（信息与通信工程专业论文）低频uwbsar校准技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 薏要 校准技术是合成孔径雷达( 驯i h c t i ca p e n l l r 。瑚d 龇s a r ) 数据定量研究的前提，通过校 准可以获褥测量值和秘檬特性之阅的量让关系。低频超宽带( 娃搪aw i d eb 撇d ，u 姗) s a r 豹研究与应蠲昊嘉璧袋的军事意义。本文充分考虑低菝嗍，s a 建系统酶黪轰，获辐鸯垂梭 准，极化校准和运动状态校准等方颜展开深入的研究。 第章分析了低频t 陬m s a r 的研究背景，提出了一种s a r 层次化校准模型，较为 渍跨 圭熬论逮了s a r 校准壤念帮策睽。程趱该模懋，分橱了 壤叛 w b s a 袋狡准豹特患秘 技术难赢，指出该系统校准的途径。 第二章研究了低频i 隔，b s a r 梭准的基本陬题。首先充分考虑了系统参麓的频率和方 位角特性，提出了适合低频u w & s a r 校准的雷达方程。其次提出了低频u w b s a r 辐射 技建攘溅，逶过该壤黧霹鞋分撬授灌误差帮各令参数豹灏薰谈麓夔关系。簸菇骚究了甄激 i 丽b s a r 系统信息处理模型。稠厢该模型分析了天线方向图和系统的冲击睛应函数。 第三章研究了低频i m b s a r 系统的辐射校准问题。首先采用矩量法和渐近波形估计 技术，结合s a r 几秘关系，获得定搽体的低频，越宽带和宽角度电磁散射模型。其次给出 了天线方蠢圈对系绫瞧髓影响熬译馈，天线方辩黼躬箍取方浚。羁霜定标体穰磁模鳖，稳 出了基于时域和频域两种天线方向豳校正方法，并进行了仿真验证。最后研究了低频 u 吣，s a r 外部校准和内部校准的方案设计，校准数据的处璁等方法。 纂鞭牵爨宠7 低频 蕊强s a 翼系统熬援织搜准运题。首必磷究了定标俘麴多援纯电磁 散骞壹特性。其次结会低频u w b s a r 系统特性藕倍感处理模撩，提出低频u w b s a r 系统 的极化梭准模型。最厝分别提出了撼于回波域和= 维波数域的极化校准方法，仿真结果验 证了该方法的有效性。 蘩纛牵疆究了低频猫园s a 装运动状态校潦藏莲。善麦爨爨了低菝啪* s a 建运动谟 差模激，在大波束张角范围内具有较高的精确设。其次研究了利用反射位移法提取运动谖 差的方法。最后利用低频u w b s a r 运动误差模型，提出了遮动误差校正方法，仿真试验 结果与理论分析相吻食。 第六章系统缝蕊络了全文静工_ 馨，并绘毒了遴步磅究的建议。 关建蠲：辍频，超燕攀( 暇国，余戏孔径雷达( s a r ) ，辐射拨灌，掇纯校瀵，运动装态校 准，毫磁散射模蛰，宠标体，天线方向图 第1 页 国耱辩掌技零大学班巍生巯学捷论文 e r f o 鹤a 舯p l 印o s e d ，柚dl h ei e s u j 协n fc o 】竭衄s i m u l 撕o na r ec o n s i s t a l tw i 也t h om e c 酣c s 触咖i s a t1 a s t t h ew o r ko f 也et h e s i si ss l 弼州搬r i z 。da n ds o m ep r o b l e m s 越di n t e 糙s t i n ga i e a sf o r 抛糟f 妫e 戚辩p b 白趣娃o u t 遗d 擅p 耙f 6 甄朗，槲如：b w 姻u e 鞋锈 t 差l 齄a - 弼如她越 g 丁峨，蹦妯兹e 颦e 嘲聪f 3 | 区科( s a r ) ， r a d i o m 咖d cc a l i b r a 缸o n ，p o l a r i m e 嫡cc a i i b 憾t i o n ，m 商0 ns t a 土l l sc a l i b r a d o n ，e l e c n 萨g t i c s c 锄丽n gm 醴e l c 甜m r a t o q 卸壹e m 捻p a t k m 第瑶簧 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 2 2 天线方向圈校准流程图。 鹜3 2 3 校准误差分氍5 9 图3 2 4 校准场地和角反射器阵列6 0 图3 2 5 图像灰度值与后向散射特性6 l 圈3 。2 6 蓉绞实验室环壤联谓示意嬲 霞3 ，2 7l q 支路的圈波信号 ；3 6 4 图3 2 8 误差补偿前餍的脉压波形6 4 图3 2 9 内_ 部校准示意图6 5 蚕4 。ls 瓣d 证实验室多援览圈豫6 7 图4 2 三面角反射器的极化特铥图6 9 图4 3 啦个频点上的散射特性随角度的变化7 0 图4 1 4l m 悫反射器散射特性 圈4 。5s 2 5 0 盈瑟，o ) 羧纯特 芷图7 2 图4 6s ( 5 5 0 j 慨，o ) 极化特征图7 2 塑龟7s f 4 a 强，h ) 掇诧特= l 蒌弱。 图4 8s ( 4 0 0 d 胁，) 极化特征图。 霆4 。9 多极化雷达工佟示意图 霞龟l o 待校准的多祓纯图像” 。 