（通信与信息系统专业论文）osa在高分辨率sar成像算法中的应用.pdf

摘要 摘要 合成孔径雷达( s a r ) 是五十年代发展起来的一种高分辨率成像雷达，它结合 了合成孔径原理和脉冲压缩技术，从而在距离向和方位向上获得很高的分辨率。 本文首先对s a r 系统两种主要的工作模式即条带模式( s t r i p m a p ) 和聚束模式 ( s p o t l i g h t ) 及其相应的一些成像算法做了简单的研究和介绍，然后详细介绍了 重叠子孔径( o v e r l a p p e ds u b a p e r t u r ea l g o r i t h m ，o s a ) 算法的基本原理，结合 极坐标格式算法( p f a ) 和相位梯度自聚焦( p g a ) 算法，对条带模式s a r 回波数据进 行成像处理。 论文第一章简单回顾了s a r 技术的历史、现状和发展趋势，以及s a r 的特点 和应用范围。 论文第二章首先介绍了线性调频信号及其压缩原理，给出了相关的计算机仿 真结果，然后介绍了机载条带模式s a r 标准的距离一多普勒( r d ) 算法以及 c h i r p - s c a l i n g ( c s ) 算法成像过程，最后给出了r d 算法和c s 算法的点目标计算 机仿真结果。 论文第三章对聚柬模式s a r 成像处理中应用相当广泛的极坐标格式成像算 法( p f a ) 进行了详细的介绍，然后对p f a 算法的成像分辨率进行了分析。 论文第四章研究了重叠子孔径( o s a ) 算法的基本原理，并给出了具体的推导 过程和实现方法，该算法在很大程度上降低了聚束模式s a r 去斜率处理后出现的 系统误差项的影响。最后通过计算机仿真，验证了此算法的可行性和有效性。 论文第五章研究利用o s a 算法提高聚束s a r 方位成像分辨率，详细介绍了 利用o s a 算法对p f a 算法中去斜率处理产生误差项进行补偿的原理，给出了具 体的实现流程。 论文第六章研究利用o s a 算法处理条带s a r 数据。首先研究了条带模式s a r 和聚束模式s a r 之间的关系，然后结合o s a 算法和p f a 算法，对条带模式s a r 数据进行成像处理，并指出对条带模式s a r 方位向数据进行重叠子孔径划分后， 可以利用f f t 变换代替p f a 算法中的部分或全部c z t 变换。本章还研究了相位梯 度自聚焦算法( p g a ) 的基本原理和实现流程，以及结合p g a 算法的o s a 算法实 现方法，最后给出了k u 波段条带模式s a r 实际数据成像结果。 论文第七章对全文的工作进行总结，指出有待进一步研究的问题。 关键词：合成孔径雷达，聚束模式s a r ，重叠子孔径，成像处理 塑垒垄壹坌塑皇! 丛生堡苎鲨! 塑堡旦 a b s t r a c t x i e d o n g d o n g ( c o m m u n i c a t i o n & i n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e d b y p r o f y u w e i d o n g s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) i san e wt y p eo fh i g hr e s o l u t i o ni m a g i n gr a d a r i t a c q u i r e sh i g hr a n g er e s o l u t i o na n dh i 【g ha z i m u t hr e s o l u t i o nb ym e a n so fc o m b i n i n g t h e p r i n c i p l eo fs y n t h e t i ca p e r t u r ea n dp u l s ec o m p r e s s i o nt e c h n i q u e s 1 1 1 i sp a p e r a n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fo v e r l a p p e ds u b a p e r t u r ea l g o f i t h m ( o s a ) ，a n dp r e s e n t sa m e t h o df o r p r o c e s s i n gs t r i p - m a p s a rd a t a b yu s i n g o s ac o m b i n e dw i m p o l a r - f o r m a t p r o c e s s i n ga l g o r i t h r n ( p f a ) c h a p t e r 1r e v i e w st h eh i s t o r y , p r e s e n ts i t u a t i o na n dm a i nt r e n do f s a r ，w h e r e a f t e r d e s