合成孔径雷达点目标成像仿真

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2、，在年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“厂”作者签名： 年 月 日年月日错误!未定义书签。）导师签名： 目录关键词摘要 错误!未定义书签。）、绪论错误!未定义书签。）1.1 引言错误!未定义书签。）1.2 研究目的和意义2）1.3 发展历史及学术动态 (错误!未定义书签。)二、SAR的应用(错误!未定义书签。2.1 引言 (错误!未定义书签。)2.2 合成孔径雷达在军事领域的应用(3)2.2.1 战略应用 (3 )2.2.2 战术应用 (3 )2.2.3 特别应用 (3 )2.3 合成孔径雷达在民用领域的应用(3)2.3.1在地形测绘和制图方面 (3)2.3.2 在海洋

3、应用方面 (3)2.3.3 在水资源应用方面 (3)三、合成孔径雷达成像的原理(3)3.1 成像特点 (3 )3.2 成像原理(4)3.3 成像流程图(4 )3.4 SAR成像理论模型 (5)四、SAR成像算(5)4.1 引言 (5)4.2距离多普勒算法(RD) (5)4.2.1 信号模型及分析 (6)4.2.2 距离压缩 (7)4.2.3 距离移动校正 (7)4.2.4 方位向压缩 (9)4.3 CS 算法(9)4.3.1 算法特点简介 (10)4.3.2 SAR斜视回波模型(10)4.3.2.1 SAR 斜视回波几何模型 (10)4.3.2.2 距离移动分析(11)4.3.3改进的CS算法

4、(11)五、算法的 Matlab 仿真 (11)5.1 RD 算法（11）5.1.1 仿真参数 （11）5.1.2 仿真结果 （12）5.1.3 仿真结果说明 （13）5.2 CS 算法 （13）5.2.1 仿真参数 （14）5.2.2 仿真结果 （15）5.2.3 仿真性能分析 （16）六、成像算法对分辨率的影响（17）6.1 多普勒中心频率误差（17）6.2多普勒调频误差（16）6.3改进型算法的多普勒参数估计与设定（17）七、总结 （18）致谢 （18）参考文献 （18）附录 （20）合成孔径雷达点目标成像仿真学 生：宋家明指导老师：黄 瑶三峡大学 理学院摘要：本文主要介绍合成孔径雷达（

5、SAR）点目标成像的相关知识，简要介绍了 SAR在 军事和民事中的运用，阐述了其成像原理及特点。为了说明SAR成像原理，运用了 RD和CS 两种算法。在介绍 RD 算法时，建立了信号模型，并从距离压缩、距离移动校正和方位向压 缩三个方面进行了说明，并给出了改进型 RD 算法的流程图和相关方法；介绍 CS 算法时，建 立了斜视回波信号模型，对成像移动距离进行了分析，并给出了改进型 CS 算法的方法步骤。 接着对两种成像算法进行了参数设定并进行了仿真，最后从多普勒中心频率误差和调频误差 两个方面分析了成像方法对分辨率的影响，并给出了改进型算法的多普勒参数估计与设定的 方法。Abstract：Thi

6、s paper describes the synthetic aperture radar (SAR) point target imaging knowledge, briefly introduces the use of SAR in the military and civilian, and describes its imaging principles and characteristics. To illustrate the principle of SAR imaging, I use the RD and CS two algorithms. When introduc

7、ing the RD algorithm, I establish the signal model, and describe it from three aspects, such as the distance of compression, the mobile calibration and orientation ,and give the flowchart of the modified RD algorithm and related methods; To introduce the CS algorithm, I establish the strabismus echo

8、 signal model, analysis the image of moving distance, and give the method steps of the improved CS algorithm, then set the two imaging algorithms parameter and simulate them, and finally analysis of the imaging resolution from two aspects of Doppler center frequency error and frequency modulation er

9、ror, and give improved algorithm Dhoop Le parameter estimation and setting methods.关键词：SAR距离压缩距离移动回波信号多普勒参数Key words： SAR the distance of compression the distance the mobile correction echo signal modelDoppler parameter一、绪论1.1 引言合成孔径雷达(SAR)是利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据 处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达。SAR的特点是分辨率

10、高，能全天候工作， 能有效地识别伪装和穿透掩盖物。 SAR 主要用于航空测量、航空遥感、卫星海洋观测、航 天侦察、图像匹配制导等。它能发现隐蔽和伪装的目标，如识别伪装的导弹地下发射井、识 别云雾笼罩地区的地面目标等。成像算法是 SAR 系统的重要组成部分，决定了成像质量。 经典的成像算法有RD算法和CS算法，这两种算法都涉及到了对信号处理知识的综合运用。1.2 研究目的和意义合成孔径雷达可以大大提高雷达的信息获取能力，这种能力对现代侦察任务是至关重要 的，随着合成孔径雷达技术的不断发展，它日益广泛运用于军事目的，作为一种重要的军用 侦察设备，合成孔径雷达必然处于电子战的环境中。随着现代电子战不