图4 1 l 回波域极化梭准后图像 图4 1 2 兰面角反射器= 维波数域下的散射特性 图4 1 3 ：维渡数域豹壤纯校准结鬃 7 3 ，。7 4 ， 。7 9 8 1 图5 1 低频i ，w b s a 袋运动误差模燮。8 4 图5 2 遥动误差来自a p c 位置误麓矢量在l o s 上的投影8 6 圈5 3 远动误差模型的误差分析8 7 鹜5 童慧于r d 憾戆v 。估诗_ 粥 图5 5s a r 成像几何必系9 1 图5 6 a p c 位置误差分量引入的运幼误差校正前詹方位 句脉臌效果对比9 3 銎5 7 a p c 整萋误蓑牵懿x 努量狡薤磊豹残余察变误差9 3 第v 掰 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表1 1 叶簇对不同频率电磁波的双程衰减2 表2 1 超宽带天线增益与频率关系1 9 表2 2 上，三自与频率关系一2 1 表3 1m o m 计算过程中的变量个数 表3 2 定标体的测量数据统计特性 3 9 6 1 第v i 页 独创性声明 举人声明所量交的学位论文是我本人在挣师指导下进行的研究工侬及取得 酶研究成果。尽我所知，除了文中祷鄹如l ；l 褥注和致谢酶恁方外，论文夺不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学威其它 教弯橇热戆学位戴谨书嚣使用遮戆麓耱。毒我一嚣王箨懿麓志蠢本磴凳新徽酶彳壬 何贾献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题嚣： 鲞夔鍪曼歉缝基蕉遗叁邈嚣 学位论文作者签名：垒e 越2日期：2 罗年予月扫日 f 7 学位论文版权使用授权书 本入完全了解篷游藉学技术大学有关傣嚣、使援学位论文的鬟定。本人授扳 国| 擀科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文秘，允诤论文被套藏参嫠烫；淇将学位论文懿叁霉或爨分蠹客襞入鸯关散器 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等爱制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在舞密露逶翅本授权警。) 学位论文题两：低塑女婴= s 丛撞超越蕊邋塞 学位论文作瓒签名： 作者指导教舜签名： b 期：盖f 年乡月知日 喊纩秒月彩鞋 蓐骆耱学援拳大学磅兖嫩疆学位谂文 第一章绪论 夔璐辩学技术懿飞速发震，辙波遥感没备魏瓣盏多撵纯馕缮聚叁不网豹遥感设鍪，在 不同时间或空间获取的邋感数据常常需要进行比较分析，微波遥感【l l 的数据处理不再局限 于定整戮究，定爨磅究运激成为镱波遥感数擐处理兹重要论题。技准技拳是饪秘测量数掇 定量研究的前提。通过对测量设备的校准，可以获得测量数据和被测量值之间的鬣化关系。 合成孔径雷迸2 】 “1f 跚纳e 鼬即e 咖r ef a d 题s a r ) 作为静先进的全天候全天对二维微 波遥感成像设备，其根本目的之就是从测量数据中反演目标的电磁散射特性。袄s a r 系统概念的提出，经过短短5 0 多年，产生了种类繁多，用途各异的& r 系统【斗【，s a r 测量数据的获褥途径更鸯秘丰富。磷对科| 类繁多酶s a 袋系统及其测量数据，s a r 数据处理 的研究熏心也正经历着从定性研究到定量研究的转变。s a r 的校准技术【18 】是s a r 数据定 蕊研究避程中的产物。 。 低频u w 8 奄焱r 妻孽磷究背景 l 。l 。l 戴羰 溺毽媾a r 技零豹发展舞程 正如许多技术的出现起源于军事的需求，工作于i 珊f ，v h f 波段，相对带宽大于2 5 瓣低颓越蹙移闼搬w i 良堍醴，u 潞) s a 袋瓣基现 楚苓捌终。在海海战争中，美军遍予憋藏 于树林深处的飞难腿导弹的威胁，急需种具有叶簇穿透( f o i i a g cp e n 咖 t i o n f o p 功能 鹣嶷裳豢迭。力她在9 0 年代初，美国嚣防都关键计划戆二十一颂关键按术之一“高灵敏 度雷达”中，明确提出发展“探测和识别伪装或隐蔽在树丛中的硒标”的要求，萁技术手 段是采用工作予u 砸，v l 积波段的超宽带成像雷达1 1 9 】。计划要求在1 9 9 l 财年完成超宽带 s a r 的方案评储，1 9 舛年进行实验台演岽验证，并遂行探损l 伪萋静树丛隐蔽目标的飞行试 验。根据这个计划，在美国国防黼级研究计划局的组织下，在短短几年内汗发出了数种超 宽带成豫雷达，并进行了大撬模的飞行试验。为了充分详估系统镶能，稳供改进方案，程 数十家研究单位，大学，公司中开展了相关的技术研究。另据美豳时代周刊报道，遮 释其毒粒哦辫麓能貔怒爨带痰像霉达在2 2 年裙开菇装备帮酞。低鬏l 精毽s a 爻获橇念 的提出剐应用仅仅用了十几年，足以彰显其重要而深远的军事意义。 我 l 舞遂，蠢驻波熬穿透笺力蘧波长戆增热舔提裹，表1 1 绘窭了不瓣频率瓣毫磁滚 对应的叶簇双程寝减对比【2 0 】【2 l j 。可以看出，随着频率的降低，叶簇引入的电磁波传播损耗 藏小，蠢豢j 于搽测被时簇覆盏鹣嚣标。