(biāo)方程，讓場(chǎng)景中的所有目標(biāo)的RCM補(bǔ)償?shù)胶蛨?chǎng)景中心的RCM一致，即由P所在的實(shí)線校正到P所在的虛線。然后對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行統(tǒng)12一的RCMC，就可以把目標(biāo)軌跡校正到圖中的點(diǎn)線位置，即由P所在的虛線，校2正到P所在的點(diǎn)線，從而完成整個(gè)場(chǎng)景的RCMC。3faRfR?aB;?RfR?as;?P3?P2??P1fdcRSRBcos?0cos?0RsRBRf??a圖3.5距離多普勒域RCM及其校正示意圖[2]在這里給出如下定義：整體RCM：相對(duì)于多普勒中心處的整體距離徙動(dòng)RRBBRCM?fR;???(3-43)totalaBcos??cos0一致RCM：場(chǎng)景中心處的RCM即為一致RCMRRSSRCM?f???(3-44)bulkacos??cos0補(bǔ)余RCM：場(chǎng)景中的任意點(diǎn)目標(biāo)的補(bǔ)余RCM由式(3-43)所示的整體RCM減去式(3-44)中的一致RCM得到RCMdiff?fRa;;B???RCMtotal?fRaB?RCMbulk?fa??RR??RR?BBSS????????cos?cos?cos?cos??00?????cos???RR0BS????1???(3-45)??cos???cos?00cos?萬(wàn)方數(shù)據(jù) 28基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究在式(3-45)中第一個(gè)因子項(xiàng)就是接下來(lái)的變標(biāo)方程中使用到的變標(biāo)因子。與前面的RDA類似，在CS算法中距離向上仍使用場(chǎng)景中心的調(diào)頻率??fR;?代替eaS場(chǎng)景中隨距離空變的調(diào)頻率??fR;?，用變標(biāo)因子構(gòu)造線性調(diào)頻變標(biāo)方程eaB2????cos?0??2;RfR?aS?Htf??,??exp??j???fR;????1??t??(3-46)1aeaB????cos???c??把式(3-41)與式(3-46)相乘，做距離向傅里葉變換，得到二維頻域的表達(dá)式S11?fr,fa???FTHtfr??????,a?Srd?tfR?,a;B???AW1r?fWr?a?fafdc???4??RBcos????cos2exp????jexp??jf?????fR;?cos?r????eaB0??4?Rexp????jBfexp?j2?ft?(3-47)racccos???0??4???11exp????j??Rf??ccos??cosSr????02??4;??e?fRaB???cos???RBRSexp??j??1??????c2cos?cos??cos????0??為了分析方便用Wf??，W?f?f?分別代表距離和方位頻譜的包絡(luò)。式rraadc(3-47)中的六個(gè)指數(shù)項(xiàng)解釋如下：第一個(gè)指數(shù)項(xiàng)中包含方位項(xiàng)調(diào)制，這一項(xiàng)也是在方位壓縮時(shí)需要補(bǔ)償?shù)舻姆轿黄ヅ錇V波項(xiàng)。第二個(gè)指數(shù)項(xiàng)表示變標(biāo)后的距離調(diào)制，它是f的二次函數(shù)。r第三個(gè)指數(shù)項(xiàng)表征點(diǎn)目標(biāo)的壓縮位置，距離壓縮后，目標(biāo)的峰值出現(xiàn)在此處。第四個(gè)指數(shù)項(xiàng)是由于斜視造成的目標(biāo)在方位向上的幾何平移，這和第五章分析的幾何形變不是同一個(gè)概念。第五個(gè)指數(shù)項(xiàng)是式(3-44)所示的一致RCM，通過(guò)變標(biāo)方程去除了隨距離變化的補(bǔ)余RCM，遺留了由一致RCM表征的不隨距離變化的RCM。第六個(gè)指數(shù)項(xiàng)包含一個(gè)附加相位，它是距離和方位的函數(shù)，將在方位處理時(shí)予以補(bǔ)償。距離向上的濾波信號(hào)為???cos?2??4???11H??exp??jfexp??j??Rf(3-48)2????fR;?cos?r??ccos?cos?Sr??eaB00????通過(guò)相位相乘同時(shí)完成距離壓縮，SRC，以及一致RCM，補(bǔ)償?shù)羰?3-47)中的第二和第五個(gè)指數(shù)項(xiàng)得到式(3-49)萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第三章SAR成像算法29S21?fr,fa???AWr?fWr?a?fafdc???4??RRcos??4?BBexp???jexp???jfrexp??j2?ftac?(3-49)??????ccos02??4;??e?fRaB???cos???RBRrefexp??j??1????2????c??cos?0??cos?cos?前面假設(shè)??fR;?是不隨距離變化的，但實(shí)際中并非如此，因此通常使用測(cè)eaB繪帶中心處的??fR;?以使誤差最小化。通過(guò)距離向的IFFT完成所有距離處理，eaS得到距離多普勒域的信號(hào)????2Rcos?Stf??,??AsincBt??????B0W?f?f?32aaadc????c??4??RBcosexp????jexp?j2?ftac?(3-50)???2??4;??e?fRaB???cos???RBRSexp??j??1????2????c??cos?0??cos?cos?其中，A是一個(gè)由A和距離向傅里葉變換共同引入的復(fù)常數(shù)。距離向的包絡(luò)21是一個(gè)sinc函數(shù)。至此，只剩下與距離相關(guān)的方位調(diào)制和附加相位未被補(bǔ)償。下面作方位壓縮處理，并補(bǔ)償變標(biāo)引起的剩余相位函數(shù)，只需要乘以兩個(gè)指數(shù)項(xiàng)的復(fù)共軛，然后進(jìn)行方位向的IFFT??4??RBcosH3??exp??jexp?j2?ftac????(3-51)2??4;??e?fRaB???cos???RBRSexp???j??1????2????c??cos?0??cos?cos?方位匹配濾波后進(jìn)行方位向的逆傅里葉變換得到處理結(jié)果如式(3-33)所示。3.2.2CS算法點(diǎn)目標(biāo)仿真下面通過(guò)仿真對(duì)斜視CS成像算法進(jìn)行驗(yàn)證，表3.3是斜視仿真參數(shù)，圖3.6是CS算法仿真結(jié)果。表3.3斜視CS仿真參數(shù)脈沖寬度5?s信號(hào)帶寬150MHz重復(fù)頻率250Hz載機(jī)速度160m/s波長(zhǎng)0.1225m天線尺寸1.8847m采樣率200MHz到場(chǎng)景中心斜距8000m?斜視角20目標(biāo)間隔200m萬(wàn)方數(shù)據(jù) 30基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究400200500(m)距離01000距離向-2001500-4002000-400-200020040050010001500方位(m)方位向(a)點(diǎn)目標(biāo)位置分布圖(b)點(diǎn)目標(biāo)回波圖120012001250125013001300距離向距離向13501350140014005001000150050010001500方位向方位向(c)只進(jìn)行一致RCMC結(jié)果(d)整體RCMC結(jié)果400350200300(m)0250距離距離向-200200-400150-400-2000200400150200250300350方位(m)方位向(e)點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果(f)點(diǎn)目標(biāo)等高線圖圖3.6CS算法成像結(jié)果點(diǎn)目標(biāo)距離向的峰值旁瓣比為-13.2715dB，積分旁瓣比為-9.9711dB，分辨率為0.9375m；方位向的峰值旁瓣比為-13.2541dB，積分旁瓣比為-10.2717dB，分辨率為0.9600m。處理過(guò)程中未對(duì)數(shù)據(jù)加窗，成像結(jié)果良好。類似于RD成像算法，CS算法中，SRC過(guò)程中未考慮調(diào)頻率的空變性。當(dāng)雷達(dá)工作在中等斜視、中等測(cè)繪帶寬時(shí)，這種近似對(duì)成像結(jié)果影響不大，但是當(dāng)用于大斜視、大測(cè)繪帶寬的數(shù)據(jù)處理時(shí)，這樣的近似會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)景中心的目標(biāo)能夠精確的聚焦，而場(chǎng)景邊緣處萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第三章SAR成像算法31的目標(biāo)會(huì)出現(xiàn)殘余相位，不能精確聚焦，從而影響圖像的質(zhì)量。針對(duì)CS算法，為了解決這個(gè)問(wèn)題，有學(xué)者提出了非線性ChirpScaling(NCS)算法，即把變標(biāo)方程設(shè)計(jì)為非線性從而滿足調(diào)頻率空變性的條件，這里不再詳細(xì)討論，有興趣的讀者可以查閱文獻(xiàn)[24]。3.3本章小結(jié)本章主要介紹了兩種常用的成像處理算法：RDA和CSA。3.1節(jié)首先介紹了RDA的發(fā)展歷史，接著對(duì)RDA的二維頻域表達(dá)式給出了詳細(xì)的理論推導(dǎo)，然后針對(duì)正側(cè)視和斜視兩種不同的工作模式下，給出了RDA的完整的處理流程，包括距離壓縮、二次距離壓縮、RCMC、方位壓縮等等，最后通過(guò)仿真對(duì)理論推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證。雖然RDA形式簡(jiǎn)單，容易理解，但是由于RDA在RCMC過(guò)程中需要進(jìn)行插值，而插值本身是一項(xiàng)非常耗時(shí)的操作，這對(duì)算法實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。所以3.2節(jié)介紹了另外一種無(wú)需插值的成像算法CSA。CSA是通過(guò)構(gòu)造頻率變標(biāo)方程，把不同距離單元的RCM校正成和場(chǎng)景中心一致的RCM，然后通過(guò)相位相乘校正整個(gè)場(chǎng)景的RCM，由于這個(gè)處理過(guò)程僅需FFT和相位相乘，所以CSA在實(shí)現(xiàn)上很方便。在3.2節(jié)對(duì)CSA給出了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和仿真。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 32基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法33第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法第二章介紹了SAR成像的基本原理，第三章討論了SAR成像的常用算法。前面已經(jīng)提到，在整個(gè)分析過(guò)程中，均假設(shè)雷達(dá)平臺(tái)是工作在理想環(huán)境下的。而雷達(dá)平臺(tái)尤其是中低空機(jī)載雷達(dá)在錄取回波的過(guò)程中，由于氣流不穩(wěn)定，沿理想[40]航跡的勻速直線運(yùn)動(dòng)是很難實(shí)現(xiàn)的。