硕士学位论文开题报告-双基地前视SAR频域成像算法研究

1、.电 子 科 技 大 学硕士学位论文开题报告表班 学 号： 201221240607 姓 名： 刘 婵 论文题目： 双基地前视SAR频域成像算法研究 指导教师： 张顺生 学科专业： 信号与信息处理 所在学院： 电子科学技术研究院 电子科技大学研究生院制表2013年 11 月 25 日填;2一、学位论文研究内容班学号：201221240607姓名：刘婵入学时间：2012年9月学位论文题目双基地前视SAR频域成像算法研究学位论文的课题来源： 1.纵向 2.横向 3.自拟学位论文类型： 1.基础研究 2.应用基础研究 3.应用研究学位论文研究内容双基地前视SAR不仅具有双基地SAR的优势，还可以在低

2、视程条件下实时监测正前方的地质地貌，侦察正前方敌军动向、军事目标等，在军事和民用方面具有很好的实际应用价值。然而，双基地前视SAR特殊几何结构的复杂性也给成像处理带来了许多难题。双基地前视SAR成像算法主要包括时域算法和频域算法，时域算法是一种精确的成像算法，但成像数据量往往很大，且效率不高，因此本课题将针对双基地前视SAR的特点，研究双基地前视SAR频域成像算法。具体研究内容如下：1 双基地前视SAR的几何模型研究 每一种成像算法都有其适用的模型和条件，因此在研究双基地前视SAR成像算法之前，首先需研究它的几何模型，再从某种几何模型出发，探索适用于它的最好成像算法。针对目前双基地前视SAR的

3、研究状况，已有学者提出3种双基地前视SAR几何模型：平飞模式、发射机固定模式、任意轨迹模式，其中任意轨迹模式包含一种垂直飞行模式。由于基于发射机固定模式的成像算法研究较成熟，而基于任意轨迹模式的成像算法很复杂，本课题主要对平飞模式和任意轨迹模式中的垂直飞行模式进行研究。 具体研究内容：分析平飞模式和垂直飞行模式的用途、特点。2 基于2-D NUFFT的波数域成像算法 针对移变模式下的双基地前视SAR，空频谱域点并不是均匀的矩形分布，利用stolt 插值的波数域成像算法将导致回波数据利用率很低，影响最终的成像质量。然而，2-D NUFFT可以利用所有的回波数据，而且运算量不大，因此基于2-D N

4、UFFT的波数域成像算法可以实现成像质量和运算效率双赢。 具体研究内容：基于平飞不等速的几何模型，回波采集，MSR频谱分析，2-D NUFFT研究，具体成像算法及成像性能分析。3 基于2-D POSP的波数域成像算法 利用2-D POSP可以获得精确的二维频谱，二维频谱包括两个根号形式的距离方位耦合项，与单基地的频谱很相似。结合2-D NUFFT，在获得的二维频谱基础上进行成像处理，可以获得精确度高的成像结果。 具体研究内容：基于平飞的几何模型，回波采集，2-D POSP频谱推导，波数域成像算法研究，成像性能分析。4 基于垂直飞行模式的频域成像算法垂直飞行模式是指发射机的飞行方向和接收机的飞行

5、方向垂直。由于收发机飞行方向有一定的夹角，可为前视成像提供足够的横向带宽，从而有可能实现前视成像。采用具有前视成像功能的合成孔径雷达可以提高导弹目标命中精度，实现实时侦察与打击，因此，基于该模式的成像算法在弹载SAR中具有很重要的研究意义。本课题将针对该模式的特点提出合适的成像算法。具体研究内容：垂直飞行模式在双基地前视SAR系统中的分辨特性分析，频域成像算法研究以及成像性能分析。二、学位论文研究依据1 选题依据和研究意义随着雷达技术的进步和新应用需求的出现，双基地SAR在世界范围内受到了越来越多科技人员的关注，成为国际雷达界的研究热点。双基地SAR系统隐蔽性好、安全性高、抗干扰能力强；可以获

6、取目标多视角散射信息，利于目标数据融合；部署灵活，配置多变。由于方位向模糊和低的多普勒分辨率，传统的单基地SAR不能在飞行的前方成像。然而，对于双基地SAR，当接收机前视，发射机处于合适位置时可以实现在飞行的前方成像。将这种接收机波束指向为下前方的双基地SAR称为双基地前视SAR。双基地前视SAR能够对载机飞行路线的正前方区域进行较高分辨率成像，从而消除双基地侧视SAR固有的成像盲区，具有其自身不可替代的优越性。双基地前视SAR不仅具有双基地SAR的优势，还具有其他独特的优点，主要表现在：（1）在军用领域：由于波束前视，可以得到战机前方的高分辨地图，实时地进行战场监测，以完成敌军动向和军事目标