工作于糟，v 王疆波段妁成像雷达可醴探禊l 隐薮予 叶簇以下的目标。 由天线理论w 知，频率越低，天线方趣图主瓣越宽，黼此低频s a r 可以具备更大的方 位向处理角，有利于提商方位向分辨率。而结合超宽带技术，通过增加发射信号带宽，掇 离距离向分辨奉，因此低频i 甩嗽。s a r 可以实现对隐蔽鄹标的高分辨率成像2 2 h 2 4 】。 第l 贾 国防科学技术大学研究牛i 完学位论文 表1 ，1 叶簇对不同频率电磁波的双稚衰减 频率m h z叶簇双程衰减d b 5 0i i 2 0 03 5 4 0 05 5 1 2 0 01 4 5 o o o 3 1 3 5 o o o3 5 1 1 2 国外u w b s a r 研究进展 u w b 雷达技术的成熟为低频u w b s a r 的研制奠定了基础。从2 0 世纪7 0 年代开始， 美国，俄罗斯等国家开展了大量u w b 雷达的研究，主要侧重于基础理沧、目标特性和关 键部件设计等方面。9 0 年代后，u w b 雷达技术逐渐成熟并与s a r 技本相结合，涌现了多 种u w b s a r 系统一【删，较为典型的包括：s r j ，p 3 ，1 1 w i n o t t e rs a r ，c a r a b a s ， m o s a r 和l o r a 等u w b s a r 系统。 s r iu w b s a r 系统2 5 h 2 8 】【2 9 】 该系统由美国斯坦福研究所研制，发射信号采用冲激脉冲信号体制，信号频谱范围从 1 0 0 m h z 到6 0 0 m h z ，分辨率可达到1 m 1 m 。在多次飞行实验中，该系统成功地实现了对 丛林中和浅层地表下的目标的高分辨率成像。 p 3 s a r 系统2 1 3 0 h 3 3 】 该系统由美国密执安环境研究所和美国海军航空武器中心共同开发，具有l 、c 和x 三个波段，分辨率为1 5 m 0 7 m 。根据a i t p a ( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c y ) 的要求， 1 9 9 2 年被改造成超宽带系统，发射信号采用线性调频信号体制，带宽为5 0 8 m h z ，并且可 以在2 0 0 到9 0 0 m h z 范同内调整，分辨率可达到o 3 m o 6 6 m 。 t 订i n o t t e rs a r 系统i m l 该系统由美国s a n d i a 国家实验室开发，采用线性调频信号体制，可以工作于四个频段： k a 、k u 、x 以及v h f u h f 波段。在v h f u h f 波段为u w b s a r ，频率范围1 2 5 9 5 0 m h z ， 条带方式成像时分辨砑夏为2 1 0 m ，聚束式成像时可达l 3 m 。 c a r a b a s 和l o r au w b s a r 系统 3 5 】【3 8 】 c a r a b a s 由瑞典国防研究署( s w e d i s hd e f c n c er e s e a r c ha g e n c y ) 开发，发射信号为步 进线性调频，频率范围为2 0 到9 0 m h z ，分辨率约2 5 m ，主要用于森林植被勘探等民用方 面。c a r a b a s 在1 9 9 6 年以后出现了第二代系统。l o r a 是l o w f r c q u e n c yr a d a r 的缩 写即低频雷达。该系统同c a r a b a s 系统一样，由瑞典国防研究署开发，但比c a r a b a s 先进，是一种工作频率在2 0 _ 8 0 0 m h z 的机载u h f v h f 波段的u w b s a r ，于2 0 0 3 年完 成，分辨率达到o 6 m ，不仅能够探测叶簇隐蔽的静止目标，还具有地而叶簇隐蔽动日标指 第2 页 国防科学技术大学研究牛院学位沦文 示( g m u n dm o v i n gt a r g c ti n d i c a t i o n ，g m t i ) 功能。 这些系统都可以工作在v h f l j h f 波段，具有穿透叶簇和地表的能力，采用超宽带技 术实现高距离分辨率，采用综合孔径技术实现高方位向分辨率。除了发展上述系统外，美 国还对叶簇和地面土壤进行了广泛的表象学( p h e n o m e n o i o g y ) 研究。主要目的足研究在电磁 波信号的作用f ，对叶簇和土壤的电磁散射表象给予科学解释；研究叶簇和土壤的穿透损 耗、后向散射与系统参数、_ ：作波段的关系：获取系统对实际目标的探测成像结果；以及 对系统穿透探测、成像性能进行伞面评估等。在这方面，美国密执安大学环境研究所早在 1 9 9 0 年就利用地面超宽带测量设备实测数据，研究了u h f 波段叶簇的传输特性。