合成孔徑雷達(dá)點(diǎn)目標(biāo)成像仿真

1、PAGE 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密 ，在

2、_年解密后適用本授權(quán)書。2、不保密 。（請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 年 月 日 目 錄TOC o 1-3 h z u摘要（ PAGEREF _Toc321598855 h 1）關(guān)鍵詞（ PAGEREF _Toc321598856 h 1）一、緒論（ PAGEREF _Toc321598857 h 1）1.1 引言（ PAGEREF _Toc321598858 h 1）1.2研究目的和意義（2）1.3發(fā)展歷史及學(xué)術(shù)動態(tài)( PAGEREF _Toc321598861 h 2）二、SAR的應(yīng)用( PAGEREF _Toc321598861 h 2）2.1引言( PAG

3、EREF _Toc321598861 h 2）2.2 合成孔徑雷達(dá)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用(3）2.2.1 戰(zhàn)略應(yīng)用(3）2.2.2 戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用(3）2.2.3 特別應(yīng)用(3）2.3 合成孔徑雷達(dá)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用(3）2.3.1 在地形測繪和制圖方面(3）2.3.2在海洋應(yīng)用方面(3）2.3.3 在水資源應(yīng)用方面(3）三、合成孔徑雷達(dá)成像的原理(3）3.1成像特點(diǎn)(3）3.2 成像原理（4）3.3 成像流程圖（4）3.4 SAR成像理論模型（5）四、SAR成像算（5）4.1 引言（5）4.2 距離多普勒算法（RD）（5）4.2.1 信號模型及分析（6）4.2.2 距離壓縮（7）4.2.3 距離移動校正（

4、7）4.2.4 方位向壓縮（9）4.3 CS算法（9）4.3.1 算法特點(diǎn)簡介（10）4.3.2 SAR 斜視回波模型（10）4.3.2.1 SAR 斜視回波幾何模型（10）4.3.2.2距離移動分析（11）4.3.3改進(jìn)的CS算法（11）五、算法的Matlab仿真（11）5.1 RD算法（11）5.1.1 仿真參數(shù)（11）5.1.2 仿真結(jié)果（12）5.1.3仿真結(jié)果說明（13）5.2 CS算法（13）5.2.1 仿真參數(shù)（14）5.2.2 仿真結(jié)果（15）5.2.3 仿真性能分析（16）六、成像算法對分辨率的影響（17）6.1 多普勒中心頻率誤差（17）6.2 多普勒調(diào)頻誤差（16）6.3

5、 改進(jìn)型算法的多普勒參數(shù)估計與設(shè)定（17）七、總結(jié)（18）致謝（18）參考文獻(xiàn)（18）附錄（20）合成孔徑雷達(dá)點(diǎn)目標(biāo)成像仿真學(xué)生：宋家明指導(dǎo)老師：黃 瑤三峽大學(xué)理學(xué)院摘要：本文主要介紹合成孔徑雷達(dá)（SAR）點(diǎn)目標(biāo)成像的相關(guān)知識，簡要介紹了SAR在軍事和民事中的運(yùn)用，闡述了其成像原理及特點(diǎn)。為了說明SAR成像原理，運(yùn)用了RD和CS兩種算法。在介紹RD算法時，建立了信號模型，并從距離壓縮、距離移動校正和方位向壓縮三個方面進(jìn)行了說明，并給出了改進(jìn)型RD算法的流程圖和相關(guān)方法；介紹CS算法時，建立了斜視回波信號模型，對成像移動距離進(jìn)行了分析，并給出了改進(jìn)型CS算法的方法步驟。接著對兩種成像算法進(jìn)行了參

6、數(shù)設(shè)定并進(jìn)行了仿真，最后從多普勒中心頻率誤差和調(diào)頻誤差兩個方面分析了成像方法對分辨率的影響，并給出了改進(jìn)型算法的多普勒參數(shù)估計與設(shè)定的方法。Abstract：This paper describes the synthetic aperture radar (SAR) point target imaging knowledge, briefly introduces the use of SAR in the military and civilian, and describes its imaging principles and characteristics. To illustra

7、te the principle of SAR imaging, I use the RD and CS two algorithms. When introducing the RD algorithm, I establish the signal model, and describe it from three aspects, such as the distance of compression, the mobile calibration and orientation ,and give the flowchart of the modified RD algorithm a

8、nd related methods; To introduce the CS algorithm, I establish the strabismus echo signal model, analysis the image of moving distance, and give the method steps of the improved CS algorithm, then set the two imaging algorithms parameter and simulate them, and finally analysis of the imaging resolut

9、ion from two aspects of Doppler center frequency error and frequency modulation error, and give improved algorithm Dhoop Le parameter estimation and setting methods.關(guān)鍵詞：SAR 距離壓縮 距離移動 回波信號 多普勒參數(shù)Key words：SAR the distance of compression the distance the mobile correction echo signal model Doppler para

10、meter一、緒論1.1引言合成孔徑雷達(dá)（SAR）是利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對運(yùn)動把尺寸較小的真實(shí)天線孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成一較大的等效天線孔徑的雷達(dá)。SAR的特點(diǎn)是分辨率高，能全天候工作，能有效地識別偽裝和穿透掩蓋物。SAR主要用于航空測量、航空遙感、衛(wèi)星海洋觀測、航天偵察、圖像匹配制導(dǎo)等。它能發(fā)現(xiàn)隱蔽和偽裝的目標(biāo)，如識別偽裝的導(dǎo)彈地下發(fā)射井、識別云霧籠罩地區(qū)的地面目標(biāo)等。成像算法是SAR系統(tǒng)的重要組成部分，決定了成像質(zhì)量。經(jīng)典的成像算法有RD算法和CS算法，這兩種算法都涉及到了對信號處理知識的綜合運(yùn)用。1.2研究目的和意義合成孔徑雷達(dá)可以大大提高雷達(dá)的信息獲取能力，這種能力對現(xiàn)代偵察任務(wù)是至關(guān)

