星载多通道高分辨宽测绘带合成孔径雷达成像处理技术研究

【摘要】星载合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar,SAR）因其全天时、全天候的全球观测能力，受到了越来越多国家和地区的重视，在军事侦察、国民经济建设和科学研究中得到了广泛的应用。但是，传统星载单通道SAR存在最小天线面积限制，无法同时满足高分辨宽测绘带（HighResolutionWideSwath,HRWS）成像的要求：方位高分辨要求较高的脉冲重复频率（PulseRepetitionFrequency,PRF），而宽距离测绘带则要求较低的PRF。多通道结合数字波束形成（DigitalBeam-Forming,DBF）技术可克服这一限制，从而实现高分辨宽测绘带SAR成像。本文针对星载多通道HRWSSAR系统，重点研究了成像处理的几个关键技术。全文总体上分为两个部分：第一部分主要研究了星载方位多通道高分辨宽测绘带SAR成像处理技术，方位多通道SAR是目前高分辨宽测绘带成像实现最多的体制，在保证距离测绘带宽和距离模糊度要求的前提下，通过多通道DBF处理实现多普勒模糊抑制从而得到HRWSSAR图像。随着分辨率和测绘带宽的提高，回波数据量也大大增加了，对星上存储设备和传输链路等也提出了更高的要求，第二部分针对此问题，研究了星载距离多波束HRWSSAR成像技术，该技术在保证其它性能参数的前提下，可大大降低回波采样数据量，为未来星载HRWSSAR的实现提供了新的方案。本文的主要工作可概括如下：1.星载方位多通道HRWSSAR成像处理技术本文第二章和第三章首先分析了星载方位多通道HRWSSAR回波信号模型，给出了两种典型的成像处理方法，并针对星载方位多通道HRWSSAR成像的特点，开展了以下研究工作：针对星载方位多通道HRWSSAR系统，推导了三维坐标系下接收通道的等效相位中心相位补偿公式。现有的方位多通道HRWSSAR成像算法均假设各通道接收回波补偿一常数相位后可等效为参考接收通道的延时，但并未给出具体的补偿公式，或只给出了两维坐标系下的补偿值，也未考虑发射通道和接收通道间的垂直航向基线。本文所提方法充分考虑了发射通道与接收通道间的三维空间位置关系，同时补偿了由沿航向基线和垂直航向基线引起的等效相位中心相位值，并对残余相位误差进行了分析，指出当接收通道与参考接收通道间存在垂直航向基线时，相位补偿值存在一定的空变性。当空变引起的相位误差不可忽略时，可在距离压缩后利用先验数字高程模型（DigitalElevationModel,DEM）辅助分块补偿。计算机仿真实验验证了本文所提方法的精确性。针对方位多通道HRWSSAR系统，对空时自适应处理（SpaceTimeAdaptiveProcessing,STAP）法的处理性能进行了分析。传递函数法和空时自适应处理法是目前两种典型的多普勒模糊抑制算法，前者已有大量文献对其处理性能进行了分析，并利用地基、机载和星载实测数据对其进行了验证，却鲜有文献对STAP法的处理性能进行分析。基于此，本文首先从理论上分析了利用STAP进行多普勒模糊抑制后的成像等效相位中心位置，验证了STAP的保相性和保幅性，经多普勒模糊抑制后输出回波可看作参考接收通道增加脉冲重复频率后得到的无模糊回波，且各个方位时刻回波所对应的卫星轨道位置由参考接收通道的位置决定，这为后续的干涉处理和目标定位奠定了基础。除此之外，本文还从不同于现有文献且更利于理解的角度分析了STAP解多普勒模糊后的信噪比损失和方位模糊信号比，并利用仿真实验对其进行了验证。实验表明，当PRF偏离均匀采样时，相比其它模糊抑制算法，STAP的处理性能更优，能更好地保留回波信号能量，抑制多普勒模糊。针对方位多通道SAR系统，分析了通道误差因素及其影响。利用DBF技术进行多普勒模糊抑制要求各通道间的特性一致，但在实际情况中，由于加工工艺、运行环境等的影响，通道间不可避免地存在误差，此外，受测量仪器精度的限制，通道位置也存在测量误差。基于此，我们首先对通道误差因素进行了分析，根据各误差因素对DBF的影响将其归结为通道幅度误差、通道相位误差和通道沿航向位置误差，然后推导分析了通道误差对HRWSSAR成像的影响，并利用计算机仿真实验对其进行了验证。实验表明，通道相位误差对DBF的影响最大，而通道沿航向位置误差的影响相对较小，但也应控制在厘米量级，通道幅度误差可通过简单的通道均衡予以消除。与其它算法相比，STAP法具有更高的误差容忍度。提出了两种方位多通道HRWSSAR系统通道误差估计和补偿方法。在实际情况中，通道误差不可避免，为了提高HRWSSAR成像性能，必须对其进行补偿，特别是通道相位误差。针对方位多通道SAR系统，我们提出了两种通道相位误差估计方法：信号子空间法（SignalSubspaceComparisonMethod,SSCM）和天线方向图法（AntennaPatternMethod,APM）。信号子空间法基于信号特征向量张成的空间（即信号子空间）与真实导向矢量张成的空间相同这一特性对通道误差进行估计。首先对利用回波信号估计得到的协方差矩阵进行特征分解得到信号子空间，然后与利用系统参数得到理想的信号子空间相比较，从而得到通道相位误差，与其它算法相比，该方法运算量更小，且适用范围广。天线方向图法假设观测场景均匀分布，在此条件下，利用发射和接收天线方向图对理想信号导向矢量进行加权，然后与回波信号协方差矩阵对比，得到各通道间的相对相位误差。天线方向图法无须特征分解，运算量小，但适用范围受限。最后利用地基实测数据对两种方法的有效性进行了验证。2.星载距离多通道HRWSSAR成像处理技术本文第四章给出了一种新的高分辨宽测绘带SAR成像技术。随着分辨率和测绘带宽的提高，回波信号的数据量大大增加，对星上存储设备和传输链路的要求也随之提高。基于此，我们针对距离多波束分时发射技术，给出了详细的系统实施方案和处理方法，并对其距离模糊度（RangeAmbiguitytoSignalRatio,RASR）等系统性能进行了分析。通过由远及近分时发射信号，各子波束回波将重叠在一起，这样可大大缩短接收窗长度，减小回波采样数据量。然后利用DBF技术进行子波束分离，最后采用传统SAR成像方法即可得到高分辨宽测绘带SAR图像。当观测场景存在地形起伏时，可借助先验DEM进行子波束分离。实验表明，现有的DEM精度（例如SRTMDEM的精度约为17m）所引起的误差可忽略。最后利用计算机仿真实验验证了本文方法的有效性。
【作者】杨桃丽；
【导师】保铮；
【作者基本信息】西安电子科技大学，信号与信息处理，2014，博士
【关键词】合成孔径雷达；高分辨率宽测绘带；方位多通道；信噪比；通道误差；误差估计；距离多波束；模糊信号比；

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