11、断升级，电子干扰、反辐射导弹、隐形武器和超低空突防成为常规 单基地雷达的“四大威胁”。面对“四大威胁”，常规合成孔径雷达与常规的单基地雷达一样， 不仅正常工作受阻，而且其自身的生存也成为需要解决的问题。为了提高合成孔径雷达自身 的生存能力，必须研究新型体制的合成孔径雷达系统。合成孔径雷达系统由于发射机和接收 机分置在不同位置的平台上，因此具有有效的抗干扰能力和抗打击能力。此外SAR系统还具 有合成孔径雷达的高分辨率特性，它将是合成孔径雷达系统的发展方向之一。1.3 发展历史及学术动态雷达仿真在其早期阶段，限于处理器的计算能力，只能仿真计算一些简单的参数。随着 处理器的不断发展，开始出现比较复杂

12、的仿真系统。早在上世纪七十年代，Hotelman就研究 了雷达成像的仿真工作。涉及SAR技术的研究最早出现在二十世纪七十年代末，1977年，美 国Xonics公司的仿真研究表明，在双基地模式下可以实现动目标显示(MTI)和合成孔径成 像;1979年，Goodyear公司和Xonies公司与美国空军签订合同，正式实施战术双站雷达验证 (TBIRD)计划。随后，在八十年代，有很多学者研究TSAR图像的仿真书;1992年，Giorgio 对以往成果进行了总结，并给出了一种更新的SAR原始回波仿真算法，随后，Giorgio又给出 了关于自然表层，海洋上油层的SAR图像仿真。关于雷达的一些普通参数的仿真

13、和估计， Barto n写出过专著对其论述。二、SAR的应用2.1 引言合成孔径雷达(SAR)是近五十年代发展起来的一种新型成像雷达，是现代雷达领域的 一项重大成就，它是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术，以真实的小孔径天线获得距离向和 方位向高分辨遥感图像的雷达系统。合成孔径雷达的出现扩展了雷达的原始概念，使雷达的 基本功能发生了质的变化。合成孔径雷达具有对区域目标进行成像和识别的能力，它在微波 遥感应用方面给表现出越来越大的潜力，为人们提供越来越多的信息，扩展了人类观察自然 界和生存环境的能力。合成孔径雷达具有全天候、全天时、强投射性、远距离和高分辨的特 点，在军事和民用领域都有非常重要的实用

14、价值，对国防技术现代化、国民经济建设和科技 发展具有重大的意义。因此合成孔径雷达成像技术越来越受到国际上现金技术国家的重视 是竞争激烈、发展迅速的技术领域。2.2 合成孔径雷达在军事领域的应用2.2.1 战略应用全天候全球战略侦察，全天候海洋军事动态监视。2.2.2 战术应用全天候重点战区军事动态监视，大型飞机群、坦克、机场和停机坪的成 像监视，反坦克雷达的监测。2.2.3 特别应用强杂波背景下的目标识别，低空与超低空目标的探测与跟踪，精密测量 与测高，隐藏目标散射特性的静态和动态测量。2.3 合成孔径雷达在民用领域的应用2.3.1 在地形测绘和制图方面，合成孔径雷达可以进行大面积的地形测绘，

15、测定山脉、河流、 城市、乡村、道路、桥梁等地面目标的形成和位置，研究城市变迁、道路变迁、湖泊分布及 变迁、了解道路的运输状况等。2.3.2 在海洋应用方面，合成孔径雷达可以用来研究大面积海浪特性，研究冰山分布，测绘 海洋图，还可以用来研究海洋变迁、海洋污染情况、监视海藻生长等。2.3.3 在水资源应用方面，合成孔径雷达可以用来大面积测定土壤温度及其分布，确定大面 积降雨，研究湖泊冰覆盖、地面冰覆盖情况等，还可以用来研究水源大面积污染情况，测定 污染区，判定污染严重程度等。三、合成孔径雷达成像的原理3.1 成像特点合成孔径雷达（SAR）的工作方式是雷达装载于飞机或卫星上，对地面的静止目标进行成像

16、。一般雷达是沿着直线匀速运动，随着雷达的运动，其波束照射到侧方的一带型区域并 对该区域进行成像。由于装载雷达的飞机或卫星是按预定航线飞行，其航线的运动参数可以 通过导航系统比较精确地获得，因此可以利用这些参数对回波数据进行相干处理，从而获得 目标的图像。SAR的特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。SAR主要用于航空测量、航空遥感、卫星海洋观测、航天侦察、图像匹配制导等。它能发现隐蔽和伪 装的目标，如识别伪装的导弹地下发射井、识别云雾笼罩地区的地面目标等。3.2 成像原理SAR 和常规雷达一样，都是利用目标反射的电磁波对目标进行探测，之所以能产生高的分辨率，要归功于线性调