c r i b e si t sc h a r a c t e r i s t i ca n d a p p l i e dd o m a i n c h a p t e r2d e m o n s t r a t e st h et h e o r yo f l i n e a r i t yf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，a n dt h e ns t u d i e st h ei m a g i n ga l g o r i t h mo fb a s i c r a n g e d o p p l e ra l g o d t h m a n d c h i r p s c a l i n ga l g o r i t h r n t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no f p o i n tt a r g e ta r cp r e s e n t e d c h a p t e r 3m a k e sc o m p r e h e n s i v er e s e a r c hi n t op f a ( p o l a rf o r m a ta l g o r i t h m ) w h i c h i sw i d e l yu s e di ns p o t l i g h ts a r i m a g i n gp r o c e s s i n g ，a n dp r e s e n t st h er e s o l u t i o no f p r o c e s s e di m a g e s i nc h a p t e r4 ，t h ep r i n c i p l e a r i d i m p l e m e n t a t i o n m e t h o d o f o v e r l a p p e ds u b a p e r t u r ea l g o r i t h m ( o s a ) i sd e s c r i b e di nd e t a i l b yu s i n go s a ，t h e s y s t e me r r o r sm s u l t i n gf r o md e r a m p - p r o c e s s i n go fs a r d a t aa r er e d u c e d c o m p u t e r s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e a l g o r i t h m i sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e c h a p t e r 5p r e s e n t sam e 出o do f i m p r o v i n gt h ei m a g i n gr e s d u f i o no f p f a b yu s i n g o s at oc o m p e n s a t et h es y s t e me r r o r sr e s u l t i n gf r o md e r a m p - p r o c e s s i n g c h a p t e r6 d i s c u s s e st h er e l a t i o nb e t w e e ns p o t l i g h ts a ra n d s t r i p m a ps a i la n dp r e s e n t s a m e t h o df o r p r o c e s s i n gs t r i p m a p s a rd a t a b yu s i n g o s a t h i sc h a p t e ra l s o d e m o n s t r a t e st h ep r i n c i p l eo fp g a ，a n dd e s c r i b e sam e t h o do f c o m b i n i n go s a w i t h p g a t h er e s u l t so fs a rr a wd a t ai m a g i n gd e m o n s t r a t et h e f e a s i b i l i t yo f t h i sm e t h o d c h a p t e r 7s u m m a r i z e st h ew h o l ew o r ko f t h i st h e s i sa n dp o i n t so u tt h ep r o b l e m st o b es o l v e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r , s p o t l i g h ts a r ，o v e r l a p p e ds u b a p e r t u r e a l g o r i t h m ，i m a g i n gp r o c e s s i n g j i 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进 行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或证书所使用 过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在 学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名：谚去去 日期：扣。