（信号与信息处理专业论文）burst模式合成孔径雷达成像算法研究.pdf

burst 模式合成孔径雷达成像算法研究 ii abstract synthetic aperture radar (sar) is a microwave imaging system with the capability of day/night operation from far range in all weather conditions, which is of great importance to the modernization of national defence and national economic development. burst mode sar is an important imaging mode of sar, which can obtain continuous modertate resolution image by processing the acquired data with gaps. one of its famous applications is scansar, which can give large range swaths image. imaging algorithms of the burst mode sar is presented in this dissertation. the main contents are as follows: chapter 1 introduces the development and research situation of sar and burst mode sar briefly. the main contents of this dissertation are outlined. chapter 2 introduces the basic operation principle of the burst mode sar, and gives a brief description of the system design. also the features and difficulties of the imaging for a burst mode are revealed by analyzing the data characteristics and the image generation of a single target. then the main signal processing steps of the burst mode data are discussed, of which searching the proper algorithm is the key problem. chapter 3 derives the specan algorithm in detail, which is an efficient algorithm that can be used to obtain sar image at a moderate resolution. the performance of the range cell migration correction (rcmc) and the geometric distortion problem for high squint mode are studied deeply with emphasis. the simulation results presented demonstrate the feasibility of the algorithm. chapter 4 investigates the ecs algorithm in detail, which combines the csa and the specan algorithm, and is an ideal candidate to get the high resolution image efficiently in burst mode. every trait is discussed in detail in this chapter, including the range and the azimuth scaling processing, etc. at last, examples using point-targets simulations and live data processing prove the validity of the proposed algorithm. in