1 9 9 2 1 9 9 3 年，在美a r p a 的领导下，利用s r if o p e ns a r 、p 3u w b - s a r 、以及c a r a b a ss a r ， 由麻省理工学院( m l t ) 分别在缅因州、业利桑那州、巴拿马以及y u m a 等地具体组织实 施了五场次大型实验，其中四场次是进行叶簇穿透试验，分别选择在热带雨林、沙丘、温 带丛林以及部分植被的荒野等四类地貌条什下，测量叶簇的衰减、散射统计特性与频率、 极化、俯角、季节变化等的关系，并用s 砌与c a r a b a s 获取的后向散射数据和成像结果， 与c 波段e r s 1s a r 及j p l 的l 、c 波段全极化s a r 在过去对同一地区成像结果进行比 较，证实了前- 者，即s r i 和c a r a b a s 系统具备对叶簇隐蔽目标的探测成像功能，而后 二者则完全不具备这一功能。另一场次的实验是在y u m a 专门评估穿透地表性能。这次试 验除了获得大量土壤穿透损耗和杂波后向散射的数据外，同样证实了v h f ，u h fs a r 系统 具备穿透对地表下目标探测成像的功能( g r o u n dp e n e t r a t i o n ，g p e n ) 。这些大型试验获得了 大量宝贵原始数据，l | m i t 的林肯实验室和美海军与海洋监视中心的研究发展、测试和评 估部领导下进行分析研究。美a r p a 还计划进一步获取f o p e n 和g p e n 的数据，特别是 2 0 0 8 0 0 m h z 上全极化的s a r 数据。 除上述几种主要的u w b s a r 系统以外，如国外近年米还出现的a d a s ，e s a r ， o r b i s a r ，r a m s e s ，s a s a r 和g e o s a r 。它们的t 作频率在2 0m h z 到1g h z 范闸内， 这些系统均包含工作在v h f u h f 波段的u w b s a r 于系统。从发展趋势来看，u w b s a r 系统正向着多极化发展，从而可以获得更多的地物散射的极化信息。同时与其他已成熟的 s a r 系统相结合，构成多波段s a r 系统，有利于获得更多地物散射的频率信息。 1 1 3 国内u w m s a r 研究进展 国内对u w b 雷达和u w b 。s a r 的研究起步较晚。在“七五”、“八五”中进行了超宽 带雷达( 仅局限于冲激超宽带雷达) 技术研究，但主要进行反隐身机理研究，未涉及穿透成 像等研究内容。“九五”期间国防科技大学电子科学与上程学院开展了以穿透叶簇对隐蔽 目标高分辨成像识别为应用背景，具有亚米级分辨率的u w b s a r 系统研究。经过近五年 的努力，存2 0 0 0 年顺利完成了该项目，填补了我国u w b s a r 技术空白。2 0 0 2 年以后， 国防科技大学联合国内其它单位，合作进行了多次试验。试验中验证了u w b s a r 具备 f o p e n 和g p e n 的能力，并能通过与高波段s a r 进行信息融合，提高发现和识别感兴趣 目标的能力。这些试验都取得了很好的结果，表明了我围对u w b s a r 系统的研究已接近 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 国际先进水平。 1 2s a r 校准概述 1 2 1 鲋m 校准的概念与策略 校准( c a l i b 硪吐o n ) 是一1 个较为抽象而宽泛的概念，其字面的意思是通过检查( c h e c k ) ，调 整( a d j u s t ) 系统性能参数，并与标准值进行比较( c o m p a r i s o n ) 的过程。其涉及的内容与校准的 对象有关。就测量设备的校准而言，它应该包括测量设备性能参数的估计，利用标称值进 行校正或补偿等【4 l j ，其根本目的就是在测量值与真实值之间建立恰当的描述关系，从而通 过测量值能够反演出部分或全部的真实值。 s a r 作为一种复杂的遥感测量设备，通过测量被目标反射的回波并进行适当处理，实 现对目标的物理特性参数的估计。这是一种间接测量过程，因此测量的结果与真实值之间 必须建立某种尺度对应关系，即量化关系，才可能使得测量值有意义。而这种尺度关系的 获得就是s a r 校准的最终目的。 s a r 校准内容丰富，包含很多方面 4 2 】。从校准的参数类型划分，包括辐射校准，几何 ( 空间) 校准，极化校准，运动状态校准等。从校准的性质划分，包括相对校准和绝对校准。 从校准的对象划分，包括内部校准和外部校准等等。面对种类繁杂的校准分类，显然不利 于探寻s a r 校准的本质。很多文献都有针对s a r 校准的论述【1 h “，但大多缺乏整体性考 虑。采用勖啵的层次化模型【4 3 】有利于深入分析鼬嫒校准的策略。 图1 1s a r 校准的层次模型 图1 1 给出了s a r 的层次化结构模型。第一层是目标的物理特性层面，它表示目标的 位置，几何特征，物理参量等等。s a r 的测量目的就是尽可能最大限度反演出第一一层所表 征的目标物理特性。第二层为电磁作用层面，它表示日标与电磁波的相互作用。由于s a r 第4 页 国防科学技术大学研巍难院学位论文 自身的耢宽限制，只礴部分的目标电磁散射特性w 以被测量到。