印，6 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的 规定，其中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原 件与复印件；电子所可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；电子所可允许学位论文被查阅或借阅；电子所可以学术 交流为目的，复制赠送和交换学位论文：电子所可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：诤歹 击 导师签名：为侈旁 e t 期：0 胡玑6 日期：砷舌 第章绪论 第一章绪论 1 1 合成孔径雷达雷达的发展历史1 1 1 2 i m 【4 i 2 0 世纪5 0 年代以来，成像雷达无论在理论上还是技术上都得到了飞速发展。 其中，最具有代表性的就是合成孔径原理的不断推广，从而导致各种合成孔径雷 达( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ，s a r ) 成像算法和技术纷纷出现，并在商业和军 事上得到了广泛的应用。 s a r 利用与目标相对运动的小孔径天线，把在不同位置接收的回波进行相干 处理，从而获得很高的方位分辨力。天线孔径相当于天线的几何尺寸，孔径越大， 天线辐射的波束越窄，雷达的角分辨力越高。利用雷达与目标的相对运动，把雷 达在不同位置接收到的目标回波信号进行相干处理，相当于把许多个小孔径天线 合成一个大孔径天线，可以获得很高的目标方位分辨力，再加上脉冲压缩技术又 可获得很高的距离分辨力。因此，s a r 是一种高分辨率雷达，即同时具有较高的 方位向分辨率和足够高的距离问分辨率。 1 9 5 1 年6 月，美国古德依尔公司( g o o d y e a ra e r o s p a c ec o ) 的卡尔威利 ( c a r lw i l e y ) 首次提出了可以通过分析回波信号多普勒频率信息来改善雷达的 方位向分辨力，他称之为多普勒波束锐化( d b s ) ，从而为s a r 的出现提供了理论 依据。1 9 5 3 年7 月，伊利诺依大学控制系统实验室采用非聚焦孔径综合方法得 到第一张s a r 图像。1 9 5 3 年夏天，在密歇根大学举办的暑期讨论会上，许多学 者提出了利用雷达运动可以将雷达的真实天线合成为大孔径的线性天线阵列的 概念。1 9 5 7 年8 月，美国密歇根大学雷达和光学实验室的lj c u t r o n a 、e n 。l e i t h 等人将雷达数据记录在胶片上，并用透镜组完成合成孔径信号处理的方法得到了 第一张全聚焦s a r 图像。1 9 5 8 年e n l e i t h 等人研制出实用化的s a r 设备，从 此诞生了成像雷达。 7 0 年代初，k i r k 等人为美国空军研制成功了第一台真正的数字8 a r 处理系 统，获得了高质量的雷达图象，该处理机有正侧视、斜视、聚束模式( s p o t l i g h t ) 三种模式，其中正侧视、斜视模式隶属于条带模式( s t r i p m a p ) 范畴。从此数字信 号处理技术在雷达成像领域逐渐代替了传统的光学处理方法。进入8 0 年代以来， 随着数字信号处理技术的发展，高性能运算单元和大容量存储设备不断出现，而 o s a 在岛分辨字s a r 成像算法中的应用 价格不断降低，使得各种复杂的s a r 成像算法的实用成为可能。 s a r 是2 0 世纪5 0 年代以来雷达领域最先进的工程发明之，利用洲 成像 是全天候条件下获得高分辨率图像的重要途径。自从s a r 技术出现以来，合成孔 径原理不断被人们所认识、发展。s a r 成像不仅在军事应用上取得很大的成功， 而且在很多民用领域，如测绘地形图、海洋学研究以及冰，i i 研究等获得丁j 泛的 应用。 1 2 合成孔径成像雷达的现状和发展趋势l s 州 经过科研工作者几十年的努力，自8 0 年代以来s a r 的研究和应用已经取 得重大进展。1 9 7 8 年美国发射了载有s a r 的海洋卫星( s e a s a t a ) ，它采用l 波 段，固定入射角，h h 极化。在s e a s a t a 取得重大成功后，美国又分别r 1 9 8 1 年1 1 月、1 9 8 4 年1 0 月和 9 9 4 年4 月发射了s i r a ，s i r b 和s i r c x s a r 三 部星载s a r 。