11、重要的，隨著合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，它日益廣泛運(yùn)用于軍事目的，作為一種重要的軍用偵察設(shè)備，合成孔徑雷達(dá)必然處于電子戰(zhàn)的環(huán)境中。隨著現(xiàn)代電子戰(zhàn)不斷升級，電子干擾、反輻射導(dǎo)彈、隱形武器和超低空突防成為常規(guī)單基地雷達(dá)的“四大威脅”。面對“四大威脅”，常規(guī)合成孔徑雷達(dá)與常規(guī)的單基地雷達(dá)一樣，不僅正常工作受阻，而且其自身的生存也成為需要解決的問題。為了提高合成孔徑雷達(dá)自身的生存能力，必須研究新型體制的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)。合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分置在不同位置的平臺上，因此具有有效的抗干擾能力和抗打擊能力。此外SAR系統(tǒng)還具有合成孔徑雷達(dá)的高分辨率特性，它將是合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。1

12、.3發(fā)展歷史及學(xué)術(shù)動態(tài)雷達(dá)仿真在其早期階段，限于處理器的計算能力，只能仿真計算一些簡單的參數(shù)。隨著處理器的不斷發(fā)展，開始出現(xiàn)比較復(fù)雜的仿真系統(tǒng)。早在上世紀(jì)七十年代，Hotelman就研究了雷達(dá)成像的仿真工作。涉及SAR技術(shù)的研究最早出現(xiàn)在二十世紀(jì)七十年代末，1977年，美國Xonics公司的仿真研究表明，在雙基地模式下可以實(shí)現(xiàn)動目標(biāo)顯示(MTI)和合成孔徑成像;1979年，Goodyear公司和Xonies公司與美國空軍簽訂合同，正式實(shí)施“戰(zhàn)術(shù)雙站雷達(dá)驗(yàn)證 (TBIRD)計劃。隨后，在八十年代，有很多學(xué)者研究了SAR圖像的仿真書;1992年，Giorgio對以往成果進(jìn)行了總結(jié)，并給出了一種更新

13、的SAR原始回波仿真算法，隨后，Giorgio又給出了關(guān)于自然表層，海洋上油層的SAR圖像仿真。關(guān)于雷達(dá)的一些普通參數(shù)的仿真和估計，Barton寫出過專著對其論述。二、SAR的應(yīng)用2.1引言合成孔徑雷達(dá)（SAR）是近五十年代發(fā)展起來的一種新型成像雷達(dá)，是現(xiàn)代雷達(dá)領(lǐng)域的一項重大成就，它是利用合成孔徑原理、脈沖壓縮技術(shù)，以真實(shí)的小孔徑天線獲得距離向和方位向高分辨遙感圖像的雷達(dá)系統(tǒng)。合成孔徑雷達(dá)的出現(xiàn)擴(kuò)展了雷達(dá)的原始概念，使雷達(dá)的基本功能發(fā)生了質(zhì)的變化。合成孔徑雷達(dá)具有對區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行成像和識別的能力，它在微波遙感應(yīng)用方面給表現(xiàn)出越來越大的潛力，為人們提供越來越多的信息，擴(kuò)展了人類觀察自然界和生存環(huán)境

14、的能力。合成孔徑雷達(dá)具有全天候、全天時、強(qiáng)投射性、遠(yuǎn)距離和高分辨的特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域都有非常重要的實(shí)用價值，對國防技術(shù)現(xiàn)代化、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科技發(fā)展具有重大的意義。因此合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)越來越受到國際上現(xiàn)金技術(shù)國家的重視，是競爭激烈、發(fā)展迅速的技術(shù)領(lǐng)域。2.2合成孔徑雷達(dá)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用2.2.1 戰(zhàn)略應(yīng)用全天候全球戰(zhàn)略偵察，全天候海洋軍事動態(tài)監(jiān)視。2.2.2 戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用全天候重點(diǎn)戰(zhàn)區(qū)軍事動態(tài)監(jiān)視，大型飛機(jī)群、坦克、機(jī)場和停機(jī)坪的成像監(jiān)視，反坦克雷達(dá)的監(jiān)測。2.2.3 特別應(yīng)用強(qiáng)雜波背景下的目標(biāo)識別，低空與超低空目標(biāo)的探測與跟蹤，精密測量與測高，隱藏目標(biāo)散射特性的靜態(tài)和動態(tài)測量。2.3合成

15、孔徑雷達(dá)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用2.3.1 在地形測繪和制圖方面，合成孔徑雷達(dá)可以進(jìn)行大面積的地形測繪，測定山脈、河流、城市、鄉(xiāng)村、道路、橋梁等地面目標(biāo)的形成和位置，研究城市變遷、道路變遷、湖泊分布及變遷、了解道路的運(yùn)輸狀況等。2.3.2 在海洋應(yīng)用方面，合成孔徑雷達(dá)可以用來研究大面積海浪特性，研究冰山分布，測繪海洋圖，還可以用來研究海洋變遷、海洋污染情況、監(jiān)視海藻生長等。2.3.3 在水資源應(yīng)用方面，合成孔徑雷達(dá)可以用來大面積測定土壤溫度及其分布，確定大面積降雨，研究湖泊冰覆蓋、地面冰覆蓋情況等，還可以用來研究水源大面積污染情況，測定污染區(qū)，判定污染嚴(yán)重程度等。三、合成孔徑雷達(dá)成像的原理3.1成像特