chapter 5, the dissertation is summarized and the possible future work is pointed out. keywords: synthetic aperture radar (sar), burst mode, scansar, specan，ecs, geometric distortion, image mosaicing 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图 2.1 二个子带 scansar 工作示意图.5 图 2.2 burst 模式 sar 系统时间参数关系示意图 .6 图 2.3 burst 模式信号采集几何模型图.8 图 2.4 burst 模式与条带模式点目标多普勒频谱比较示意图.10 图 2.5 全孔径 rd 算法流程图.12 图 2.6 sifft 算法流程图.13 图 2.7 scalloping 效应原理示意图.15 图 2.8 burst 模式/scansar 数据处理流程图.16 图 3.1 点目标距离向定位示意图.20 图 3.2 点目标距离徙动示意图.25 图 3.3 扇形失真效应校正前/后点目标响应等高线图.25 图 3.4 改进 specan 算法方位向处理流程图 .27 图 3.5 改进 specan 算法点目标响应等高线图 .27 图 3.6 点目标几何失真示意图.28 图 3.7 几何失真校正前/后点目标响应等高线图.29 图 3.8 specan 算法流程图.30 图 3.9 specan 算法 40斜视角场景中心点目标仿真结果图.31 图 3.10 specan 算法 40斜视角场景边缘点目标仿真结果图.31 图 4.1 ecs 算法流程图.34 图 4.2 单频变标方程频移结果示意图.35 图 4.3 线性调频变标方程频移结果示意图.36 图 4.4 时域和 r-d 域距离徙动及校正示意图.37 图 4.5 cs 算法目标轨迹变化示意图.39 图 4.6 ecs 算法目标轨迹变化示意图 .41 图 4.7 ecs 算法大斜视目标轨迹变化示意图 .43 图 4.8 方位向 scaling 处理目标调频斜率变化示意图 .46 图 4.9 距离 scaling 点目标响应示意图 .48 图 4.10 ecs 算法正侧视点目标响应等高线图 .49 图 4.11 ecs 算法正侧视场景中心点目标仿真结果图.50 vi 图 4.12 ecs 算法正侧视场景边缘点目标仿真结果图 .50 图 4.13 ecs 算法 15斜视角点目标响应等高线图 .51 图 4.14 ecs 算法 15斜视角点目标二维响应等高线图 .51 图 4.15 ecs 算法 30斜视角场景中心点目标二维响应等高线图.52 图 4.16 实测数据 burst 子图序列.52 图 4.17 实测数据拼接结果图.53 图 4.18 实测数据拼接前/后结果同比例局部放大图.54 表 3.1 specan 算法仿真参数表.24 表 4.1 ecs 算法仿真参数表.48 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 注释表 radar radio detection and ranging 雷达 sar synthetic aperture radar 合成孔径雷达 nasa national aeronautics and space administration 美国宇航局 specan spectral analysis 谱分析 ecs extended chirp scaling algorithm 扩展 cs 算法 csa chirp scaling algorithm chirp scaling 算法 apc antenna phase center 天线相位中心 ftp focus target plan 聚焦平面 posp principle of stationary phase 驻定相位原理 ifft inverse fast fourier transform 快速傅立叶逆变换 rda range doppler algorithm 距离多普勒算法 rma range migration algorithm 距离徙动算法 sifft short ifft 短时 ifft rcmc range cell migration correction 距离徙动校正 idp image display plane 图像显示平面 rwr range walk ration 距离走动率 rvp residual video phase 剩余视频相位 irw impulse response