其中，s i r - a 与8 e a s a t a 类似，为l 波段，h h 极化。s j r b 是对 s i r a 的改进型，其天线的波束指向可机械改变。s i r c x s a r 采用了很多新技 术，有l ，c 和x 三个波段，四种极化方式，较大的波束角，分布式t r 组件和 相控阵波束扫描技术。 欧洲空间局( e s a ) 分别于1 9 9 1 年7 月和1 9 9 5 年4 月发射了地球遥感卫星 e r s 一1 和e r s 一2 ，其中的s a r 系统采用c 波段，v v 极化，并有全系统校班能力， 是目前性能较好的星载s a r 。其a s a r 采用了c 波段，多极化，多模式，分布式 t r 组件及相控阵技术。另外，加拿大、俄罗斯和日本等国都在进行这乃面的研 究。 国内的s a r 研究近些年也取得了一定成绩。7 0 年代中期中国科学院电子所 在国内首先开始研究s a r ，并于1 9 7 9 年在实际飞行试验中，得到我国第批s a r 图像。 1 9 8 6 年，中科院电子所成功实现了机载s a r 回波信号的非实时数信号处 理；1 9 9 0 年成功研制出“机载s a r 实时数据传输系统”；1 9 9 4 年成功研制j 龆x 波 段、多极化、多通道的机载s a r 系统，本系统首次实现了对分辨率为l o x l0 米的 机载s a r 信号的实时数字成像处理，获得了我国第一批机载s a r 实时数弘成像处 理图像： 第章绪论 2 0 0 0 年中科院电子所研制完成了新一代高分辨率机载实时成像处理器。该 实时成像处理器是我国自主开发的高分辨力s a r 实时成像处理器，其系统方案、 核心硬件、软件全部自行设计和研制，可实现s a r 系统的实时成像处删，雷达 图像的实时座舱显示和实时记录功能，在1 0 0 公罩的作用距离上可实现眄视2 5 米的分辨率。 2 0 0 3 年中科院电子所完成了k u 波段高分辨率机载s a r 系统的研制，其条 带分辨率为i 米，聚束分辨率为0 5 米，具有机上实时成像能力，该雷达所获得 的图像质量高，居国内领先水平。2 0 0 4 年电子所又圆满完成了8 6 3 项目“o 5 米 机载s a r 系统”的研制，获得的图像分辨率达到了0 3 米。 国内其它的一些单位，如电子工业部3 8 所、1 4 所，航天部6 0 7 所锋，也成 功研制出不同模式、不同分辨率的机载s a r 系统。 s a r 技术经过四十多年的发展，无论是原理上还是技术上都日益成熟。曰f i i ， 世界上许多国家正在致力与新型s a r 系统的研制和开发，s a r 技术的发展趋势正 沿着高分辨率、多波段、多极化、可变视角、宽测绘带和多观测模式方向进行发 展，可以预见将来会有越来越多的不同种类的s a r 系统投入运行。 1 3 合成孔径雷达的特点和应用”3 与传统的航空摄影图像相比，s a r 不仅能产生同样的高分辨率图像，而且具 有航空摄影所不具备的一些优点： 1 ) s a r 主动发射电磁波，根据接收的回波信号达到成像目的，而电磁波能很 好的穿透云层和雨层，所以合成孔径雷达能够全天候的工作。 2 ) s a r 探测范围广，提供信息快，目标图像清晰。 3 ) s a r 发射适当的电磁波波长，可以穿透一定的遮蔽物成像，因此i ，j 以对地 表进行有针对性的成像。 4 ) s a r 能从地面杂波中分辨出固定目标与运动日标因此可以用于延动目标 的侦察。 5 ) 通过控制雷达发射电磁波的方向，可以对远离雷达航迹的较远处域进 行成像。 由于具有上述优点，因此s a r 在商业和军事领域中有着广泛的应川池围， 例如： 夺星球表面地形成像、机载侦察、评估农作物状况、洪水等灾情检测。 o s a 在高分辨半s a r 成像算法中的 t 用 夺叶簇覆盖目标的探测、地下资源勘探、埋藏历史文物探测、地雷探测。 夺障碍生物结构的医学超声成像、障碍机械结构的非损测试。 夺监视与空中交通管制、地面动目标探测与跟踪等。 令在军事上主要用于战场侦察、火控、武器制导、测绘、海洋监视等。 上述应用的某些方面，如地形成像，已有大量研究甚至商业化了，有监尚处 于开发阶段。随着科技的进步，计算机技术和信号处理技术的发展，s a r 应用范 围会进一步扩大。 1 4 本文的主要内容 本文首先研究了s a r 系统两种主要的工作模式即条带模式( s t r i p m ；i p ) 和聚 束模式( s p o t l i g h t ) ，对相应的一些成像算法如r d 算法、c s 算法、p f a 算法进 行了研究和计算机仿真。然后详细介绍了重叠子孔径( o v e r l a p p e ds u b t t p e r t u r e a l g o r i t h m o s a ) 算法的基本原理，结合极坐标格式处理算法( p f a ) 和相位梯度自 聚焦( p g a ) 算法，对条带模式s a r 回波数据进行成像处理。 论文第一章简单回顾了s a r 成像技术的历史、现状和发展趋势，以及f , a r 的 特点和应用范围。