（信号与信息处理专业论文）高分辨率机载sar地面海面运动目标成像技术研究.pdf

摘要 摘要 利用合成孔径雷达列运动目标高分辨率成像，在军事上具有重要的应用价 值，合成孔径雷达运动目标成像已经成为国内外s a r 技术研究的一个重要方向。 本论文深入开展了高分辨率机载s a r 地面海面运动目标成像研究，主要包括： 即天线机载s a r 地面运动目标高分辨率成像、海面运动舰船目标高分辨率成像、 基于单通道机载s a r 二维图像序列的运动目标三维重构以及基于三天线机载干 涉s a r 的运动目标三维成像方法。论文的主要贡献有： 1 利用高分d 率机绒s a i l 数据，开展了地面运动目标的高分辨率成像研究。 在刈地面运动目标回波信号的距离徙动校难过程中，不但考虑了运动目标的距离 走动皎正，还充分考虑了回波信号的距离弯曲校正，从而有助于运动目标的高分 辨率成像。同时，针对地面上存在多个运动目标的情况，提出了一种改进的多运 动i ；i 标情况下的距离弯曲校正方法。利用时频分析成像手段，获得了多运动目标 情况下的聚焦图像。实际数搌的处理结果，表明了该方法的有效性。 2 本文研究了合成孔径成像时间较长情况下，海面运动舰船目标的高分辨 率s a r 成像问题。提出了一种适合于运动舰船目标的距离徙动校正方法。同时， 针列舰船目标上强散射点较多的情况，利用副瓣抑制技术c d a ( c o m p l e x d u a | a i ) o d i z a t i o n ) ：t l 叫频分析方法的组合应用，实现了在不降低图像分辨率情况下的 副瓣抑制。最后，利用实际数据验证了该方法，得到较好的图像结果。 3 本论文尝试着将光学领域的图像处理方法一一因子分解法引入到s a r 运 动目标图像处理领域，该方法利用连续的二维图像序列实现目标的三维重构。在 机缄s a r 运动目标成像处理中，利用时频分析成像方法可以获得连续的s a r 运 动e 标二维图像序列，通过因子分解法对二维图像序列进行处理，实现运动目标 三维重构，最后给出了真实s a r 数据的运动舰船目标三维重构结果。 4 本文利用干涉s a r 技术研究了运动目标的三维成像问题。文章方法适用 于地面运动目标及海面运动舰船目标的三维成像，运动目标可以同时存在三维运 动。回波信号利用k e y s t o n e 变换和高阶相位拟合法实现距离徙动校正，采用 i ：。i 分辨：# 机4 堑s a r 地嘶，海面运动目标成像技术研究 时频分析方法对运动i l 标成像，从而可以获得三个天线在任意方位时间“处的目 标图像，并且缓解了图像散焦现象。将利用时频分析方法获得的复图像进行干涉 处理，获得有效的二f 涉棚位信息。本章介绍了存在旋转的三维运动舰船目标的回 波模型，提出了运动目标三维成像方法的完整处理流程，利用仿真数据对该方法 进行了验证。 关键词：合成7 l 径雷达；高分辨率；地面运动目标：运动舰船；三维图像重构 干涉合成孔径雷达：三维成像 a i i s l r a c t a b s t r a c t t h em o v i n gt a r g e t si m a g i n gb a s e do nh i g hr e s o l u t i o ns a r ，h a v ea ni m p o r t a n t a p p l i c a t i o nv a l u ei nm i l i t a r i l y i th a sb e e na ni m p o r t a n ta s p e c ti ni n t e r n a t i o n a ls a r t e c h n i q u er e s e a r c h b a s e do nh i g hr e s o l u t i o n a i r b o r n es a r ，t h ep r o b l e m so f g r o u n d s e am o v i n gt a r g e t si m a g i n ga r ei n v e s t i g a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，m a i n l y i n c l u d i n g ：t h eh i g hr e s o l u t i o ng r o u n dm o v i n gt a r g e t si m a g i n gb a s e do na i r b o r n e s a r ；t h eh i g hr e s o l u t i o ni m a g i n go fm o v i n gs h i pt a r g e t sa ts e ab a s e do na i r b o r n e s a r ；t h et h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c to fs i n g l ea n t e n n as a rb a s e do n t w o d i m e n s i o n a li m a g e ss e q u e n c e ；t h r e e - d i m e n s i o n a li m a g i n go fm o v i n gs h i pw i t h 3dm o t i o nb a s e do nt h r e ea n t e n n a sa i r b o r n ei n s a r t h ep r i m a r yw o r k so ft h e d i s s e r t a t i o nj n t r o d u a c e da sf o l i o w ： lb a s e do nh i g hr e s o l u t i o na i r b o r n es a r ，t h eh i g hr e s o l u t i o ng r o u n dm o v i n g t a i g e t si m a g i n ga r es t u d i e d d u r i n gt h er a n g em i g r a t i o nc o r r e c t i o no fm o v i n gt a r g e t s e c h o ，w ec o n s i d e r e dn o to n l yt h el i n e a rr a n g em i g r a t i o nc o r r e c t i o n ，b u ta l s or a n g e c n l 、，ec o r r e c t i o n t h e n ，t i mh i g hr e s o l u t i o ni m a g e so fg r o u n dm o v i n gt a r g e t sc a nb e o b t a i n e d w h e nt h ei m a g ee x i s ts e v e r a lm o v i n gt a r g e t s ，an e wm e t h o di sp u tf o r w a r d t b r m u l t i p l e n l o 、, ，i n gt a r g e t s r a n g em i g r a t i o n c o r r e c t i o n m a k eu s eo ft h e t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d ，t h ef o c u s e di m a g e so fm u l t i p l em o v i n gt a r g e t sg a l l b eo b t a i n e d t h ep r o c e s s i n gr e s u l t so fa c t u a la i r b o m es a rd a t ad e m o n s t r a t et h e e 惋c t i v e n e s so f t h ep r e s e n t e dm e t h o d 2 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eh i g hr e s o l u t i o ns a r i m a g i n go fm o v i n gs h i pt a r g e t s a ts e ai ss t u d i e db a s e do na i r b o r n es a rw i t hl o n g e rs y n t h e t i ca p e r t u r et i m e ak i n d o fr a n g em i g r a t i o nc o r r e c t i o nm e t h o ds u i t a b l ef o rn m v i n gs h i pi s p u tf o r w a r d a t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i si m a g i n gm e t h o di sp r e s e n t e db ym e a n so ft h ec o m b i n a t i o n o fs h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o m l ( s t f t ) a n dc o m p l e xd u a la p o d i z a t i o n ( c d a ) t h e m e t h o dw i l ls u p p r e s ss i d e l o b ew i t h o u tl o w e rt h ei m a g er e s o l u t i o n f i n a l l y , m a d eu s e o fa na c t u a ld a t at ov e r i f yt h i sm e t h o d ，s o m eg o o dr e s u l t sa r eo b t a i n e d ! 