合成孔径雷达SAR的点目标仿真成像

1、合成孔径雷达（SAR）的点目标仿真成像电子与通信工程侯智深 MF0923008一.SAR原理简介合成孔彳5雷达（Synthetic Aperture Radar ,简称SAR遢一种高分辨率成像雷达技术。它利用脉冲压缩技术获得高的距离向分辨率，利用合成孔径原理获得高的方位向分辨率，从而获得大面积高分辨率雷达图像。SAR回波信号经距离向脉冲压缩后，雷达的距离分辨率由雷达发射信号带宽决定：R = ,式中匕表示雷达的距离分辨率，Br表示雷达发射信号带宽，C表示光速。同2Br样，SAR回波信号经方位向合成孔径后，雷达的方位分辨率由雷达方位向的多谱勒带宽决定：- 9 -已=也，式中巳表示雷达的方位分辨率,

2、BaBa表示雷达方位向多谱勒带宽，Va表示方位向SAR平台速度。二.SAR的成像模式和空间几何关系根据SARM束照射白方式，SAR的典型成像模式有 Stripmap（条带式），Spotlight（聚束 式）和Scan（扫描模式），如图。条带式成像是最早研究的成像模式，也是低分辨率成像最简 单最有效的方式；聚束式成像是在一次飞行中，通过不同的视角对同一区域成像，因而能获得较高的分辨率；扫描模式成像较少使用，它的信号处理最复杂。行印mp保带式）SpolHghl鼐束式JScan存三描模式】SAR典型的成像模式这里分析SAR点目标回波时，只讨论正侧式 Stripmap SAR ,正侧式表示 SAR波束

3、中心 和SAR平台运动方向垂直，如图 2.2,选取直角坐标系 XYZ为参考坐标系，XOY平面为地平 面；SAR平台距地平面高 h,沿X轴正向以速度 V匀速飞行；P点为SAR平台的位置矢量，设其坐标为（x,y,z） ; T点为目标的位置矢量，设其坐标为（xT,yT,a）；由几何关系，目标 与SAR平台的斜距为：pt ；(x-Xt)2 (y - yj (z -zj由图可知：y =0,z = h,ZT =0；令x =vs ,其中v为平台速度，s为慢时间变量（slow time）,假设Xt =vs,其中s表示SAR平台的X坐标为Xt的时刻；再令r = Jh2 +y, , r表示目 标与SAR的垂直斜距

4、，重写 2.1式为:2222= R（s;r）=qr v （s 生）R(s;r)就表示任意时刻 s时，目标与雷达的斜距。一般情况下，v s-so r ,于是上式可近似写为： 2R(s;r) = . r2 v2 (s - 8)2 ： r (s -8)22r可见，斜距是s和r的函数，不同的目标，r也不一样，但当目标距SAR较远时，在观测带内，可近似认为r不变，即r=R0。（b）空间几何关系(a) 图(a)中，Lsar表示合成孔径长度， 中，日为雷达天线半功率点波束角， 近距点距离，Rmax为远距点距离，正视图(b)侧视图它和合成孔径时间Tsar的关系是Lsar = vTsar。(b)日为波束轴线与Z

5、轴的夹角，即波束视角，Rmin为W为测绘带宽度，它们的关系为：Rmin = H tg（1-口2）Rmax = H tg（?口2）W = Rmax- Rmin三.点目标SAR的成像处理算法仿真SAR的回波数据不具有直观性，不经处理人无法理解它。从原理上讲，SAR成像处理的过程是从回波数据中提取目标区域散射系数的二维分布，本质上是一个二维相关处理过程：因此最直接的处理方法是对回波进行二维匹配滤波，但其运算量很大，再加上SAR的数据率本来就高，这使得实时处难于实现。通常，可以把二维过程分解成距离向和方位向两个一维过程，Range-Dopper Algorithm （简称RD算法）就是采用这种思想的典

6、型算法。Stripmap SAR after range compressionSlnpmap SAR after range and azimulh compression-400300产1 oX04.10302累96 o97o明o95 mDD口OOBDIOOIOO口 口-11 3 d巴 miaul ssrKU 百寸SAR的点目标仿真结果Re I part of the- raw sig 同1OT0两点目标的回波仿真 3D图2015Resolution D&rno: -3dB contour5Q5-1015-200.999511 0005 1.001 10015 1002 1.0025 1.

7、003 1.0035 1 00$ 1.0045 1 005f 高刖噌5 杷JWfefS或1 口妆苫Etr正片占rNq两点目标压缩后的3dB等高线图附录：SAR的点目标仿真 Matlab程序主程序：stripmapSAR.m%= %Filename: stripmapSAR.m%Help file: stripmapSAR.doc%Project: Stripmap SAR Simulation using point targets and Reconstrction%with Range-Doppler Algorithm%Author: houzhishen ,nju,2010/6%= c

8、lear;clc;close all;%= %Parameter-constantC=3e8;%propagation speed%Parameter-radar characteristicsFc=1e9;lambda=C/Fc;%Parameter-target areaXmin=0;Xmax=50;Yc=10000;Y0=500;%Parameter-orbital informationV=100;H=5000;R0=sqrt(YcA2+HA2);%Parameter-antennaD=4;Lsar=lambda*R0/D;Tsar=Lsar/V;%Parameter-slow-tim

9、e domain%carrier frequency 1GHz%wavelength%target area in azimuth is withinXmin,Xmax%center of imaged area%target area in range is withinYc-Y0,Yc+Y0 %imaged width 2*Y0%SAR velosity 100 m/s%height 5000 m%antenna length in azimuth direction%SAR integration length%SAR integration timeKa=-2*VA2/lambda/R