论文第二章首先介绍了有关线性调频信号及其压缩问题，然后 对机载条带模式s a r 成像原理做了较为详细的论述，推导了标准的距离彩普勒 ( r d ) 算法成像过程，给出了r d 算法的点目标计算机仿真结果。本章最j 打还研 究了c h i r ps c a li n g ( c s ) 算法，并给出了相应的点目标仿真结果。 论文第三章研究了机载聚束模式s a r 的成像原理，对聚束模式s a r 系统中基 本的极坐标格式成像算法( p o l a r f o r m a tp r o c e s s i n ga l g o r i t h m ，p f a ) 进行了详 细的介绍，给出了具体实现流程，然后对成像分辨率进行了详细的分析 论文第四章研究了重叠子孔径( o s a ) 算法的基本原理，并给出了具体的推导 过程和实现方法。该算法在很大程度上降低了s a r 去斜率处理后出现的系统误差 项的影响。最后通过计算机仿真结果的对比，验证了此算法的可行性和1 ；j 效性。 论文第五章研究o s a 算法在聚束s a r 成像中的应用。p f a 算法成像过程中 由于去斜率处理会产生误差项，从而影响成像质量。本章结合o s a 算法，推导 了对p f a 算法中残存的误差项进行补偿的原理，给出了具体的实现流托 论文第六章研究利用o s a 算法和p g a 算法处理条带模式s a r 数据。酊先研究 了条带模式s a r 和聚束模式s a r 之间的关系，结合o s a 算法和p f a 算法埘条带 第章绪论 模式$ a r 数据进行成像处理，并指出对条带模式s a r 方位向数据进行重蠡| = 孔径 划分后，可以利用f f t 变换代替p f a 算法中的部分或全部c z t 变换，随历给出了 相应的点目标仿真结果和k u 波段条带模式s a r 实际数据成像结果。本尊随后研 究了相位梯度自聚焦( p g a ) 算法的基本原理，给出了p g a 算法一种具体实m 流程。 结合o s a 和p g a 这两种算法，对条带s a r 回波数据进行成像处理，同时进行系统 误差和相位误差补偿。最后利用k u 波段机载条带模式s a r 实际数据成像结果验 证了此方法的正确性和有效性。 论文第七章对全文的工作进行总结，指出有待进步研究的问题。 o s ad 二商分辨半s a rj 地像箅_ 法中的施用 第二章机载条带模式s a r 成像原理 2 1 引言 s a r 主要通过脉冲压缩技术和合成孔径原理等处理方法来获取方位m 和距离 向上高分辨率的雷达图像。为适应复杂的应用环境，在s a r 发展过程中出现了多 种不同的模式。按照雷达波束照射方式的不同主要有以下两类：条带式、聚柬式。 下面是这两种模式s a r 简单示意图。 图2 1 条带s a r 成像模式 图2 2 聚束s a r 成像模式 条带模式s a r 在成像过程中雷达波束指向与雷达运动方向成固定央鳓，因此 随着雷达沿飞行路径的运动，我们可以获得与该路径相平行的条带状区城内的微 波数据，在条带内的目标均可进行成像。按照雷达波束与雷达平台运动力向的兴 角不同还可分为前斜视和正侧视两种情况，正侧视是指雷达天线指向始终j 雷达 飞行方向垂直：而前斜视指雷达照射过程中天线指向与飞行方向有一个 bf - 9 0 度的夹角。 一墨三矍塑墼堑至堡苎! 垒! 些堡堡些 聚束模式s a r 又称为定点成像，聚束模式s a r 在成像过程中，通过。史际雷达 的机械或电子波束控制，使得雷达沿一条直线运动时，雷达天线波束始终j m 射成 像区域，从而获得较长的合成孔径时间，实现高分辨率成像。聚束s a r 成像区域 较小，但成像分辨率较高。在s a r 侦察应用方面，我们可以首先使用条带模式 s a r 来对较大目标区域进行成像，通过分析成像结果来发现感兴趣的较小目标区 域，然后对这个小目标区域进行聚束s a r 成像处理，从而获取感兴趣区域内的高 分辨率图像信息。 本章以最基本的条带模式s a r _ i f 侧视情况为例，对机载条带模式s a r 的成像 原理和过程进行简单的分析和研究。首先简单介绍了条带模式s a r 中几种成像算 法，分析了s a r 系统发射的线性调频脉冲信号特点及其脉冲压缩原理，然后研究 了s a r 距离向压缩原理及距离向分辨率，以及方位向压缩原理和方位向分辨率问 题，最后简单介绍了基本的距离一多普勒算法和c h i r p s e a l i n g 算法的成像原理， 并给出了相应的点目标成像仿真结果。 2 2 条带模式s a r 几种成像算法简介 条带模式s a r 中，距离徙动使得方位向与距离向之俺j 存在耦合现象，因此 成像处理是i | 个二维相关处理过程。如果能消除距离徙动，这个二维相关处理可 以分离为两个一维处理的级联，从而大大简化了数据处理。因此距离徙动校征是 条带模式s a r 成像算法的难点和关键。不同的算法都是针对不同的距离徙动校 正方法提出的。目前应用于条带模式s a r 的成像算法主要有距离一多普l | 9 算法 ( r d ) 、c h i r ps c a l i n g 算法( c s a ) 和波数域算法( w a v e n u m b e r ) 等。f 面将 对这些算法作简要介绍。 