基于波數(shù)域的圓周sar三維成像算法分析

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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題背景及研究的目的和意義自從進(jìn)入20世紀(jì)以來，雷達(dá)就逐漸在探測方面凸顯出它得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，并逐漸在軍事上、民用上以及生活上發(fā)揮出極大的作用。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展，越來越多的場合需要用到高分辨率雷達(dá)，在這種時(shí)代背景下催生了合成孔徑雷達(dá)。合成孔徑雷達(dá)(SAR)是21世紀(jì)最重要的工程發(fā)明之一，它的出現(xiàn)在多個(gè)領(lǐng)域都具有劃時(shí)代的意義。在距離向上，SAR由發(fā)射機(jī)向外界發(fā)射信號（一般是線性調(diào)頻信號），然后在時(shí)域上或者頻域上利用匹配濾波來獲得距離向的分辨能力；在方位向上，它通過運(yùn)動軌跡上的多普勒頻率來實(shí)現(xiàn)一個(gè)近似的合成孔徑，在此

2、基礎(chǔ)上對回波加以處理以實(shí)現(xiàn)方位向的分辨能力。為了獲取觀測場景更豐富的散射信息，要求現(xiàn)代微波遙感技術(shù)具有三維成像能力。但是我們知道，傳統(tǒng)SAR成像只在方位向和距離向上具備二維分辨能力，在高度向上并不具有分辨能力，因此無法實(shí)現(xiàn)對觀測場景的三維測繪；除此之外，傳統(tǒng)SAR對地觀測時(shí)，通常存在迎坡縮短、頂?shù)椎怪靡约瓣幱罢趽醯仁д?，對地形變換較快的地形不能實(shí)現(xiàn)良好地觀測?？梢?，傳統(tǒng)SAR技術(shù)已經(jīng)不能滿足這些新應(yīng)用的需求。而若要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維成像，最直接的方法是分別在高度向上以及水平面上對目標(biāo)的信息進(jìn)行提取，僅僅依賴于直線SAR，它將強(qiáng)行忽略目標(biāo)的高度向信息實(shí)現(xiàn)二維成像。目前，三維

3、成像技術(shù)主要有干涉SAR、層析SAR、線陣SAR、曲線SAR和圓周SAR等技術(shù)。干涉SAR技術(shù)從嚴(yán)格意義上來說，并不具備高程信息的分辨能力，因?yàn)樗腔趦筛碧炀€分別探測同一個(gè)目標(biāo)而形成的相位差，來獲取目標(biāo)的高程信息。另外它無法分辨同一距離-方位單元內(nèi)、不同高度上的散射中心；層析SAR其航過次數(shù)極大影響了成像質(zhì)量，而多次飛行也使得成本較高；線陣SAR技術(shù)在高度向上很難合成比較大尺寸的孔徑，因此在高度向上難以實(shí)現(xiàn)分辨能力；曲線SAR技術(shù)軌跡復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。圓周SAR技術(shù)是一種比較新興的技術(shù)?？紤]到它在運(yùn)動過程中與聚束SAR類似，始終照射單一場景，因此可以把它看成特殊的聚束

4、SAR；另外與-1-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文曲線SAR類似，其運(yùn)動軌跡為一條曲線，但它在高度向上并沒有合成孔徑。這種模式即雷達(dá)載體在一定的高度面內(nèi)，以某半徑長做圓周運(yùn)動，在這個(gè)運(yùn)動過程中雷達(dá)始終以觀測場景的中心為圓心，且波束一直照向同一塊區(qū)域面。傳統(tǒng)直線SAR通過改變信號帶寬來影響距離向分辨率，而利用合成孔徑長度來影響方位向分辨能力，但合成孔徑長度取決于雷達(dá)跟目標(biāo)之間的觀測角。因此圓周SAR和常規(guī)直線軌跡SAR模式相比，最大的優(yōu)勢在于在某一高度上雷達(dá)隨平臺作勻速圓周運(yùn)動，波束始終指向同一場景區(qū)域。這種情況下，首先，目標(biāo)各向散射特性都可以被很好的獲得，這對高精度下

5、的目標(biāo)識別具有重大意義；其次，這種模式可以讓波數(shù)域有效帶寬增大，有助于實(shí)現(xiàn)低波段高分辨成像；最后，正因?yàn)樗奶厥膺\(yùn)動軌跡，使得雷達(dá)可以獲取目標(biāo)的3維位置信息，在減小迭掩、迎坡縮短等現(xiàn)象方面具有極大意義。因此，考慮到圓周SAR的這些優(yōu)點(diǎn)，其在軍事和民用等領(lǐng)域具有鮮明的應(yīng)用潛力，目前為止以及得到了廣泛的應(yīng)用。另外，圓周SAR相比于其他的三維成像技術(shù)，還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)即其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只需要利用一根天線即可，同時(shí)只要經(jīng)過一次圓周飛行，并獲取目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過一系列的處理即可對目標(biāo)進(jìn)行成像，也就是說，這種模式在不需要改變現(xiàn)有SAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維成像。

6、除此之外，考慮到圓周SAR始終沿著單一軌跡運(yùn)行，因此在后續(xù)的處理中，省去了圖像配準(zhǔn)這個(gè)步驟，更有益于實(shí)現(xiàn)成像。因此，圓周SAR成像技術(shù)正成為雷達(dá)成像領(lǐng)域中新的研究熱點(diǎn)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析常規(guī)直線SAR在小角度觀測下對目標(biāo)識別過程中會存在漏警現(xiàn)象，因此早在上世紀(jì)90年代中期，國外學(xué)者就提出了圓周SAR的概念。因?yàn)閳A周SAR在運(yùn)行過程中是對目標(biāo)進(jìn)行全方位觀測，因此它能夠很好地解決目標(biāo)的高信噪比SAR特征只能在有限的角度范圍內(nèi)被觀測到這一問題。目前為止，圓周SAR成像技術(shù)的研究經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)室研究和機(jī)載實(shí)驗(yàn)研究兩個(gè)階段。1.2.1國外圓周SAR成像技術(shù)的算法研究現(xiàn)狀近年

7、來，國外很多研究人員都對圓周SAR進(jìn)行了深入地研究，在理論認(rèn)識、算法分析以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面都有所建樹，這對圓周SAR系統(tǒng)的快速發(fā)展具有極大的意義。上個(gè)世紀(jì)90年代初，圓周SAR這個(gè)概念首次被美國研究人員Knaell等人-2-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文提出，在這以后越來越多的研究者們開始廣泛關(guān)注圓周SAR，并對其獨(dú)有特點(diǎn)展開研究[1]-[4]。1996年，MehrdadSoumekh教授是第一個(gè)提出了圓周SAR成像模式的人，他在時(shí)間上給出了圓周SAR回波信號模型，提出了斜距平面內(nèi)的格林函數(shù)，并且基于將回波信號從時(shí)域變換到頻域，進(jìn)而推導(dǎo)出了一個(gè)較為完