7、的精确跟踪；应用于海洋搜索领域，可以连续、远距离地侦察航母编队等海上慢速度运动的目标，有效地提高战机对航母战斗群主力战舰的识别、监视和定位，为军事行动谋得先机；应用于导弹的巡航系统中，可以实现导弹对正前方目标的精确制导。（2）在民用领域：可以更加丰富、更大范围地应用于飞机自主着陆、自主导航、物资空投、对地探测和海洋搜索等方面；应用于航天航空领域，可以及时准确地监测航迹线附近的地貌和天气状况，有利于提高飞行员对前方地形和天气的判断和识别，从而增加航行的安全性。然而，双基地前视SAR的特殊几何结构的复杂性也给成像处理带来了许多难题。主要表现在：（1）复杂的距离历史使回波频谱的推导更加困难；（2）目

8、标回波具有二维空变性，在成像处理过程中需考虑空变性问题；（3）前视成像区存在大的距离徙动，需要研究高精度的距离徙动校正方法；（4）实际应用对双基地前视SAR实时成像的需求，需要提出足够快速高效的成像算法。这些关键性技术的解决将会大大推动双基地前视SAR的发展。因此，研究高效、精确、适应性强的双基地前视SAR成像算法是雷达科技人员的一个研究热点。2 国内外研究现状2.1 双基地SAR研究现状20世纪70年代，人们首次提出了双基地SAR的概念。1977年，美国Xonics公司的理论和仿真研究证实了BiSAR成像的可能性。在随后十余年里，关于BiSAR的理论研究和机载BiSAR实验在美国陆续展开，并

9、公布了相关的实验结果。进入21世纪后，双基地SAR成为SAR研究领域的热点之一。在2004、2006年的EUSAR，2005、2006年IGARSS会议上，双基地SAR是会议讨论的热点之一，讨论内容包括系统理论、几何与信号模型、时间与频率同步问题以及成像算法等。21世纪后，国外在BiSAR试验方面取得了很大的进展。2002年，德国宇航局（DLR）和法国宇航局（ONERA）开展了欧洲最早机载X波段BiSAR实验，探讨了BiSAR系统在干涉处理中的潜力。2003年，德国FGAN利用已有的两套X波段雷达系统AER-II和PAMIR开展了机载BiSAR实验，成功获得了目标场景的BiSAR图像。2004

10、年，英国QinetiQ公司在国防研究局的资助下首次完成平飞机载聚束式的BiSAR实验，并成功将自聚焦算法应用到BiSAR成像处理中。这些机载BiSAR实验的研究与验证，突破了BiSAR系统的信号同步处理以及成像处理算法等关键技术，为星载BiSAR系统的研究提供了充分的技术储备。2006年，西班牙加泰罗尼亚理工大学提出了SABRINA系统的概念，首次将星地BiSAR系统应用到干涉和形变检测领域，设计了干涉BiSAR实验。2007年，TerraSAR-X星载SAR平台升空，是最先进的X波段星载SAR系统，并成功开展了一系列的实验，极大地推动了BiSAR星载系统的发展。2010年，德国宇航局（DLR

11、）开展了基于TanDEM-X系统的星载BiSAR实验。此次实验充分验证了星载BiSAR系统的可行性。国内许多高校和研究单位近年来也对双基地SAR展开了一系列的研究，并陆续发表了一些研究成果。但不管在理论研究方面还是在实验方面与国外存在较大的差距。在国内，电子科技大学的学者率先开展了BiSAR系统理论研究工作，并获得了国内第1幅机载BiSAR图像。2010年，北京理工大学开展了基于我国遥感1号SAR雷达卫星作为发射机，静止接收的BiSAR系列实验，成功实现了双极化数据和干涉数据的采集。2.2 双基地前视SAR研究现状20世纪90年代才有学者开始研究前视SAR成像，因此可供参考的报道和文献较少。传