17、频信号，这种信号在压缩处理后可以产生很高的分辨力。距离向的线性调频信号是雷达发射脉冲前就产生的，这和常规雷达没有不同之处，而方位向的线性 调频信号则是SAR独有的。SAR在飞过目标时，飞机和目标之间的相对速度是变化的，所 以目标回波的多普勒频移也是变化的，如此就产生了一个近似线性调频的信号，利用这个信 号SAR就可以产生很高的方位向的分辨力。合成孔径雷达是一种二维高分辨雷达，其成像机理可由雷达分辨理论加以解释，其距离 向的高分辨率是通过雷达发射宽频带信号进行距离向匹配滤波器获得的，方位向的高分辨率 是通过对散射点与雷达的相对运动所产生的多普勒信号进行匹配处理获得的，在静止目标的 SAR 图像上

18、，动目标在方位上将偏离原来的位置，动目标图像散焦，分辨率下降，图像峰 度下降。如果要得到方位上聚焦的高分辨率动目标SAR图像，就必须对动目标重新聚焦成 像。3.3 成像流程图动目标成像流程圈图如图 3.3 所示Jk*V杂波抑制动目标 检测运动参数估计距离移动校正动目标 成像W1r14多普勒参 数估计k图 3.3 动目标成像流程图回波信号经过距离向压缩、转置后，需要进行杂波抑制以改善信噪敢SNR），然后对杂 波抑制后的数据进行动目标检测，检测到目标后就可以估计目标的运动参数，运动参数包括 目标的速度和位置。在动目标成像时不能用静止目标的多普勒参数，必须重新估计动目标多 普勒参数。多普勒参数与动目

19、标自身的运动参数密切相关，每一个动目标的运动参数不同 其多普勒参数也不同，二者互相依赖，所以运动参数估计和多普勒参数估计必须同时完成 在多数情况下，检测和参数估计也是同时完成的，比如在图像域检测时，要想可靠地检测目 标就要求尽可能使用与动目标匹配的匹配滤波器来完成压缩处理，以改善信噪比，但是匹配 滤波器的设计又需要知道多普勒参数，所以检测和参数估计应该同时进行。估计出目标的运 动参数以后，需要对杂波抑制后的动目标数据进行距离移动较正，距离移动校正可以在频域 内完成，或者通过降低距离向分辨率、减少相对积累时间来降低距离移动效应。距离移动校 正后，并且已经估计了动目标的多普勒中心频率和调制频率，就

20、可以对动目标进行聚焦成像。3.4 SAR成像理论模型雷达系统的复杂性与日剧增，单处理器软件仿真系统只能够对雷达系统的一些简单参数 和指标作有限的仿真。运动目标检测和成像是SAR要完成的基本功能和难点之一，如何高 效的检测出道动目标、确定目标运动速度及其位置并对这些动目标进行成像是SAR运动目 标检测和成像的主要任务。 SAR 的基本功能是获得地域图像，尽可能逼真的再现辐射地域 特征，其成像理论模型如图3.4所示& （x, t）, h（x, t） （x, t）图3.4二维两络SAR理论模型图模型中、（x，t）表示地域对微波的后向散射系数， （榔/是经过信号处理后的雷达图 像，hlx,t丿代表SA

21、R冲激响应，是一个二维网络系统。当hlx,t丿为脉冲函数（函数）时, 雷达成像就是地域散射系数的正确复现，因此要求SAR的系统响应尽可能的接近函数。四、SAR成像算4.1 引言1948年，美国数学家香农发表了“通信的数学理论”一文，创立了信息论。 1953年伍 德沃首先将概率论和信息论引进雷达领域，随即建立了匹配滤波器理论，在匹配滤波器理论 的基础上研究雷达目标成像问题，从而建立了完整的模糊函数理论。合成孔径雷达成像的基 础在于提高雷达的二维分辨率，其成像处理过程在本质上是二维匹配滤波器问题，二维匹配 滤波在一定调件下可以分解成两个一维过程（距离向和方位向）进行。信号的距离向压缩不 难实现，但