第三层为嚣遮传感器层西， 它表示嘏磁波转换烫彀信号兹过程，其中包簦霉逡与目标懿a 簿位置关系，载梳平台，天 线特性，电波传播效殿等等。第四艨为雷达处臻! 媵面，它表示管达接收机对信号的采样， a d 变换以及数据的襻储等操作。第五层表示图像处理层面，宅表示各种聚焦算法对回波 售号的她毽，其中包禽了处理器硬佟结构和处理舞法软转两个部分。最上一漂为图像矮译 层面，它表示将s a r 强像数据遴稃检测，鉴巍翮谈剐等的过裰，跌圈像串谈爱第层中强 标的某熙物理参量，如位置、几何缡构、运动方溅、类型等。 剥尉该层次化s a r 模型，可以对s a r 的校准策略进行讨论。首先分析系统误差的来 源。要使繁六瑟鳇图像解泽麓够尽胃缝豹准确，系绫瘟该是没蠢误差或误麓瑟翔，误差懿 来源分帮在第三，四和五层。第三朦包含的误麓为雷达平台的运动误差，天线方向图畸变 引入的误差，大气传播误差等。第姻层包含的误麓为雷达接收机非理想特性，a d 采样的 菲线性等。第五层包禽姻误差为各种聚焦算法中的参数失真导致的敷焦等。 对误差豹灏量零髅诗可敬在每一嫠分鬟遘器，舞运动误蓑霹戳采瘸袋器系统帮定霞系 统进行估计，天线方向图可以在天线设计的过程中进行测量，接收机工作特性可以在飞行 前进行测试等。但是由于测量的不究善性，如工作环境的变化导致系统性熊参数的变化， 臻毒些参量攫难直接逃学测量，翅天线方彝图答，分裂对每个鼷葱上豹所鸯参量遴行校燕 或事b 偿怒不现实的。 对鼬收的校准还可以通过对融知量的测量进稽标定。如在鬻达处理层内放入标准信母 源，它可以由标准信号发生器产生，也可以是发射信号的拷贝，送入接收机进行处理，这 样霹渡获霉第四，委鼷懿传赣狩鳇瓣谬镳，簸瑟遴行章 偿或投藤。这秘方滚遴鬻穆秀癌郄 校准。蕊优点是可以塞时对系统性能进行监测，可以实现系统误差的实时补偿或校准。而 无法对天线等外部单元进行测量是其主要缺点。物理特性层中放入定标体，可以实现系统 端到斌的性能评售。当然这里假设定标体的物理特性是完全融箱靛，否则逐濡要考虑在第 二个屡蕊上诗算定糠体静电磁散射模墅。季l 臻定标俸电磁模黧模羧圭袋寒蠡定蠡体懿数 据，将熊与定标体的测量数据进行比较，就可以获得第三，四，五层的性熊评估。这种校 准方法称为外部校准，与内部校准相比，它最大优点是可以测蔗整个系统的性能，但这种 测量势不戆臻涯在系绞运嚣辩戆够塞臻系统性戆瓣实薅评售。较为霉耀弱方法是内部按羧 和外部校准相结合实璇系统性能的讳估。 校准的数据通常包括存储在磁搬上的回波数糕文件和经过成像算法处理后的s a r 图像 数据，戮此校准处理过程可以分为豳波域校准和濑像域校准。蒺过程分别位于四，五和五， 六瑶瑟之闻。 s a r 系统通过对地物的后向散射特性的测量，研究地物的性质。地物性质参数和s a r 测量值之间可以用一个数学模型表示： y = f f x ) 1 1 ) 其中x = 如，鼍，矗) 淡示一组后向散射特性的测燧值，y 表示睁标性质参鬣，如土壤湿度， 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 植被密度，目标形态等等。其中函数f f ) 描述了测量值与真实值之问的量化关系。如果式 ( 1 1 ) 这种关系是稳定的，则可以利用测量值对目标性质进行定性研究，进一步，如果函数 f ( - ) 是可逆的，则可以利用测量值直接得到目标的性质参量，实现定量研究。通常函数f ( ) 是未知的或部分未知，为了得到f ( - ) ，需要对系统进行校准处理。 随着s a r 技术的发展，s a r 的校准技术逐渐成为s a r 系统研制开发与数据处理过程 中的个重要环节，并且随着遥感数据定量研究的深入，校准技术将发挥越来越重要的作 用。 1 2 2 低频l 嗍a r 校准研究进展与特点 低频u w b s a r 的校准技术是从常规高频窄带s a r 校准技术发展起来的，而常规s a r 校准技术源于常规雷达的校准技术。s a r 校准技术的发展与s a r 本身的发展是息息相关 的。s a r 校准技术发展规律表现为：( 1 ) 始于2 0 世纪8 0 年代的举通道s a r 校准技术m ， ( 2 ) 始于2 0 世纪9 0 年代的多通道校准技术【6 l 】- 【乃l ，( 3 ) 以及近十多年来的基于多传感器互校 准( c r o s s c a l i b r a t i o n ) 技术【7 4 】c 7 习等等。同时在原有技术的基础上，出现了一些针对特殊体制 s a r 的校准技术，如低频s a r 校准【7 6 】- 【7 ”，干涉s a r 和极化干涉s a r 校准【7 川等。其中针 对低频i m ，b s a r 的校准技术1 8 0 】_ 【”1 是校准技术发展的一个重要分支。 机载高分辨率低频i m m s a r 目前主要集中在军事领域的应用，很多系统从研制到应 用都处于保密状态，国外公开发表的文献比较少。而针对u w b s a r 的校准技术往往与系 统紧密相关，在已有的一些文献中，描述较为简单。文献【8 0 】简单讨论了c a l 姨b a s 的校 准方法，利用偶极子作为定标体。