width 冲激响应宽度 qpe quadratic phase error 二次相位误差 prf pulse repetition frequency 脉冲重复频率 fft fast fourier transform 快速傅立叶变换 scft scaled fourier transform 变标傅里叶变换 src secondary range compression 二次距离压缩 ncs non-linear chirp scaling algorithm 非线性 cs 算法 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注 和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 合成孔径雷达(sar)1-3 是二十世纪五十年代初发展起来的一种新型雷达体制， 是无线电发 展史上的重要里程碑。它利用信号处理4的方法，突破了实孔径天线对方位分辨率的限制，使 得方位向的理论分辨率仅由天线实孔径尺寸决定，而与波长和距离无关。与脉冲压缩技术相结 合，sar 可以实现对远距离目标的二维高分辨成像。从而实现对地面目标全天候、全天时、远 距离的检测、定位和成像，具有重要的军用和民用价值。 随着 sar 成像技术的不断发展及应用要求的提高，成像模式趋向多样化。burst 模式5-6 就是一种重要的 sar 工作模式。在传统的工作模式 (如条带模式) 中，sar 通过发射周期性 的脉冲序列来获得回波数据，对数据进行处理即可得到连续的高分辨图像。然而若系统对分辨 率的要求不高，sar 数据段之间就可以存在间隙，即利用不连续的回波数据也可获得连续的中 低分辨率场景图像。此时雷达在发射脉冲串与关闭发射机状态间交替重复，每当雷达处于工作 状态时，天线都要驻留固定的时间来发射和接收一系列的脉冲串，将其称为 burst，这种类型的 sar 工作模式即称为 burst 模式。早期的 burst 模式主要是为了节约发射功率和下行数据量7， 这对于低功耗的系统十分具有吸引力。然而，如果不存在这些限制，burst 模式就可以发挥更大 的作用。其中，最富盛名的便是 scansar8。 scansar 能够摆脱在条带 sar 里距离模糊、天线波束宽度、数据率和回波窗口大小等因 素对测绘带宽的限制， 以牺牲方位分辨率为代价， 利用 burst 时间间隙通过天线扫描功能对其它 测绘区进行照射，形成同样的低分辨图像，经过拼接即可大大扩展其一次通过观测地区时的观 测带宽度。这对改进成像效果和观测变化较快的大规模地表现象（例如土壤水分的确定、农作 物生长变化、 洪水灾害和大规模海洋现象的监测等） ， 以及缩短全球覆盖的重复观测周期和进行 大范围的地面侦察都是很重要的。 综上所述， 因为具有超宽带测绘能力， scansar 已经成为 sar 的一个重要发展方向，在国民经济和国防建设等领域，发挥着重大作用。 1.2 国内外研究状况 合成孔径雷达是人们不懈追求高分辨率雷达图像的产物。距离向分辨率取决于发射信号带 宽，几百兆赫兹的信号带宽即可获得亚米级的分辨率，而普通雷达方位向分辨率依靠天线实际 口径的尺寸，若要求方位分辨率为米级，天线口径即达上百米，可见在普通雷达中实现高分辨 成像是具有重大难度的。 sar 概念可以追溯到上世纪 50 年代初3。 1951 年 6 月， 美国 goodyear 公司的 carl wiley 在他的用相干移动雷达信号频率分析来获得高分辨率3的报告中，首次 提出用多普勒频率分析的方法改善雷达方位向分辨率的思想。carl wiley 的研究结果表明，对 burst 模式合成孔径雷达成像算法研究 2 运动雷达接收的信号进行脉冲间的比较可以得到比真实天线波束宽度更好的方位向分辨率，这 被成为“合成孔径雷达技术” 。这种技术利用雷达与目标之间的相对运动，把雷达在不同位置接 收到的目标回波信号进行相干处理，这就如同在雷达所经过的一系列位置上，都有一个天线单 元在同时发射和接收信号一样，这样就形成一个大尺寸阵列天线，从而获得很窄的辐射波束以 获得高的目标分辨率。 实现这种技术通用的方法是将 sar 安装在一个运动平台上， 这为机载和 星载 sar 提供了理论基础。1953 年，一个来自美国伊利诺伊大学的研究小组对在 c-46 飞机上 的 x 波段雷达接收到的数据进行频率分析，获得了佛罗里达州 key west 区域的带状图像1,9。 这是首次实验性的合成孔径图像，它验证了合成孔径理论的正确性，为今后合成孔径成像技术 的发展奠定了基础。同年夏天，美国军方在密歇根大学举办暑期研讨会，讨论基于多普勒频率 分析的雷达成像技术，确定合成孔径成像技术将作为先进战场监视技术的发展方向1。 在过去的五十多年里， sar 经历了突飞猛进的发展历程。 