合成孔徑雷達(dá)

合成孔徑雷達(dá)第1頁/共89頁2合成孔徑原理(1)

合成孔徑雷達(dá)是釆用相干雷達(dá)系統(tǒng)和單個(gè)移動(dòng)的天線模擬真實(shí)線性天陣中所有天線的功能。單個(gè)天線依次占據(jù)合成陣列空間的位置。在合成陣列里，在每個(gè)天線位置上所接收的信號(hào)，其幅度和相位信息都被存儲(chǔ)起來，這些被存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，成像為被雷達(dá)所照射區(qū)域的圖豫。典型的合成孔徑雷達(dá)結(jié)構(gòu)是側(cè)視的，其雷達(dá)天線同飛機(jī)航線相垂直，并向下俯適當(dāng)角度，橫向距離分辨力定義為飛行航線上的分辨力。

第2頁/共89頁2合成孔徑原理(2)第3頁/共89頁2合成孔徑原理(波束形成)d天線陣目標(biāo)相鄰兩個(gè)陣源接收信號(hào)的空間延遲為:第4頁/共89頁2合成孔徑原理(波束形成)相鄰兩個(gè)陣源接收信號(hào)的相位差為:M個(gè)陣源接收的信號(hào)序列為:其中為單個(gè)陣源的天線方向圖,滿足:顯然,M個(gè)陣源接收的信號(hào)構(gòu)成等比級(jí)數(shù)。第5頁/共89頁2合成孔徑原理(波束形成)

對(duì)M個(gè)陣源接收信號(hào)構(gòu)成的等比級(jí)數(shù)求和,可以得到:第6頁/共89頁2合成孔徑原理(波束形成)

取M個(gè)信號(hào)和的包絡(luò),可以得到:上式表明,單個(gè)陣元的波束寬度被加權(quán),形成新波束,新波束的形狀由上式中的分式?jīng)Q定。第7頁/共89頁2合成孔徑原理(波束形成)上式的形狀由分子決定,其中:式中,R為目標(biāo)的距離,Δx為目標(biāo)的橫向分辨距離。

第8頁/共89頁2合成孔徑原理(波束形成)求第一零點(diǎn)位置確定半功率點(diǎn)分辨率,令:陣列信號(hào)處理后的波束分辨率為:

第9頁/共89頁2合成孔徑原理(波束形成)考慮合成孔徑雷達(dá)信號(hào)的雙程相位差，合成孔徑雷達(dá)的波束分辨率為:

第10頁/共89頁3合成孔徑原理（非聚焦與聚焦處理）聚焦與非聚焦示意圖R目標(biāo)A目標(biāo)B聚焦y第11頁/共89頁3合成孔徑原理（非聚焦與聚焦處理）對(duì)于目標(biāo)A,天線任意位置與其的距離為:因?yàn)槟繕?biāo)的距離與天線橫向移動(dòng)的距離相比較大,則運(yùn)用泰勒級(jí)數(shù)展開進(jìn)似可以得到:第12頁/共89頁3合成孔徑原理（非聚焦與聚焦處理）對(duì)于目標(biāo)A,回波信號(hào)的雙程相位差為:對(duì)于目標(biāo)B,回波信號(hào)的雙程相位差為:第13頁/共89頁3合成孔徑原理（非聚焦與聚焦處理）

則對(duì)任意位置y，在整個(gè)孔徑時(shí)間內(nèi)積分可以得到目標(biāo)在所有y位置上的信號(hào)包絡(luò).當(dāng)對(duì)雷達(dá)載體沿直線飛行產(chǎn)生的二次相位誤差不補(bǔ)償時(shí)：