如圖4.1所示為國(guó)內(nèi)某機(jī)載SAR某批次錄取數(shù)據(jù)時(shí)慣性測(cè)量單元(InertialMeasurementUnit，IMU)測(cè)得的雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖，和慣性導(dǎo)航單元(InertialNavigationSystem，INS)安裝在載機(jī)的質(zhì)心位置不同，IMU安裝在機(jī)載雷達(dá)的正上方，可以精確地測(cè)量雷達(dá)所在機(jī)身位置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖4.1(a)是載機(jī)的姿態(tài)采樣示意圖，三幅圖從上到下依次是橫滾角、俯仰角、航向角；圖4.1(b)是載機(jī)的速度采樣示意圖，三幅圖從上到下依次是正北速度、正東速度、向上速度。其中采樣率為1000Hz，總共記錄了大約33s。本章后續(xù)處理的原始回波數(shù)據(jù)也是基于此批次錄取的數(shù)據(jù)。36.2)362.65(度35.8(m/s)2.62.5535.62.5橫滾角35.4正北速度2.4535.20510152025303505101520253035時(shí)間(s)時(shí)間(s)0.3-154.4)0.2-154.5(度(m/s)0.1-154.6俯仰角0-154.7正東速度-0.105101520253035-154.805101520253035時(shí)間(s)時(shí)間(s)271.61)271.4(度(m/s)0.5271.20航向角271向上速度270.8-0.50510152025303505101520253035時(shí)間(s)時(shí)間(s)(a)姿態(tài)采樣示意圖(b)速度采樣示意圖圖4.1機(jī)載雷達(dá)運(yùn)動(dòng)誤差示意圖在圖(4.1)中，明顯可以看到，機(jī)載SAR在數(shù)據(jù)錄取過(guò)程中，平臺(tái)存在運(yùn)動(dòng)誤差。而運(yùn)動(dòng)誤差直接反映到回波的相位和包絡(luò)上，如果不對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，有可能會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量嚴(yán)重下降。本章將結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，研究一下合成孔徑雷達(dá)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法。目前，機(jī)載SAR運(yùn)動(dòng)誤差的補(bǔ)償方法大致分成兩種：基于高精度慣導(dǎo)參數(shù)的萬(wàn)方數(shù)據(jù) 34基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究補(bǔ)償和基于回波數(shù)據(jù)自適應(yīng)處理。前者主要依靠配備高精度的慣性導(dǎo)航單元和全球定位系統(tǒng)(GlobalPositionSystem，GPS)測(cè)量載機(jī)的實(shí)時(shí)精確運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到高精[41]度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч?，這種補(bǔ)償依賴于慣導(dǎo)精度，如果慣導(dǎo)精度不足以滿足高分辨成像的要求，得到的SAR圖像質(zhì)量會(huì)很差。相比之下，此時(shí)基于回波數(shù)據(jù)自適應(yīng)處理補(bǔ)償方法的精度比較高。雷達(dá)在錄取回波過(guò)程中，偏離理想航線的運(yùn)動(dòng)誤差會(huì)在錄取的回波數(shù)據(jù)的相位以及包絡(luò)中體現(xiàn)出來(lái)。例如，多普勒中心頻率反映[34]了垂直于航線的速度，而多普勒調(diào)頻率則與沿航向的速度有關(guān)。通常多普勒參數(shù)都是通過(guò)相位估算的，因此基于回波數(shù)據(jù)估計(jì)運(yùn)動(dòng)誤差的自適應(yīng)方法其精度可以達(dá)到與波長(zhǎng)同樣的數(shù)量級(jí)。4.1SAR運(yùn)動(dòng)誤差模型分析為了對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行精確補(bǔ)償，首先要了解SAR的運(yùn)動(dòng)誤差模型。圖4.2是機(jī)載雷達(dá)運(yùn)動(dòng)誤差的幾何示意圖，雷達(dá)工作在正側(cè)視條件下。圖中X軸所在的虛線對(duì)應(yīng)載機(jī)的理想航跡，實(shí)線代表載機(jī)的實(shí)際航跡。由于受到氣流的影響，實(shí)際航跡在理想航跡周圍來(lái)回的波動(dòng)。為了分析的方便，以載機(jī)理想航跡為X坐標(biāo)軸，垂直理想航跡為Y坐標(biāo)軸，Z軸滿足右手定則，建立如圖4.2所示的坐標(biāo)系，圖中的O點(diǎn)對(duì)應(yīng)方位慢時(shí)間的起點(diǎn)，圖中的A點(diǎn)?Xt(),??Yt(),Zt()?對(duì)應(yīng)雷達(dá)相mmm位中心在t時(shí)刻所在的位置，觀測(cè)區(qū)域內(nèi)有一點(diǎn)目標(biāo)PXYZ?,,?，那么在t時(shí)mnnnnm刻從雷達(dá)天線相位中心?Xt(),(),()YtZt?到第PXYZ?,,?的斜距Rt()可以表mmmnnnnm示為ZXYXt,,??YtZtoA??m??m??m??理想的航跡真實(shí)的航跡H?RRBPXYZn?n,,nn?圖4.2載機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差模型萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法35222Rt()m??Xt()m?Xn????Yt()m?Yn????Zt()m?Zn?22222??Xt()?X???Yt()??Zt()2??YtY()??2ZtZ()?Y?Z(4-1)mnmmmnmnnn22由圖4.2中的幾何關(guān)系可以明顯得到R??YZ，用最近斜距R和側(cè)視BnnB角?代表式(4-1)中的Y，Z得到nn2222Rt()m??Xt()m?Xn??RB??Yt()m??Zt()2m??YtR()mBsin????2ZtR()mBcos22??Xt()m?Xn??RB??2YtR()mBsin????2ZtR()mBcos22??Xt()m?Xn??RB??Yt()sinm????Zt()cosm(4-2)當(dāng)雷達(dá)工作在窄波束，正側(cè)視條件下，式(4-2)中的近似還是比較精確的。式(4-2)中第一項(xiàng)反映了雷達(dá)沿航向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)雷達(dá)沿航向的速度V存在波動(dòng)時(shí)，Xt?m?不再是嚴(yán)格意義上隨tm變化的線性函數(shù)，這將在后邊沿航向的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中詳細(xì)講解。式中的?Yt??，?Zt??對(duì)應(yīng)的是載機(jī)在垂直于航線上的波動(dòng)，當(dāng)載mm機(jī)在理想航跡上運(yùn)動(dòng)時(shí)?Yt??，?Zt??都應(yīng)該為零。所以式(4-2)中的后兩項(xiàng)反mm映的是垂直于航線沿雷達(dá)視線方向上的位置偏移。r()t??Yt()sin????Zt()cos(4-3)LOSmmm對(duì)式(4-3)兩端同時(shí)進(jìn)行二次求導(dǎo)，得到視線方向加速度為a()t??at()sin??at()cos(4-4)LOSmYmzm其中at()和at()分別為Y和Z方向上的加速度，在下面的分析中將給出Ymzm多普勒調(diào)頻率與視線方向加速度的關(guān)系，并根據(jù)估計(jì)的多普勒調(diào)頻率對(duì)加速度進(jìn)行估計(jì)。4.2多普勒參數(shù)估計(jì)由于載機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到氣流的影響會(huì)出現(xiàn)顛簸，另外加上飛控系統(tǒng)可能存在的誤差，如果直接讀取IMU中的參數(shù)計(jì)算多普勒參數(shù)，很難滿足高分辨成[42]像的要求。本節(jié)將基于回波數(shù)據(jù)對(duì)多普勒參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。4.2.1多普勒中心頻率估計(jì)多普勒中心頻率是SAR精確成像處理中所需要的重要參數(shù)。前面已經(jīng)提到，理論上講它可以通過(guò)IMU中的姿態(tài)信息和速度信息直接計(jì)算得到，但由于雷達(dá)系統(tǒng)的指向誤差，以及運(yùn)動(dòng)誤差造成的多普勒中心偏移，所得到的多普勒中心在精萬(wàn)方數(shù)據(jù) 36基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究度上通常無(wú)法滿足精確成像的要求。此時(shí)可以通過(guò)回波數(shù)據(jù)對(duì)多普勒中心進(jìn)行精[43]-[46]確的估計(jì)。由于方位信號(hào)是離散采樣的，采樣率為PRF，當(dāng)雷達(dá)工作在斜視狀態(tài)下時(shí)，多普勒中心的絕對(duì)值可能會(huì)大于PRF2。頻域信號(hào)的周期性導(dǎo)致在多普勒譜中觀測(cè)到的頻點(diǎn)限制在?PRF/2~PRF/2范圍內(nèi)，不在觀測(cè)范圍內(nèi)的頻率會(huì)以PRF為周期，折疊到?PRF/2~PRF/2范圍內(nèi)。所以當(dāng)斜視角很大時(shí)，多普勒頻率有兩部分組成：位于?PRF/2~PRF/2范圍內(nèi)的基帶頻率f?和除去基帶頻率后多普dc勒的模糊數(shù)N?PRF，即ambf?f??N?PRF(4-5)dcdcamb因此，對(duì)多普勒中心的估計(jì)分為兩部分：多普勒基帶中心頻率f?的估計(jì)和dc多普勒模糊數(shù)N的估計(jì)。amb1.多普勒基帶中心頻率估計(jì)常用的多普勒基帶中心頻率估計(jì)方法主要有基于幅度的估計(jì)方法和基于相位[2]的估計(jì)方法兩種。基于幅度估計(jì)法通過(guò)對(duì)觀測(cè)到的頻譜能量進(jìn)行擬合，得到功率譜峰值處的多普勒頻率，由于受到波束方向圖的調(diào)制，功率譜是關(guān)于多普勒中心對(duì)稱的，所以峰值處的頻率即是多普勒中心頻率。但是由于峰值處比較平坦，所以估計(jì)的精度相對(duì)較低。基于相位的估計(jì)方法，是利用回波數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)，來(lái)估計(jì)基帶中心，該方法又稱為相關(guān)函數(shù)法。由于該方法估計(jì)精度高，可以適合于大多數(shù)均勻場(chǎng)景的多普勒中心精確估計(jì)，所以本節(jié)將基于這種方法對(duì)多普勒中心進(jìn)行估計(jì)。令srt?,?為某一距離單元的方位回波，則由回波可以估計(jì)出相關(guān)函數(shù)在?處mk的取值為R?()???srtsrt(,)(,*)(4-6)hkkmk?rm,假設(shè)雷達(dá)工作在正側(cè)視理想航跡條件下，回波在方位向的功率譜為Sf()，0在沒(méi)有多普勒中心偏移時(shí)，相關(guān)函數(shù)R()?為實(shí)函數(shù)。在有多普勒中心偏移時(shí)，則0回波的功率譜Sf()??S?ff?，所以由傅里葉變換公式可得b0dcR()??R()exp??j2?f??(4-7)b0dc所以其相關(guān)函數(shù)在?處的取值為kR????R???exp?j2?f??(4-8)bk0kdck由于方位采樣信號(hào)的離散性，所以???k1PRF，為了計(jì)算的方便這里選取kk?1于是從R()?的相角可以估計(jì)出f?b1dc萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法37fR????PRFarg???()?(4-9)dc??b12?上式中arg[]?表示求相位操作，不論是基于幅度還是相位的多普勒中心估計(jì)，都要求估計(jì)的場(chǎng)景盡量是均勻的。