在信号处理上从光学处理发展到 数字实时处理，工作体制从单频段单极化发展到多频段多极化，在成像方法上由非聚焦发展为 聚焦处理， 成像维数从二维发展到三维高程信息的获取， 成像分辨率由几十米提高到厘米量级， 成像目标的研究从静止目标转向运动目标，研究的重点从目标检测和跟踪转移到利用空间分辨 率进行目标识别、测绘和成像等领域。其工作模式也更加多样化，产生了各种新体制和新模式 的 sar， 如条带 sar 和聚束 sar 用于获取高分辨率或超高分辨率的图像， 干涉 sar 用于三维 立体成像，极化 sar 用于测量目标的极化散射矩阵，提高目标的检测和识别能力， scnaasr 则具有宽测绘带宽，可用于大面积普查。 1990 年， burst 模式首次应用于发向金星的麦哲伦探测器 7， 它的目的就是为了节约发射功 率和下行数据量。 随着 sar 成像技术的不断发展及应用要求的提高， 特别是为满足军事侦察任 务的需求，要求 sar 具有宽测绘带的能力，而传统的条带 sar 往往无法满足要求，于是便利 用 burst 间隙对其它测绘带进行测绘，这样 scansar 技术便应运而生。作为 burst 模式下最重要 的一种应用，scansar 主要运用于星载系统 sar 中。1994 年由美国宇航局(nasa:national aeronautics and space administration)组织研制的星载成像雷达(sir-c10)采用 scansar 技术作 为实验模式，通过这次实验得到的 scansar 数据分析和处理结果为 1995 年加拿大 radarsat-i11实现 scansar 模式打下了良好的基础。radarsat-i 是采用 scansar 模式的 第一个星载 sar 系统，它工作于 c 波段，有宽、窄二种扫描模式，测绘带宽分别为 500km 和 300km，分辨率分别为 100m100m 和 50m50m。由它得到的 scansar 数据已经成功应用于海 冰运动的监测和大面积对地观测。在研的星载 sar 系统,如加拿大的 radarsat-ii 和德国的 terrasar 等， 也均能够实现 scansar 扩展模式。 国内星载 scansar 技术的研究已经进行了 近十年,取得了一定的成果，在研的二颗 sar 卫星都具有 scansar 模式，但是目前还没有一个 具有 scansar 模式的 sar 系统(机载或星载)成功运行。由于 scansar 模式大大增加了 sar burst 模式合成孔径雷达成像算法研究 4 第二章 burst 模式 sar 基本原理及信号处理方法 2.1 引言 随着 sar 成像技术的不断发展及应用要求的提高，成像模式趋向多样化。burst 模式已经 成为一种重要的 sar 工作模式。 它通过发射不连续的脉冲， 以牺牲方位分辨率为代价来换取低 的发射功率和下行数据量或者较宽测绘带。 burst 模式已被广泛应用于国民经济和国防建设的各 个领域，发挥着重大的作用。 但是这种特殊的工作模式也使信号处理变得更加复杂。作为 burst 模式应用的一个重要例 子，本章将以 scansar 为例，阐述它的工作原理和系统设计方法。接着给出 burst 模式合成孔 径雷达点目标回波的表达式， 并分析它的特点以及与传统 sar 回波的区别。 然后讨论单一 burst 内的点目标压缩过程， 以揭示 burst 模式下点目标成像的特点和难点， 这是后续成像处理的基础。 2.5 节将对 burst 模式下常用的二种成像算法进行简单的介绍。scalloping 效应是 burst 模式系统 特有的一种辐射不均匀现象，本章将对其产生的机理和主要的校正技术做简要的叙述。最后还 将阐述图像的拼接问题，进而给出 burst 模式 sar 数据处理的基本流程。 2.2 scansar 基本原理 前面已经提到过，scansar 是最常见的一种 burst 模式。scansar 首先对各个子测绘带进 行单独处理，分别成像后再进行子带间的图像拼接。而每一个子测绘带的数据恰好由一系列 burst 信号组成，因此其处理的过程和手段与 burst 模式是完全兼容的。本节将对这种最重要的 burst 模式进行简要的介绍，主要涵盖 scansar 的信号采集过程和系统设计的一些基本问题。 2.2.1 scansar 信号采集过程 图 2.1 为具有二个子带的 scansar 数据采集模式12。 假设雷达平台以速度 a v沿水平方向匀 速直线飞行，scansar 工作模式的特别之处在于，雷达始终处于工作状态，但天线波束却周期 性的在不同的子带之间进行持续的扫描。 定义如下描述 scansar 系统的时间变量： burst 驻留时间 b t：将雷达持续照射某一子带的时间称为一个 burst 的驻留时间，相应的雷 达飞行路径如图中 bab xv t=。