這時(shí)的積分處理稱非聚焦處理,否則稱為聚焦處理。第14頁/共89頁3合成孔徑原理（非聚焦與聚焦處理）非聚焦處理:在y處的點(diǎn)目標(biāo)回波響應(yīng)為:第15頁/共89頁3合成孔徑原理（非聚焦與聚焦處理）求半功率點(diǎn)波束寬度,令:最后得到其橫向分辨率為:真實(shí)孔徑天線橫向分辨率為:第16頁/共89頁3合成孔徑原理（非聚焦與聚焦處理）聚焦處理:聚焦處理需要對(duì)二次相位差進(jìn)行補(bǔ)償,有:這時(shí)回波響應(yīng)為:第17頁/共89頁3合成孔徑原理（非聚焦與聚焦處理）第18頁/共89頁3合成孔徑原理（非聚焦與聚焦處理）求歸一化回波功率增益:求半功率點(diǎn)波束寬度,令:第19頁/共89頁3合成孔徑原理（非聚焦與聚焦處理）合成孔徑的最大長度為:最后得到其橫向分辨率為:最終，理論上合成孔徑的橫向分辨率為:第20頁/共89頁4合成孔徑原理(頻率分析方法)CarlWiley首次提出頻率分析方法解決雷達(dá)角分辨率問題。從多普率頻率分辨出發(fā)，研究目標(biāo)的分辨。證明當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)其多普勒頻率可分時(shí)，兩個(gè)目標(biāo)空間上也可分。第21頁/共89頁4合成孔徑原理(頻率分析方法)目標(biāo)的多普勒頻率?Φ1P1P2Φ2雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向第22頁/共89頁4合成孔徑原理(頻率分析方法)對(duì)目標(biāo)P1,P2,它們多普勒頻率為:它們的多普勒頻率差為:第23頁/共89頁4合成孔徑原理(頻率分析方法)通常存在下面關(guān)系:第24頁/共89頁4合成孔徑原理(頻率分析方法)點(diǎn)目標(biāo)間的多普勒增量為:多普勒頻率分辨與濾波器時(shí)間常數(shù)存在如下關(guān)系:只要多普勒頻率增量能夠被分辨，則方位分辨率為:第25頁/共89頁4合成孔徑原理(頻率分析方法)當(dāng)φ=90

度,多普勒濾波器的時(shí)間常數(shù)為:最終的方位分辨率為:第26頁/共89頁5SAR基本參數(shù)最大聚焦合成孔徑長度:天線尺寸的減小導(dǎo)致更長的聚焦合成孔徑長度SAR聚焦分辨率:分辨率的改善與天線尺寸有關(guān)，與距離和波長無關(guān)第27頁/共89頁6SAR基本組成電源分配單元SAR天線子系統(tǒng)高功率微波電路接收機(jī)校準(zhǔn)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)定時(shí)與數(shù)據(jù)處理載荷計(jì)算磁波記錄器傳輸系統(tǒng)第28頁/共89頁7SAR信號(hào)處理SAR數(shù)字信號(hào)處理輸入數(shù)據(jù)接口

方位預(yù)處理

距離壓縮

距離走動(dòng)校正

方位壓縮幅度檢測(cè)多視相加

參考函數(shù)產(chǎn)生

控制單元

運(yùn)動(dòng)參數(shù)提取幾何幅度校正

輸出數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)控制指令慣性導(dǎo)航系統(tǒng)第29頁/共89頁8SAR成像模式(1)Stripmap(條帶式):最早的成像模式，1950’s低分辨率成像的最有效方法(2)Spotlight(聚束式):在1970’s提出獲得較高的分辨率一次飛行中，通過不同視角改變對(duì)同一區(qū)域成像第30頁/共89頁8SAR成像模式（2）（3）Scan(掃描模式):信號(hào)處理非常復(fù)雜（4）InSAR(干涉SAR)獲取地面高度信息,進(jìn)行3D成像（5）ISAR(逆SAR)雷達(dá)靜止，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)第31頁/共89頁9SAR回波信號(hào)特性空間幾何關(guān)系回波信號(hào)模型回波信號(hào)的特性第32頁/共89頁9.1SAR回波信號(hào)特性（空間幾何關(guān)系）SAR空間幾何關(guān)系第33頁/共89頁合成孔徑雷達(dá)坐標(biāo)系

假設(shè)被測(cè)目標(biāo)為一理想點(diǎn)目標(biāo)P，P點(diǎn)與航線的垂直斜距為R0。我們建立航線和R0所構(gòu)成的坐標(biāo)平面。設(shè)雷達(dá)天線在t=0時(shí)，位于坐標(biāo)原點(diǎn)。在某一瞬時(shí)t，雷達(dá)天線的位置在Xa=Va*t。點(diǎn)目標(biāo)P的位置在這個(gè)坐標(biāo)系里是固定的，其坐標(biāo)為(Xp,R0)。9.1SAR回波信號(hào)特性（空間幾何關(guān)系）第34頁/共89頁在t時(shí)刻，P與雷達(dá)天線的斜距為：一般情況下，上式可近似為：9.1SAR回波信號(hào)特性（空間幾何關(guān)系）=第35頁/共89頁