竺! g ! ! g 里! ! ! 1 9 1 竺! ! 堡! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 塑! g 墅! g ! 塑! ! ! ! ! ! ! 坚! g ! 坠! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 1 3 t h ef a c t o r i z a t i o nm e t h o dh a sb e e nw i d e l yu s e di no p t i c sf i e l d i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w e i n t r o d u c e d t h em e t h o dt os a ri m a g ep r o c e s s i n gf i e l d t h e t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i si m a g i n gm e t h o dw i l lg i v eas e q u e n c eo f2 ds h i pi m a g e s f r o mt h e s ei m a g e ss e q u e n c e ，t h e3 ds h a p eo fs h i pt a r g e t sc a nb er e c o n s t r u c t e db y f a c t o r i z a t i o nm e t h o d t h ei m a g i n gr e s u l t so fr e a ls a rd a t ad e m o n s t r a t et h e e f i e c t i v e n e s so f t h i sm e t h o d 4 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ei n t e r f e r o m e t r i cs a rt e c h n o l o g yi su s e da n da3 d i m a g i n gm e t h o di sp r e s e n t e d t h em o v i n gt a r g e t3 di m a g i n gw i l lc o n t r i b u t et ot a r g e t r e c o g n i t i o n t h em e t h o di ss u i t a b l ef o rg r o u n dm o v i n gt a r g e t sa n do f f s h o r em o v i n g s h i pw i t h3 dm o t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h r e ea n t e n n a ss a re c h om o d e lw i t h 3 dm o t i o ni si n t r o d u c c d t h ep r o c e s s i n gf l o wi sb r o u g h tf o r w a r da n dt h ep r o c e s s i n g r e s u l t so fs i n m l a t e dd a t ad e m o n s t r a t e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r e s e n t e dm e t h o d k e y w o r d ：s a r ；h i g hr e s o l u t i o n ；g r o u n dm o v i n gt a r g e t ；m o v i n gs h i pa ts e a ；3 d r e c o n s t r u c t ；i n s a r ；3 di m a g i n go f m o v i n gt a r g e t 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【_ i = | 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：i ：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：洵互破日期：工卯多g 口 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、缩印或其他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： _ ! l 予所可以公确i 学位论文的全部或部分r a w ( 保密学位论文在解密后遵 守此规定) 。 