如果場(chǎng)景中含有散射特性變化很大的多種目標(biāo)區(qū)域(如建筑物和湖面)，那么估計(jì)的精度會(huì)大大降低。另外為了提高估計(jì)的精度，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理中，通常會(huì)選取多個(gè)距離單元進(jìn)行估計(jì)，然后取平均，如圖4.3所示，在對(duì)1024個(gè)距離單元做平均后得到的多普勒基帶中心約為50.32Hz。110.80.80.60.60.40.40.20.20002004000200400(a)一個(gè)距離單元回波功率譜(b)16個(gè)距離單元回波功率譜平均110.80.80.60.60.40.40.20.20002004000200400(c)128個(gè)距離單元回波功率譜平均(d)1024個(gè)距離單元回波功率譜平均圖4.3不同數(shù)量距離單元的回波得到的功率譜2.多普勒模糊數(shù)估計(jì)式(4-9)中由指數(shù)求得的相位范圍為(???,]，如果f??12(有時(shí)會(huì)遠(yuǎn)大于dc112)，則估計(jì)的結(jié)果只是多普勒中心的基帶部分，所以還需要對(duì)多普勒模糊數(shù)進(jìn)行估計(jì)。與基帶中心頻率估計(jì)一樣，通過(guò)姿態(tài)測(cè)量可能無(wú)法得到準(zhǔn)確的多普勒模[2]糊數(shù)，因而提出了基于數(shù)據(jù)的改進(jìn)方法，典型的多普勒模糊解算方法(Dopplerambiguityresolver，簡(jiǎn)稱DAR)有波長(zhǎng)差異法，多視互相關(guān)法，以及多視差頻法。這里重點(diǎn)介紹波長(zhǎng)差異法。波長(zhǎng)差異法通過(guò)估計(jì)多普勒中心與距離頻率的變化關(guān)系，進(jìn)而得到絕對(duì)的中心頻率，下面詳細(xì)給出斜率求解多普勒中心的方法。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 38基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究22VVff??sin??sin(4-10)dc00?c其中，V為載機(jī)速度，?為雷達(dá)波長(zhǎng)，?為斜視角，c為光速，f為絕對(duì)多0dc普勒中心頻率，f表示發(fā)射信號(hào)的瞬時(shí)頻率，有f??ff，其中f為載頻，f為crcr距離頻率。由式(4-10)可知多普勒中心是瞬時(shí)頻率的線性函數(shù)即f?Kf?Kf??f??f?Kf(4-11)dccrdccr2VK?sin?(4-12)0c其中f表示頻率為載頻f時(shí)對(duì)應(yīng)的多普勒中心，是一個(gè)常數(shù)，對(duì)式(4-11)dccc兩端同時(shí)求導(dǎo)dfdc?K(4-13)dfr在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理中，常用的方法是首先估計(jì)出不同距離頻率f上的多普勒中r心頻率f，然后對(duì)曲線進(jìn)行擬合得到斜率K，最后根據(jù)K可以得到多普勒中心dc的估計(jì)值f?。通常使用波長(zhǎng)差異法估計(jì)出的多普勒中心頻率f?的誤差比較大，dcdc但誤差不會(huì)超過(guò)一個(gè)PRF，因此在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理中經(jīng)常使用的是采用波長(zhǎng)差異法作粗估計(jì)，得到模糊數(shù)N，而用相關(guān)函數(shù)法作精估計(jì)得到基帶中心頻率。amb最后得到精確的無(wú)模糊的多普勒中心頻率為f?f??roundf??PRFPRF??(4-14)dcdcdc本批次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為正側(cè)視，多普勒模糊數(shù)為零，這里不再對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多普勒模糊數(shù)的估計(jì)。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，會(huì)將錄取的方位數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，每塊數(shù)據(jù)均進(jìn)行了多普勒中心的估計(jì)。圖4.4是多普勒中心分塊估計(jì)結(jié)果。90807060504030多普勒中心估計(jì)值20100020406080100120方位單元分塊序號(hào)圖4.4多普勒中心估計(jì)結(jié)果萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法394.2.2多普勒調(diào)頻率估計(jì)除了多普勒中心頻率外，SAR成像處理的另一個(gè)重要多普勒參數(shù)是方位調(diào)頻率?。它直接影響SAR圖像的聚焦效果，所以多普勒調(diào)頻率的估計(jì)也是SAR成a[45]像處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多普勒調(diào)頻率的估計(jì)主要有圖像偏移算法(MD算法)，最小熵方法和對(duì)比度[2]方法等。MD算法的思想是先從原始回波中提取一部分?jǐn)?shù)據(jù)，分成前后兩個(gè)子孔徑，由于這兩部分孔徑照射的場(chǎng)景幾乎重合，并且對(duì)重合場(chǎng)景中任意目標(biāo)，存在固定的時(shí)延差T，所以頻譜存在很大的相關(guān)性。通過(guò)找到頻譜相關(guān)的最大位置，就可以估算出調(diào)頻率?。由于MD計(jì)算量小，估計(jì)精度高，MD算法是最常用的a一種調(diào)頻率估計(jì)方法，本節(jié)將對(duì)MD算法進(jìn)行理論推導(dǎo)，并給出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的估計(jì)結(jié)果。LL?AOBC圖4.5調(diào)頻率估計(jì)示意圖如圖4.5所示，子孔徑分別是AO段和OB段，L表示合成孔徑的長(zhǎng)度。L?表示兩個(gè)子孔徑完全重合的區(qū)域。設(shè)L?內(nèi)任意點(diǎn)目標(biāo)，其在AO段的表達(dá)式為2s()t?wt()exp?j??t?(4-15)OAmamam那么該點(diǎn)目標(biāo)在OB段的表達(dá)式可以寫(xiě)為2sOB()tm??wta(mT)exp?j??amt?(4-16)在式(4-16)中令???tT,則式(4-16)可以重寫(xiě)為m2sOB?()???wa()exp??j???a?T??22?wa()exp??j???a?exp?j2??aT??exp?j??aT?2?sOA???exp?j2???aT?exp?j??aT?(4-17)對(duì)式(4-17)兩端關(guān)于?做傅里葉變換萬(wàn)方數(shù)據(jù) 40基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究2S??f???S?f?T?exp?j??T?(4-18)OBaOAaaa式(4-18)中的指數(shù)項(xiàng)是一個(gè)常數(shù)相位，當(dāng)兩個(gè)子孔徑的頻譜做幅值相關(guān)時(shí)，這個(gè)相位對(duì)結(jié)果是沒(méi)有影響的。假設(shè)兩個(gè)子孔徑間頻譜的移動(dòng)量為?f，在離散頻域?qū)?yīng)的間隔為?n，每個(gè)子孔徑的采樣點(diǎn)數(shù)為N2，則2PRF?T?????fn(4-19)aN由于有NT?(4-20)2PRF則?的估計(jì)值為a24?PRF????n(4-21)a2N在調(diào)頻率估計(jì)的過(guò)程中，必須保證前后子孔徑具有很強(qiáng)的相關(guān)性。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，子孔徑時(shí)間長(zhǎng)度通常取為一個(gè)合成孔徑時(shí)間的五分之一到十分之一。如果孔徑選取過(guò)大則前后子孔徑的相關(guān)性會(huì)減弱；如果孔徑選取過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致分辨率不高，估計(jì)誤差增大。由圖4.5可以看出，當(dāng)雷達(dá)在C點(diǎn)時(shí)，它與AO段的場(chǎng)景不存在重合區(qū)域，也就是說(shuō)兩部分場(chǎng)景的回波是完全獨(dú)立的隨機(jī)過(guò)程，不能用來(lái)進(jìn)行調(diào)頻率的估計(jì)。另外為了保證估計(jì)的精度，通常的做法是先根據(jù)慣導(dǎo)參數(shù)求出一個(gè)粗估計(jì)結(jié)果?，用這個(gè)粗估計(jì)結(jié)果對(duì)回波進(jìn)行解線調(diào)頻處理，然后再用相a0關(guān)法求出前后子孔徑的頻譜移動(dòng)量，這個(gè)頻譜偏移量與?的和就是所需估計(jì)的多a0普勒調(diào)頻率。和多普勒中心估計(jì)類似，在對(duì)多普勒調(diào)頻率進(jìn)行估計(jì)時(shí)，也要對(duì)錄取的方位數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，針對(duì)此批數(shù)據(jù)，在方位向每256次回波為一個(gè)方位塊單元，總共分成了124塊數(shù)據(jù)，每塊數(shù)據(jù)均進(jìn)行了調(diào)頻率的估計(jì)。圖4.6是利用本節(jié)算法估計(jì)的場(chǎng)景中心的調(diào)頻率結(jié)果，其中，實(shí)線代表估計(jì)的調(diào)頻率，點(diǎn)線代表載機(jī)理想飛行時(shí)的調(diào)頻率。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法41-85估計(jì)調(diào)頻率理想調(diào)頻率-90-95調(diào)頻率-100-105-110020406080100120方位單元分塊序號(hào)圖4.6調(diào)頻率分塊估計(jì)結(jié)果4.3垂直于航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償4.3.1基于多普勒參數(shù)估計(jì)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)本章主要論述在慣導(dǎo)精度難以滿足高分辨率成像的情況下，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。所以應(yīng)該建立載機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和從數(shù)據(jù)中可估計(jì)的多普勒參數(shù)間的關(guān)系。多譜勒調(diào)頻率是一個(gè)常用的重要參數(shù)，它和運(yùn)動(dòng)誤差存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)式(4-2)進(jìn)行泰勒展開(kāi)22Rt?????Xt???X?R??Yt??sin????Zt??cosm??mnBmm2?Xt()mn?X??RB???Yt?m?sin????Zt?m?cos(4-22)2RB對(duì)式(4-22)兩端同時(shí)求二階導(dǎo)數(shù)得到22?dR?Vt?m????Xt()mXatn?x?m?2??tm???2????aLOS?tm?(4-23)?dt?R?R?mBB由式(4-23)可以看出，多普勒調(diào)頻率的變化和前向速度及雷達(dá)視線加速度均有關(guān)聯(lián)。a?t???at??sin??at??cos，為雷達(dá)視線方向加速度。at??為沿LOSmymzmxm航向方向加速度，由于載機(jī)的機(jī)械惰性大，沿航向的速度變化慢，同時(shí)又和最近斜距R成反比，所以這一項(xiàng)對(duì)調(diào)頻率的貢獻(xiàn)很小，為了計(jì)算的方便，可以舍去。