距离多普勒( r d ) 算法首先对每个回波脉冲进行距离向压缩，然后在r d 域 中，通过插值来消除由于距离迁移所引起的距离和方位之间的耦合，最后完成方 位向的压缩处理f b l 。距离多普勒是最基本也是最成熟的s a r 成像算法，。典现起 来比较简单，但是r - d 算法存在二次距离压缩( s r c ) 问题，而且目前备种改进 算法中都没有对s r c 参考函数随距离变化这一问题进行处理【”。 c h i r ps c a l i n g 算法叫是在波数域算法的基础上提出的，整个处理过程中完 全避免了插值操作，被认为是自r - d 算法以来s a r 成像处理算法的又雨大发 展。该算法在未做距离压缩的r d 域中进行c h i r ps c a l i n g 操作，使不川距离向 上同一点目标的徙动轨迹相同，然后在信号的纵向频谱上乘一个线性相位项完成 竺! 垒! ! ：塑坌塑鱼兰垒曼垡堡簦鎏主塑竖里 所有距离单元的距离徙动校正。该方法对信号处理的开始及结束都是对信寸的方 位向进行变换，距离处理位于其中，在算法中只需要进行f f t 变换和复乘操作， 在距离徒动校正中不需要进行插值运算。但是c h 郇s c a l i n g 处理会造成网波信号 距离向频谱的增加和偏移，实际处理过程中可能会超出处理器的带宽，造成频谱 混叠和失配，在远离参考点时尤其严重。扩展的c h 卸s c a l i n g 算法【t 2 l 通过改变 c s 处理的校正系数，大大减少这种效应。 波数域算法( 甜一七算法) 1 1 3 1 是按照波动方程推导出来的，能够达到最佳聚 焦的精确成像算法，其聚焦质量不随空间变换。但需要在频域进行高精逆( s t o l t m 印p i n g ) 插值运算，因而使运算量大幅度提高。 其它的成像算法还有子孔径法”“以及s t e pt r a n s f o r m “”等。 一般情况下，s a r 系统发射的电磁波信号为线性调频信号，因此几乎所有的 s a r 成像算法均是针对接收到的线性调频信号进行处理。下面我们来分析线性调 频信号的一些特点和脉冲压缩原理。 2 3 线性调频信号及其压缩处理 s a r 工作过程中主动发射电磁波根据接收的回波信号达到成像目的。为了 能够对较远处区域进行成像，我们要求雷达发射的电磁波信号平均功率足够大。 对于接收的回波信号，s a r 利用脉冲压缩技术来完成距离向高分辨率成像处理， 由模糊函数理论可知雷达的距离向分辨率与雷达信号带宽成反比”1 o 因此为了 获取较高的距离向分辨率。我们要求雷达发射的电磁波信号带宽比较大。琏于上 述理论，我们需要发射的电磁波信号具有如下特征：它既具有较大的信l j 带宽， 以便获得较好的距离分辨率，又要具有较长的持续时间以便获得较大的| 均功 率，从而获得较远的雷达作用距离。有多种信号波形能满足上面要求，线性调频 脉冲信号( 又称为c h i r p 信号) 就是其中较为成熟并应用最广泛的一种。线性 调频信号具有良好的脉冲压缩性质，因此，利用匹配滤波器技术对线性 目频信号 进行压缩处理，可以得到理论上的高分辨率。 线性调频信号时域表达形式为： 而( f ) = 理c f ( ) c o s 2 z ( f ，+ k t 2 2 ) ( 2 一1 ) j 其中，丁为发射信号持续时间，厂为发射信号矗( f ) 的中心频率，k 为线住调频 斜率，r e c t ( t ) 函数定义如下： r 第二章机载条带模式s a i l 成像原理 当一三22 )2( 2 一) 其余 经过同步检波，去除载频正，得到基带形式表达式： 印) = 删( 舌) e x p ( j n - k t “( 2 - 3 ) 可见，其瞬时频率正( f ) 为 显然，信号s ( f ) 的带宽为 力( r ) = 灯 ( 2 - 4 ) 占；正( 要) 一以( 一i t ) ( 2 - 5 ) = k t占= 正( ) 一以( 一i 图2 3 即为t = 1 0 u s ，b = 1 0 m h z 时，s ( r ) 信号的实部和虚部时域波形图。 从波形图上可以看出，线性调频信号s ( ，) 能够很好的满足s a r 所需要的发射电磁 波的要求。 图2 3 一维c h i r p 信号实部和虚部时域波形 下面我们研究线性调频信号j ( r ) 通过匹配滤波器后压缩输出波形。实际上 不管发射什么样的波形j ( f ) ，对应匹配滤波器的脉冲响应均为 ( r ) = s ( 叫) ，其传 递函数为： 日( ) = ( ，) ( 2 - 6 ) 其中，s ( 厂) 为信号j ( f ) 的频谱。 图2 4 即为j ( f ) 所对应的匹配滤波器信号实部和虚部波形。图2 5 为j ( f ) 和 ( ，) 所 9 1 o ，、【 = 、1 ，一 ，l 甜阳 o s a 在高分辨率s a r 成像算法中的应用 对应幅频图，即s ( ，) 和h ( f ) 的归一化波形图。 图2 4 一维c h i r p 信号匹配滤波信号实部和虚部波形 j ( r ) 通过匹配滤波器后，频域输出信号为： g u ) = 日( 厂) s ( i ) = l s ( i ) 1 2 ( 2 7 ) 一般来说，只要时间带宽积b t 1 0 0 ，贝u g ( f ) 在 一b 2 ，b 2 】区间内可以近似为 矩形包络，即g ( 厂) 具有带宽为b 的矩形幅度谱，参见图2 5 。