签名：；南屯 曼 导师签名劳一爿 l q 日期：p o v5 f ，7 日期：) 6 6 - 勾 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 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 ) 是二十世纪五十年代初发展 起来的一种新型雷达体制。作为一种微波遥感成像系统，它具有全天时、全天候、 远距离观测目标的能力。近年来，随着技术的发展，合成孔径雷达已经逐渐具 备获取三维高分辨率、多波段、全极化后向散射信息的能力i “”i 。 合成孔径雷达 l l g t 其载体的匀速运动产生多普勒频率，将沿着雷达航迹采集 的回波序列进行相干处理，可等效获得很长的虚拟孔径，进而形成较窄的波束， 实现提高方位分辨率的目的；合成孔径雷达利用发射宽带信号的脉冲压缩技术提 高雷达距离向分辨率，将脉冲压缩技术和合成孔径技术结合使用，可以获得二维 高分辨率遥感图像_ ”l 。 i l ，i 于不同的成像目标通常具有不同的介电常数、表面粗糙皮等物理化学特 性，【到而对微波的不同频率，入射角和极化方式等将呈现出不同的散射特性和穿 透性，这为不同的用户在图像中提取不同的信息创造了条件：另外，因为s a r 图像的方位向理论分辨率只与天线的方位向尺寸有关，与雷达的工作波长、载机 飞行高度、雷达作用距离等无关，所以在高空甚至太空条件下都可以有效工作， 扩大了它的应用范围。这些特点使得s a r 在国民经济众多领域有着广泛的应用。 例如，合成7 l 径雷达可以应用于地质结构普查，地质研究、岩石及矿物分布；可 测绘大面积地图，研究地形地物的变迁；研究海洋的污染、监视海藻、测绘海洋 图；测定土壤湿度及其分布：鉴别农作物，研究其生长，估计产量，防治病虫害 等【“2 3 1 。 近年来，二f 涉s a r 技术迅速发展，合成孔径雷达具备了获取三维信息的能 力，三维高分辨率合成孔径雷达图像数据可以更广泛地应用于国民经济及国家安 全等领域。s a r 干涉信息的获取，可以给出成像目标的高程信息，如山体高度、 建筑物和地物形状、植被厚度等l 。 高分辨率机载s a r 地面海面运动目标成像技术研究 通常，合成孔径雷达主要应用于地面静止目标成像，而由于地面或海洋中的 运动目标与静止目标存在相对运动，在s a r 图像中的运动目标图像会出现散焦、 模糊和错位等问题。但随着s a r 技术的发展及应用领域的扩展，用户对s a r 系 统提出了更高的要求。人们不仅要求对测绘带内的静止目标进行精确成像，还要 求准确地检测出测绘带中的运动目标，估计其运动参数并精确成像，这将为运动 目标监视、运动目标识别提供有力帮助i t - t2 , 2 3 i 。 作为微波、全天时、全天候遥感设备，s a r 在军事上有着广泛的应用，是 战场或战术侦察中不可缺少的工具。在军事应用领域，人们希望s a r 既能得到 高分辨率的地面静止景物图像，又能获得运动目标的高分辨率图像，即具备 s a r g m t i 工作模式。装载有s a r g m t i 系统的侦察飞机或卫星，可以对军事 目标实行全天候的监视，不仅可以侦察敌方重要军事设施的分布，还可以对移动 的车辆、坦克、军舰等目标进行跟踪监视，了解敌军的最新动态。为了充分发挥 s a r 在战场监视中的作用，世界很多国家都致力于研究高性能s a r g m t i ( g r o u n dm o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ) 雷达系统。比如，美国桑迪亚实验室设计的 l v n xs a r g m t i 机载雷达系统实现了运动目标检测和成像能力，美国空军、国 防高级研究讨划总署、国家侦察局和陆军联合启动开发d i s c o v e r - i i 计划，将把 s a r g m t i 雷达应用到2 4 颗低轨卫星星座，实现全球区域连续监测。运动目标 检测与成像已经成为当前s a r 技术研究的热点 1 2 - 3 8 1 。 1 2 国内外的研究进展 自从合成孔径雷达理论提出以来，s a r 技术得到了广泛的重视和应用，成为 国际雷达领域、遥感领域及众多学科的热点研究方向之一。自2 0 世纪7 0 年代起， 国际上对s a r 运动目标成像的研究逐渐深入，目前已研制出一些实用系统。近 年来，国内一些单位也先后开展了s a r 运动目标成像研究，其中研究内容和所 采用的算法与国外相近。国内在此领域的研究多集中于理论分析和算法研究， s a r 运动目标检测和成像的工程实现研究相对滞后0 5 3 4 i 。 运动目标检测与成像主要基于两种情况，分别为在单通道或多通道情况下 的s a r 运动目标检测与成像。 第一章绪论 单通道情况下，s a r 运动目标检测和成像的发展情况如下m 。”2 3 4 1 9 7 1 年，美国科学家r k r a n e y 首先形f 究t n 用机载s a r 对地面运动目标 进行检测和成像的可能性。他提出了几种检测方法，并分析了运动目标方位向和 距离向速度和加速度对s a r 成像的影响。 1 9 8 4 年至1 9 8 7 年，a f r e e m a n 提出了用前黄滤波法对运动目标进行检测与 成像，并给出了外场数据的实验结果。其基本原理是利用运动目标频谱和静止地 杂波频谱的不同作检测和成像。 