B對(duì)式(4-23)進(jìn)行重寫(xiě)為萬(wàn)方數(shù)據(jù) 42基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究2?Vt?m?2??tm????aLOS?tm???RB2Vt2??2????RH22?HmB?????atY?m????aZ?tm???R????RRB????BB222Vt?m?2????HH?????at()1????at()(4-24)Ym2Zm??R2RRB????BB由于雷達(dá)有一定的測(cè)繪帶寬，視線方向的加速度是隨距離空變的，通常的補(bǔ)[48]-[49]償方法分為兩步，第一步是對(duì)整個(gè)場(chǎng)景按場(chǎng)景中心線位置的視線方向加速度進(jìn)行一致的包絡(luò)和相位補(bǔ)償。第二步對(duì)加速度空變部分造成的相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)式(4-24)繼續(xù)改寫(xiě)22Vt?m?22??tm????atI?m??aII?tm??R(4-25)?RR??BS其中???2HH?aI?tm??atY?m???1??2aZ?tm????2RRSS?(4-26)2?HH?aII?tm??atY?m?2?aZ?tm?RR?SS式(4-25)中的?R代表距離向的采樣間隔。式(4-25)的推導(dǎo)過(guò)程中，利用11???R11??2?R了，R?R??R，????1和????1的近似關(guān)系(場(chǎng)景寬度一BS22RRRRRRBS??SBB??B般遠(yuǎn)小于場(chǎng)景中心到航線的最近距離，有???RR)。S式(4-25)中的at??表示場(chǎng)景中心視線方向的加速度，at??表示視線方向的ImIIm加速度導(dǎo)致的調(diào)頻率距離向空變系數(shù)。由式(4-25)可以看出，在前向速度已知的情況下，雷達(dá)的瞬時(shí)調(diào)頻率可以近似為距離變化量?R的線性函數(shù)。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，如果載機(jī)沒(méi)有配備慣導(dǎo)，處理方法是首先通過(guò)MD算法估計(jì)出不同距離單元的調(diào)頻率，然后再通過(guò)線性擬合估計(jì)出at??，通過(guò)高通和低通濾波器估Ym[7]計(jì)出at??和Vt??，經(jīng)過(guò)多次迭代得到三個(gè)參數(shù)比較精確的估計(jì)結(jié)果。將估計(jì)Zmm出的at??和at??代入式(4-26)可以得到與距離無(wú)關(guān)的加速度部分a?t?和隨YmZmIm距離空變的加速度部分a?t?，而估計(jì)出的前向速度Vt??將用于接下來(lái)的沿航IImm向的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。如果載機(jī)配備了慣導(dǎo)，通常的做法是選取慣導(dǎo)的地速為初速度，對(duì)估計(jì)出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行校正，從而減小參數(shù)估計(jì)迭代的次數(shù)。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法43-40-50-60-70-80-90調(diào)頻率估計(jì)值-100-110-120-130010203040506070距離單元分塊序號(hào)圖4.7子孔徑不同距離單元估計(jì)調(diào)頻率圖4.7是在對(duì)距離向分塊后，對(duì)一個(gè)方位子孔徑內(nèi)不同距離單元調(diào)頻率估計(jì)結(jié)果。這里距離向分塊需要滿足聚焦深度的要求。在對(duì)加速度進(jìn)行估計(jì)之前，需要去除調(diào)頻率估計(jì)中的壞值，圖4.8是利用本節(jié)算法，估計(jì)出的加速度結(jié)果，其中圖4.8(a)是a?t?估計(jì)結(jié)果，4.8(b)是at??估計(jì)結(jié)果。ImIIm0.20.30.20.10.100-0.1-0.1加速度估計(jì)值加速度估計(jì)值-0.2-0.2-0.3-0.3-0.402550751001250255075100125方位塊標(biāo)號(hào)方位塊標(biāo)號(hào)(a)at()估計(jì)結(jié)果(b)at()估計(jì)結(jié)果ImIIm圖4.8垂直于航線加速度估計(jì)結(jié)果4.3.2基于估計(jì)參數(shù)的垂直航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償從式(4-24)可知視線方向加速度是隨距離單元空變的，由于雷達(dá)到場(chǎng)景中心的距離遠(yuǎn)大于照射場(chǎng)景寬度，在式(4-25)中將視線方向加速度分解為兩部分：相對(duì)場(chǎng)景中心線的分量a?t?和距離空變部分at??。從原始回波數(shù)據(jù)中估計(jì)出a?t?ImIImIm和a?t?后，對(duì)a?t?二階積分就可得到一階運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償分量IImImtsrLOSI_?t????auI??ddus(4-27)00萬(wàn)方數(shù)據(jù) 44基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究對(duì)a?t?進(jìn)行二階積分可以得到剩余的二階運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償分量IImtsaII?u??RrLOSII_?t????ddus(4-28)00RS通常，r?t???r?t?，所以由rt??引起的相位和包絡(luò)誤差都要考LOSI__LOSIILOSI_m慮。而rt??只考慮對(duì)相位的影響。所以通常的做法是先進(jìn)行一次分量包絡(luò)移LOSII_動(dòng)rt??，以及相位??t??4?r?t??的補(bǔ)償，在二次補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程只LOSI_mLOSI__mLOSIm補(bǔ)償二次分量的相位誤差??t??4?r?t??，包絡(luò)移動(dòng)rt??就忽LOSII__mLOSIImLOSII_m略了，垂直航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)牧鞒倘鐖D4.9所示。錄取數(shù)據(jù)??4?expjr??LOSI_???r包絡(luò)移動(dòng)補(bǔ)償LOSI_距離壓縮距離徙動(dòng)校正??4?expjr??LOSII_???方位壓縮SAR成像圖4.9SAR垂直航線運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償流程圖圖4.10是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)垂直航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹虚g過(guò)程示意圖，4.10(a)是補(bǔ)償前后的加速度對(duì)比，由圖示可以看到，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后加速度明顯減小，圖4.10(b)是補(bǔ)償后估計(jì)加速度局部放大圖，如果為了結(jié)果更加精確可以增加迭代估計(jì)次數(shù)，但是迭代次數(shù)越多，需要的時(shí)間也就越長(zhǎng)。圖4.10(c)和(d)是補(bǔ)償前后場(chǎng)景中心調(diào)頻率的對(duì)比，補(bǔ)償后估計(jì)的調(diào)頻率雖然還存在隨機(jī)誤差，但是相對(duì)于補(bǔ)償前已經(jīng)有了很大的改善，誤差的大小和信噪比以及場(chǎng)景的均勻性有關(guān)。這個(gè)誤差可以通過(guò)PGA進(jìn)行消除。對(duì)于沿航向的速度Vt??的估計(jì)如圖4.10(f)所示，該結(jié)果將用于m沿航向的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法450.20.030.020.1)2)0.0120(m/s(m/s0-0.1加速度-0.01加速度-0.2-0.02補(bǔ)償前估計(jì)加速度補(bǔ)償后估計(jì)加速度-0.3-0.0302550751001250255075100125方位塊標(biāo)號(hào)方位塊標(biāo)號(hào)(a)補(bǔ)償前后加速度估計(jì)結(jié)果(b)補(bǔ)償后加速度估計(jì)結(jié)果放大圖-85-91-90-92-95-93調(diào)頻率-100調(diào)頻率-94-105-95補(bǔ)償前估計(jì)調(diào)頻率補(bǔ)償后估計(jì)調(diào)頻率-110-9602550751001250255075100125方位塊標(biāo)號(hào)方位塊標(biāo)號(hào)(c)補(bǔ)償前后場(chǎng)景中心調(diào)頻率估計(jì)結(jié)果(d)補(bǔ)償后場(chǎng)景中心調(diào)頻率估計(jì)結(jié)果放大圖155迭代一次估計(jì)速度迭代兩次估計(jì)速度154.9迭代三次估計(jì)速度(m/s)154.8航向速度154.7154.6154.5020406080100120方位塊標(biāo)號(hào)(f)沿航向速度估計(jì)結(jié)果圖4.10實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)垂直航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹虚g過(guò)程示意圖4.4沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償在分析沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，假設(shè)垂直于航向運(yùn)動(dòng)誤差已精確補(bǔ)償。由萬(wàn)方數(shù)據(jù) 46基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究于沿航向加速度較小，這里仍不考慮沿航向加速度對(duì)調(diào)頻率的影響，式(4-25)可以寫(xiě)為22????2Vt?m?2??VVt?m??a?ttm???????a???a?m?(4-29)??RRBB式中2?2V????a??RB?(4-30)2?42VVt??mm???V?t???am?t?????R?B式(4-29)中第一項(xiàng)是沿航向的平均速度產(chǎn)生的調(diào)頻率；第二項(xiàng)為沿航向速度的變化引起的調(diào)頻率偏差項(xiàng)，其與散射點(diǎn)方位空間位置無(wú)關(guān)，V相當(dāng)于理想航跡的速度。沿航向的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償就是補(bǔ)償???t?引起的相位誤差。一般是選取場(chǎng)景中am心處為補(bǔ)償?shù)钠瘘c(diǎn)。新的慢時(shí)間以t?表示，即??ft???0，????t??0，mamtm??0amtm??0則補(bǔ)償相位???t??如式(4-31)所示mts?m???t????2????ududs?(4-31)ma??00估算出???t??后，需要對(duì)沿航向的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位的補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)姆椒ň褪菍?shí)m測(cè)信號(hào)與exp[jt??()]?相乘。