16、點(diǎn)合成孔徑雷達(dá)（SAR）的工作方式是雷達(dá)裝載于飛機(jī)或衛(wèi)星上，對地面的靜止目標(biāo)進(jìn)行成像。一般雷達(dá)是沿著直線勻速運(yùn)動，隨著雷達(dá)的運(yùn)動，其波束照射到側(cè)方的一帶型區(qū)域并對該區(qū)域進(jìn)行成像。由于裝載雷達(dá)的飛機(jī)或衛(wèi)星是按預(yù)定航線飛行，其航線的運(yùn)動參數(shù)可以通過導(dǎo)航系統(tǒng)比較精確地獲得，因此可以利用這些參數(shù)對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理，從而獲得目標(biāo)的圖像。SAR的特點(diǎn)是分辨率高，能全天候工作，能有效地識別偽裝和穿透掩蓋物。SAR主要用于航空測量、航空遙感、衛(wèi)星海洋觀測、航天偵察、圖像匹配制導(dǎo)等。它能發(fā)現(xiàn)隱蔽和偽裝的目標(biāo)，如識別偽裝的導(dǎo)彈地下發(fā)射井、識別云霧籠罩地區(qū)的地面目標(biāo)等。3.2 成像原理SAR和常規(guī)雷達(dá)一樣，都是

17、利用目標(biāo)反射的電磁波對目標(biāo)進(jìn)行探測，之所以能產(chǎn)生高的分辨率，要?dú)w功于線性調(diào)頻信號，這種信號在壓縮處理后可以產(chǎn)生很高的分辨力。距離向的線性調(diào)頻信號是雷達(dá)發(fā)射脈沖前就產(chǎn)生的，這和常規(guī)雷達(dá)沒有不同之處，而方位向的線性調(diào)頻信號則是SAR獨(dú)有的。SAR在飛過目標(biāo)時，飛機(jī)和目標(biāo)之間的相對速度是變化的，所以目標(biāo)回波的多普勒頻移也是變化的，如此就產(chǎn)生了一個近似線性調(diào)頻的信號，利用這個信號SAR就可以產(chǎn)生很高的方位向的分辨力。合成孔徑雷達(dá)是一種二維高分辨雷達(dá)，其成像機(jī)理可由雷達(dá)分辨理論加以解釋，其距離向的高分辨率是通過雷達(dá)發(fā)射寬頻帶信號進(jìn)行距離向匹配濾波器獲得的，方位向的高分辨率是通過對散射點(diǎn)與雷達(dá)的相對運(yùn)動所

18、產(chǎn)生的多普勒信號進(jìn)行匹配處理獲得的，在靜止目標(biāo)的SAR圖像上，動目標(biāo)在方位上將偏離原來的位置，動目標(biāo)圖像散焦，分辨率下降，圖像峰度下降。如果要得到方位上聚焦的高分辨率動目標(biāo)SAR圖像，就必須對動目標(biāo)重新聚焦成像。3.3成像流程圖動目標(biāo)成像流程圈圖如圖3.3所示回波回波信號距離向壓縮、轉(zhuǎn)置雜波抑制動目標(biāo)檢測運(yùn)動參數(shù)估計距離移動校正動目標(biāo)成像多普勒參數(shù)估計圖3.3 動目標(biāo)成像流程圖回波信號經(jīng)過距離向壓縮、轉(zhuǎn)置后，需要進(jìn)行雜波抑制以改善信噪比(SNR)，然后對雜波抑制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行動目標(biāo)檢測，檢測到目標(biāo)后就可以估計目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)，運(yùn)動參數(shù)包括目標(biāo)的速度和位置。在動目標(biāo)成像時不能用靜止目標(biāo)的多普勒參數(shù)，

19、必須重新估計動目標(biāo)多普勒參數(shù)。多普勒參數(shù)與動目標(biāo)自身的運(yùn)動參數(shù)密切相關(guān)，每一個動目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)不同，其多普勒參數(shù)也不同，二者互相依賴，所以運(yùn)動參數(shù)估計和多普勒參數(shù)估計必須同時完成。在多數(shù)情況下，檢測和參數(shù)估計也是同時完成的，比如在圖像域檢測時，要想可靠地檢測目標(biāo)就要求盡可能使用與動目標(biāo)匹配的匹配濾波器來完成壓縮處理，以改善信噪比，但是匹配濾波器的設(shè)計又需要知道多普勒參數(shù)，所以檢測和參數(shù)估計應(yīng)該同時進(jìn)行。估計出目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)以后，需要對雜波抑制后的動目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行距離移動較正，距離移動校正可以在頻域內(nèi)完成，或者通過降低距離向分辨率、減少相對積累時間來降低距離移動效應(yīng)。距離移動校正后，并且已經(jīng)估計了

20、動目標(biāo)的多普勒中心頻率和調(diào)制頻率，就可以對動目標(biāo)進(jìn)行聚焦成像。3.4 SAR成像理論模型雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜性與日劇增，單處理器軟件仿真系統(tǒng)只能夠?qū)走_(dá)系統(tǒng)的一些簡單參數(shù)和指標(biāo)作有限的仿真。運(yùn)動目標(biāo)檢測和成像是SAR要完成的基本功能和難點(diǎn)之一，如何高效的檢測出道動目標(biāo)、確定目標(biāo)運(yùn)動速度及其位置并對這些動目標(biāo)進(jìn)行成像是SAR運(yùn)動目標(biāo)檢測和成像的主要任務(wù)。SAR的基本功能是獲得地域圖像，盡可能逼真的再現(xiàn)輻射地域特征，其成像理論模型如圖3.4所示圖3.4 二維兩絡(luò)SAR理論模型圖模型中表示地域?qū)ξ⒉ǖ暮笙蛏⑸湎禂?shù)，是經(jīng)過信號處理后的雷達(dá)圖像，代表SAR沖激響應(yīng)，是一個二維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)為脈沖函數(shù)(函數(shù))時，