12、统的单基地SAR由于方位向模糊和低的多普勒分辨率，不能应用于前视成像。学者们提出了多种技术来克服这些缺点。1998年，A. K. Lohner考虑让前视SAR工作在多普勒波束锐化（DBS）模型实现成像。接着，学者们提出了利用两根或多根接收天线的方法，实现并描述了一种使用线性阵列天线的雷达系统实现单基地前视SAR成像。但这些方法还是不能解决方位向分辨率差的问题，尤其对于远距离成像，成像结果与侧视SAR相比很差。而且，这些方法增加了系统的复杂性。 然而，在双基地SAR中，由于发射机和接收机被安置在不同的平台，因此距离向和方位向的分辨率由发射机和接收机一起决定。当一个平台工作在前视模式时，只要另一个

13、平台能确保两分辨率的方向不同，即可实现二维成像。通常情况下，利用前视接收机的双基地SAR模型可以在前视或后视方向获得高分辨率成像。学者们做了一系列的双基地前视SAR实验。2004年5月，德国FGAN及其实验雷达MEMPHIS为发射机，固定接收平台做了一次实验，第一次证实了双基地前视SAR可以实现二维成像。2009年11月，Thomas Espeter做了星载-机载双基地前视SAR实验，利用TerraSAR-X作为发射机，相控阵多功能成像雷达PAMIR作为接收机，证实了双基地前视SAR的可行性。国内关于双基地前视SAR的研究还处于起步阶段。电子科技大学在模式、分辨率、成像算法等理论方面取得了一些

14、理论成果，并于2010年12月做了实验证明了发射机固定、接收机前视的双基地SAR（ST-BFSAR）的成像能力。目前国内其他高校和研究所也在深入研究双基地前视SAR。2.3 双基地前视SAR成像算法研究现状双基地前视SAR几何模型的特殊性给成像带来了很多难题，双基地前视SAR成像技术与传统单基地SAR和双基地侧视SAR成像技术相比有很大的不同，存在很多新的理论和技术问题，例如：双基地前视SAR的回波模型，双基地前视SAR收发站的最优空间位置、航迹的确定，以及适用于双基地前视SAR系统的成像算法等等。而成像算法研究是双基地前视SAR技术研究的核心内容之一，但迄今为止，还没有一种公认的有效的快速的

15、成像算法。所以建立一种能够有足够精度反映双基地前视SAR实际空间几何关系，又高效、精确、适应性强的成像算法就具有很重要的意义。在双基地SAR成像算法中，主要有时域算法和频域算法。时域算法如反向投影(BP)算法往往计算量大，实际应用受到限制。而频域算法的成像效率相对高些。要实现频域算法，首先需要把时域信号转换为频谱信号。频谱的推导主要有：KT、2-D POSP、MSR、LBF。其中KT方法可以灵活运用于频谱推导过程中，可以实现线性的距离徙动校正。由于LBF只能适用于小斜视双基地模型，因此不能应用于双基地前视SAR频域推导中。利用MSR可以通过调节级数展开项数控制频谱表达式的精确度，可应用于双基地

16、前视SAR成像中，但表达式往往会比较复杂。利用2-D POSP可以获得由两个双曲线函数组成的精确频谱表达式。利用所得频谱表达式，结合合适的算法可以实现双基地前视SAR的精确成像。对于频域算法，主要有RD算法、CS算法、RMA算法。其中，传统的RD算法处理大距离徙动的能力相对较弱，而且很难处理二维空变性问题，因此基于传统RD算法的双基地前视SAR不能实现精确成像。RMA算法涉及插值操作，会影响实时性成像，但选择合适的算法可以实现精确成像，例如：基于NUFFT的RMA算法，基于2-D POSP的RMA算法。CS算法通过尺度变换来校正距离徙动，从而只需要数次复乘和FFT就可以实现高精度成像，而且算法

17、计算量不大。NLCS算法已经在双基地SAR成像处理中有所研究，但由于双基地前视SAR系统的大距离徙动和强耦合效应，该算法不能直接用于双基前视SAR成像中，算法需有所改进。虽然双基地前视SAR技术的研究处于起步阶段，但是前视成像作为双基地SAR的重要应用方向和最明显的好处之一，越来越受到重视。随着军事和民用各方面的迫切需要，双基地前视SAR技术研究也正成为雷达科技人员的一个研究热点。2.3参考文献1 Walterscheid, T. Espeter, J. Klare, et al. Potential and limitations of forward- looking bistatic S