10、0;Ba=abs(Ka*Tsar);PRF=Ba;PRT=1/PRF;ds=PRT;%doppler frequency modulation rate%doppler frequency modulation bandwidth%pulse repitition frequency%pulse repitition time%sample spacing in slow-time domainNslow=2Anextpow2(Nslow);%for fftNslow=ceil(Xmax-Xmin+Lsar)/V/ds); %sample number in slow-time domain%

11、refreshTr=5e-6;Br=30e6;Kr=Br/Tr;Fsr=3*Br;dt=1/Fsr;Rmin=sqrt(Yc-Y0)A2+HA2);sn=linspace(Xmin-Lsar/2)/V ,(Xmax+Lsar/2)/V,Nslow);%discrete time array in slow-time domainPRT=(Xmax-Xmin+Lsar)/V/Nslow;PRF=1/PRT;ds=PRT;fu=linspace(-1/2/PRT,1/2/PRT,Nslow);%fu 域序列%Parameter-fast-time domain%pulse duration 10u

12、s%chirp frequency modulation bandwidth 30MHz%chirp slope%sampling frequency in fast-time domain%sample spacing in fast-time domainRmax=sqrt(Yc+Y0)A2+HA2+(Lsar/2)A2);Nfast=ceil(2*(Rmax-Rmin)/C/dt+Tr/dt);%sample number in fast-time domainNfast=2Anextpow2(Nfast);%for ffttm=linspace(2*Rmin/C,2*Rmax/C+Tr

13、,Nfast); %discrete time array in fast-time domain dt=(2*Rmax/C+Tr-2*Rmin/C)/Nfast; %refreshFsr=1/dt;f=linspace(-1/2/dt,1/2/dt,Nfast);%f 域序列%Parameter-resolutionDY=C/2/Br;DX=D/2;%Parameter-point targetsNtarget=3;%format x, y, reflectivityPtarget=Xmin,Yc,1Xmin,Yc+10*DY ,1%range resolution%cross-range

14、resolution%number of targets%position of targetsXmin+20*DX,Yc+50*DY ,1;disp(Parameters:)disp(Sampling Rate in fast-time domain);disp(Fsr/Br)disp(Sampling Number in fast-time domain);disp(Nfast)disp(Sampling Rate in slow-time domain);disp(PRF/Ba)disp(Sampling Number in slow-time domain);disp(Nslow)di

15、sp(Range Resolution);disp(DY)disp(Cross-range Resolution);disp(DX)disp(SAR integration length);disp(Lsar)disp(Position of targets);disp(Ptarget)%= %Generate the raw signal dataK=Ntarget;%number of targetsN=Nslow;%number of vector in slow-time domainM=Nfast;%number of vector in fast-time domainT=Ptar

16、get;%position of targetsSrnm=zeros(N,M);for k=1:1:Ksigma=T(k,3);Dslow=sn*V-T(k,1);R=sqrt(Dslow.A2+T(k,2)A2+HA2);tau=2*R/C;Dfast=ones(N,1)*tm-tau*ones(1,M);phase=pi*Kr*Dfast.A2-(4*pi/lambda)*(R*ones(1,M);Srnm=Srnm+sigma*exp(j*phase).*(-Tr/2Dfast&DfastTr/2).*(abs(Dslow)Lsar/2)*ones(1,M) ;end%Range com

17、pressiontr=tm-2*Rmin/C;Refr=exp(j*pi*Kr*tr.A2).*(-Tr/2tr&trTr/2);%Sr=ifty(fty(Srnm).*(ones(N,1)*conj(fty(Refr);%Gr=abs(Sr);%src_uf=fty(Srnm).*(ones(N,1)*conj(fty(Refr);% 距离压缩src_ut=fftshift(ifft(fftshift(src_uf.).;% 距离压缩后的信号src_fut=fftshift(fft(fftshift(src_ut);% 距离多普勒域src_fuf=fftshift(fft(fftshift(

18、src_uf);% 距离压缩后的二维频谱F=f*ones(1,Nslow);% 扩充为矩阵FU=ones(Nfast,1)*fu;fdc=0;p0_2f=exp(j*pi/FcA2/Ka*(FU.*F).A2+j*pi*fdcA2/Fc/Ka*F-j*pi/Fc/Ka*FU.A2.*F);s2rc_fuf=src_fuf.*(p0_2f.);s2rc_fut=fftshift(ifft(fftshift(s2rc_fuf).).;% 距离多普勒域Sr=fftshift(ifft(fftshift(s2rc_fut);Gr=abs(Sr);p0_2fu=exp(j*pi/Ka*(FU-fdc).

19、A2);% 方位向压缩因子s2rcac_fut=s2rc_fut.*(p0_2fu.);% 方位压缩s2rcac_fuf=fftshift(fft(fftshift(s2rcac_fut).).;% 距离方位压缩后的二维频谱s2rcac_ut=fftshift(ifft(fftshift(s2rcac_fut);% 方位向 IFFT%Azimuth compressionta=sn-Xmin/V;Refa=exp(j*pi*Ka*ta.A2).*(abs(ta)Tsar/2);Sa=iftx(ftx(Sr).*(conj(ftx(Refa).*ones(1,M);Ga=abs(Sa);%=%graw the intensity image of signalcolormap(gray);figure(1)row=tm*C/2-2008;col=sn*V-26;imagesc(row,col,255-Gr);%intensity ima