注意此处指的是有效驻留时间12。 信号回扫周期：同一子测绘带内从一个 burst 开始到下一个 burst 开始的时间，对应的空间 距离为图中所示 p x。 切换时间 c t：它表示波束从一个子测绘带切换到下一个相邻子测绘带所需的时间。这个时 间一般很短暂，后续的讨论将其忽略。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 对应图 2.1 两子带模式的数据采集步骤可描述如下12： 子带1 子带2 载机航迹 xp united states united states united states xb 图 2.1 二个子带 scansar 工作示意图 1 发射和接收子带 1 的脉冲序列。 2 等待所有尚在传播中的子带 1 的脉冲序列。 3 将天线仰角切换至子带 2，再次进行脉冲序列的发射和接收。 4 等待所有尚在传播中的子带 2 的脉冲序列。 5 重复步骤 1-4，直至场景的数据都收集完毕。 如果子带的数量多于 2 个，对其余的子带也同样重复步骤 3 和步骤 4。通过对子测绘带进 行拼接，scansar 可以获得较条带 sar 宽的多的测绘带。但同时在每个子测绘带内的照射时 间相对减少了，因此方位分辨率也相应降低了。 2.2.2 scansar 系统设计 scansar 系统设计的内容很丰富， 本节从如下几个部分简单地考虑在进行 scansar 系统设 计时的一些特殊之处。 子测绘带的确定 这部分主要包含子测绘带数目的确定和各个子测绘带空间位置的确定。 对于子测绘带数目n的确定， 不同的原则会有不同的结果。 如果以满足测绘带宽度为前提， 则n的值将依赖于每个子测绘带的宽度 s w和所要求的总测绘带宽度w。 另外，为后续的图像拼 接考虑，子测绘带之间应该有一定的重叠，则近似得到： s nw w (2.1) 如果以满足要求的方位分辨率为准则，则单视情况下n的值将由合成孔径时间 s t和每个子 测绘带内的驻留时间 b t决定： 1 sb nt t (2.2) 另外，各个子测绘带空间位置的确定也是一个很重要的方面，它包括确定系统各子测绘带 burst 模式合成孔径雷达成像算法研究 6 的波束宽度、波束视角变化、远近作用距离等等。根据这些计算结果可以了解在扫描过程中波 束在各子测绘带的空间位置变化及测绘带的总宽度, 为总体设计提供依据。 方位分辨率及时间参数的研究 由 2.2.1 节可知， 对于某一特定子测绘带， burst 之间回波信号的方位相位历史是不连续的， 然而系统设计要求获得连续场景的图像。为了研究 scansar 系统方位向参数设计的方法，本节 首先讨论如何从不连续的方位向信号中提取连续的具有一致分辨率的场景信息。这种时序安排 是研究 scansar 信号参数确定和成像处理算法的基础。 定义合成孔径长度为 s x，为了获得连续的场景必须满足如下条件： spb xxx (2.3) 如图 2.2(a) 给出了 spb xxx=的特殊情况。注意到此时场景中每个点目标被波束照射的 时间并不相同， 事实上图中只有位于粗线范围内的点目标被整个 burst 驻留时间照射到， 而其它 点目标仅被部分时间照射，因此成像结果中，场景边缘点目标的分辨率将比中心点的低，这不 是我们所希望的结果。 为了获得具有一致分辨率的连续图像，就必须缩短 burst 照射周期 p x，重新给出约束关系 如下： spb xxx+ (2.4) 考虑到图像拼接，方位向相邻数据块之间也应当有一定的重叠，所以式中取了大于号。如 图 2.2(b)给出了 spb xxx=+的特殊情况， 对于每个 burst 来说， 它的成像场景范围为 sb xx+， 但仅位于图中粗线部分的点目标在整个 burst 时间内均被照射到， 对应全分辨率区域， 因此在以 后的讨论中将一个 burst 的成像范围限定为为 sb xx，经拼接后场景图像将具有一致分辨率。 xb xp xs=xp-xb xb xp xb xs+xb xs-xb a 连续场景情况 b 连续场景且具有一致分辨率情况 图 2.2 burst 模式 sar 系统时间参数关系示意图 上面的表达式约束了某个特定子带中方位向时间参数之间的关系，现在考虑多个子带的情 况，对于特定子带，其 burst 长度是一个定值，它所能达到的方位分辨率和其 burst 长度及中心 南京航空航天大学硕士学位论文 7 斜距等系统参数有一一对应的关系。由于在进行系统设计时要求不同子测绘带的分辨率应该保 持一致，所以每个子测绘带的 b t其实是不同的。在进行系统设计中，可以根据约束关系式(2.4) 计算出整个场景的一致方位分辨率， 再反推每个子带对应的 burst 持续时间。 具体参照参考文献 13-14。 