21、雷達(dá)成像就是地域散射系數(shù)的正確復(fù)現(xiàn)，因此要求SAR的系統(tǒng)響應(yīng)盡可能的接近函數(shù)。四、SAR成像算4.1 引言1948年，美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)發(fā)表了“通信的數(shù)學(xué)理論”一文，創(chuàng)立了信息論。1953年伍德沃首先將概率論和信息論引進(jìn)雷達(dá)領(lǐng)域，隨即建立了匹配濾波器理論，在匹配濾波器理論的基礎(chǔ)上研究雷達(dá)目標(biāo)成像問題，從而建立了完整的模糊函數(shù)理論。合成孔徑雷達(dá)成像的基礎(chǔ)在于提高雷達(dá)的二維分辨率，其成像處理過程在本質(zhì)上是二維匹配濾波器問題，二維匹配濾波在一定調(diào)件下可以分解成兩個一維過程（距離向和方位向）進(jìn)行。信號的距離向壓縮不難實(shí)現(xiàn)，但方位向多普勒信號的壓縮不易實(shí)現(xiàn)，因此同一目標(biāo)回波的包絡(luò)位置隨雷達(dá)的視角變化，稱為距

22、離移動現(xiàn)象。距離移動問題是合成孔徑雷達(dá)成像要解決的主要問題，因此可以說“運(yùn)動是雷達(dá)成像的依據(jù)，也是產(chǎn)生問題的根源”。下面介紹合成孔徑雷達(dá)成像的算法。4.2 距離多普勒算法（RD）距離多普勒算法（RD）是將距離壓縮后的數(shù)據(jù)變換到距離多普勒域，相同距離上的點(diǎn)目標(biāo)回波重合在一起，由于距離移動量相同，可以同時進(jìn)行距離移動校正從而完成成像。距離多普勒(RD)算法是SAR數(shù)字成像中最基本的算法。該算法以匹配濾波或脈沖理論為基礎(chǔ)，將SAR的距離和方位二維成像處理近似為距離和方位可分離的兩個一維處理，其基本步驟是先對每個回波脈沖進(jìn)行距離向壓縮，然后在RD域中，消除由于距離移動所引起的距離和方位之間的耦合，最后

23、完成方位向的聚焦處理。RD算法是SAR成像廣泛使用的方法，它利用雷達(dá)目標(biāo)的回波信號可近似看成在方位向和距離向獨(dú)立的線性調(diào)頻信號的原理，在距離向和方位向分別進(jìn)行匹配濾波的方法最終得到SAR的圖像數(shù)據(jù)。由于目標(biāo)在合成孔徑過程中與雷達(dá)平臺的相對位置不斷變化，使得同一目標(biāo)不同照射時刻的回波映射到不同的距離門上，導(dǎo)致同一目標(biāo)的軌跡落在接收數(shù)據(jù)矩陣的不同行上。在做方位向壓縮時要求把同一目標(biāo)的位于不同距離門上的回波搬移到同一距離門上，這一搬移過程一般是在方位向FFT之后進(jìn)行的，此時同一距離門的目標(biāo)將在頻域上重合，可以大大減少搬移次數(shù)。在處理的過程中，由于數(shù)據(jù)矩陣是由離散的點(diǎn)來反映回波的信息，而目標(biāo)的軌跡不一

24、定都正好落在矩陣的采樣點(diǎn)上，這使得在搬移的過程中需要插值。在分辨率較高的SAR中，此時將大大地增加算法的運(yùn)算量。SAR信號處理主要包括距離向壓縮處理，距離移動校正，方位向壓縮處理。4.2.1 信號模型及分析使雷達(dá)收集信號的幾何平面模型,如圖4.2.1所示圖4.2.1 雷達(dá)收集信號的平面模型圖其中為斜視角，為點(diǎn)目標(biāo)到飛行航線的垂直離，為方位時間，為雷達(dá)與目標(biāo)的斜距，點(diǎn)為合成孔徑波束中心，它在軸的位置(即在時刻)，距點(diǎn)目標(biāo)的距離為，則有公式 四 （1）在時刻附近對上式作泰勒級數(shù)展開，省略三次以上的高次項，得公式 四 （2） 其中 和 分別表示多普勒中心頻率和調(diào)制頻率，為中心頻率對應(yīng)的波長。不同方位

25、上的距離移動為：公式 四 （3）距離移動包括兩部分：(3式)中的第一項為方位時間的線性項，稱為距離走動，當(dāng)合成孔徑雷達(dá)不是工作在正側(cè)視的時候就會產(chǎn)生距離走動。第二項為方位時間的二次項稱為距離彎曲，主要由合成孔徑上目標(biāo)斜距差造成的。在正側(cè)視情況下，多普勒中心頻率凡為零。如果斜視角較小，波束指向在正側(cè)視附近，即凡很小，這時距離走動很小。如果斜視角較大，波束指向偏離正側(cè)視一定角度，即較大，這時距離走動較大。4.2.2距離壓縮設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號的復(fù)包絡(luò)為，是發(fā)射線性調(diào)頻(LFM)信號的調(diào)頻率，其接收的點(diǎn)目標(biāo)回波的基頻信號在距離時間一方位時間域(域)可寫為公式 四 （4）其中為目標(biāo)后向散射系數(shù)，為方位向天線

26、加權(quán)函數(shù)。經(jīng)距離壓縮后的信號形式為：公式 四 （5）式中距離向信號帶寬。經(jīng)距離壓縮后的點(diǎn)目標(biāo)信號在距離方向上的散布已被壓縮，由于式中函數(shù)的存在，使得距離壓縮后信號波形的軌跡不是沿著平行與圖l的x軸方向，而發(fā)生了曲線偏離，這就是距離偏移現(xiàn)象。這是由于在合成孔徑時間內(nèi)，目標(biāo)與雷達(dá)的距離變換量通常大于一個距離分辨單元，從而使得同一目標(biāo)的回波走出若干分辨單元，使得方位向壓縮成為二維處理，距離移動的存在增加了方位處理的復(fù)雜性。因此，在進(jìn)行壓縮處理之前必須先作距離移動校正。4.2.3 距離移動校正距離向信號是典型的Chirp信號，相關(guān)算法是在頻域利用FFT進(jìn)行的。公式如下：公式 四 （6）下標(biāo)r表示公式為