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37、Aug. 2009.三、学位论文研究计划及预期目标1 拟解决的关键问题和最终目标，以及拟采取的主要理论、技术路线和实施方案1.1关键问题（1）2-D NUFFT是一个比较复杂的算法，目前有三种类型的2-D NUFFT。若将2-D NUFFT应用于成像算法中，首先必须分析2-D NUFFT，并熟悉2-D NUFFT的整个过程。（2）利用2-D POSP推导得到的频谱表达式比较复杂，基于2-D POSP的成像算法，首先必须分析该频谱表达式的特点，再根据频谱表达式的特点寻找合适的成像算法。（3）由于目前基于垂直飞行模式的双基地前视SAR成像算法研究成果很少，因此，研究该模型的特点是研究基于垂直飞行模

38、式的双基地前视SAR成像算法的突破口。1.2最终目标利用NUFFT和2-D POSP研究出2种或2种以上的基于平飞模型的双基地前视SAR成像算法，提出1种以上的基于垂直飞行模式的双基地前视SAR成像算法，并用实测数据仿真验证。1.3主要理论为了完成所选学位论文题目，必须对应用数学、信号与信息处理、雷达基础知识等学科相关理论进行研究，同时必须对雷达成像技术、SAR成像原理、双基地SAR成像原理以及双基地前视SAR成像原理进行深入详细的讨论。对推导的双基地前视SAR成像算法进行仿真，采用理论分析和算法仿真相结合的方式研究。1.4 技术路线图 1 技术路线本文首先从双基地前视SAR几何模型出发，研究

39、平飞模式和垂直飞行模式的特点，并建立回波模型。然后在此基础上研究频谱推导方法及成像算法，最后通过Matlab仿真，并对仿真结果进行性能评估。若算法具有有效性，可以利用实测数据进行验证。1.5实施方案首先研究双基地前视SAR几何模型及其特点，然后研究NUFFT在波数域算法中的应用。在这些关键问题突破之后，展开对平飞模式和垂直飞行模式成像算法的研究，并通过仿真实验检验理论和方法的正确性。通过仿真结果的分析和评估，检验前期研究过程中关键技术突破的有效性，为双基地前视SAR成像算法研究的实战应用奠定基础。1.5.1双基地前视SAR信号模型的建立 图 2 平飞几何模型 图 3 垂直飞行模式几何模型成像算

40、法的研究是建立在信号模型的基础上，本课题主要分析平飞几何模型和双基地弹载前视SAR模式，并利用线性调频信号来分析双基地前视SAR信号模型。在双基地SAR中，解调后的回波信号表达式可表示为： (1)其中，为距离向时域，为方位向时域，为信号包络，为波长，为光速，为调频斜率，为距离历史。通常，可以表示如下： (2)其中，为发射机到目标的距离，为接收机到目标的距离，和分别为时刻发射机和接收机的位置，为目标位置。针对双基地前视SAR不同的几何模型，的表达式不同。根据的特点，才能设计出合适的成像算法。(1)平飞几何模型的建立平飞、收发不等速的几何模型，如图2所示。图中发射机的波束侧视照射场景，接收机前视接

41、收回波信号，两者的飞行方向一致，沿轴运动。根据该几何模型的特点，其距离历史可以表示为： (3)其中，为发射机到场景中心的最短距离，为接收机的高度，和分别表示发射机和接收机的零多普勒时间，和分别表示发射机和接收机的运动速度。对于收发机平飞而不等速的双基地前视SAR，会有较大的距离徙动和较强的距离方位耦合，因此，在成像处理过程中，需设计合适的算法校正距离徙动和清除距离方位耦合。(2)垂直飞行模式几何模型的建立采用具有前视成像功能的合成孔径雷达可以提高导弹目标命中精度，实现实时侦察与打击，因此，基于该模式的成像算法在弹载SAR中具有很重要的研究意义。已有研究表明，当发射机的飞行方向与导弹飞行方向垂直

42、时，能够获取最大的多普勒带宽，从而提高方位向分辨率。因此，本课题将主要针对垂直飞行模式在弹载中的应用进行研究，建立垂直飞行模式几何模型如图3所示。弹载沿轴运动，发射机沿轴运动，、分别是零时刻发射机和接收机到点目标的距离，和分别表示发射机和接收机的运动速度。根据该几何模型的特点，其距离历史可以表示为： (4)其中，表示零时刻飞机的视线方向与航向的夹角，是导弹的下视角。从（4）式中可以看出，点目标的距离历史是由双根号组成的（称为“平顶双曲线”），因此，很难得到其精确的多普勒域解析表达式，在成像过程中需选择合适的算法来计算目标的二维频谱。 1.5.2双基地前视SAR频谱推导方法 研究双基地前视SAR