22、方位向多普勒信号的压缩不易实现，因此同一目标回波的包络位置随雷达的视角 变化，称为距离移动现象。距离移动问题是合成孔径雷达成像要解决的主要问题，因此可以 说“运动是雷达成像的依据，也是产生问题的根源”。下面介绍合成孔径雷达成像的算法。4.2距离多普勒算法（RD）距离一一多普勒算法（RD）是将距离压缩后的数据变换到距离一一多普勒域，相同距离 上的点目标回波重合在一起，由于距离移动量相同，可以同时进行距离移动校正从而完成成 像。距离多普勒（RD）算法是SAR数字成像中最基本的算法。该算法以匹配滤波或脉冲理 论为基础，将SAR的距离和方位二维成像处理近似为距离和方位可分离的两个一维处理，其 基本步骤

23、是先对每个回波脉冲进行距离向压缩，然后在RD域中，消除由于距离移动所引起的 距离和方位之间的耦合，最后完成方位向的聚焦处理。RD算法是SAR成像广泛使用的方法，它利用雷达目标的回波信号可近似看成在方位向和距离向独立的线性调频信号的原理，在距离向和方位向分别进行匹配滤波的方法最终得到 SAR的图像数据。由于目标在合成孔径过程中与雷达平台的相对位置不断变化，使得同一目 标不同照射时刻的回波映射到不同的距离门上，导致同一目标的轨迹落在接收数据矩阵的不 同行上。在做方位向压缩时要求把同一目标的位于不同距离门上的回波搬移到同一距离门 上,这一搬移过程一般是在方位向FFT之后进行的，此时同一距离门的目标将

24、在频域上重合, 可以大大减少搬移次数。在处理的过程中，由于数据矩阵是由离散的点来反映回波的信息, 而目标的轨迹不一定都正好落在矩阵的采样点上，这使得在搬移的过程中需要插值。在分辨 率较高的SAR中，此时将大大地增加算法的运算量。SAR信号处理主要包括距离向压缩处理, 距离移动校正，方位向压缩处理。4.2.1信号模型及分析使雷达收集信号的几何平面模型，如图421所示图421雷达收集信号的平面模型图其中为9斜视角，R0为点目标到飞行航线的垂直离，t为方位时间，R（t ,R ）为雷0mL , ,x达与目标的斜距，O点为合成孔径波束中心，它在x轴的位置（即在t0 =匸时刻），距点目标O的距离为R =

25、R sec(0 )，则有0 0R (t , R )=x: Rm 002 + v (t -1 )2 - 2 R v (t-1 )sin(9 )0 m 0公式四一（1）禾口 f =尢 和打尢R0频率，九二cf为中心频率对应的波长。不同方位上的距离移动为:C在t0时刻附近对上式作泰勒级数展开，省略三次以上的高次项，得（c） C 九f （t t ）九f （t t 匕公式四一（2）Rt , R 丿 U R oc m0 R m0 m 00242v sin（9 ）2v 2 cos2（9 ）其中f =和f =分别表示多普勒中心频率和调制oc-九 f (t t )九 f (t t 匕AR 二一oc m Rm0公

26、式四(3)24距离移动包括两部分：(3式)中的第一项为方位时间的线性项，称为距离走动，当合成 孔径雷达不是工作在正侧视的时候就会产生距离走动。第二项为方位时间的二次项称为距离 弯曲，主要由合成孔径上目标斜距差造成的。在正侧视情况下，多普勒中心频率凡为零。如 果斜视角较小，波束指向在正侧视附近，即凡很小，这时距离走动很小。如果斜视角较大， 波束指向偏离正侧视一定角度，即较大，这时距离走动较大。4.2.2 距离压缩设雷达发射信号的复包络为S(t)= a(t)exp(血k2), k是发射线性调频(LFM)信号的调频率,其接收的点目标回波的基频信号在距离时间一j 芋 R (t , R )九 m 0方位

27、时间域( t t 域)可写为m2R(t ,R )m0c丿其中c为目标后向散射系数，o(s)为方位向天线加权函数。经距离压缩后的信号形式为: j 4k R (t , R ).m 0九s(t,t ,R ) (s ) exp I jk兀 I tm0g (t, t , R )= B expm0sin c2R(t , Rt m0c 丿公式 四 (4)公式 四 ( 5)式中 B 距离向信号带宽。经距离压缩后的点目标信号在距离方向上的散布已被压缩，由于 式中sinc函数的存在，使得距离压缩后信号波形的轨迹不是沿着平行与图1的x轴方向，而 发生了曲线偏离，这就是距离偏移现象。这是由于在合成孔径时间内，目标与雷

28、达的距离变 换量通常大于一个距离分辨单元，从而使得同一目标的回波走出若干分辨单元，使得方位向 压缩成为二维处理，距离移动的存在增加了方位处理的复杂性。因此，在进行压缩处理之前 必须先作距离移动校正。4.2.3 距离移动校正距离向信号是典型的Chirp信号，相关算法是在频域利用F FT进行的。公式如下:S =F -iF s (s,t;r) -H (f )公式 四 (6)r 1 r r rr rff 21其中：H (f ) rect(-今)-exp(jn 宁)；f - r r K K r Trrr下标r表示公式为距离向(逆)傅里叶变换，Kr和分别是Chirp信号的调频斜率和脉冲 持续时间，H (f