27、距離向（逆）傅里葉變換，和分別是Chirp信號的調(diào)頻斜率和脈沖持續(xù)時間，表示距離壓縮參考函數(shù)。距離遷移是SAR信號處理中必然出現(xiàn)的現(xiàn)象，它的大小隨系統(tǒng)參數(shù)不同而變化，并不總需要補(bǔ)償。點(diǎn)目標(biāo)仿真時，暫時先不考慮。正側(cè)視點(diǎn)目標(biāo)情況下，回波經(jīng)距離壓縮后在方位上也是一Chirp信號，因此其壓縮處理同距離壓縮處理類似，只是壓縮因子不同。公式如下：公式 四 （7）下標(biāo)a表示公式為方位上（逆）傅里葉變換，表示方位壓縮參考函數(shù)。在合成孔徑時間內(nèi)都會發(fā)生距離移動現(xiàn)象，下面分析動目標(biāo)的距離移動效應(yīng)，在分析中不考慮地球自轉(zhuǎn)。距離移動問題可以從時域分析，假設(shè)目標(biāo)以恒定的速度運(yùn)行，即，目標(biāo)運(yùn)動軌跡可以表示為：公式 四

28、（8）其中、分別表示總位移，初始狀態(tài)位移，初始狀態(tài)水平、豎直位移，水平豎直速度和目標(biāo)運(yùn)動時間。合成孔徑時間內(nèi)的最大距離移動量為：公式 四 （9）假設(shè)時刻，目標(biāo)位于方位上波束中心，即，對于速度慢的目標(biāo)而言，大距離移動量可以近似為：，其中第一項是由于載機(jī)運(yùn)動引起的距離運(yùn)動量，無論是靜止目標(biāo)還是運(yùn)動目標(biāo)都存在；第二項是由于目標(biāo)距離向運(yùn)動引起的距離移動量。假設(shè)距離分辨率為，則距離運(yùn)動單元數(shù)為，將上式帶入可得公式 四 （10）經(jīng)過上述分析可見，距離移動與距離向分辨率有關(guān)，距離向分辨率越高，移動單元數(shù)越夫。距離移動還與合成孔徑時間有關(guān)，合成孔徑時間長，距離移動大，合成孔徑時間短，則距離移動小。距離移動還與

29、目標(biāo)運(yùn)動有關(guān)，距離向速度較大的目標(biāo)會引起嚴(yán)重的距離單元移位現(xiàn)象，目標(biāo)速度不同，距離移動曲線也不同。為了降低距離移動量，可以通過降低距離分辨率或者減少積累時間來實(shí)現(xiàn)。通過平滑高分辨率距離向數(shù)據(jù)或者部分?jǐn)?shù)據(jù)脈沖壓縮的方法，可以降低距離向分辨率，進(jìn)而減少或消除距離移動。這樣做還有一個好處是降低了數(shù)據(jù)率，降低了對轉(zhuǎn)置存儲器的容量要求，并且使方位向壓縮時的運(yùn)算量大大的減少。減少積累時間同樣可以減少距離移動，但同時也降低了方位分辨率。當(dāng)距離移動量滿足距離移動可以忽略不計。4.2.4 方位向壓縮完成距離移動校正標(biāo)志著方位信號軌跡由曲線變換成直線，因此，方位壓縮處理將是一維處理過程。又因?yàn)榫嚯x走動補(bǔ)償中已補(bǔ)償

30、為零了，所以使用的方位參考函數(shù)為：公式 四 （11）和距離壓縮一樣，方位向壓縮也在多普勒域進(jìn)行。這樣，經(jīng)過圖4.2.1 雷達(dá)收集信號的平面模型圖距離壓縮，距離移動校正和方位壓縮處理之后，就可以輸出SAR圖像了。算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟的流程圖如下所示圖4.2.4 RD算法和RD改進(jìn)算法流程圖4.3 CS算法4.3.1算法特點(diǎn)簡介20世紀(jì)90年代初，Raney等人提出了不用插值的CS算法，它利用CS操作消除距離移動的空間變化特性，然后利用平移對所有散射點(diǎn)剩余的距離移動進(jìn)行統(tǒng)一校正。CS算法的缺點(diǎn)是CS操作系統(tǒng)引起回?fù)苄盘柊j(luò)發(fā)生變化，影響對散射點(diǎn)的聚焦，在大斜視角時會使算法失效，改進(jìn)的非線性CS（NC

31、S）算法使得SAR處理大視角數(shù)據(jù)的能力大大提高。CS算法本質(zhì)是一種變換坐標(biāo)算法，1998年德國的Mittermayer等人結(jié)合CS算法，提出頻率變化（Frequency Scaling）算法，1995年Lanari等人提出對任意信號形式成立的傅里葉變換法（ISCFT），對SAR成像算法的研究仍在持續(xù)的進(jìn)行著。針對大斜視SAR 回波信號的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)的CS 算法進(jìn)行改進(jìn)，將距離移動的校正在時域和頻域中分別進(jìn)行，首先在時域校正距離走動，然后在頻域校正距離彎曲。經(jīng)過時域去走動處理后，距離向和方位向的耦合大大降低，不僅可適應(yīng)大斜視角的成像要求，而且測繪帶寬度也會增大。由于時域去走動處理會引起方位向存在

32、聚焦深度，分析和仿真了影響聚焦深度的因素。仿真結(jié)果表明，該算法具有較高的精度，可滿足大斜視角和較大測繪帶寬度成像要求。4.3.2SAR 斜視回波模型4.3.2.1 斜視SAR 回波幾何模型SAR回波模型是算法仿真的基礎(chǔ)，在回波模型基礎(chǔ)上可通過計算機(jī)仿真構(gòu)建成像場景的模型?；夭〝?shù)據(jù)的仿真可分為正向法和逆向法，正向法是逐個發(fā)射脈沖計算SAR 回波，其優(yōu)點(diǎn)是可以保證仿真逼真度，缺點(diǎn)是計算效率低。斜視SAR 回波模型有別于正側(cè)視時的情況，圖4.3.2.1所示為斜視時，SAR 與點(diǎn)目標(biāo)之間的幾何關(guān)系。圖4.3.2.1斜視SAR回波幾何模型圖載機(jī)的速度為，斜視角大小為，點(diǎn)目標(biāo)P和SAR 的最近距離設(shè)為，視