設(shè)發(fā)射信號(hào)為：則接收信號(hào)為：其中:9.2SAR回波信號(hào)特性（信號(hào)模型）第36頁/共89頁則接收信號(hào)為：該信號(hào)的相位為：9.2SAR回波信號(hào)特性（信號(hào)模型）第37頁/共89頁發(fā)射信號(hào)的線性相位：與距離有關(guān)的常數(shù)相位：雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的二次相位：9.2SAR回波信號(hào)特性（信號(hào)模型）第38頁/共89頁如果令X0=V*t0，Xp=V*t，則有:將相位對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，即得回波信號(hào)的瞬時(shí)頻率：9.2SAR回波信號(hào)特性（信號(hào)模型）第39頁/共89頁天線與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移為：

它隨時(shí)間呈線性變化，可見回波信號(hào)是一種線性調(diào)頻信號(hào)，其調(diào)頻斜率為：9.2SAR回波信號(hào)特性（信號(hào)模型）第40頁/共89頁以t0為中心，在整個(gè)合成孔徑時(shí)間內(nèi)，多普勒頻率的最大值出現(xiàn)在兩個(gè)端點(diǎn)處，即：9.2SAR回波信號(hào)特性（信號(hào)模型）第41頁/共89頁

回波多普勒頻移得帶寬為：9.2SAR回波信號(hào)特性（信號(hào)模型）第42頁/共89頁10SAR成像處理算法處理流程距離遷移和聚焦深度距離遷移校正多普勒參數(shù)估計(jì)第43頁/共89頁10.1SAR成像處理算法（處理流程）

從信號(hào)處理角度，SAR的數(shù)字成像可以歸結(jié)為一個(gè)解二維卷積的過程：

SAR信號(hào)的二維相關(guān)問題分解成距離向和方位向兩個(gè)一維相關(guān)卷積：第44頁/共89頁

RD算法處理流程圖第45頁/共89頁

SAR二維回波數(shù)據(jù)第46頁/共89頁

距離壓縮后的二維數(shù)據(jù)第47頁/共89頁10.2SAR成像處理算法（距離遷移和聚焦深度）

對(duì)于不同的脈沖，經(jīng)距離壓縮后的點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)必然出現(xiàn)在不同的距離上，這就是距離遷移。由于距離遷移現(xiàn)象的存在，必須從不同的距離門中得到用于一次方位處理的數(shù)據(jù)。它們?cè)跀?shù)據(jù)陣中的曲線(距離遷移曲線)為:第48頁/共89頁10.3SAR成像處理算法（距離遷移和聚焦深度）第49頁/共89頁10.3SAR成像處理算法（距離遷移和聚焦深度）其中:第50頁/共89頁距離遷移是SAR處理中必然出現(xiàn)的現(xiàn)象，距離遷移為

雖然距離遷移是SAR處理中必然出現(xiàn)的現(xiàn)象，但它的大小隨系統(tǒng)參數(shù)不同而變化，并不總需要補(bǔ)償。通常認(rèn)為，如果最大距離遷移值不大于四分之一個(gè)距離分辨單元，則距離遷移不需要補(bǔ)償，即：為方位分辨率10.3SAR成像處理算法（距離遷移和聚焦深度）第51頁/共89頁

可以在多寬的距離間隔之內(nèi)使用相同的方位濾波器，就是聚焦深度。如果在方位處理器中所使用的R0不是目標(biāo)點(diǎn)的真實(shí)距離，它的誤差導(dǎo)致的fr的失配為

一般認(rèn)為在多普勒頻帶邊緣由失配造成的相位差小于45度，則失配是可以忽略的。因此聚焦深度準(zhǔn)則為10.3SAR成像處理算法（距離遷移和聚焦深度）第52頁/共89頁10.4SAR成像處理算法（距離遷移校正）時(shí)域距離遷移方程為：第53頁/共89頁10.4SAR成像處理算法（距離遷移校正）多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的距離遷移第54頁/共89頁10.4SAR成像處理算法（距離遷移校正）點(diǎn)目標(biāo)的多普勒歷程為：頻域的距離遷移方程為：第55頁/共89頁10.4SAR成像處理算法（距離遷移校正）頻域距離遷移第56頁/共89頁10.5多普勒參數(shù)估計(jì)點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)為：其中，fDc

是多普勒中心頻率

fr是多普勒調(diào)頻率第57頁/共89頁10.5多普勒參數(shù)估計(jì)點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)匹配濾波器應(yīng)為點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)模型的共軛：

可見通過參數(shù)fDc和fr的估計(jì)，可以構(gòu)造出匹配壓縮函數(shù)。

第58頁/共89頁10.6方位譜直接測(cè)量雷達(dá)回波的方位向頻譜為:對(duì)多條方位功率譜線進(jìn)行平均，得到：若地面后向散射系數(shù)服從高斯分布，則：第59頁/共89頁我們可以得到：

