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1、上海交通大学 硕士学位论文 双站合成孔径雷达的成像算法研究 姓名：范晓慈 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：刘兴钊 20080101 上海交通大学硕士学位论文 1 双站合成孔径雷达的成像算法研究 摘 要 双站 SAR 指收发平台分置的合成孔径雷达，它能获取目标非后向散 射信息，具有隐蔽性和抗干扰能力强等特点。近年来双站 SAR 成为雷达 成像技术研究的热点之一。 本文首先分析了双站 SAR 在任意飞行模式下的几何模型与回波信号 模型，阐述了二维匹配滤波成像机理，给出了分辨率与双站 SAR 系统参 数间的理论关系。侧重分析了正侧视条带模式下，双站 SAR 的多普勒性 质。 重点
2、研究了双站 SAR 成像算法：分析并给出了适合双站 SAR 的 Chirp Scaling 算法，通过点目标仿真数据验证了该算法的有效性和适用性。 仿真结果表明：该算法处理速度快，无需插值即可实现对 SAR 原始数据 的二维匹配滤波操作进而实现良好的 SAR 图像效果,可适用于高精度发 射机位于同步卫星的双站 SAR 的成像处理。 提出了双站 SAR 去走动 Chirp Scaling 成像算法，该算法可以不考 虑延迟曲线的形式，且在延迟距离展开式中，速度和间距参数是独立的， 只要稍加扩展， 算法就可以处理两星位于平行轨道， 速度不同的双站 SAR 上海交通大学硕士学位论文 2 形式，且可以将
3、延迟距离表达为参考距离和r的多项式，能很容易实现 距离徙动补偿。此外，在星载 SAR 中，常常需要用四阶相对运动模型来 描述卫星与地面目标的关系，在分布式 SAR 中更是如此，而本文的算法 天然地可以处理这种运动模型产生的信号。对于前后间隔式双站 SAR 构 型在主星正侧视，辅星斜视角很大的情况下仍能实现良好的成像效果。 关键词：合成孔径雷达，雷达成像，双站，Chirp Scaling 算法 上海交通大学硕士学位论文 3 RESEARCH ON PRINCIPLES OF BISTATIC SAR IMAGING ABSTRACT Bistatic SAR is the synthetic a
4、perture radar whose transmitter and receiver are located on separated platforms. It can acquire non-backscatter information from target zone, and the quiet passive receiver is more difficult to be detected and jammed compared to monostatic SAR. Bistatic SAR is becoming one of the hotspots in radar i
5、maging technology in recent years. The geometry and echoed signal models of bistatic SAR in general fight configuration are introduced. Two-dimensional matched filtering principle is examined and theoretical relationship between resolution and bistatic SAR system parameters is suggested. The propert
6、ies of Doppler are analyzed. Because the imaging algorithm of Bistatic SAR is related to the geometry models, the dissertation gives paticularly empathies on bistatic SAR model in the broadside side-looking and stripmap. The imaging algorithm of bistatic SAR is discussed. The theory of Chirp Scaling
7、 algorithm is studied. The simulation results show that this algorithm 上海交通大学硕士学位论文 4 can perform two-dimentional match filtering accurately without any interpolation in this bistatic system and thus can obtain well-focused SAR image, so it is suitable for real-time processing of signal. A reformed
8、bistatic SAR Chirp Scaling imaging algorithm is deduced based on the tandem configuration. The algorithm is adaptable to the bistatic SAR constellation in which the transmitter and receiver have different velocity while in parallel orbit, and it can realize range migration compensation easily. For t