多视处理 在 scansar 中，如果 burst 的驻留时间远远超出单视处理所需要的长度，则在每一个 burst 中均可提取出多于一视的数据进行方位向多视处理， 这和常规的条带 sar 无异。 但在 scansar 中更普遍的情况是 burst 的驻留时间足够短， 使得在合成孔径时间内每一个子带都有两个或两个 以上的 burst 周期，这时可以从每个 burst 中提取出一幅单视图像，最后再进行相干叠加，做多 视处理。对于 burst 模式，多视处理的意义不仅在于削弱相干斑噪声，它对于 scalloping 效应的 校正也具有重要意义，详见 2.6 节。 为方便起见，定义等效视数 l n如下： sb l p xx n x = (2.5) 特殊地，当 spb xxx=+时1 l n=，此时全分辨区域的每个目标都只被单一的 burst 照射 一次，对应着单视情况。一般情况下，我们希望等效视数 l n为整数，此时 sblp xxn x=+， 即全分辨区域的每个目标都被照射 l n次。如果 l n不是一个整数，则有些子带的目标将较其它 子带的目标多被照射 1 次， 这不是我们想要的情况， 因此在本文后续考虑多视时均认为 l n为整 数。 脉冲重复频率及样本数确定 在 scansar 里， 每个子测绘带内的脉冲重复频率(prf: pulse repetition frequency)都是独立 选定的。对于特定子测绘带的 prf 要依据条带 sar 里 prf 的约束条件进行设计，具体约束条 件如下5： 受限于方位模糊。较低的重复频率有可能无法满足奈奎斯特采样率，导致方位向频谱混淆, 增加方位模糊。因此设计应满足： d prfb，其中 d b为信号的方位带宽。 受限于距离模糊。 较高的重复频率会减少脉间时间, 造成不同回波时间上的交叠, 而使距离 模糊加剧。设计应满足： () minmax 1 22 ncnc prf rr (2.6) 其中， max r和 min r分别代表测绘带两端到雷达的斜距，n为任意正整数。 星下点回波的干扰。脉冲重复频率的选择应避免使星下点回波落入回波窗口, 否则很强的 星下点回波会对图像造成很大的干扰。 burst模式合成孔径雷达成像算法研究 8 接收窗的时序与prf也有着密切的关系。 综合以上因素，确定每个子测绘带的prf，再根据各个测绘带里的burst驻留时间，就可以 算出对应测绘带里每个burst的样本数。 2.3 点目标回波信号分析 在burst模式里，雷达的工作过程可分为两个相关的部分，即发射/接收方式和关闭发射机 状态（或切换波束方式，对应scansar的情况） 。对于特定子带来说，burst模式雷达的发射接 收方式和条带sar是一致的，只是burst工作模式被人为地控制了时间长度，即前面所讲的驻 留时间。 可见burst模式和条带模式的区别在于， 条带式回波信号的相位信息是连续的， 而burst 模式雷达接收到的每个子带的回波相位信息是互不相关的，因此burst模式雷达的信号处理往 往是从对每个burst独立成像开始的。本节将从信号采集几何模型出发，分析burst模式回波信 号的时域和频域的一些特征，进而揭示其回波数据的本质及其和条带sar回波数据的区别。 2.3.1 信号采集几何模型 sar信号采集的几何模型如图2.3所示。为简化分析，设载机以速度 a v，保持高度h水平 匀速直线飞行，雷达工作在前斜视模式，斜视角为，当前所处burst的中心时间为 c t。场景中 心o定义为坐标原点，其到天线相位中心apc (antenna phase center)(), aa xy h的瞬时斜距为 s r，到burst中心 c t的瞬时距离定义为 s r。聚焦平面(ftp: focus target plan)平面选为地平面， 设散射点p的的坐标为() 00 ,0 xy， 它到天线相位中心的瞬时斜距为 t r， 到航线的航路捷径为r。 假设雷达发射调频斜率为 r k，宽度为 p t的矩形包络的线性调频信号，解调后省略不必要的幅度 因子，散射点p的回波信号可表示为： z y x apc（xa,ya,h） h 点目标 p(x0,y0,0) rt 飞行路径 s r r 场景中心o 图2.3 burst模式信号采集几何模型图 南京航空航天大学硕士学位论文 9 ( )() 0 2 1 2 2 tan ( , ) 24 expexp t a c sbp t rt r ttrv tt c stwrectrect ttt r j kjr c = (2.7-a) 式中代表距离向上的“快时间”，t代表方位向上的“慢时间”， 00a txv=为散射点p 的零多普勒时间。 第一项代表天线方向图引起的方位向调制效应，由于收发共用一副天线，因此是平方项。 此项使得不同点目标能量来自非均匀多普勒频谱的不同部分， 导致成像结果出现扇形辐射效应， 需要对其进行校正。