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后，可以利用常規(guī)的成像算法，直接對(duì)方m位向進(jìn)行聚焦，得到清晰的二維圖像。由于本次使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)沿航向運(yùn)動(dòng)誤差較小，為了能清晰觀察補(bǔ)償前后的變化，所以先對(duì)沿航向的補(bǔ)償進(jìn)行仿真介紹。圖4.11是沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果，發(fā)射電磁波為X波段，雷達(dá)距離場(chǎng)景中心的最近距離為10km,重復(fù)頻率為1000Hz。圖4.11(a)對(duì)應(yīng)場(chǎng)景中9個(gè)點(diǎn)目標(biāo)位置。這9個(gè)目標(biāo)在距離和方位上的間隔均為200m，假設(shè)垂直于航線的運(yùn)動(dòng)誤差已被精確補(bǔ)償，即不存在垂直于航向偏離理想航跡的速度和加速度。沿航向的平均速度為160m/s，由于氣流的作用，速度有一個(gè)隨時(shí)間正弦變化的擾動(dòng)，擾動(dòng)的幅值2m/s，周期為5s，如圖4.11(b)所示。選取縱坐標(biāo)為200m位置的三個(gè)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行分析，未進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方位聚焦結(jié)果如圖4.11(c)所示；進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后方位聚焦結(jié)果如圖4.11(e)所示。為了觀察的方便選取右側(cè)邊緣處的目標(biāo)進(jìn)行放大，由圖4.11(d)和(f)的對(duì)比，可以看出沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償對(duì)聚焦效果有很大改善。在圖4.11(f)中經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后，場(chǎng)景邊緣處目標(biāo)偏離了實(shí)際位置，產(chǎn)生了平移，這是由于沿航向的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償導(dǎo)致的幾何形變，關(guān)于幾何形變的問(wèn)題將在下章中詳細(xì)討論。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法4740042002(m)0(m/s)0速度縱坐標(biāo)位置-200-2-400-4-400-2000200400-3-2-10123橫坐標(biāo)位置(m)時(shí)間(s)(a)點(diǎn)目標(biāo)位置分布圖(b)擾動(dòng)速度505040403030幅度幅度2020101000-400-2000200400180190200210220(c)未進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方位聚焦結(jié)果(d)場(chǎng)景邊緣處目標(biāo)的放大圖505040403030幅度幅度2020101000-400-2000200400180190200210220(e)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后方位聚焦結(jié)果(f)場(chǎng)景邊緣處目標(biāo)的放大圖圖4.11沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償仿真圖至此沿航向和垂直于航向的運(yùn)動(dòng)誤差都已經(jīng)做完了。圖4.12是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用本章算法運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后結(jié)果的對(duì)比，圖4.12(a)和(b)是補(bǔ)償前后全孔徑成像結(jié)果，(c)和(d)是(a)和(b)中白色虛線方框內(nèi)局部圖像的放大圖。雷達(dá)工作在C波段，發(fā)射信號(hào)帶寬為200M，脈沖寬度為10?s，重復(fù)頻率為1000Hz，考慮到方位單元和距離單元的尺寸比例，方位向進(jìn)行了兩視，距離和方位進(jìn)行脈壓過(guò)程中均進(jìn)行了加窗處理，圖像的分辨率約為1m×1m。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 48基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究距離方位(a)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前成像結(jié)果距離方位(b)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后成像結(jié)果距離距離方位方位(c)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前子孔徑成像結(jié)果(d)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后子孔徑成像結(jié)果圖4.12運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后成像結(jié)果對(duì)比萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法494.5相位梯度自聚焦算法(PGA)前面幾節(jié)已經(jīng)對(duì)沿航向和垂直于航向的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，在進(jìn)行參數(shù)估計(jì)時(shí)，受到場(chǎng)景的不均勻性，信噪比，以及估計(jì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的限制，估計(jì)誤差是不可能避免的。當(dāng)載機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差很大或者對(duì)成像結(jié)果要求比較高的場(chǎng)合，這些誤差會(huì)對(duì)成像質(zhì)量有很大的影響。相位梯度自聚焦(PGA)是目前SAR/ISAR成像處理領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一種殘余相位補(bǔ)償方法，該算法的獨(dú)特之處是它不像MD方法一樣，對(duì)相位誤差進(jìn)行多項(xiàng)式假設(shè)，相位梯度自聚焦(PGA)是一種非參數(shù)模型算法。該算法基于最大似然估計(jì)理論對(duì)相位誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，充分利用多個(gè)距離單元上的相位誤差信息，提高了估計(jì)結(jié)果的穩(wěn)健性，被公認(rèn)是一種適合大多數(shù)[50]-[51]成像場(chǎng)景的、穩(wěn)健的高分辨SAR殘余相位補(bǔ)償方法。4.5.1PGA算法流程[36]1．循環(huán)移位PGA算法的第一個(gè)步驟是在圖像域的n個(gè)距離單元上選取強(qiáng)散射點(diǎn)a，并將n它循環(huán)移位到圖像的中心。循環(huán)移位不僅保留了不同距離單元中散射點(diǎn)的相位誤差信息，還去除了由于特顯點(diǎn)的位置信息引起的線性相位。2．?dāng)?shù)據(jù)加窗加窗可以保留散焦的特顯點(diǎn)單元導(dǎo)致圖像模糊的相位誤差信息，同時(shí)丟棄那些不能為相位誤差估計(jì)帶來(lái)幫助的雜波數(shù)據(jù)(例如樹(shù)木，草地等等)。這使得相位誤差估計(jì)使用的輸入數(shù)據(jù)有高的信噪比。加窗的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何確定窗的尺寸，如果窗寬過(guò)大，會(huì)引入非常大的背景噪聲，導(dǎo)致估計(jì)精度的下降，如果窗寬過(guò)窄，那么不能包含特顯點(diǎn)足夠的散焦信息，也會(huì)導(dǎo)致估計(jì)精度的下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題，不同的成像場(chǎng)景需要不同的加窗方法。1)對(duì)于包含許多強(qiáng)散射物體，如建筑物，車輛，金屬結(jié)構(gòu)等，信雜比足夠高的場(chǎng)景通常的做法自適應(yīng)估計(jì)窗寬：2Sx????sxn??(4-32)n式中sx??表示第n個(gè)距離單元圖像域的數(shù)據(jù)。由于在第一步中已經(jīng)把峰值位n置移到了圖像域的中心，所以S?0?肯定是一維數(shù)據(jù)Sx??的峰值位置。取峰值下降10dB的間隔，并乘以2作為窗寬。每重復(fù)一次PGA，窗寬就會(huì)減小，當(dāng)算法最終收斂時(shí)，窗寬通常只有幾個(gè)像素的大小。2)當(dāng)成像場(chǎng)景中沒(méi)有特別強(qiáng)的散射點(diǎn)，幾乎完全是由類雜波，缺乏明顯特萬(wàn)方數(shù)據(jù) 50基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究征的目標(biāo)(例如樹(shù)木，農(nóng)田)構(gòu)成時(shí)，由于圖像的對(duì)比度低，確定窗寬閾值自動(dòng)估計(jì)窗寬會(huì)非常困難。此時(shí)可采用遞減窗寬的做法，即選擇可能的散焦寬度(一般為幾百個(gè)單元)作為初始窗寬，每次重復(fù)PGA窗寬減為原來(lái)的20%。3．相位梯度估計(jì)圖像域數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)循環(huán)移位和加窗后，就可以對(duì)相位梯度進(jìn)行估計(jì)了。首先假設(shè)移位和加窗后的圖像域數(shù)據(jù)為gx??。其傅里葉變換代表數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)nGun????Gun??exp?j????????u?n?u??。?n?u?表示對(duì)應(yīng)距離單元上的相位函數(shù)。???u?代表與距離單元無(wú)關(guān)的相位誤差。Eichel等人在1989年已經(jīng)證明了相位誤差??u?梯度的線性無(wú)偏最小方差估?[53]計(jì)為*2??Im????GuGun??n??Gun???n?u??NN??lumv?uu???????(4-33)22??Gunn??Gu??NN?由式可以看出估計(jì)的相位梯度??u?是真實(shí)相位梯度??u?和一個(gè)小相位誤lumv?差項(xiàng)之和。這個(gè)誤差項(xiàng)已經(jīng)在循環(huán)移位和加窗處理兩個(gè)操作下變得非常小。在式中涉及求和，微分等多種運(yùn)算，該方法在對(duì)相位誤差梯度進(jìn)行估計(jì)時(shí)往往需要很多的迭代次數(shù)。后來(lái)，Jakowatz等人利用特征矢量法得到了相位梯度的[54]最大似然估計(jì)????arg???Fu???uFu?*??(4-34)?ML??nn??n式中?u表示采樣間隔。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，估計(jì)穩(wěn)健，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中是最常采用的方式。通過(guò)式(4-34)離散域的表達(dá)式，得到了所有相鄰采樣點(diǎn)間的相位差，經(jīng)過(guò)求和就可以得到每個(gè)采樣點(diǎn)需要補(bǔ)償?shù)南辔唬渲衅鹗键c(diǎn)???00??m????ml??????