雷达发射的脉冲 信号通常为大时间带宽积信号，这个条件一般情况下可以满足。 鲫黼日叫时r 瞒号口e i 图2 5 一维c h i r p 信号及其匹配信号幅频图 对g ( ) 进行傅立叶逆变换处理，我们就可以得到g ( 门对应的时域信号 g ( t ) ，亦即s ( ，) 通过匹配滤波器后最终的时域输出信号。由于g ( f ) 为矩形包络， 为了分析方便，我们可以假定g ( f ) 为常数l ，因此有： l o 第二章机载条带模式s a p 成像原理 e b 2 g ( r ) 2 上，：g ( f ) x e x p ( j 2 m x f ) d f = b s i n ( x b t ) x b t = b s i n c ( z b t ) ( 2 - 8 ) 显然，g ( r ) 是s i n c 函数形式的脉冲信号，如图2 6 所示，主瓣宽度为1 b ，我们 认为g ( r ) 信号持续时间( 时宽) 也为1 8 。 图2 6 一维c h i r p 信号匹配压缩后输出波形 - 由上述过程可知，线性调频信号j ( f ) 压缩前脉冲持续时间为丁，压缩后的输出信 号g ( t ) 脉冲持续时间为1 b ，因此，线性调频信号s ( r ) 通过匹配滤波器压缩后， 信号时宽压缩比为： g = b t ( 2 - 9 ) 显然，压缩比为线性调频信号的时间带宽积。 2 4r _ d 算法距离向压缩原理 s a r 飞行过程中，每隔一段时间发射一个线性调频脉冲信号，然后对地面 测绘带区域目标的反射回波进行接收，从而获取一个一维距离线数据。随着s a r 不断的进行这种发射、接收过程，接收到的这些一维距离线数据构成了蕴含有目 标位置信息的二维回波数据矩阵。s a r 成像的核心问题就是对这个二维回波数据 矩阵的处理方法，即成像算法。无论哪种成像算法，基本原理都是力求得到精确 的目标区域散射系数的二维分布，亦即目标位置的二维分布。这实际上是一个二 维相关处理过程。距离多普勒( r - d ) 算法通过插值运算。可以把这个二维相关处 o s a 在高分辨牢s a r 成像算法中的应用 理过程分为距离向压缩和方位向压缩处理两个互相独立的一维处理来实现n 6 1 。下 面我们来分析距离- 多普勒d ) 算法中距离向压缩有关问题和实现。 r d 算法中对每个距离线的压缩方法相同，因此我们只需考虑单个一维距离 线数据的压缩情况。图2 7 是s a r 距离向成像简单示意图，其中y 轴方向为距离 向或纵向，高度方向为z 轴；雷达天线方位向尺寸为厶，高度方向尺寸为呒。 y 图2 7s a r 距离向成像简单示意图 设t o = 0 时刻，雷达发射的第玎个脉冲信号，乞为载机飞行时间。此时雷达 位于z = h 处，雷达测绘带内距离雷达蜀和马处有两个点目标，并假设置和墨对 雷达波的反射系数均为i ，且不考虑电磁波传输中的损耗和雷达系统的损耗。由 于雷达系统是一个线性处理系统，为了分析方便，可以假设置和r 正好位于y 轴上。下面我们研究怎样在距离向上( y 轴方向上) 把这两个点目标区分开来，根 据雷达系统的线性处理特点，相同的处理方法也可以把位于不同距离向上两个以 上的点目标区分开来。设此时雷达发射的线性调频信号基带形式表达式为： j ( f ) = 阳c f ( 与e 冲( 归缸2 ) ( 2 1 0 ) j 上式各参数定义同( 2 3 ) 式。 经过时间a 。= 2 & c 和，：= 2 马肛后( c 为光速) ，点目标丑和最处反射的回 波信号到达雷达发射信号位置，虽然此时雷达已经往前移动了一小段距离，但是 在单独研究某一个距离向回波数据压缩情况时，这一小段距离对，和a 。：影响可 1 2 第二章机载条带模式s a r 成像原理 以忽略不计。所以，我们可以得到距离向回波信号表达式为： 驰) = 咧上笋) e x p j t r k ( f - j 2 r ( 竽) e x p e j j r k ( t - a j 2 ( 2 _ 1 1 ) = s o a f l ) + s ( t 一f 2 ) 下图是s a r 距离向回波信号j ，( f ) 示意图。 回波信号幅度v 、 # 点回波信号 只点回 zz _ 一1 _ 一 o 。，： 信号 图2 8s a r 距离向回波信号简单示意图 显然，由于s ( f ) 脉冲持续时间为r ，上图只和置点反射回来的两个回波信号持续 时间也为r 。对回波信号不经过任何处理，如果要使得这两个回波信号不混叠， 必须要满足，2 一a ，i t ，即： - ， 马一r 昙r ( 2 1 2 ) 二 在大斜视角情况下( 即r 比较小) ，马一r 。“ ，墨为鼻和最点之间的距离，即置和 只点必须间隔大于c r 2 时，我们通过回波信号才能区分出丑和足。因此，不经 过任何脉冲压缩处理，距离向分辨率为： b o = 兰丁 ( 2 1 3 ) 二 其中，丁为某点目标回波信号脉冲持续时间，也是雷达发射的线性调频脉冲 信号持续时间。由上述分析过程和( 2 1 3 ) 距离向分辨率的表达式可以看出，提高 距离向分辨率的关键在于减少点目标回波信号脉冲持续时间t 。