43、频谱成像算法首先需要把时域信号转换为频谱信号。频谱的推导方法主要有：KT，LBF，MSR，2-D POSP。在此，主要研究MSR和2-D POSP。(1)MSR 利用级数反演方法 (Method of Series Reversion，+MSR) 可以获得双基地SAR二维频谱。频谱的精确度可以通过调节级数展开项数控制，而且MSR适用于任意的双基地SAR模型中。若将泰勒级数展开到四阶，则可以得到二维频谱表达式为： (5)其中，为幅度，且 (6)其中，为载波频率，和分别为距离向和方位向频率，为泰勒系数。(2)2-D POSP 利用二维驻定相位原理 (Two-Dimensional Principl

44、e of Stationary Phase，2-D POSP) 可以获得由两个距离-方位向耦合的双曲线函数频谱。由于得到的频谱与单基地频谱相似，因此在适当斜视角的双基地空变模型中，常见的基于多普勒的单基地处理算法可以处理双基地数据。利用2-D POSP得到的二维频谱表达式为： (7)其中，为幅度，且 (8)其中， (9) (10) (11)其中，和分别为发射机和接收机到点目标的最短距离，和分别为发射机和接收机的斜视角，为合成孔径时间。1.5.3 2-D NUFFT 利用MSR、2-D POSP推导出双基地前视SAR二维频谱后，可通过函数映射消除距离方位耦合并校正距离徙动。通过函数映射后得到的新

45、的二维频域通常是非均匀分布的，直接利用2-D IFFT无法实现聚焦成像。然而，非均匀傅里叶变换 (Non-Uniform Fast Fourier Transform，NUFFT) 可以实现双基地前视SAR精确并高效成像。因此，可以提出基于2-D NUFFT的相关算法，其中掌握2-D NUFFT是实现这些算法的关键。二维的NUFFT表达式可以表示为： (12) 其中， (13)按照1D-NUFFT的方法，对复指数项进行逼近，得到 (14) (15)其中，插值系数和的计算方法与1D-NUFFT相同。将式（14）和式（15）代入至式（12）中，得到 (16)其中， (17)综上所述，2D-NUFF

46、T的实现步骤如下：（1）计算和；（2）根据（17）式，计算新的傅里叶系数；（3）利用2D-FFT计算下式 (18)（4）对进行尺度变换，即 (19)步骤1中对于所有的下标、和，插值系数都可以进行离线计算。1.5.4 基于2-D NUFFT的波数域成像算法 利用MSR得到二维频谱表达式，然后构造参考函数，得到： (20) 利用多元线性回归的方法可以将（20）式重写成具有明显几何意义的表达式。接着，通过函数映射可以将距离方位频域映射到新的距离方位频域。此时，二维的距离方位频域为非均匀分布的，因此直接利用2-D IFFT无法实现聚焦。对于传统的波数域算法，一般利用stolt插值完成距离徙动校正和方位

47、向聚焦，最后通过均匀逆傅里叶变换得到成像处理后的时域结果。传统的波数域算法如图4 (a)所示。然而，数据经stolt插值后会形成内嵌矩形，支撑域会变小，数据利用率将降低，从而造成数据信息的损失，最终影响成像质量。2-D NUFFT不仅可以代替传统波数域算法中的stolt插值和二维的逆傅里叶变换，还可以使用回波中的所有信息。而且，2-D NUFFT的计算复杂度为，因此，基于NUFFT的波数域算法可以高效地实现双基地前视SAR精确成像。基于NUFFT的波数域算法流程图如图4(b)所示。图 4 基于NUFFT的波数域算法流程图1.5.5 基于2-D POSP的波数域成像算法 利用2-D POSP可以得到二维频谱，如（7）式，在此基础上，通过重写相位历史，将二维频谱做合适的变换，可以利用RD算法、CS算法、RMA算法成像。如1.5.3节所说，2-D NUFFT可以实现双基地前视SAR精确并高效成像，本课题结合2-D NUFFT提出基于2-D POSP的波数域成像算法。若利用多元线性回归理论，相位历史（8）式可以重写为： (21)其中， (2