由此可以看出，方位功率譜與點(diǎn)目標(biāo)的方位匹配壓縮函數(shù)有直接的關(guān)系，而方位匹配壓縮函數(shù)的形式由兩個(gè)多普勒待估計(jì)參數(shù)決定，利用這一點(diǎn)可直接從回波的方位功率譜中提取多普勒參數(shù)。10.6方位譜直接測(cè)量第60頁/共89頁

方位譜峰測(cè)定法功率譜能量平衡法方位功率譜寬測(cè)定法方位譜直接測(cè)量：第61頁/共89頁（1）方位譜峰側(cè)定法

SAR回波信號(hào)的方位功率譜受天線方向圖的調(diào)制，由于方位圖的峰值為天線指向中心，因此功率譜峰值的位置就是多普勒中心頻率的位置。這種方法的精度依賴于成像場景的均勻程度，越是均勻場景測(cè)量精度越高。一般SAR成像區(qū)域并非均勻場景，可對(duì)多條方位功率譜線進(jìn)行平均來減少非均勻場景的起伏。但在場景變化很大時(shí)，其估計(jì)精度仍較差。第62頁/共89頁（2）功率譜能量平衡法在均勻場景中回波方位譜是關(guān)于多普勒中心頻率對(duì)稱的，如下圖。

第63頁/共89頁

當(dāng)fDc，有一定偏差時(shí)，滿足：第64頁/共89頁（3）方位功率譜寬測(cè)定法

方位功率譜寬是與多普勒帶寬有關(guān)的。在SAR信號(hào)有足夠大的時(shí)間帶寬積時(shí)，可以認(rèn)為方位功率譜寬就是多普勒帶寬。SAR信號(hào)的合成孔徑時(shí)間T是確定的，因此可通過測(cè)量多普勒帶寬求出多普勒調(diào)頻率：第65頁/共89頁（4）雜波鎖定方法SAR飛過兩個(gè)孔徑第66頁/共89頁

將兩個(gè)子孔徑的圖像能量進(jìn)行比較，求出歸一化能量差：

然后由能量差確定多普勒中心頻率：第67頁/共89頁（5）自聚焦方法

自聚焦方法利用多視子圖像之間相關(guān)峰值位置求得多普勒調(diào)頻率。子孔徑相關(guān)依賴于方位時(shí)間或位置與多普勒頻率之間的鎖定關(guān)系：第68頁/共89頁自聚焦方法點(diǎn)目標(biāo)的多普勒歷程為：則存在鎖定關(guān)系：第69頁/共89頁自聚焦方法則存在鎖定關(guān)系：第70頁/共89頁若存在兩個(gè)子孔徑，則：tt012fDcfDc2fDc1對(duì)應(yīng)兩個(gè)子孔徑1和2，可以獲得關(guān)于目標(biāo)A的兩幅圖像，這兩幅圖像的中心頻率分別是fDc1和fDc2A第71頁/共89頁利用兩個(gè)子孔徑，則存在：對(duì)應(yīng)兩幅圖像，同一目標(biāo)在方位向上時(shí)間差為：第72頁/共89頁

如果成像時(shí)使用的多普勒調(diào)頻斜率不等于真實(shí)的多普勒調(diào)頻斜率，在補(bǔ)償之后兩幅圖像之間仍會(huì)有一定的時(shí)間差：第73頁/共89頁

采用迭代方法求多普勒調(diào)頻斜率：

當(dāng)?shù)諗亢螅弥本€擬合使：第74頁/共89頁11ChirpScaling成像算法CS算法的優(yōu)點(diǎn)CS算法流圖CS算法的原理第75頁/共89頁11ChirpScaling成像算法成像精度高避免RD算法中大量的插值運(yùn)算解決了二次距離壓縮(SRC)問題第76頁/共89頁方位FFT距離FFT距離IFFT方位IFFTSAR原始數(shù)據(jù)變換線性調(diào)頻尺度距離校正與壓縮方位聚焦和剩余相位補(bǔ)償聚焦圖像輸出第77頁/共89頁10.1ChirpScaling算法的原理變換線性調(diào)頻尺度原理SAR原始信號(hào)的描述變換線性調(diào)頻尺度算法第78頁/共89頁(1)變換線性調(diào)頻尺度原理*兩個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)的乘積仍然是一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)設(shè)有兩個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)：則兩個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)的乘積：第79頁/共89頁變換線性調(diào)頻尺度原理:可見兩個(gè)線性調(diào)頻