33、線距離為，設(shè)載機(jī)位于 點(diǎn)的時刻為時間起點(diǎn)，此時波束射線通過P 點(diǎn)而與航線的平行線交于 點(diǎn)，將此點(diǎn)作為該平行線上的時間起點(diǎn)。經(jīng)過時間后，載機(jī)飛行至點(diǎn)，設(shè)點(diǎn)目標(biāo)與之間的橫向距離為，在中由余弦定理，可得雷達(dá)與目標(biāo)的瞬時斜距為：公式 四 （12）4.3.2.2 距離移動分析在上式中，令，將在處按照泰勒級數(shù)展開并保留至第三階，可得公式 四 （13）2式中的線性項為距離走動，公式 四 （14）高次項為距離彎曲，公式 四 （15）同時定義距離走動總量為，距離彎曲總量為，則有公式 四 （16）為了分析距離走動和距離彎曲隨斜視角變化關(guān)系，選擇天線長度為2 m，載機(jī)速度為250 m/s，視線距離為41.67 km

34、，帶寬為60 MHz，波長為0.03m雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。當(dāng)將距離走動校正后，只剩下的距離彎曲，側(cè)視的成像處理算法就可以滿足成像要求，因此改進(jìn)常規(guī)的CS 算法，并結(jié)合時域的去走動即可滿足大斜視成像要求。4.3.2.3 改進(jìn)的CS算法改進(jìn)后的CS 算法步驟如下：(1)進(jìn)行去走動處理，將回波信號的線性走動去除。(2)將處理后的回波信號進(jìn)行方位向FFT 變換，變換到距離多普勒域中，采用駐定相位原理。CS算法校正距離移動是通過選定參考距離，然后將場景中的其余目標(biāo)的距離移動補(bǔ)償成和參考距離處的相同，之后再做統(tǒng)一處理從而完成整個場景的RCMC，另外在距離多普勒域中還需要選擇一個參考頻率，通常選擇多普

35、勒中心頻率。五、算法的Matlab仿真5.1RD算法5.1.1 仿真參數(shù)采用美制GERA一2495一l機(jī)載SAR系統(tǒng)真實(shí)參數(shù)作為仿真實(shí)驗(yàn)的基本參數(shù)，其主要參數(shù)如下：波長3.125em，線性調(diào)頻脈沖帶寬80MHz，脈沖帶寬lus，載波頻率fc=9.6GHz，與測繪帶的垂直斜距凡=13700m，載機(jī)飛行速度200ms，30斜視角。5.1.2 仿真結(jié)果經(jīng)Matlab仿真后的圖形分別如圖5.1.2.1、圖5.1.2.2、圖5.1.2.3、圖5.1.2.4所示：圖5.1.2.1 雷達(dá)獲取的原始信號圖圖5.1.2.2 處理后的多普勒頻域譜圖圖5.1.2.3 經(jīng)MRC處理后的RD域頻譜圖5.1.2.4 點(diǎn)目

36、標(biāo)成像圖5.1.3仿真結(jié)果說明圖一時沒有經(jīng)過處理，由雷達(dá)直接獲取的圖像，從圖中可以看出這種沒有經(jīng)過提取的圖像中，含有很多頻率復(fù)雜的成分，有些重要的信號或許淹沒在雜波信號中，并且成像的方位角和成像范圍分布不集中。為了更好地獲得需要的信息，必須對這種圖像進(jìn)行加工處理，圖二是運(yùn)用多普勒算法提取的圖像信息，得到了兩條相對重要的信號頻譜，其成像方位角和成像范圍都集中在一定的范圍內(nèi)，但仍含有一些雜波信號。圖三是經(jīng)過RMC技術(shù)處理得到的RD域的頻譜，在圖二的基礎(chǔ)上濾除了雜波信號。圖四從濾除雜波的信號進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)成像，從圖中可以清晰地看到選取的三個點(diǎn)目標(biāo)的圖像，其成像方位角和成像范圍進(jìn)一步集中，并且點(diǎn)目標(biāo)圖像的

37、分辨率很高。5.2CS算法如何利用分布式雷達(dá)系統(tǒng)的回波數(shù)據(jù)，得到高分辨率的圖像，是當(dāng)前雷達(dá)成像技術(shù)的一個重要研究方向。對分布式系統(tǒng)的多組回波數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域/多普勒域疊加合成及成像處理，可以得到高分辨率的成像結(jié)果。目前，分布式雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛仍是RD成像處理算法。然而，由于分布式系統(tǒng)在觀測中多涉及到大斜視角成像的問題，而RD算法受斜視及距離彎曲影響較大，同時插值提高了運(yùn)算量，往往不能滿足成像精度需求。鑒于此，本文嘗試在分布式雷達(dá)成像中引入避免插值運(yùn)算、精度更高的CS算法，探討CS算法應(yīng)用于分布式雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢、處理特點(diǎn)及成像效果。5.2.1 仿真參數(shù)為了驗(yàn)證算法的有效性，通過模擬場景回波信號，來

38、對改進(jìn)后的算法進(jìn)行仿真，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1 所示。同時為了演示幾何校正的效果，選取測繪帶寬度為250 m，方位向?qū)挾葹?50 m 的場景，假設(shè)場景中包含9個點(diǎn)目標(biāo)，這些點(diǎn)呈等間隔分布，以場景中心為原點(diǎn)，在距離向和方位向均相隔100m。表5.2.1.1SAR系統(tǒng)仿真參數(shù)表SAR系統(tǒng)仿真參數(shù)飛行速度250 m/s發(fā)射信號帶寬60 MHz天線長度4 m成像中心斜距41.67 km載波波長0.03 m距離向采樣率1.6脈沖寬度2 us方位向采樣率1.4斜視角60橫向聚焦深度307.9 m表5.2.1.2 點(diǎn)目標(biāo)成像指標(biāo)點(diǎn)成像性能指標(biāo)方位向距離向擴(kuò)寬比PSLRISLR擴(kuò)寬比PSLRISLR近距點(diǎn)1.03