29、 )表示距离压缩参考函数。距离迁移是SAR信号处理中必然出现的现象， 它的大小随系统参数不同而变化，并不总需要补偿。点目标仿真时，暂时先不考虑。正侧视 点目标情况下，回波经距离压缩后在方位上也是一Chirp信号，因此其压缩处理同距离压缩 处理类似，只是压缩因子不同。公式如下：S =F - 1FS (s,t;r) -H (f )2v 2XR0公式 四 (7)r 2 a a r 1a a九R f 2其中:H (f ) = exP(j兀=l);K =a a K aa下标a表示公式为方位上(逆)傅里叶变换，H (f )表示方位压缩参考函数。aa在合成孔径时间内都会发生距离移动现象，下面分析动目标的距离

30、移动效应，在分析中 不考虑地球自转。距离移动问题可以从时域分析，假设目标以恒定的速度运行，即a 0,a 0 ,目标运动轨迹可以表示为：(、R2(t)沁 R 2 一 2 Cx (v - v )一 y v )t + (v - v )2 + v 2)t2公式四000 x 0 y0 x y其中R(t)、R、x、v、y、v、v、t分别表示总位移，初始状态位移，初始0000 x y状态水平、竖直位移，水平竖直速度和目标运动时间。合成孔径时间内的最大距离移动量为：iAR/一2x (v 一 v )+ 2y v T +(v v)2 + v 2 T 2 f公式 四2 R L00 x0 ys L 0 xy s0假设

31、t 0时刻，目标位于方位上波束中心，即x 0，对于速度慢的目标而言，大距0v 2T 2 2 y v T离移动量可以近似为：AR+ 0 1，其中第一项是由于载机运动引起的距离运2 R2 R00动量，无论是静止目标还是运动目标都存在；第二项是由于目标距离向运动引起的距离移动量。假设距离分辨率为P，则距离运动单元数为n AR p，将上式带入可得rrr公式 四 (10)v 2T 22 y v Tn _*+0 y sr2 R P2 R P0 r0 r经过上述分析可见，距离移动与距离向分辨率有关，距离向分辨率越高，移动单元数越 夫。距离移动还与合成孔径时间有关，合成孔径时间长，距离移动大，合成孔径时间短，

32、则 距离移动小。距离移动还与目标运动有关，距离向速度较大的目标会引起严重的距离单元移 位现象，目标速度不同，距离移动曲线也不同。为了降低距离移动量，可以通过降低距离分 辨率或者减少积累时间来实现。通过平滑高分辨率距离向数据或者部分数据脉冲压缩的方 法，可以降低距离向分辨率，进而减少或消除距离移动。这样做还有一个好处是降低了数据 率，降低了对转置存储器的容量要求，并且使方位向压缩时的运算量大大的减少。减少积累 时间同样可以减少距离移动，但同时也降低了方位分辨率。当距离移动量满足ARp /2距r离移动可以忽略不计。4.2.4 方位向压缩完成距离移动校正标志着方位信号轨迹由曲线变换成直线，因此，方位

33、压缩处理将是一维处理过程。又因为距离走动补偿中已补偿为零了，所以使用的方位参考函数为:公式四一(11)h (t )= exp (一 j兀 ft 2)mRm和距离压缩一样，方位向压缩也在多普勒域进行。这样，经过图4.2.1雷达收集信号的平面模型图距离压缩，距离移动校正和方位压缩处理之后，就可以输出SAR图像了。算法的具体实现步骤的流程图如下所示 雷达回拨信号雷达回拨信号距离FFT距离IFFT距离压缩a数距禽FFT距禽移动校正距离压缩固数距禽穆动校正距离IFFT方位FFT方位FFT距离奁曲校正方位IFFT距扈育曲较正方位IFFT1输出團像RD算袪瀝图输出图像改进RD算袪般图图4.2.4 RD算法和

34、RD改进算法流程图4.3 CS算法4.3.1算法特点简介20世纪90年代初，Raney等人提出了不用插值的CS算法，它利用CS操作消除距离移动的 空间变化特性，然后利用平移对所有散射点剩余的距离移动进行统一校正。CS算法的缺点 是CS操作系统引起回拨信号包络发生变化，影响对散射点的聚焦，在大斜视角时会使算法 失效，改进的非线性CS (NCS)算法使得SAR处理大视角数据的能力大大提高。CS算法本 质是一种变换坐标算法，1998年德国的Mittermayer等人结合CS算法，提出频率变化(Frequency Scaling)算法，1995年Lanari等人提出对任意信号形式成立的傅里叶变换法(I