1 9 9 0 年，b a r b a r o s s a 提出了用w w d 检测运动目标，并认为这是一种非常有 效的方法。【i = i 此估计出的相位历史对高分辨率成像非常有用。在此基础上，人们 提出了消除w v d 交叉项的各 中方法。 1 9 9 2 年，h e m - c h u n g c h e n 和c d m c g i l l e m 认为，运动目标回波可以通过 对雷达回波频谱特性的分析检测出来，将运动目标频谱移动到零频后成像，运动 目标会出现在正确位置上。 l9 9 4 年至1 9 9 5 年，j r m o r e i m 等提出了用r d m 来检测运动目标，并估计 其运动参数的理论。并给出证明其有效性的实验结果。 1 9 9 8 年，r p p e r r y 等提出了用k e y s t o n e 变换来消除目标回波中的线性位移 项，继而消除高次项，从而获得运动目标图像的方法。 2 0 0 1 年，j r f i e n u p 提出了一种通过s a r 图像检测具有方位向速度或者径 向加速度目标的方法，又可称为截断平均方法( s h e a ra v e r a g e ) 。 其他运动目标检测与成像方法还有e d a d d i o 、b a r b a r o s s a 等人提出的滤波 器组法，o l o f f e l d 和j t e w e s 等人的非线性卡尔曼滤波法，m k i r s c h t 等人提出 的单视图像序列法，还有小波变换法、线性调频法、模糊函数一雷顿变换法、频 域滤波法等。此外，还有从改变成像算法或脉冲重复频率等方面进行的运动目标 检测的方法。 上述介绍了单通道s a r 系统动目标检测和成像技术的发展状况，在单通道 高分辨率机载s a r 地面，海面运动目标成像技术研究 情况下，回波中大量的强杂波使得淹没在其中的低速运动目标难以检测，故上述 方法的效果是有限的。因此，人们开始研究多通道情况下的运动目标检测和成像 技术。 在多通道情况下，s a r 系统能更有效的抑制或者消除杂波，保留动目标信 息。目前多天线s a r 系统运动目标检测和成像方法主要有相位中心偏置天线 ( d i s p l a c e dp h a s ec e n t e r a n t e n n a ，简称d p c a ) 技术、空时自适应处理( s p a c e t i m e a d a p t i v ep r o c e s s i n g ，简称s t a p ) 技术和基于干涉概念的顺轨i n s a r 技术【1 4 1 2 4 3 8 l 。 相位中心偏置天线( d p c a ) 技术是多通道s a r 运动目标检测和成像的一个 典型方法，可以分成原始数据域检测和图像域检测，是s t a p 的一种特殊情况， 它在上个世纪七、八十年代就已经在机载预警雷达中得到广泛应用。近年来随着 新技术的不断发展，该方法也不断的得到更新和完善，使用范围进一步扩大，已 经成为多通道s a r 系统的一个典型方法。经典的d p c a 方法往往采用两个相位 中心，在相位中心间距、脉冲重复频率和载机速度之间满足一定的关系的基础上 进行动目标的检测。目前该方法己经逐渐发展到采用三个或者更多的相位中心， 使其不仅能够检测，还能够对动目标聚焦成像 2 2 - 3 4 i 。 s t a p 技术是相控阵雷达的杂波抑制与目标检测关键技术，是其主要的发展 方向。它的基本思想就是在满足一定的最佳准则条件下，通过对空时二维信号进 行联合自适应处理，达到最大的输出信杂比1 2 6 - s s l 。 与d p c a 方法相比，a t i 方法不是对两个通道的数据进行相减处理，而是 通过计算同一场景的两幅图像的干涉相位进行动目标检测。a t i 方法需要沿飞行 轨迹放置两幅天线，同时接收回波信号。首先对两路回波信号分别进行s a r 成 像，即分别进行距离向和方位向压缩，然后对两幅复图像进行插值和配准。图像 配准后，对二者进行时间校准，然后将两幅复图像数据共轭相乘，对于静止目标 信号，其乘积结果相位为零，而运动目标不为零，通过设置一定的门限相位，对 干涉相位进行检测，就能确定运动目标存在与否。影响干涉s a r 系统性能的一 个重要因素是基线的确定。随着基线长度的增加，两幅图像的相干性会降低，当 基线长度达到某一极限值时，图像完全不相干，这一极限值称为临界基线长度， 基线长度必须小于临界基线长度1 3 2 。3 “。 4 第一章绪论 近年来，随着军事应用需求的加大，利用s a r 对运动目标进行高分辨率成 像的研究越来越深入，合成孑l 径雷达全天时、全天候和反伪装的能力受到军事应 用的青睐，利用s a r 对运动的车辆、坦克、舰船成像越来越被人们关注 1 1 2 , 1 5 , 2 3 , 3 2 , 3 4 , 3 9 - 6 8 1 。 目前国外运动目标成像研究的重点方法之一是时频分析。时频分析法是一 种非平稳随机信号的重要处理方法，它通过对信号进行时频变换，使得信号呈现 规则分布，从而有利于分离出有用信号。常用方法有w v d 法、短时傅立叶变换 s t f t 等： 5 2 - 5 5 i 。 