39、7-12.92-9.8391.033-12.34-10.09參考點(diǎn)1.023-12.98-9.9141.015-13.88-11.75遠(yuǎn)距點(diǎn)1。037-12.91-9.8491.033-12.33-10.09表5.2.1.2給出了當(dāng)斜視角為60時改進(jìn)后的CS 算法在近距點(diǎn)、參考距離處和遠(yuǎn)距點(diǎn)處的成像性能參數(shù)，這里的擴(kuò)展比是按照-3 dB 的寬度來計算實(shí)際值和理論值的比例。ISLR 理論值在-10 dB 左右，PSLR 為-13 dB，本文在成像過程中并沒有進(jìn)行加窗處理，由表5.2.1.2可知，成像結(jié)果表明算法滿足大斜角情況下的SAR 成像要求。5.2.2 仿真結(jié)果經(jīng)Matlab仿真后的圖形分別

40、如圖5.2.2.1、圖5.2.2.2、圖5.2.2.3、圖5.2.2.4所示：圖5.2.2.1 雷達(dá)獲取的原始信號圖圖5.2.2.2 經(jīng)距離向匹配濾波器處理后的頻譜圖圖5.2.2.3 消除相位影響后的頻譜圖圖5.2.2.4 消除相位后的點(diǎn)目標(biāo)成像圖5.2.3 仿真性能分析圖五時沒有經(jīng)過處理，由雷達(dá)直接獲取的圖像，從圖中可以看出這種沒有經(jīng)過提取的圖像中，含有很多頻率復(fù)雜的成分，有些重要的信號或許淹沒在雜波信號中，并且成像的方位角和成像范圍分布不集中。為了更好地獲得需要的信息，必須對這種圖像進(jìn)行加工處理，圖六是運(yùn)用距離向匹配濾波法提取的圖像信息，得到了相對重要的信號頻譜，其成像范圍集中在一定的范圍

41、內(nèi)，但仍含有一些雜波信號。圖七是消除相位誤差后得到的頻譜，可以看到目標(biāo)成像范圍主要集中在0到50之間。圖八從消除相位誤差的信號進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)成像，從圖中可以清晰地看到選取的三個點(diǎn)目標(biāo)的圖像，其成像方位角顯著集中，并且點(diǎn)目標(biāo)圖像的分辨率很高且成像亮度高。由上述分析可知，將時域去走動和CS 算法相結(jié)合，可以有效地減小距離向和方位向的耦合，滿足較大斜視角時的成像要求，而且成像的測繪帶寬度也大大增加。六、成像算法對分辨率的影響改進(jìn)的RD算法和CS算法中，如果多普勒參數(shù)不準(zhǔn)確，則影響相位補(bǔ)償因子的精度，降低成像質(zhì)量和分辨率。下面首先分析多普勒參數(shù)誤差對成像質(zhì)量和分辨率的影響，然后給出改進(jìn)算法中多普勒參數(shù)的估

42、計與設(shè)定方法。 6.1多普勒中心頻率誤差多普勒中心頻率的誤差引起圖像信噪比下降，模糊度變差，以及圖像位置偏移.多普勒中心頻率誤差引起的圖像信噪比、模糊度變差的定量分析與天線方向性圖、脈沖重復(fù)頻率有關(guān).多普勒中心頻率誤差造成圖像距離向位置偏移為公式 六 （1）方位向位置偏移為公式 六 （2）其中為波束指向在地面的移動速度。6.2多普勒調(diào)頻誤差多普勒調(diào)頻率影響圖像的聚焦，多普勒調(diào)頻率的誤差，在成像處理中表現(xiàn)為二次相位誤差。多普勒調(diào)頻率誤差r在合成孔徑時間引起的最大二次相位誤差為公式 六 （3）為孔徑時間.二次相位誤差會使主瓣展寬，即分辨率降低，同時也會抬高旁瓣.用帶有誤的多普勒調(diào)頻率進(jìn)行成像處理會

43、使圖像發(fā)生散焦，從上式中可以看出如果孔徑時間不同，相同的多普勒調(diào)頻率誤差帶來的二次相位誤差也不同，因此對分辨率的影響也不同。6.3改進(jìn)型算法的多普勒參數(shù)估計與設(shè)定從星歷參數(shù)計算得到的多普勒參數(shù)不能滿足精確成像的要求，可以利用回波數(shù)據(jù)本身，結(jié)合成像算法進(jìn)行精確的多普勒參數(shù)估計.RD算法中用雜波鎖定估計多普勒中心頻率，自聚焦估計多普勒調(diào)頻率的基本思想，也可以用于改進(jìn)的Chirp Scaling算法.基本步驟如下：(1)利用星歷數(shù)據(jù)估計多普勒中心頻率和多普勒調(diào)頻率的初值和。(2)計算和，完成改進(jìn)Chirp Scaling算法步驟，得到圖像的多普勒頻譜。(3)用多普勒頻譜能量均衡的方法通過迭代估計多普

44、勒中心頻率。(4)用子孔徑成像方法估計多普勒調(diào)頻率。(5)將和r用地計算和，重復(fù)步驟(2)(5)直到精度滿足要求為止。七、總結(jié)本文簡要介紹解SAR的應(yīng)用，闡述了 SAR成像原理和成像算法，以點(diǎn)目標(biāo)為例，在Matlab平臺上仿真成像算法，分析成像算法對分辨率的影響。在運(yùn)用RD算法和CS算法時，分析了斜視情況SAR空間幾何模型和回波信號模型，分析了SAR斜視情況下成像處理，提出了一種改進(jìn)的RD方法，通過計算機(jī)仿真驗(yàn)證了提出算法的正確性，并給出了點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果和主要參數(shù)。該方法避免了距離走動的插值校正，在距離頻域使得被補(bǔ)償為零，從而降低了計算復(fù)雜度，提高了運(yùn)算速度。但成像處理時使用的是二階逼近距離模