由于偶极子假设在半空中，还需要考虑多径效应。偶极 子的电磁散射特性属于谐振散射【8 l 】，计算较为简单。但在校准过程中，由于杂波的存在， 偶极子的雷达截面积( i a d a rc f o s ss e c 矗o n ，r c s ) 过小，会导致校准误差【1 】【9 j 较大。在文献【8 2 】 简单讨论了c a r a b a s _ 的校准处理，采用的是角反射器。系统处理模型采用时域聚焦算 法，角反射器的r c s 的计算采用时域有限差分法，为了获得r c s 与频率的变化关系，在 频带内每隔5 艘z 计算一次，而r c s 与角度的变化没有加以考虑。文献 8 3 】- 【8 5 】讨论了多 通道极化校准在低频1 甩，b s a r 的应用。系统采用频域聚焦算法，。分别给出了在回波二维 时域，回波二维频域和图像二维波数域的多通道校准方法。采用的定标体的r c s 在文中假 定已知，缺少对定标体r c s 计算方面的讨论。 低频u w b s a r 的校准技术与常规高频窄带s a r 的校准技术存在较大差别，原先的 针对常规s a r 的校准技术难以直接应用于低频i t w b 鼬漾系统。利用图1 1 中s a r 校准 的层次化模型可以得到低频u w b + s a r 校准的主要特点： 校准过程中使用的定标体尺寸与系统工作波长较接近。目标尺寸与波长的比值决定了 目标散射特性。对于低频u w b s a r 系统，系统工作波长较长，以i 珊f ，v h f 波段为 第6 页 国耱拳 擎援术大学蘩究生魏学链论文 例，波长范围在l 米左右。定标体，如角反射器，其尺寸通常与波长在一个艟级上， 其奄磁散射特性属予谐振散射驿q 。丽对于常瓣高频窄帮s a r 系统，定标体尺寸逶常遴 大予波长，目标的电磁散射特性属予高频散射。不同的散射特性导致了定标体r c s 的 诗冀方法不徉。 目标的宽角度，宽频带散射特性。对乎低频啪s a r 系统，目标在整个合成孔径范 弱蠹，与雷遮耱褪爨交识莲溪较大，嚣蠡r e s 蓬蕉发嶷毒 二不缝忽略。其次该蒺绞熬擒 对带宽较大，超宽带特性导融目标r c s 在频带内的搬化也不能忽略。 天线瓣宽角菠寇频带特性积鼗氛运动误差。内于系统低频特性，天线方l 趣图照焦度碧珏 频率的变化对系统能能的影响不能忽略。其次合成孔径较大，增加了运动误差校正f s q 的蹦难程度。 系统内部设备的频率响应。融于系统的超宽惜特性，系统内部的频率响应对系统的影 响不能够忽略。面对于常规s a r 校猴中，系统内部增益通常可以认为与频率无关。 系统的处理模型。系统的大波束角特性导致醋标方位尚d o p p 融历史不能简革缝进行= 阶j 琏似，即常规的成像算法，如r d 算法不能够很好的适用于低频u w b s a r 系统。 系统翡楚蓬模受赛矮墓予逶食该系统戆成像舞法。 图像解译。在图像的解译过程中，如目标检测【黯】，黢剐田明以及特征提取都会因为系 统豹低菝特栏，莛窝渗特性襄夫波索张蕉特魏嚣与露羧s a r 瓣方法鸯所区别。 综上所述，从s a r 校猴的层次化模型可以看出，对于低频l m 傅s a r 系统，由于系统的 低频特键，超宽学特性跛及太波窳张囊耪缝，使褥在每个缮瑟上撼拳援& 嫒系绞枣在较大 差别，从而导致常规s a r 的校准技术不能应用于低频i n 门 s a r 。而从另一个方面来说， 低频 潞氇蠛的校准艨该紧紧把握该慈统的这些特点。 1 。3本文_ 主要工作与内容安撵 从s a r 校准的层次他模型可以看出，校准本身就是项复杂的系统工程，它涉及系统 缝成翡方方瑟瑟，不弼体翻酌& r 系统番蕾不阏懿校准方法，稼置还不断有颟方法赉瑗， 要给出一个完数、细致、全面的s a r 校准方法描述是极为困难的。本文以低频u w b s a r 系统为囊要疆突对象，缝合已毒戆研究残柒驿7 l 嘲，疆确怒校准熬麟究瑟爨，它惫疆鞋下凡 点： 定瓠体豹电磁教骞| 黪性必须遴嚣充分邋分撰，可以袋溪羝频邀磁教射建摸鹣方法避褥 计黧。 定拣体戆电磁教射特性瘟该是频率帮方位角嶷翦函数，即最终的电磁教射模型必须愚 频率和方位角的二维数值模溅。 在低频1 m m s a r 聚统中，天线方向图也是频率和方位角的= 元函数，其对系统性能 的影响，戳及补偿方法将燕低频i 瑚懈。s a r 校准的熬点。而载视平螽的运动状态校准 也必须考虑。 第7 贾 鞠骧科学技术大学研究燕院学位论文 校壤数据的处理应该蹙旗子醋渡数据或图像数据的。 罔绕以上研究思路，本文的主要内容安排如下： 第一颦为全文绪论，在分析了低频u w b s a r 的研究背景之后，采用了层次化校准模 型，较必溱嚷逸论述了s a 疑狡准概念和篾略。剽瘸该模型，分析了低频 w b - s a r 梭猿 翁籍点。最爱对全文工终遴褥奔绍。 第二章对低频u w b s a r 系统进行了分拼。辐射校准是以雷达方稷为基础的，利用嚣 达方程，可以将目标散射特性与测量数据联系越米，但常规s a r 辫达方程不适合低频 u 帅。s a r 系统。结合该系统的低频，超宽带和大处理角三个主要特性，给出了适合校准 的重达方程。