同时，由于二f 涉s a r 技术的发展，人们对提取目标的三维信息产生了浓厚 兴趣。如果能够获取运动目标的三维信息，尤其是大型目标的三维信息( 例如运 动舰船) ，将大大促进目标识别能力，促进军事应用。因此，很多研究人员将目 光投入到运动目标三维成像研究上，运动目标的高分辨率二维成像和高分辨率三 维成像已经成为s a r 技术的一个新热点印1 “1 。 在国内，中科院电子所率先丌展了大量有关s a r 运动目标检测和成像的研 究工作，在理论和工程实现方面取得了一定的成果。在近几年的机载s a r 飞行 实验中，f l _ l 子所获得了大量有价值的实际数据，包括高分辨率机载s a r 数据和 交轨双天线双通道干涉合成孔径雷达( i n s a r ) 数据，这些数据为运动目标检测 和成像研究提供了良好的条件。另外西安电子科技大学、清华大学、北京航空航 天大学、中国电子科技集团1 4 所和3 8 所等单位也在运动目标检测与成像方面开 展了大量有效的工作。 1 ：3 论文主要研究内容 论文共由六章组成，各章的主要研究内容如下： 第一章为绪论，该章论述了s a r 运动目标成像技术的研究背景及意义，然 后介绍了国内外在该领域的研究进展和现状，最后阐述本文的主要研究内容和贡 献。 高分辨率机载s a r 地面海面运动目标成像技术研究 第二章主要讨论了运动目标s a r 回波模型，详细阐述了运动目标回波信号 特点，分析了目标运动对s a r 成像的主要影响，介绍了几种常用的运动目标检 测方法。 第三章利用高分辨率机载s a p , 数据，研究了地面运动目标的高分辨率成像 问题。首先利用频域滤波法完成运动目标与静止杂波的分离，详细介绍了地面运 动目标的距离徙动校正方法，在距离徙动校正过程中，将距离徙动校正分为距离 走动校正和距离弯曲校正两个步骤分别进行处理，并提出了一种改进的多个运动 目标距离弯曲校正方法。同时，在进行距离徙动校正过程中，可以粗略的估计出 运动目标在距离向和方位向的运动速度。在运动目标回波信号经过距离徙动校正 后，分别研究了单个运动目标和多个运动目标的成像问题，研究了时频分析技术 在运动目标成像中的应用。最后，给出了s a r 实际数据成像处理结果。 第四章研究了合成孔径成像时间较长情况下，海面运动舰船目标的高分辨率 s a r 成像问题。首先，通过对运动舰船目标回波信号的分析，研究了舰船运动 尤其是舰船的旋转运动对高分辨率s a r 成像的影响，并据此研究了适合于运动 舰船目标回波信号的距离徙动校正方法，提出距离徙动粗校正和精校正相结合的 方法，较好地实现了运动舰船目标距离徙动校正。同时，针对舰船目标上强散射 点较多的情况，研究了图像副瓣抑制技术，利用c d a ( c o m p l e x d u a l a p o d i z a t i o n ) 方法和时频分析方法的组合应用，实现了在不降低图像分辨率情况下的副瓣抑制 方法。最后，利用实际数据验证了本文方法，得到较好的成像结果。 第五章尝试着将光学图像处理领域的因子分解法引入到s a r 运动目标图像 处理领域。介绍了因子分解法的基本原理及其实现步骤。利用时频分析方法，获 得连续的s a r 运动1 7 标二维图像序列，通过因子分解法对二维图像序列进行处 理，实现了运动目标三维图像重构，最后给出了s a r 真实数据的运动舰船目标 三维重构结果。 第六章利用干涉s a r 技术，研究了运动目标的三维成像方法。文章方法适 用于地面运动目标和海面运动舰船目标的三维成像，运动目标可以同时存在三维 运动，并且在运动目标的三维成像处理过程中，不需要对目标进行运动参数估计。 本章给出了存在旋转的三维运动舰船目标的回波信号模型，利用仿真手段产生了 6 第一章绪论 具有三维运动特点的舰船目标回波信号。三天线干涉s a r 系统中，利用一个主 天线发射线性调频信号，三个天线同时接收运动目标回波信号，三个天线的回波 信号利用k e y s t o n e 变换和高阶相位拟合法实现距离徙动校正，经过距离配准 和方位配准后，采用时频分析方法对运动目标成像，从而可以获得三个天线在任 意方位时间处的目标图像，并且缓解了图像散焦现象。将利用时频分析方法获 得的复图像进行干涉处理，经过干涉相位滤波，获得有效的干涉相位信息。进而， 利用干涉相位获得运动目标散射点的三维位罨信息，实现运动目标三维成像。然 后，分析了三维图像的分辨率，给出了运动目标三维成像方法的完整处理流程， 利用仿真数据对该方法进行了验证。 1 4 论文的主要贡献 本论文深入开展了高分辨率机载s a r 地面海面运动目标成像研究，主要包 括：单天线s a r 地面运动目标高分辨率成像方法、海面运动舰船高分辨率成像 方法、基于单天线s a r 二维图像序列的运动目标三维重构以及三天线干涉s a r 运动目标三维成像方法。主要的创新性贡献有： 1 利用高分辨率机载s a r 数据，研究了地面运动目标的高分辨率成像。在 地面运动目标距离徙动校正过程中，不但考虑了目标的距离走动校正，还充分考 虑了目标回波信号的距离弯曲校正，得到了高分辨率的运动目标成像处理结果。 同时，提出了一种改进的多运动目标情况下的距离弯曲校正方法。实际数据的处 理结果，表明了该方法的有效性。 