由于点目标回波 信号是线性调频脉冲信号，因此我们可以利用2 3 节中的知识，通过匹配滤波器， 对回波信号s ，( ，) 进行压缩处理，减少每一个点目标回波信号的持续时间。匹配滤 波器是一个线性时不变系统，类似( 2 8 ) 式，很容易得到( f ) 经过匹配滤波器后 的压缩输出信号表达式为： o s a 在高分辨率s a r 成像算法中的应用 ( f ) = b s i n c x b ( t 一f 1 ) + b s i n c z r b ( t - a ，2 ) 】 ( 2 1 4 ) 由s i n c 函数的性质，上式中，每一个点目标回波信号的持续时间可以认为是 1 b ，因此，经过匹配滤波器压缩后的距离向分辨率为： 所2 素 ， ( 2 一1 5 ) 上式即合成孔径雷达距离向分辨率最终的表达式。 2 5r _ d 算法方位向压缩原理 上节讨论距离向压缩时，我们没有考虑到雷达发射、接收电磁波的过程中， 它本身也处于运动状态，即相对点目标的距离也有一个缓慢的变化。这种变化虽 然对距离向压缩过程来说几乎没有影响，但是却导致了回波信号沿方位向( 横向) 上相位随时间不断变化，从而引起了沿方位向回波数据瞬时频率不断变化，这就 是多谱勒频移。雷达飞行过程中，每隔一段时间，发射一个脉冲信号，随后接收 到一个距离向回波信号，雷达发射脉冲信号的频率称之为脉冲重复频率( p r f ) 。 随着雷达不断的进行发射、接收信号过程，这样我们将获得一个二维数据矩阵， 这个二维矩阵纵向( 距离向) 上的数据是测绘区域内物体反射回来的线性调频脉 冲信号的叠加，可以利用匹配滤波器进行压缩从而达到距离向分辨之日的。二维 矩阵横向( 方位向) 上的数据具有多谱勒频移这一性质，也是一个线性调频信号， 因此也可以利用匹配滤波器进行压缩从而达到方位向分辨之目的。 下面我们来分析方位向多谱勒频移产生过程及方位向数据压缩原理。图2 9 是s a r 方位向成像简单示意图，其中x 轴方向为飞机飞行方向，即方位向或横向； y 轴方向为距离向或纵向；高度方向为z 轴；雷达天线方位向尺寸为厶，高度方 向尺寸为睨；晶和只为测绘带内同一位于方位方向上的两个点目标，z = 0 ， 乞= t o 。= 0 时刻与雷达的距离分别为r 和r i ，f a 为载机飞行时间，在= o 时刻 雷达发射第h 个脉冲信号。 第二章机载条带模式s a _ r 成像原理 图2 9s a r 方位向成像简单不意图 雷达天线发射的电磁波波束在测绘带内的横向宽度为合成孔径长度厶，有： t = 善r ( 2 1 6 ) “ 其中，五为雷达发射电磁波波长。测绘带内某一点目标通过天线波束的时间， 即天线波束扫过点目标所需要的时间为合成孔径时间t ，有： i = 等 ( 2 _ 1 7 ) 其中，矿为载机飞行速度。雷达飞行过程中，天线波束首先扫过晶点，在随 后的t 时间内，回波信号中有昂点的反射波存在；波束随后扫过异点，同样， 在随后的t 时间内，回波信号中有z 点的反射波存在，因此任一点目标回波在方 位向上的长度为i 矿。如果对方位向数据不加任何处理，那么点目标岛和弓的 反射波在方位向上不混叠的条件为：i + v ( r x ，其中b 为异和b 之间的距离a 即不进行压缩处理，方位向上分辨率为： 成。= t x v = t ( 2 1 8 ) 下面讨论多谱勒频移的产生以及利用多谱勒频移进行方位向压缩处理。多谱 勒频移来源于发射信号的载频部分，下面我们仅考虑图2 9 中单个点目标晶的回 波信号情况及其方位压缩原理，由于雷达系统的线性时不变性，多个点目标回波 情况处理相同。设乇= 0 时刻雷达发射的电磁波信号为： o s a 在高分辨率s a p , 成像算法中的应用 s ( f ) = ，p c r ( 三- ) e x p ( ，2 万五f + _ ，厅时2 ) ( 2 1 9 ) 其中正为载频。经过时间t a 后，雷达与昂之间的距离为： 地) = 厮而脚等 ( 2 _ 2 。) 上式假定r v t ，并利用了菲涅尔近似公式。因此，经过( 毛) = 2 r ( t ：) c 后， 雷达接收到回波信号： 味“) = r e c t ( 号蛸e x p j 2 n f 。( f _ ( ) ) e x p 弦七( ( ) ) 2 ( 2 - 2 1 ) = r e c r ( ! 二拿g 玛e x p j 2 石正f e x p j 2 z f 。a ( , o ) l o x p m ( r 一( 乞) ) 2 天线波束扫过b 点时间为t ，因此 - r 2 ，t 2 ，】；对上式进行去载频处理后 ( 去掉第一个指数项) ，又z a ( t o ) = 4 石丑( ) 兄，上式化简为： ( = r e c t ( 华) c x p j 4 万r ( t o ) z * r e c t ( 号蛸e x p j n k ( ，一) 2 ( 2 - 2 2 ) 雷达飞行过程中，不断的进行发射、接收信号过程，因此在不同的乞= 0 时 刻，都会得到一个一维距离向数据：( r 口，f ) l f _ ，从而构成一个回波二维数据矩 阵，而s ，：( 乞，r ) 即为回波二维数据矩阵连续时间表达式，这个二维数据矩阵含有 了目标分布的位置信息，雷达成像根本目的就是把目标位置信息从这个二维数据 矩阵中提取出来。分析j ，