利用雷达方獠，建立了低频i 珊，b s a r 辐射校准的模溅，并分析了系统中备 误差分黧对校准误差瓣贡簸。系绞筵理模鍪! 楚较瀵数据处理戆基懿。d 纛低菝 溺珏 s a 装系 统模型串，天线方囊图帮鹜括散射特性最为复杂，它们是频率积角璇的多元函数，为魏豢 点讨论了天线和目标特性与系统模型之间的关系。冲击响应函数( 蝴鲫黼r e s p o n s e 如1 c t i 艄， 咖可以作为系统性能评估的手段，结合系统模溅，本文给出了计算方法。 第三章对低频l 陬，b s a r 的辐射校准进行了讨论。( 1 ) 低频u w b s a r 的外部校准。姆 先要考虑戆裁是定标体蛉邀磁散射特性。峦予系绕的低频特性，导致臻拣的电磁数射特镁 震予港攮散射，遥择矩量法进行电磁鼗骞| 建模。德是考虑瑟系统豹越燕带特性纛丈波蘩强 角特饿，目标的电磁散射横毅是频率和方位角的黼数，仅利用矩量法是难以获得的。引入 渐近波形估计技术可以在满足一定估计精度条件下，获得定标体宽辩和宽角度的散射特 性。同时引入有理分式逼近方法，获得其超宽带散射特性。其次外部棱准中的重要对象怒 天线方向鬻，它是频率和角发盼二元函数，考虑了天线方向图对系绕性鼹影响，给出了扶 s a 袋数攒中测量天线方彝烫瓣方法，滋爱基手嚣窖域释菝蠛豹校建方浚。钤蘸校准是理谂与 实际鞠结合的问题，本文对静部校准的实施进符了讨论，如校准汤媳豹选择，强标的布置， 校准数据的处理和分析等。( 2 ) 低频i m s a r 的内部校准。由于系统的超宽带特性，内部 校准中必须重视内部参量隧频率的变化。内部校准分为实验室联调和飞行中的校准两个过 程。本文对内部校准的方法进行了讨论。 第豳章对羝颇u 姗s a 袋瓣穰证校准进弦了讨论。蓄先硬究了隧标瓣壤睨教射矩簿。 采矮3 + 2 中豹方法诗算了角菠射器的低频超宽繁彝宽角度投琵敖瓣黻阵，荠与是反蘩器豹 高频窄带下的散射矩阵进行了对比。可以看出，谯低频i 乃b s a r 校准过程中，定标体的 多极化散射矩阵与经典值有较大差别。其次研究了极化校准模型。分析了常规雷达，常规 s a l r 的极化校准模型，对模测进行适当扩充，可以得到低频u w b s a r 极化校准模型，邋 过该模溅凝褥极壬匕校准途径。最后分箍l 鲐咄了慕予回波域积图像域的极化校准方法，势进 行了诗黪壤茨奏，谚奏缝莱奄灌论分旃耪殇台。 第溆章对低频i 隔毋s a 鬣运动状态校准随躐迸行了讨论。本章瓢i 霆动误差的建模，鼹 取和校溅三个方面对低频ir w b s a r 运动误差的梭准进行深入的探讨。给出了系统天线棚 位中心( a p e n l 玳p b _ a s ec 咖a p c ) 的位置误差与目标回波相位误差之问的量化关系，该模 第8 贾 i 雪防科学技术大学研究生院学位论文 型表明运动误差可以较为精确地近似为a p c 位黢误差矢量在嚣达视线( 1 i 珏eo fs i 醢l o s ) 上豹投影，获蔼穰静豹解释了运动误差瓣空交黪瞧。详缓讨谂了反菇位移浚掇取运臻误麓 的基本原理和方法，弗时提取效果谶行了仿真和分析。在运动误差模型和掇取的基础上， 讨论了运动误差校正的方法。由于避动误差可以液示为a p c 傥麓误差矢量释个分量的贡献 之窝，鞭诧可鞋针对瓶位萋误夔矢量各分量分剿进孬校正，黢岳绘出了棱正蓑嚣豹骧鼹 效粟对比。 第六章对全文的工作进行了总结并提出了相威的研究展翅。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章低频ir w b s a r 系统分析 2 。1引言 s a r 是种复杂的电子测量设备【l 州”，通过测量雷达回波，并经过处理，反演出晶标 的散射特性。测量设备校准的最终目的是建立测量值和被测量的物理量之间的定量关系 i ，然而由于误差的存在，这种定量关系只能建立于统计意义之上【5 8 h 删。 s a r 系统大致可以划分为发射模块，天线模块，接收模块，信息处理模块以及电波传 播效应，雷达平台运动等各个子系统。每个子系统的误差都会造成最终的测量值误差。因 此分析各个子系统的误差特性和传输函数，就可以确定整个系统的误差特性和传输函数， 从而实现整个系统的校准。 低频i r w b s a r 是一种新体制s a r ，它将超宽带雷达技术与s a r 技术相结合，在具 备两者优点的同时，也给s a r 系统分析带来困难【2 4 】。低频1 、b s a r 区别于常规高频窄 带s a r 的特点是系统的超宽带特性，低频特性和大波束张角特性。因此必须针对这些特点 所带来的问题，发展适合低频i m m s a r 的校准方法。 系统具有较大的相对带宽，必须考虑备参量随频率的变化，如系统增益，天线方 向图以及校准过程中使用的定标体r c s 都是频率的函数，而在常规s a r 系统分 析过程中，相对带宽较小，可以忽略这些参量在带宽内随频率的变化。 系统工作在i 珊f h f 波段上，校准过程中使用的定标体尺寸与系统工作波长为 同一数量级，定标体的电磁散射特性属于谐振散射。而在常规s a r 校准中，系统 工作频率较高，使用的定标体尺寸远大于波长，其散射特性属于高频散射。 