35、SCFT),对SAR成像算法的研究仍在持续的进行着。针对大斜视SAR回波信号的特点，将传统的CS算法进行改进，将距离移动的校正在 时域和频域中分别进行，首先在时域校正距离走动，然后在频域校正距离弯曲。经过时域去 走动处理后，距离向和方位向的耦合大大降低，不仅可适应大斜视角的成像要求，而且测绘 带宽度也会增大。由于时域去走动处理会引起方位向存在聚焦深度，分析和仿真了影响聚焦 深度的因素。仿真结果表明，该算法具有较高的精度，可满足大斜视角和较大测绘带宽度成 像要求。4.3.2 SAR斜视回波模型4.321斜视SAR回波几何模型SAR回波模型是算法仿真的基础，在回波模型基础上可通过计算机仿真构建成像

36、场景的 模型。回波数据的仿真可分为正向法和逆向法，正向法是逐个发射脉冲计算SAR回波，其 优点是可以保证仿真逼真度，缺点是计算效率低。斜视SAR回波模型有别于正侧视时的情图4.321斜视SAR回波几何模型图载机的速度为v，斜视角大小为0，点目标P和SAR的最近距离设为R，视线距离为R , tc0c设载机位于A点的时刻为时间起点，此时波束射线通过P点而与航线的平行线交于B点,点，设点目标P与B之间的横向距离为X，在n将此点作为该平行线上的时间起点。 经过时间后，载机飞行至从?加丿APA B中由余弦定理，可得雷达与目标的瞬时斜距为：R(t ,R )= (v t X )2 + R 2 2R (v t

37、- X )sin(0 )公式四一(12)m c t mncc t mnc4.3.2.2距离移动分析在上式中，令X二vt，将X在X处按照泰勒级数展开并保留至第三阶，可得t mnR(X,R )= R -sin ) (X - X ) + C0S2 (9 )/2R (X - X )2c c J cnc cn 公式四一(13)+ sin(9 )cos 2 (9 )2R 2 (X - X )8cc cn2式中的线性项为距离走动，R(X)= R -sin(9 ) (X -X )公式四一(14)ccn高次项为距离弯曲，R(X)= R(X,R )-R(X)公式四一(15)oo同时定义距离走动总量为R，距离弯曲总

38、量为R ，则有woutR =r(X )-min(R(X )1 R =XR (X )公式四一(16)wii outo i为了分析距离走动和距离弯曲随斜视角变化关系，选择天线长度为2 m,载机速度为250 m/s,视线距离为41.67 km,带宽为60 MHz,波长为0.03m雷达系统参数进行仿真分析。当 将距离走动校正后，只剩下的距离弯曲，侧视的成像处理算法就可以满足成像要求，因此改 进常规的CS算法，并结合时域的去走动即可满足大斜视成像要求。4.3.2.3改进的CS算法改进后的CS算法步骤如下：(1) 进行去走动处理，将回波信号的线性走动去除。(2) 将处理后的回波信号进行方位向FFT变换，变

39、换到距离多普勒域中，采用驻定相位原理。 CS 算法校正距离移动是通过选定参考距离，然后将场景中的其余目标的距离移动补偿成和 参考距离处的相同，之后再做统一处理从而完成整个场景的RCMC,另外在距离多普勒域中还 需要选择一个参考频率，通常选择多普勒中心频率。五、算法的Matlab仿真5.1 RD算法5.1.1 仿真参数采用美制GERA24951机载SAR系统真实参数作为仿真实验的基本参数，其主要参数 如下：波长3.125em，线性调频脉冲带宽80MHz，脉冲带宽lus,载波频率fc=9.6GHz,与测 绘带的垂直斜距凡=13700m,载机飞行速度200m/s, 30斜视角。5.1.2 仿真结果经

40、Matlab仿真后的图形分别如图5.1.2.1、图5.122、图5.123、图5.1.2.4所示：-100-50050100150200成像目标的方位角50o o O5 5-ESI图5.1.2.1雷达获取的原始信号图2012-7-50050100成像目标的方位角图5.1.2.2处理后的多普勒频域谱图OOJ-50J2012-7o o Au5 5o-100-50050成像目标的方位角10050O图5.123经MRC处理后的RD域频谱100150-200-150-100-50050100150200成像目标的万位角 图5.1.2.4点目标成像图5.1.3仿真结果说明图一时没有经过处理，由雷达直接获取