2.6节有详细叙述，算法推导中忽略此项。 第二项是个以 c t为中心时刻的窗函数， 对应burst时间窗口加权项。 和条带模式下点目标回 波的表达式做比较12， 发现它是条带sar里点目标回波响应和burst模式回波响应的唯一区别， 二者的关系可以简单的表示为： ( , )( , ) c burststrip b tt ststrect t = (2.8) 式(2.8)表明，与条带模式相比，burst模式下点目标的回波信号被burst时间窗口截取，在 方位向变得不连续。此项对成像结果的幅度，相位和分辨率都有重要影响，本文的后续内容将 继续讨论。剩下的各项分别是回波信号的距离向信息和方位向信息。 式(2.7-a)对应着单视的情况，如果全分辨区域的每个目标都被照射 l n次，即多视的情况， 可把其修正为： ( )() 00 2 1 2 2 tan ( , ) 24 expexp l t n a ci i bsp t rt r ttyv tt c strectwrect ttt r j kjr c = (2.7-b) 其中， ci t为第i个burst的中心时刻，其它各项意义相同。 2.3.2点目标回波信号特性分析 在做进一步的讨论之前，我们有必要对回波信号的频域特性做一些探讨。 用驻留相位原理(posp: principle of stationary phase)求信号频谱的前提条件是假设信号的 时间带宽积足够大15，这个要求在条带sar里通常是满足的，但是在burst模式下，由于每个 burst的信号驻留时间通常很短暂， 所以有可能不满足驻留相位原理， 本文不考虑这种特殊情况。 应用posp原理对式(2.7-a)做二维傅立叶变换，变换到二维频域。直接利用条带模式的结果给 出在burst模式下回波信号的频域表达式： burst模式合成孔径雷达成像算法研究 10 ()() () 0 , aac burstrastripra d fktt sffsffrect b = (2.9-a) 其中 23 2cos aa kvr = 为点目标的多普勒调频斜率， d b 为burst模式里回波信号的方位 向带宽，定义如下： b dabd s t bk tb t = (2.10) 其中， das bk t=为对应条带sar里的信号带宽。可见当雷达工作于burst模式时，原信号 频谱被加了一个宽度为的 d b 窗，它限制了信号的方位向带宽。由于 b t和 s t的比值小于1，信号 的方位带宽减小，由带宽和分辨率的关系可知，图像的方位向分辨率较条带sar大大降低。另 外，从表达式可以看出，方位频谱将具有一个和点目标位置有关的平移。 当采用多视时，可以把(2.9-a)修正为： ()() () 0 , l n aaci burstrastripra i d fktt sffsffrect b = (2.9-b) 为了更生动的说明burst模式的数据与条带模式的连续数据之间的区别， 这里给出同一距离 门沿方位向均匀分布的若干目标的多普勒频谱与其方位位置的关系， 如图2.4。 对每个目标来说 其条带模式下的连续数据均覆盖相同多普勒带宽 d b， 而burst模式数据表现为不连续的数据块， 每个目标都依据其方位向位置具有一个不同的多普勒历史。大概具有如下规律：在一个特定的 burst内，每个目标都比前一个目标占有更高的多普勒频率。而对于特定的目标，只要它处在照 射波束范围内，每个burst所截取的目标多普勒频率都比前一个低。 t fa 1357911 burst 1burst 2burst 3burst 4 连续信号 burst信号 bd bd 图2.4 burst模式与条带模式点目标多普勒频谱比较示意图 这种频谱结构使得直接利用传统的匹配滤波方法进行成像变得困难16。在条带模式下，具 有相同多普勒带宽的所有目标可以由一个不依赖目标的匹配滤波器来压缩。 而在burst模式下不 同方位向的目标具有不同的多普勒频谱分布，其多普勒频率只是整个多普勒带宽的一部分，但 同时波束照射区域内所有点的多普勒频率占据了整个多普勒带宽， 在下一节将对burst模式下的 南京航空航天大学硕士学位论文 11 点目标成像特性进行详细研究。 2.4 点目标成像特点分析 为了揭示burst模式sar点目标成像的特点和难点， 讨论单一burst内的点目标压缩过程十 分必要。 由于在条带模式和burst模式下点目标回波的区别主要体现在方位向12，因此下面的讨论 只针对点目标的方位向脉冲压缩过程。简单起见，假设方位向是线性调频信号，雷达工作在正 侧视模式下，忽略天线方向图调制，则回波方位向信息可表达如下： ()() 2 0 ( )exp c aa b tt s trectj ktt t = (2.11) 根据匹配滤波器原理，理想情况下的匹配滤