2 研究了合成孔径成像时间较长情况下，海面运动舰船目标的高分辨率s a r 成像问题。提出了一种适合于运动舰船目标的距离徙动校正方法，实现较好的运 动舰船目标距离徙动校正。同时，针对舰船目标上强散射点较多的情况，利用 c d a ( c o m p i e xd u a la p o d i z a t i o n ) 技术和时频分析方法的组合应用，实现了在不降 低图像分辨率的情况下的副瓣抑制。最后，利用实际数据验证了该方法，得到很 好的图像结果。 3 尝试着将光学领域的图像处理方法一一因子分解法引入到s a r 运动目标 高分辨率机载s a r 地面海面运动目标成像技术研究 图像处理领域。该方法是利用连续的二维图像序列进行目标三维重构的方法。在 机载s a r 运动目标二维成像中，利用时频分析方法，获得连续的s a r 运动目标 二维图像序列，通过因子分解法对二维图像序列进行处理，实现运动目标三维重 构，最后给出了真实s a r 数据的运动舰船目标三维重构结果。 4 利用干涉s a r 技术，研究了运动目标的三维成像方法。文章方法适用于 地面运动目标以及海面运动舰船目标的三维成像，运动目标可以同时存在三维运 动。回波信号利用k e y s t o n e 变换和高阶相位拟合法实现距离徙动校正，采用 时频分析方法对运动目标成像，从而可以获得三个天线在任意方位时间处的目 标图像，并且缓解了图像散焦现象。将利用时频分析方法获得的复图像进行干涉 处理，获得有效的干涉相位信息。本章介绍了存在旋转的三维运动舰船目标的回 波模型，提出了运动目标三维成像处理方法的完整流程，利用仿真数据对该方法 进行了验证。 第二章机载s a r 运动目标检测和成像拱础理论 第二章机载s a r 运动目标检测和成像基础理论 随着s a r 技术的发展及应用领域的扩展，人们对s a r 系统提出了更高的要 求。人们不仅希望对测绘带内的静止目标进行精确成像，还要求准确地检测出测 绘带中的运动目标( 如汽车、火车、飞机、坦克、装甲车、舰船、冰山等) 、并 对其精确成像。这对s a r 的军事应用及灾情预报等领域有着重要意义，成为当 前s a r 技术研究的热点之一。为此，许多国家都开展了利用高分辨率合成孔径 雷达对运动目标进行检测( m o v i n gt a r g e td e t e c t i o n ，m t d ) 和成像( m o v i n gt a r g e t i m a g i n g ，m t i m ) 的研究。尤其在国防领域，m t d 和m t i m 雷达具有重要的意 义【l 2 5 3 2 3 8 i 。 机载s a r 通过脉冲压缩技术获得距离向高分辨率，通过合成孔径技术获得 方位向高分辨率。其中合成孔径技术是利用载机与地面目标之问的相对运动，由 单个小尺寸的雷达天线形成等效的雷达天线阵列。对于静止目标，二者之问的相 对运动取决于载机运动速度，因而可根据载机速度进行相应的运动补偿：但对于 运动目标，由于其运动复杂多样，致使载机与目标问的相对运动不可预测，这会 引起运动目标图像的散焦、模糊和方位偏移，因此利用静止目标的成像方法处理 运动目标信号已经难以胜任1 1 2 ”j 。 本章利用运动目标s a r 回波模型 析了目标运动对s a r 成像的主要影响， 2 。1s a r 运动目标回波信号 详细阐述了运动目标回波信号特点，分 介绍了几种常用的运动目标检测方法。 由于运动目标本身存在运动，s a r 回波信号受到目标运动的影响，信号的 表达形式与静止目标有所不同，所以运动目标的s a r 成像过程也将面临新的问 题。在这一节里，将介绍运动目标s a r 回波信号模型，详细分析了s a r 运动目 标回波信号特点及其对s a r 成像带来的影响f 1 4 1 。 商分辨率机载s a r 地面脯面运动目标成像技术研究 2 1 1s a r 运动目标回波信号模型 y 图2 1 运动目标几何模型 设雷达发射一个线性调频信号 s ( ，) = e x p ，2 z 【正，+ 圭( ，) 2 】 ( o ，耳)( 2 1 ) 其中，正是载频，r 。是距离向时间，k 是调频率，砟是发射信号脉宽，发射信号 幅度已归一化。 雷达接收的运动点目标回波信号为 1 4 , 1 5 , 3 2 , 3 4 】： 啪) = c 0 e x p 胁 肌2 r c ( t k ) ) + 弘一2 r c ( t k ) ) 2 】 ( o “耳) ( 2 2 ) 其中，c o 由散射体的反射系数和天线的方位向双程方向图决定，是方位向时间 尺( ) 是雷达与运动点目标之间的距离。则基带回波信号可写为： 跗1 m e x p 妣眦( 一掣吩i 掣n ) ( o “( 2 3 ) = c oe x p 一( f + ) ) 第二章机载s a r 运动日标检测和成像基础理论 上式的相位函数为 ：2 j r f 。2 r ( t k ) 一h 一丝盟) z 】 czc 4 # r = _ ( 一t k ) 一f t ( f 一2 r ( t k ) ) 2 ( 2 4 ) l o 其中波长兄= c 正，c 为光速。 