(4-35)?MLl?0[51]4．迭代相位校正把相位誤差估計(jì)的結(jié)果和距離壓縮后的數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)復(fù)共軛相乘，就可以去除圖像的相位誤差，提高圖像的質(zhì)量。為了保證能夠充分去除殘余相位，估計(jì)和校正過(guò)程需要迭代多次。隨著圖像質(zhì)量的逐漸改善，特顯點(diǎn)的聚焦程度也會(huì)逐漸提高，變得更加緊湊，此時(shí)可以進(jìn)行更加精細(xì)的循環(huán)移位，同時(shí)窗寬也可以逐步減小，以提高信雜比。一般4~6次迭代就可以達(dá)到良好收斂，完整的算法流程圖如圖4.13所示。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法51復(fù)圖像數(shù)據(jù)循環(huán)移位各距離單元上的最強(qiáng)點(diǎn)確定窗寬方位向IFFT變換到數(shù)據(jù)域估計(jì)相位誤差YES<=門(mén)限NO相位誤差校正結(jié)束FFT回到圖像域圖4.13PGA算法流程4.5.2PGA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理前面給出了PGA算法的詳細(xì)步驟，但是在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，如果按上述方法處理，會(huì)存在兩方面的問(wèn)題：一是，如果對(duì)所有的距離單元都進(jìn)行上述四步操作，需要很大的計(jì)算量；二是，場(chǎng)景中存在有很強(qiáng)后向散射系數(shù)的分布式目標(biāo)，導(dǎo)致場(chǎng)景中特顯點(diǎn)不是孤立的，會(huì)對(duì)相位誤差的估計(jì)帶來(lái)很大的干擾。對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理中會(huì)對(duì)所有的距離單元按能量進(jìn)行排序，能量高的距離單元含有特顯點(diǎn)的可能性大，而能量低的單元主要以背景噪聲和雜波為主，所以只選取能量高的單元，一般選取距離單元總數(shù)的5%即可；對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，由于某個(gè)距離單元內(nèi)存在孤立的特顯點(diǎn)時(shí)，回波序列的幅度近似為常[55]數(shù)，Steinberg提出用歸一化幅度方差來(lái)衡量，其定義為222?uunn??un????1(4-36)un22uunn式(4-36)中橫線代表一個(gè)距離單元內(nèi)所有方位采樣點(diǎn)取平均，u代表第n個(gè)距n2離單元所有方位采樣點(diǎn)幅度的均值，u是u的均方值。因?yàn)闅w一化幅度方差越小，nn存在孤立特顯點(diǎn)的可能性越大，所以在進(jìn)行第三步相位梯度估計(jì)時(shí)，可以用歸一化幅度方差的倒數(shù)再歸一化后對(duì)各個(gè)距離單元加權(quán)。下面針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行PGA處理，圖4.14是PGA前后成像結(jié)果的對(duì)比。圖萬(wàn)方數(shù)據(jù) 52基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究4.14(a)是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前成像結(jié)果，圖4.14(b)是PGA前的子塊成像結(jié)果，圖4.14(c)是PGA后的成像結(jié)果。對(duì)比這三幅圖可以看到，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前特顯點(diǎn)散焦現(xiàn)象嚴(yán)重，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后還存在輕微的散焦，經(jīng)過(guò)PGA后散焦現(xiàn)象幾乎不存在了。為了更加清晰的說(shuō)明PGA前后成像結(jié)果的變化，選取右下角的一個(gè)特顯點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行分析，在圖中用圓圈做了標(biāo)示。圖4.14(d)、(e)和(f)是該特顯點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)散布函數(shù)分析結(jié)果，圖中進(jìn)行了8倍的插值，在方位聚焦時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了加窗處理。表4.1是該特顯點(diǎn)目標(biāo)成像效果評(píng)估結(jié)果，PGA前方位向的峰值旁瓣比約為-14.6dB，3dB寬度對(duì)應(yīng)的分辨率約為1.4m，PGA后峰值旁瓣比為-28.2dB，3dB寬度對(duì)應(yīng)的分辨率為1m。通過(guò)對(duì)比PGA前后點(diǎn)散布函數(shù)可以看到，經(jīng)過(guò)PGA處理，點(diǎn)散布函數(shù)的副瓣會(huì)明顯下降，同時(shí)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)殘余相位造成的散焦也有明顯的改善。圖4.15是PGA后全孔徑成像結(jié)果。距離距離距離方位方位方位(a)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前成像結(jié)果(b)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后結(jié)果(c)PGA后成像結(jié)果000-10-10-10-20-20-20(dB)-30(dB)-30(dB)-30幅度幅度幅度-40-40-40-50-50-50-60-60-60020040060080010000200400600800100002004006008001000(d)補(bǔ)償前點(diǎn)散布函數(shù)(e)補(bǔ)償后點(diǎn)散布函數(shù)(f)PGA后點(diǎn)散布函數(shù)圖4.14PGA前后成像結(jié)果對(duì)比表4.1特顯點(diǎn)目標(biāo)成像效果評(píng)估峰值旁瓣比/dB積分旁瓣比/dB3dB分辨率/m運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前-2.7688-3.13032.0925運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后-14.5902-14.38871.4337PGA后-28.2785-16.25900.9525萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第四章基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法53距離方位圖4.15PGA后全孔徑成像結(jié)果4.6本章小結(jié)本章主要介紹了基于數(shù)據(jù)的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法。4.1節(jié)給出了SAR運(yùn)動(dòng)誤差的模型以及斜距的表達(dá)式，為后面補(bǔ)償方法的推導(dǎo)給出了理論基礎(chǔ)。4.2節(jié)給出了多普勒參數(shù)的估計(jì)方法，包括多普勒中心估計(jì)和多普勒調(diào)頻率估計(jì)，多普勒參數(shù)是SAR精確處理的重要參數(shù)，所以對(duì)多普勒參數(shù)的估計(jì)精度決定了SAR成像的質(zhì)量。4.3和4.4節(jié)是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹黧w部分，包括垂直于航向的補(bǔ)償和沿航向的補(bǔ)償，垂直于航向的補(bǔ)償分為一次補(bǔ)償和二次補(bǔ)償，而沿航向的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，采用的是統(tǒng)一相位補(bǔ)償?shù)姆绞?。兩維運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后，對(duì)于成像要求高的場(chǎng)合，需要進(jìn)行PGA處理，以去除殘余的高次相位，從而得到聚焦良好的SAR圖像。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 54基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第五章沿航向幾何形變55第五章沿航向幾何形變第四章從理論推導(dǎo)和數(shù)據(jù)處理兩方面對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償做了分析。雖然經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，可以得到聚焦良好的圖像，但是在沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程中，采用的是統(tǒng)一相位補(bǔ)償?shù)姆绞?。該方法假設(shè)了一個(gè)慢時(shí)間起點(diǎn)，補(bǔ)償?shù)南辔恢抵皇菍?duì)起點(diǎn)法平面內(nèi)的散射點(diǎn)回波是正確的，對(duì)于其它散射點(diǎn)，會(huì)殘余一個(gè)線性相位，該線性相位雖然不會(huì)影響圖像的聚焦，但是會(huì)使散射點(diǎn)在圖像域有一個(gè)橫向平移，[1]從而導(dǎo)致成像的結(jié)果在方位向有一個(gè)幾何形變，形變量的大小和該點(diǎn)到參考點(diǎn)的時(shí)間差，以及調(diào)頻率的變化有關(guān)。本章將對(duì)沿航向的幾何形變進(jìn)行理論分析并給出仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。5.1沿航向幾何形變的產(chǎn)生在式(4-31)的推導(dǎo)過(guò)程中選擇了一個(gè)慢時(shí)間的起點(diǎn)t??0?，F(xiàn)在假設(shè)場(chǎng)景中有m一點(diǎn)P，在tt??時(shí)刻，載機(jī)從其正上方通過(guò)。那么由式(4-31)可得在該點(diǎn)的合成mn孔徑時(shí)間內(nèi)，任意時(shí)刻tt??，需補(bǔ)償?shù)南辔粸閙ts???t???2????ududs?(5-1)??a00沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是在做完垂直于航線運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后做的，所以此時(shí)的航向是一條直線，只是載機(jī)的速度是一個(gè)隨慢時(shí)間變化的函數(shù)。對(duì)于點(diǎn)P來(lái)說(shuō)，其實(shí)際需要補(bǔ)償?shù)南辔粸閠s???t???2????ududs?(5-2)1??attnn觀察式(5-1)中的???t?和式(5-2)中的???t?，兩者是不同的，對(duì)兩式做差得1到???t?????t????1?t?tsts??2???????aa?ududs???????ududs?????00ttnn??ttnnts??2?????????aa?ududs???????ududs?tn000tnnts??22?t???udu??????ududs?(5-3)?0aa??00在式(5-3)中，第二項(xiàng)積分是與變量t無(wú)關(guān)的常數(shù)，只與載機(jī)飛過(guò)該點(diǎn)的時(shí)刻tn有關(guān)。該常數(shù)相位偏差對(duì)成像沒(méi)有影響，在這里不再考慮。