41、的图像，从图中可以看出这种没有经过提取的图 像中，含有很多频率复杂的成分，有些重要的信号或许淹没在杂波信号中，并且成像的方位 角和成像范围分布不集中。为了更好地获得需要的信息，必须对这种图像进行加工处理，图二是运用多普勒算法提取的图像信息，得到了两条相对重要的信号频谱，其成像方位角和成 像范围都集中在一定的范围内，但仍含有一些杂波信号。图三是经过RMC技术处理得到的RD 域的频谱，在图二的基础上滤除了杂波信号。图四从滤除杂波的信号进行点目标成像，从图 中可以清晰地看到选取的三个点目标的图像，其成像方位角和成像范围进一步集中，并且点 目标图像的分辨率很高。5.2 CS算法如何利用分布式雷达系统的

42、回波数据，得到高分辨率的图像，是当前雷达成像技术的一 个重要研究方向。对分布式系统的多组回波数据进行频域/多普勒域叠加合成及成像处理， 可以得到高分辨率的成像结果。目前，分布式雷达系统应用最广泛仍是RD成像处理算法。 然而，由于分布式系统在观测中多涉及到大斜视角成像的问题，而RD算法受斜视及距离弯 曲影响较大，同时插值提高了运算量，往往不能满足成像精度需求。鉴于此，本文尝试在分 布式雷达成像中引入避免插值运算、精度更高的CS算法，探讨CS算法应用于分布式雷达 系统的优势、处理特点及成像效果。5.2.1仿真参数为了验证算法的有效性，通过模拟场景回波信号，来对改进后的算法进行仿真，系统仿 真参数如

43、表1所示。同时为了演示几何校正的效果，选取测绘带宽度为250 m,方位向宽度 为250 m的场景，假设场景中包含9个点目标，这些点呈等间隔分布，以场景中心为原点， 在距离向和方位向均相隔100m。表521.1 SAR系统仿真参数表SAR系统仿真参数飞行速度250 m/s发射信号带宽60 MHz天线长度4 m成像中心斜距41.67 km载波波长0.03 m距离向采样率1.6脉冲宽度2 us方位向采样率1.4斜视角60横向聚焦深度307.9 m表5.2.1.2 点目标成像指标点成像性能指标方位向距离向扩宽比PSLRISLR扩宽比PSLRISLR近距点1.037-12.92-9.8391.033-1

44、2.34-10.09参考点1.023-12.98-9.9141.015-13.88-11.75远距点1o 037-12.91-9.8491.033-12.33-10.09表5.2.1.2给出了当斜视角为60时改进后的CS算法在近距点、参考距离处和远距点处 的成像性能参数,这里的扩展比是按照-3 dB的宽度来计算实际值和理论值的比例oISLR理 论值在-10 dB左右，PSLR为-13 dB,本文在成像过程中并没有进行加窗处理，由表521.2 可知，成像结果表明算法满足大斜角情况下的SAR成像要求。5.2.2 仿真结果经Matlab仿真后的图形分别如图5.2.2.1、图5.222、图5.223、

45、图5.224所示：-150r.:=-:-:.;=:.J_:rw:-r!- 土 !-J ar I -ltl IJ1 詁:;_建.;=w:-ln;=:=嵯 霽号舊罠套IIW_-150-100-a-.-*-.!:=理iii謬.!i_:=钟.1 一=_: |!3:=三*_50100150200成像目标方位角图5.2.2.1雷达获取的原始信号图 !rn *!rr K-I*:?/:;Ar:r + -Hi I L BLr ta a. rrLL F r r .A*-r! . afa-ld-la r r -|-旦-.二| BlifauL r - LBtlo.1 !* -150-100-5Qo o o o o o

46、5 0 5 5 o 5 Ju Ju - Ju Ju_|IIIL-100-50050100150200成像目标方位角图5.2.2.2经距离向匹配滤波器处理后的频谱图20104-7-100-00501001S0200成像目标方位角图5.223消除相位影响后的频谱图2012-4-7-1S0-100-SO010050150200150-200-150-100-50050100成像目标方位角图5.224消除相位后的点目标成像图5.2.3仿真性能分析图五时没有经过处理，由雷达直接获取的图像，从图中可以看出这种没有经过提取的图 像中，含有很多频率复杂的成分，有些重要的信号或许淹没在杂波信号中，并且成像的方位

47、 角和成像范围分布不集中。为了更好地获得需要的信息，必须对这种图像进行加工处理，图 六是运用距离向匹配滤波法提取的图像信息，得到了相对重要的信号频谱，其成像范围集中 在一定的范围内，但仍含有一些杂波信号。图七是消除相位误差后得到的频谱，可以看到目 标成像范围主要集中在0到50之间。图八从消除相位误差的信号进行点目标成像，从图中可 以清晰地看到选取的三个点目标的图像，其成像方位角显著集中，并且点目标图像的分辨率 很高且成像亮度高。由上述分析可知，将时域去走动和CS算法相结合，可以有效地减小距离向和方位向的 耦合，满足较大斜视角时的成像要求，而且成像的测绘带宽度也大大增加。六、成像算法对分辨率的影