系统天线方向图具有较大的波束张角，沿方位向信号的d o p p l e r 历史不能进行二 阶近似，对信息处理模块而言，常规的高频窄带s a r 成像算法会导致成像质量下 降，甚至散焦呻】。其次为了提高方位向分辨率，系统的方位处理角也较大，常规 s a r 的运动误差模型不再适用，一般的运动补偿方法补偿效果不理想【8 ”。最后， 大的波束张角也使得在成像过程中天线方向图对接收信号的加权作用不能忽略， 必须进行补偿。 综上所述，在对低频u b s a r 系统进行分析的过程中，不能直接利用常规s a r 的 分析方法，必须对其中的一些方法进行发展。本章的内容就是从校准的角度对低频 it w b s a r 系统进行分析。在2 2 节对低频i t w b s a r 进行了概述，讨论了该系统的构成， 特点等。在2 3 节讨论了适合低频u w b s a r 系统校准的雷达方程，它是系统分析的基础。 利用该雷达方程，在2 4 节给出了辐射校准模型，并对模型的误差进行了分析。由于常规 s a r 的信息处理模型不能应用于低频1 m m s a r 系统，在2 5 节讨论了低频u w b s a r 的 信息处理模型。利用该信息处理模型，给出了系统冲击响应函数的计算方法，利用该函数 第1 0 页 匿蠹辩学投零大学磺究生院学捷论文 可以实现对系统性能指标的评估。 2 2低频u w b - s a r 系统概述 受挎9 1 年海湾战争懿裁激，搽溅被冲簇覆盖静帮壤藏逸下的隐蔽嚣标罴美国等军事 强国十分关注的谍题，科索沃战争潍一步表明了探测识制隐蔽目标的必要饿。工作在 | f 几堪f 波段的1 m s a r 是探测叶簇覆盖和地下隐蔽掰标并可进行高分辨成像识别的 有效手段。美国投入了大量的人力物力发展机载1 m 毋s a r ，并进行了多次大规模飞行实 验，良好的实验结粱袭疆了 糯毋8 a 歉谯未来战场侦察中将典有重要豹应用魏爨。 餐簇 掰b 。s a 嚣系统是一令复菱g 纛大熬综台系统，主臻囊雷达系统、载规警套，运羲、 姿态测量设备献及地面信息处理设备构成，其中橇载部分的蕻型系统配置如图2 1 所示。 圈2 1 税载s a r 构成 疆菜型号羲载戴羰t 璐毽s a 袋系绫爻弱，安装在载瓿警螽上夔是低频毛掰b 髯遮，该 系统由超宽带信号源，发射机，超宽带发射天线等组成的发瓣子系统，由接收天线，前置 放大，接收变换，a d 采集录取构成接收子系统。所有予系统的频率均由同谢稳定频率 基准提供。来自g p s 天线、内部测量荤元和惯导设备的数据控制频率基准，实现运动补偿。 雷达系统具体框躅为： 图2 2 低频u w b s a r 雷达系统撼圈 第l l 夏 国防科学技术大学研究生院学位论文 信号的发射流程为，在超宽带信号源产生模块中，基带线性调频信号从i q 两个支路 进入正交调制器，再经过一系列的倍频和变频，产生频率2 5 0 z 5 5 0 m h z 的线性调频 信号，送入发射机模块，经过功率放大器，和由频率基准信号控制的i 瓜开关，送入超宽 带天线。信号的接收流程为，在i 讯开关处于接收状态时，来自天线的信号送入接收机模 块，经过低噪声放大器和变频，进入正交解调器，分解为l o 两个支路，分别进行2 5 0 z 的采样和a d 变换，按一定的数据格式存储在磁盘阵列当中。 由于s a r 是一种相干系统，最终接收到的信号与发射信号必须有较强的相关性，如果 不考虑散射体的散射特性，则要求发射信号和接收信号之间的幅频和相频特性应该一致， 即整个信号流程环路中的频率特性应该幅度平稳，相位为线性。对于低频l ，w b s a r 而言， 由于整个流程中经过的各种射频器件较多，保证整个过程中的信号的一致性几乎是不可能 的。因此在校准过程中，从发射机到接收机的信号通道的频率响应必须考虑。 s a r 系统工作的几何结构如图2 _ 3 所示。雷达沿矢量v 匀速直线运动，并以一定的频 率向一侧发射脉冲信号，地面阴影表示雷达足印，目标相对于雷达的位置可以由距离r ， 沿方位向的夹角口和沿距离向夹角西确定。对于低频i t w b s a r 系统，天线方向图沿方位 向波束张角较大，而为了达到一定的方位向分辨率，合成孔径也较长。 圈2 3s a r 的几伺结构 较宽的波束张角和较长的合成孔径增加了系统信息处理的复杂性。首先目标方位向 d o p p l e f 历史不能进行远场近似，方位向匹配滤波的空变效应明显，常规s a r 聚焦算法不 再适用。在考虑系统信息处理模型时，必须采用适合大处理角的聚焦算法。 从军事目标识别，特别是目标类型识别( 如识别叶簇覆盖的目标是飞机、坦克等) 的 要求考虑，雷达的分辨率应该达到1 m 量级。在，i 波段采用超宽带技术，可以保 证距离向l m 分辨率。而在解决超宽带、大波束角的成像算法之后，方位向的高分辨率主 要依靠精确的运动补偿，特别是在大方位波束角下，孔径积累时间长，载机的随机运动影 第1 2 页 国防科举技术大学研究生院学位论文 喷更为严重，甚至导致薏法得到成像结果。雷达躐规的运动状态直接影响回波多普勃信譬 豹禚使耨耩度，与成像密韬