在第一項(xiàng)中，相位的變化是時(shí)間t的線性函數(shù)，這個(gè)線性相位會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)P在圖像域產(chǎn)生一個(gè)橫向的平移，假設(shè)調(diào)頻率的平均值為?，點(diǎn)P在時(shí)間上的平移量為a萬(wàn)方數(shù)據(jù) 56基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究1tn??????udu?(5-4)?a?0a上式表明，用式(4-31)對(duì)場(chǎng)景中點(diǎn)P的相位誤差作補(bǔ)償是不完全正確的。雖然它并不會(huì)使P點(diǎn)的成像散焦，但是會(huì)使P點(diǎn)在方位慢時(shí)間上有一個(gè)平移?，如圖5.1所示，平移量的大小和該點(diǎn)到參考點(diǎn)的時(shí)間差，以及調(diào)頻率的變化有關(guān)。?ft()?mP?ft()nP?0tn?t?m圖5.1經(jīng)過(guò)統(tǒng)一相位補(bǔ)償后點(diǎn)目標(biāo)幾何形變的示意圖4.4節(jié)已經(jīng)對(duì)沿航向速度做了修正，把式(4-30)代入可得1tn??????udu??a?0a2tn??2VVu?????V?u?????du(5-5)?0V2??經(jīng)過(guò)式(5-5)的校正，點(diǎn)P壓縮到了載機(jī)錄取數(shù)據(jù)所在的時(shí)刻t，但是由于載n機(jī)速度不穩(wěn)，使按等時(shí)間間隔采樣點(diǎn)在沿航線的空間位置分布不均勻，此時(shí)圖像上兩個(gè)點(diǎn)的位置也不能真實(shí)反映兩個(gè)目標(biāo)的實(shí)際空間距離。所以應(yīng)該以理想航跡的時(shí)間采樣點(diǎn)為準(zhǔn)才合理。采樣不均勻引起的幾何形變tnVuduVt???nt?Vu???0n???=?du(5-6)VV0理想航跡與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后造成的時(shí)間偏移為2ttnn??2VVu?????V?u??Vu??????????du?du??00VV2??2tn????Vu??V?u?=????du(5-7)?0VV2??由時(shí)間偏移造成的位移偏移為萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第五章沿航向幾何形變572tn???Vu????SV??????=?????Vu???du(5-8)0V??當(dāng)載機(jī)是以理想航線速度飛行時(shí)，把??Vt??0代入式(5-7)，結(jié)果為零。m5.2沿航向幾何形變的校正5.2.1仿真數(shù)據(jù)幾何形變校正由前面的分析可以知道，沿航向的相位補(bǔ)償方法是通過(guò)修正速度Vt??計(jì)算m出離散的?()t，然后將?()t通過(guò)插值畫(huà)成曲線，去掉它的平均值?，再將余amama下的??()t作二次積分，得到相位偏差值??()t，接著從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相位歷程中amm減去偏差值??()t，最后對(duì)處理后的數(shù)據(jù)，以?為多普勒調(diào)頻率作方位壓縮處理。ma這種處理方式會(huì)導(dǎo)致沿航向的幾何形變，本節(jié)將給出沿航向幾何形變校正的仿真結(jié)果。仿真過(guò)程仍使用4.4節(jié)的仿真參數(shù)，校正幾何形變時(shí)，以場(chǎng)景中心點(diǎn)目標(biāo)為參考點(diǎn)，所以運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后場(chǎng)景中心目標(biāo)的壓縮位置是重合的，僅需要分析場(chǎng)景邊緣處的目標(biāo)幾何形變情況，所以本節(jié)只選取右上角點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行分析。第一步，先對(duì)沿航向運(yùn)動(dòng)誤差做統(tǒng)一相位補(bǔ)償，然后進(jìn)行方位壓縮。圖5.2是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后場(chǎng)景方位壓縮的結(jié)果對(duì)比，實(shí)線是無(wú)運(yùn)動(dòng)誤差情況下，點(diǎn)目標(biāo)方位聚焦結(jié)果，由圖中明顯可以看到，在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后，雖然邊緣處目標(biāo)可以良好聚焦，但是，已經(jīng)偏離了理想位置，出現(xiàn)了幾何形變。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后目標(biāo)的峰值位置為201.72m，偏離理想位置1.72m。圖中進(jìn)行了8倍的插值。50無(wú)運(yùn)動(dòng)誤差運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后403020100190195200205210點(diǎn)目標(biāo)壓縮位置(m)圖5.2運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后場(chǎng)景邊緣目標(biāo)方位壓縮結(jié)果第二步，經(jīng)過(guò)第一步的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償可以明顯看到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后場(chǎng)景邊緣處目標(biāo)存在幾何形變，由上一節(jié)的推導(dǎo)知道，該幾何形變是由兩部分原因造成的。第一部萬(wàn)方數(shù)據(jù) 58基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究分是由統(tǒng)一相位補(bǔ)償帶來(lái)的幾何形變，第二部分是由速度非均勻采樣造成的幾何[29]形變。在第二步中先校正第一部分，結(jié)果如圖5.3所示。圖中實(shí)線代表無(wú)運(yùn)動(dòng)誤差場(chǎng)景邊緣處目標(biāo)壓縮結(jié)果，點(diǎn)線代表對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償帶來(lái)的幾何形變校正后結(jié)果。校正后目標(biāo)位置為198.46m，偏離理想位置1.54m。50無(wú)運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償形變校正403020100190195200205210點(diǎn)目標(biāo)壓縮位置(m)圖5.3校正運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償帶來(lái)的幾何形變示意圖第三步，在圖5.3中完成對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償帶來(lái)的幾何形變校正后，可以看到方位點(diǎn)目標(biāo)位置仍然不是理想位置，這是由于方位速度是一個(gè)變量，導(dǎo)致方位采樣在空間上是不均勻的，所以還需要校正不均勻采樣帶來(lái)的幾何形變。如圖5.4所示，校正后目標(biāo)位置為200.04m，偏離理想位置0.04m。50無(wú)運(yùn)動(dòng)誤差不均勻校正403020100190195200205210點(diǎn)目標(biāo)壓縮位置(m)圖5.4校正不均勻采樣帶來(lái)的幾何形變示意圖萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第五章沿航向幾何形變595.2.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)幾何形變校正前面對(duì)沿航向的幾何形變校正進(jìn)行了仿真，從圖5.4中可以看出，本章方法能夠有效的校正沿航向的幾何形變。下面利用該方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在第四章中已經(jīng)得到了沿航向的速度估計(jì)結(jié)果，如圖5.5(a)所示，速度的平均值為154.824m/s。以場(chǎng)景中心為參考點(diǎn)（即方位慢時(shí)間起點(diǎn)t??0），利用式(5-8)，得m到相對(duì)于場(chǎng)景中心的幾何形變量，如圖5.5(b)所示。1551.2154.951154.90.8(m)154.850.6(m/s)154.80.4速度154.750.2幾何形變量154.70154.65-0.2-16-12-8-40481216-16-12-8-40481216時(shí)間(s)時(shí)間(s)(a)沿航向速度(b)沿航向幾何形變量圖5.5沿航向運(yùn)動(dòng)誤差示意圖圖5.6是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的幾何形變校正結(jié)果，其中圖5.6(a)是幾何形變校正前圖像，圖5.6(b)是幾何形變校正后圖像。圖中的白色虛線是選取的方位起點(diǎn)，同時(shí)忽略了起點(diǎn)附近圖像，由于幾何形變前后只移動(dòng)了幾個(gè)像素，所以肉眼很難分辨校正前后圖像的尺度變化。選取圖5.6中白色橢圓中的特顯點(diǎn)來(lái)分析校正前后圖像的差別。(a)幾何形變校正前(b)幾何形變校正后圖5.6實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)幾何形變校正結(jié)果為了更加清晰的看到形變校正前后圖像的變化，提取該特顯點(diǎn)所在的距離單元的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖5.7所示。幾何形變未校正前該特顯點(diǎn)距離參考點(diǎn)為8341個(gè)方位間隔。為了保證一致，在形變校正前后，均選取8310~8373這64個(gè)點(diǎn)，結(jié)果萬(wàn)方數(shù)據(jù) 60基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究如圖5.7(a)所示。校正前峰值的位置在33，校正后峰值的位置在38，約移動(dòng)了5個(gè)方位采樣單元。為了精確算出移動(dòng)的方位采樣單元數(shù)目，進(jìn)行16倍的插值，如圖5.7(b)所示。插值后，形變校正前后峰值位置移動(dòng)了83點(diǎn)，所以插值前峰值移動(dòng)的位置為5.1875個(gè)方位采樣單元。因?yàn)榉轿幌蚱骄俣葹?54.824m/s，PRF為1000Hz，所以方位采樣間隔為0.154824m，校正后該特顯點(diǎn)向右移動(dòng)了0.803m。由于距離向的采樣間隔為0.375m，在成像的過(guò)程中，對(duì)方位向進(jìn)行了兩視處理，在圖5.6的圖像中每個(gè)像素方位間隔約為0.31m，所以校正后該特顯點(diǎn)約向右移動(dòng)了2.6個(gè)像素。25015X:38形變校正前形變校正前形變校正后X:517X:600形變校正后X:33200121509幅度100幅度6503000204060800200400600800100012001400(a)校正前后結(jié)果對(duì)比(b)16倍插值結(jié)果圖5.7幾何形變校正前后特顯點(diǎn)移動(dòng)示意圖5.3本章小結(jié)載機(jī)的沿航向運(yùn)動(dòng)誤差將使SAR成像質(zhì)量嚴(yán)重下降，但是由于在沿航向的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程中，采用的是統(tǒng)一相位補(bǔ)償?shù)姆绞?