45、型，未考慮距離方程的三次以上項，且距離彎曲校正使用的是插值運(yùn)算，因此，算法只能對小斜視SAR進(jìn)行較好精度的成像，對于大斜視SAR模式，不可避免的存在成像精度差的缺陷。致謝本論文是在黃瑤老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師淵博的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)。不僅是我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與人處事的道路。本論文從選題到完成，每一步都是在黃瑤老師的指導(dǎo)下完成了，傾注了老師大量的心血。黃瑤老師在我作論文的整個過程中給予充分而細(xì)致的指導(dǎo)，首先給予了開題報告和論

46、文正文部分的模板和相關(guān)注意事項，然后不厭其煩的幫忙審核修改開題報告中的問題，細(xì)致到錯別字的指正。在完成論文正文部分時，給我們做好時間安排，讓我有條不紊的完成論文整個過程，在此表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)1 SA霍凡尼斯恩，合成矩陣與成像雷達(dá)導(dǎo)論，西安，宇航出版社，1983,625-6472 張澄波，綜合孔經(jīng)霍達(dá)原理、系統(tǒng)分析與應(yīng)用，北京，科學(xué)出版社，1989,297-3153 魏鐘銓，合成孔徑雷達(dá)成像衛(wèi)星，哈爾濱，科學(xué)出版社，2001,315-3274 張直中，機(jī)載和星載合成孔徑雷達(dá)導(dǎo)論，北京，電子工業(yè)出版社，2004,34-575 高建衛(wèi)，楊紹全，魏青，噪聲調(diào)頻信號對合成孔徑雷達(dá)的干擾，北京，北

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53、0;%radthetaR=0;%R平臺波束斜視角thetaR=thetaR*pi/180;c=3e8;%光速fc=1.5e9;%載頻lambda=c/fc;%波長%測繪帶區(qū)域X0=200;%方位向-X0,X0Rtc=3000; Rrc=3000;Rc=(Rtc+Rrc)/2;R0=150;%距離向Rc-R0,Rc+R0%距離向(成像范圍),r/t domainTr=1.5e-6;%LFM信號脈寬 1.5us (200m)Br=150e6; %LFM信號帶寬 150MHzKr=Br/Tr; %調(diào)頻斜率Nr=512;r=Rc+linspace(-R0,R0,Nr);t=2*r/c;%t域序列dt=

54、R0*4/c/Nr;%采樣周期f=linspace(-1/2/dt,1/2/dt,Nr);%f域序列%方位向(成像目標(biāo)的方位角,Cross-成像范圍),x/u domainv=100;%SAR 平臺速度Lsar=300;%合成孔徑長度Na=1024;x=linspace(-X0,X0,Na);%u域序列u=x/v;du=2*X0/v/Na;fu=linspace(-1/2/du,1/2/du,Na);%fu域序列ftdc=v*sin(thetaT);ftdr=-(v*cos(thetaT)2/lambda/Rtc;frdc=v*sin(thetaR);frdr=-(v*cos(thetaR)2

55、/lambda/Rrc;fdc=ftdc+frdc;%Doppler調(diào)頻中心頻率fdr=ftdr+frdr;%Doppler調(diào)頻斜率%目標(biāo)位置Ntar=3;%目標(biāo)個數(shù)Ptar=Rrc,0,1Rrc+50,-50,1 Rrc+50,50,1;%距離向方位向坐標(biāo),sigma%產(chǎn)生回波s_ut=zeros(Nr,Na);U=ones(Nr,1)*u;%擴(kuò)充為矩陣T=t*ones(1,Na);for i=1:1:Ntar rn=Ptar(i,1);xn=Ptar(i,2);sigma=Ptar(i,3); rtn=rn+Rtc-Rrc; RT=sqrt(rtn2+(rtn*tan(thetaT)+xn

56、-v*U).2); RR=sqrt(rn2+(rn*tan(thetaT)+xn-v*U).2); R=RT+RR; DT=T-R/c; phase=pi*Kr*DT.2-2*pi/lambda*R; s_ut=s_ut+sigma*exp(j*phase).*(abs(DT)Tr/2).*(abs(v*U-xn)Lsar/2);end;%距離壓縮p0_t=exp(j*pi*Kr*(t-2*Rc/c).2).*(abs(t-2*Rc/c)gn);imagesc(x,r-Rc,-G),colormap(gray)grid on,axis tight,xlabel(成像目標(biāo)的方位角)ylabel(

57、成像范圍)title(圖 一)原始信號)subplot(222)G=20*log10(abs(src_fut)+1e-6);gm=max(max(G);gn=gm-40;%顯示動態(tài)范圍40dBG=255/(gm-gn)*(G-gn).*(Ggn);imagesc(fu,r-Rc,-G),colormap(gray)grid on,axis tight,xlabel(成像目標(biāo)的方位角)ylabel(成像范圍)title(圖 二)距離多普勒域頻譜)subplot(223)G=20*log10(abs(s2rc_fut)+1e-6);gm=max(max(G);gn=gm-40;%顯示動態(tài)范圍40dBG=255/(gm-gn)*(G-gn).*(Ggn);imagesc(fu,r-Rc,-G),colormap(gray)grid on,axis tight,xlabel(成像目標(biāo)的方位角)ylabel(成像范圍)title(圖 三)RMC后的RD域頻譜)subplot(224)G=20*log10(abs(s2rcac_ut)+1e-6);gm=max(max(G);gn=gm-60;%顯示動態(tài)范圍40dBG=255/(gm-gn