经过距离压缩后，运动点目标的基带回波信号可表示为 驰以) = c o e x p h 4 1 r r 五( t k ) ， s i n 删w _ - 型岩) ( 2 5 ) 8 t 是距离压缩后脉冲的宽度1 4 , 3 2 , 3 4 1 。 如图2 1 所示几何关系，假设在= 0 时刻，运动点目标位置在( ，蜘，0 ) ， 雷达平台位置在 = 0 ，y = o ，z = 。地面运动目标在x 方向以速度u 和加速度q 运动，在y 方向以速度b 和加速度d ，运动，而雷达是沿着x 方向以速度匕运动， 可知在，女时刻，运动点目标位置坐标为( x o + v x l 女+ q 2 ，y o + v y t t + 口，2 ，0 ) ，雷 达位覆坐标为 = v d 。，y = 0 ，z = ) ，此时雷达与运动点目标的距离为【1 4 1 5 ，琊4 】： r ( ) = 【( 一x o v x t 女一q f ：2 ) 2 + ( 儿+ v y l k - i - a y l ：2 ) 2 + 向2 】l 坨 ( 2 6 ) 这里由于雷达运动引起的距离分量为 r m ( 气) = 【( v 。一x o ) 2 + ( 蜘) 2 + 向2 “2 由于目标运动引起的距离分量为 ( 2 7 ) “j 絮2 ( v d 。竺x o ) ( v r 。端a x t + 2 黧2 y o ( v 2 y t 。州a y 2 ) 1 。 叩 一一十 ：) 十 + ，； “2 利用二阶泰勒展开，r ( t 。) 可简化为 月( ) 兰r o +鲨鼍# 堡” r 盘生生等塑也( 2 9 ) 2 r “ 其中，r o = r ( t 。= o ) = ( 靠+ 成+ 2 ) 是= 0 时刻的初始距离。所以，经过距离压 高分辨率机载s a r 地面，海面运动目标成像技术研究 缩后，运动点目标的基带信号可以表示为 品( ) ：c oe x p 一，4 z - r r ( t k ) = c e x p h 4 口塑竺酱里仕c x p 等盹训2q _ x o a x + h 川匀 ( 2 1 0 ) 2 1 2 目标运动对s a r 图像的影响1 1 4 , 1 5 j i 由( 2 1 0 ) 式运动点目标回波信号公式可见，s a r 载机的运动和目标的运动都 会影响方位多普勒频率，由雷达运动产生的多普勒频率为： ， 一2 x o l 1 一瓦 由目标运动产生的多普勒频率为： 定。 ( 2 1 1 ) z 。= 一半一三尘i 二! i ! 二鱼丢掣( z ，z ) “”“ 五亿五几 弘“j 式( 2 1 1 ) 包括两项，分别代表由雷达运动产生的多普勒中心频率和调频率 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 给定雷达速度屹和初始距离r ，( 2 1 3 ) 中多普勒中心仅由方位向的位置决 根据( 2 1 2 ) 式可知，对于运动目标，多普勒中心由两个因素决定，一个是目 标的几何位置( ，y o ) ，另一个是目标速度( u ，v y ) 。由目标的运动产生的多普勒 频率和调频率分别为： 记一r 2 一丑 盟r 主 强 量r ：一， 2 兄 胁 一一 一 日 丘一 频 率 ! 霎 粹 勒 撕 黼 醐 第二章机载s a r 运动目标检测和成像基础理论 多普勒中心频率厶t 。g e t = 一三鱼导业 ( 2 1 5 ) 多普勒调频率厶一。= 2u 2 + 哼+ x o a x + y o a y 一2 u 兄 e o ( 2 1 6 ) 另外，上述讨论中，运动参数都是建立在地面平面上，也可以将地面的运动 参数转换到斜距平面，在图2 1 的几何关系中，由于 r ，可知目标在斜距 平面内径向速度v ，和径向加速度a r 分别为： v = 丛v 。一r a 兰d r y o r 利用( 2 1 7 ) 及x 0 胪 i 心i ( 2 2 9 ) 可检测的目标距离向速度的上限由主瓣杂波多普勒带宽和脉冲重复频率决 定。同时距离向速度导致的频移也应1 、于脉冲重复频率与多普勒信号带宽的差值 u 4 , 3 2 捌l ，即应满足 所以有 引 p r f - 2 f l 卧等一 f 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 如果目标距离向速度不满足( 2 3 1 ) ，则目标方位频谱有可能以朋f 为周期翻 转回p r f 内，此时目标方位频谱产生混迭。 由( 2 2 9 ) t 1 ( 2 3 1 ) 可知，频域滤波法可检测的运动目标距离向速度的范围是： 胪k 仆半哦 ( 2 3 2 ) 频域滤波法的特点是处理比较简单，运算量小，容易在原有成像处理器基础上得 到实现1 4 3 2 , 3 4 1 。 高分辨率机载s a r 地面，海面运动目标成像技术研究 2 2 2d p c a 技术”5 j w 8 l 由于单通道s a r 运动目标检测只利用了时域信息，对于淹没在主瓣杂波谱 内的慢速运动目标不易检测。因此，研究者将研究重点转移到多通道s a r g m t i ， 通过多通道s a r ，利用空间和时间两维信息，能够更加有效的去除杂波，提高 检测性能。 相位中心偏置天线( d p c a ) 技术是多通道s a r 运动目标检测和成像的一个 典型方法，可以分成原始数据域检测和图像域检测，是s t