，這種方式雖然可以有效提高成像質(zhì)量但是會(huì)引入方位向的幾何形變，另外由于沿航向的速度不恒定，會(huì)導(dǎo)致SAR回波在方位向的采樣不均勻，也會(huì)引入方位向的幾何形變，無(wú)法對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確定位。本章首先對(duì)這兩種方式引起的幾何形變進(jìn)行了理論分析，并給出了量化的結(jié)果。然后通過(guò)仿真數(shù)據(jù)對(duì)本章的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)幾何形變校正，能有效的消除由于沿航向誤差校正帶來(lái)的方位向幾何形變，得到了比較理想的結(jié)果。最后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了幾何形變校正方法的有效性。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 第六章結(jié)束語(yǔ)61第六章結(jié)束語(yǔ)6.1工作總結(jié)機(jī)載合成孔徑雷達(dá)在軍事和民用領(lǐng)域已獲得了廣泛應(yīng)用，SAR成像算法與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)介紹了SAR的基本原理，以及RDA、CSA等常用的成像算法；針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)做了詳細(xì)的論述，并給出了沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償導(dǎo)致的幾何形變的校正方法。本文主要工作圍繞以下幾個(gè)方面：1.介紹了合成孔徑雷達(dá)成像的基本理論和成像幾何模型，為后面機(jī)載SAR成像的仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理打下了基礎(chǔ)。對(duì)算法中用到的脈沖壓縮技術(shù)進(jìn)行了論述，并對(duì)壓縮前后的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，另外還介紹了一些常用的概念及圖像的評(píng)估指標(biāo)。2.基于正側(cè)視和斜視兩種情況下給出了RD成像算法的理論推導(dǎo)和仿真。在推導(dǎo)過(guò)程中，首先去除三次相位，保證了算法在斜視情況下的有效性；然后在距離脈壓的過(guò)程中需要更新距離頻域的調(diào)頻率以實(shí)現(xiàn)二次距離壓縮；接著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到距離多普勒域通過(guò)插值進(jìn)行RCM；最后通過(guò)方位向的脈壓函數(shù)進(jìn)行匹配濾波得到最終的聚焦良好的SAR圖像結(jié)果。3.由于RD算法中，距離徙動(dòng)校正插值效率較低，在實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)中不易實(shí)現(xiàn)，本文又介紹了避免插值的CS算法，給出了CS算法的詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程和斜視情況下CS算法的仿真。4.結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SAR的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。給出了SAR的運(yùn)動(dòng)誤差模型，并且在運(yùn)動(dòng)誤差模型的基礎(chǔ)上，給出了多普勒參數(shù)估計(jì)(包括調(diào)頻率估計(jì)和多普勒中心頻率估計(jì))的方法；然后根據(jù)多普勒參數(shù)估計(jì)的結(jié)果對(duì)雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)估計(jì)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)SAR的原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直于航向和沿航向的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。若對(duì)于成像質(zhì)量要求很高的場(chǎng)合，給出了相位梯度自聚焦(PGA)方法，以有效地補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)誤差所引起的高次相位誤差。5.沿航向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償會(huì)引入方位向的幾何形變，回波在方位向的采樣不均勻，也會(huì)引入方位向的幾何形變，本文論述了一種有效的幾何形變校正方法，給出了幾何形變量的量化結(jié)果，仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了該幾何形變校正方法的有效性。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 62基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究6.2工作展望近些年來(lái)，雖然高分辨、多波段、多極化、多時(shí)相和多基地等新體制SAR系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，但是機(jī)載SAR仍面臨著許多待以解決的問(wèn)題。結(jié)合本文的研究?jī)?nèi)容，對(duì)下一步的研究工作進(jìn)行如下展望：1.隨著機(jī)載SAR分辨率要求和測(cè)繪帶寬的提高，距離徙動(dòng)校正精度和多普勒空變校正精度要求越來(lái)越高，這就要求成像算法具有高精度的距離—方位解耦合能力和空變多普勒的校正能力。因此，需要結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與處理，在本文基本成像算法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究高效的機(jī)載SAR高分辨率成像算法。2.雖然基于數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償精度高，但是計(jì)算復(fù)雜度比較大。因此，需要進(jìn)一步研究基于數(shù)據(jù)的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的并行計(jì)算能力及其實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。3.機(jī)載SAR正向著多波段、多極化和多基線等新體制方向發(fā)展，而高精度的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)是新體制機(jī)載SAR的關(guān)鍵技術(shù)。特別是，針對(duì)干涉SAR(InSAR)需要進(jìn)一步研究具有保持相位能力的基于數(shù)據(jù)的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。4.本文著重研究的是基于回波數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，隨著慣導(dǎo)精度的提高，如何把基于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的補(bǔ)償方式和基于回波數(shù)據(jù)的補(bǔ)償方式聯(lián)合使用，從而提高運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木?，是一個(gè)重要的研究方向。5.本文所涉及的幾何形變校僅是斜距平面內(nèi)的幾何形變校正，沒(méi)有考慮到斜距平面向著地面的映射等問(wèn)題，若要滿足SAR景象匹配和圖像解譯的需求，高精度幾何形變校正還需要進(jìn)一步的研究。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 致謝63致謝時(shí)間如白駒過(guò)隙，轉(zhuǎn)眼之間兩年半的碩士生活即將結(jié)束，回望這一段美好而充實(shí)的時(shí)光，唯有感謝兩個(gè)字能代表我此刻的心情。感謝研究生階段所有老師的諄諄教誨，是你們帶我加入了科研隊(duì)伍，讓我擁有信心從事這個(gè)神圣的行業(yè)；感謝實(shí)驗(yàn)室所有的師兄弟姐妹們，是你們?cè)谶@兩年半的生活中給我?guī)?lái)了無(wú)盡的快樂(lè)，讓我不論遇到什么困難都能樂(lè)觀、輕松地面對(duì)，這份感情我會(huì)銘記一生。首先我要由衷地感謝我的導(dǎo)師，周峰副教授。本文從選題到最終的完成，每一步都離不開(kāi)周老師的悉心指導(dǎo)。周老師視野開(kāi)闊，知識(shí)淵博，為人謙遜，待人真誠(chéng)?？蒲猩?，無(wú)論我有什么問(wèn)題，周老師總是能給我認(rèn)真細(xì)致的解答，讓我獲益無(wú)窮；生活中，無(wú)論我遇到什么困惑，周老師總是能憑借豐富的閱歷給我中肯的建議。周老師就像家人一樣對(duì)我的關(guān)懷無(wú)微不至，讓我十分感動(dòng)，在此謹(jǐn)向周老師表示我個(gè)人最真摯的感謝。同時(shí)還要特別感謝保錚院士對(duì)整個(gè)雷達(dá)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)和鼓勵(lì)。保老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，重視交流，為實(shí)驗(yàn)室指引了先進(jìn)的科研方向，并形成了活躍的學(xué)術(shù)氣氛。保老師對(duì)科學(xué)真理的不懈追求和忘我的工作精神為我們展現(xiàn)了老一輩科學(xué)家崇高的思想境界和優(yōu)秀的道德品質(zhì)，是我在今后人生道路上的榜樣和動(dòng)力。感謝雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的良好工作環(huán)境和先進(jìn)科研條件。感謝邢孟道老師、唐禹老師、李亞超老師、王虹現(xiàn)老師、梁毅老師、全英匯老師、白雪茹老師、陳渤老師、孫光才老師、張磊老師在我兩年半的碩士研究生階段對(duì)我學(xué)習(xí)和生活上的關(guān)心和幫助。感謝實(shí)驗(yàn)室陳瑞林、李蘭、劉華銳、詹志偉、白潔、劉茂倉(cāng)和程榮剛等老師給予的支持和幫助。感謝趙博、黃大榮、王金偉、劉俊超、王文鵬、陶明亮、劉磊、石曉然、劉妍、衡陽(yáng)、趙輝、劉桂平、崔樂(lè)園、梁舒幸、王剛、孫攀歌、周鉑凱、張國(guó)祥、寧宇、馬建勛等同門(mén)師兄弟姐妹，感謝武江濤、李崇、朱明明、徐宗志、劉東東、沈鳳陽(yáng)、呂曉雷、王昭、李金強(qiáng)、王威、胡柏林、何挺、唐世陽(yáng)等好友在生活和學(xué)習(xí)上給我的關(guān)心和幫助。與他們?cè)谝黄鹗俏乙簧械拿篮脮r(shí)光，我會(huì)讓這份友誼保持永遠(yuǎn)。感謝兵器206所井偉高工對(duì)論文提出的中肯建議，感謝中國(guó)航天科工集團(tuán)23所和8511所的專家們，與他們的討論和交流開(kāi)闊了我的視野，使我受益匪淺。最后特別感謝我的家人，感謝疼我愛(ài)我包容我的父母，感謝母親二十六年來(lái)含辛茹苦把我撫養(yǎng)長(zhǎng)大。感謝我的姐姐、姐夫，你們對(duì)我的愛(ài)我會(huì)永遠(yuǎn)記住，謝謝你們。萬(wàn)方數(shù)據(jù) 64基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)載SAR成像及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償研究萬(wàn)方數(shù)據(jù)
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