9、he bistatic SAR tandem constellation, the imaging result remains satisfactory when the sideway angle is large. Key Words: Synthetic Aperture Radar, Radar Imaging, Bistatic, Chirp Scaling Agorithm 上海交通大学硕士学位论文 7 图表目录图表目录 图 1- 1 条带 SAR.5 图 1- 2 聚束 SAR.6 图 2- 1双站 SAR 几何模型 10 图 2- 2双站 SAR 的距离分辨率关系图.15 图
10、 2- 3双站 SAR 距离模糊示意图.17 图 2- 4双站 SAR 聚焦深度示意图.20 图 2- 5成像误差的几何示意图21 图 3- 1Chirp Scaling算法实现流程图35 图 3- 2双站几何关系示意图47 图 4- 1发射机固定的双站 SAR回波模型.52 图 4- 2距离向分辨率几何示意图53 图 4- 3发射机斜侧视造成的几何畸变56 图 4- 4 CS算法点阵成像结果60 图 4- 5近点方位向及距离向截图60 图 4- 6中心点方位向及距离向截图61 图 4- 7中心点方位向及距离向截图61 图 4- 8双站 SAR 的几何模型 62 图 4- 9等值线图，距离向剖
11、面图和方位向剖面图（辅星斜视角 6.384度）67 图 4- 10等值线图，距离向剖面图和方位向剖面图（辅星斜视角 10度）.68 图 4- 11等值线图，距离向剖面图和方位向剖面图（辅星斜视角 20度）.69 图 4- 12等值线图，距离向剖面图和方位向剖面图（辅星斜视角 30度）.70 图 4- 13等值线图，距离向剖面图和方位向剖面图（辅星斜视角 60度）.71 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个
12、人或集体已 经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权上海交通大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本
13、学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的研究意义 1.1 课题的研究意义 双站 SAR 作为一种新型的成像雷达体制， 与常规雷达最大的不同点在于它的发射 机与接收机是分置的，可以有不同的空间位置和运动速度，工作时不限于接收地物 目标的后向散射信号。正因为如此，较之于常规 SAR, 双站 SAR 具有很多优点1：它 能获取目标的非后向散射信息，具有作用距离远、隐蔽性和抗干扰性强等特点。双 站 SAR 可获取目标的非后向散射信息，有利于
14、提高目标识别性能。双站 SAR 在战争 条件下的生存能力更强。系统的发射机和接收机分置在不同的平台上，发射机平台 可在相对安全的位置，使其较难遭受攻击。接收机不发射信号，仅被动接收，提高 了隐蔽性。同时，接收机体积减小而重量减轻，可采用各种隐身技术和小型化技术 减少接收平台的雷达散射面积，使其更难被对方发现，提高了生存能力。总之，双 基地合成孔径雷达作为一种空间对地观测的新手段，在民用和军用领域都有着广阔 的发展空间。 近年来，随着电子技术和信号处理技术的迅猛发展，单基地合成孔径雷达在高分 辨率、多模式、多波段、多极化等方面的技术日趋成熟。随着对合成孔径雷达性能 的要求不断提高与其应用范围不断
15、扩大，需求和技术成本之间的矛盾越来越突出。 目前双基地与分布式小卫星合成孔径雷达技术受到广泛关注。常规意义下分布式星 载合成孔径雷达在系统设计和信号处理等方面都存在较大的技术难度，短期内解决 技术瓶颈的可能性不大。双基地合成孔径雷达是当前雷达成像技术领域内的研究热 点之一2。 1.2 合成孔径雷达研究概况 1.2 合成孔径雷达研究概况 合成孔径雷达的概念可以追溯到本世纪 50 年代初。1951 年 6 月美国古德依尔 （Goodyear Aerospace Co）公司的威利（Carl Wiley）首先提出：可以利用频率分 析方法改善雷达的角分辨率31。 上海交通大学硕士学位论文 2 与此同时，
16、伊理诺依大学控制系统实验室独立地用非相参雷达进行实验，证实频 率分析的方法确能改善雷达的角分辨率。以后又用相参雷达做实验，用 X 波段雷达 产生相参基准信号，发射波束宽为4.13?,经过孔径综合后波束宽度变为0.4?。采用非 聚焦孔径综合方法，于 1953 年 7 月得到第一张 SAR 图像3233。当时的信号存储采用 磁带，信号处理器为商用的频率分析器。这是合成孔径原理和合成孔径雷达发展的 最初阶段。 1953 年夏，在美国密西根大学举办的暑期讨论会上，许多学者提出了机载运动 可以将雷达的真实天线合成为大孔径的线性天线阵列的新概念34。用这种观点认识 合成孔径原理，除了能解释雷达角分辨率的提高及正侧视工作方式能得到最佳角分 辨外，还易使人们认识到合成孔径方法有经相位校正后求和与不经相位校正求和之 分，即聚焦和非聚焦信号处理之分35。 当时人们还认识到，信号的存储和处理是实现合成孔径原理的关键。许多科学家 为此做了努力。美国密西根大学雷达和光学实验室的科学家发现了可将雷达数据记 录在胶片上，并利用