48、响改进的RD算法和CS算法中，如果多普勒参数不准确，贝9影响相位补偿因子的精度，降 低成像质量和分辨率。下面首先分析多普勒参数误差对成像质量和分辨率的影响，然后给出 改进算法中多普勒参数的估计与设定方法。6.1多普勒中心频率误差多普勒中心频率的误差引起图像信噪比下降，模糊度变差，以及图像位置偏移多普勒中心频率误差引起的图像信噪比、模糊度变差的定量分析与天线方向性图、脉冲重复频率有关.多普勒中心频率误差造成图像距离向位置偏移为公式六 (1)公式六(2) 1 )l Af +Af 22 I f r 2 f丿oc oc方位向位置偏移为AX = v(Aff )t r oc其中v为波束指向在地面的移动速度

49、。t6.2多普勒调频误差多普勒调频率影响图像的聚焦，多普勒调频率的误差，在成像处理中表现为二次相位误差。多普勒调频率误差 f 在合成孔径时间引起的最大二次相位误差耳为0G /2)2公式六一(3)coc mt为孔径时间二次相位误差会使主瓣展宽，即分辨率降低，同时也会抬高旁瓣用带有 m误的多普勒调频率进行成像处理会使图像发生散焦，从上式中可以看出如果孔径时间不同,相同的多普勒调频率误差带来的二次相位误差也不同，因此对分辨率的影响也不同。6.3改进型算法的多普勒参数估计与设定从星历参数计算得到的多普勒参数不能满足精确成像的要求，可以利用回波数据本身, 结合成像算法进行精确的多普勒参数估计.RD算法中

50、用杂波锁定估计多普勒中心频率，自聚 焦估计多普勒调频率的基本思想，也可以用于改进的Chirp Scaling算法.基本步骤如下：(1) 利用星历数据估计多普勒中心频率和多普勒调频率的初值f和f。roc计算v和0，完成改进Chirp Scaling算法步骤，得到图像的多普勒频谱。tc(3) 用多普勒频谱能量均衡的方法通过迭代估计多普勒中心频率f。oc(4) 用子孔径成像方法估计多普勒调频率f。r将f和f丹地计算v和0，重复步骤(2)(5)直到精度满足要求为止。roc 丄tc七、总结本文简要介绍解SAR的应用，阐述了 SAR成像原理和成像算法，以点目标为例，在Matlab 平台上仿真成像算法，分析

51、成像算法对分辨率的影响。在运用RD算法和CS算法时，分析了斜视情况SAR空间几何模型和回波信号模型，分析 TSAR斜视情况下成像处理，提出了一种改进的RD方法，通过计算机仿真验证了提出算法 的正确性，并给出了点目标仿真结果和主要参数。该方法避免了距离走动的插值校正，在距 离频域使得被补偿为零，从而降低了计算复杂度，提高了运算速度。但成像处理时使用的是 二阶逼近距离模型，未考虑距离方程的三次以上项，且距离弯曲校正使用的是插值运算，因 此，算法只能对小斜视SAR进行较好精度的成像，对于大斜视SAR模式，不可避免的存在成 像精度差的缺陷。致谢本论文是在黄瑶老师的悉心指导下完成的。老师渊博的专业知识，

52、严谨的治学态度，精 益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平 易近人的人格魅力对我影响深远。不仅是我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法， 还使我明白了许多待人接物与人处事的道路。本论文从选题到完成，每一步都是在黄瑶老师 的指导下完成了，倾注了老师大量的心血。黄瑶老师在我作论文的整个过程中给予充分而细致的指导，首先给予了开题报告和论文 正文部分的模板和相关注意事项，然后不厌其烦的帮忙审核修改开题报告中的问题，细致到 错别字的指正。在完成论文正文部分时，给我们做好时间安排，让我有条不紊的完成论文整 个过程，在此表示衷心的感谢。参考文献1 S. A.霍

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60、%光速%载频%波长%测绘带区域X0=200;Rtc=3000;Rrc=3000;Rc=(Rtc+Rrc)/2;R0=150;%距离向(成像范围),r/t domainTr=1.5e-6;Br=150e6;Kr=Br/Tr;Nr=512;r=Rc+linspace(-R0,R0,Nr);t=2*r/c;dt=R0*4/c/Nr;f=linspace(-1/2/dt,1/2/dt,Nr);%方位向-X0,X0% 距离向Rc-R0,Rc+R0%LFM 信号脉宽 1.5us (200m)%LFM信号带宽150MHz%调频斜率%t 域序列 %采样周期 %f 域序列%u 域序列%fu 域序列%Doppler 调频中心频率%Doppler 调频斜率%目标个数%距离向方位向坐标,sigma%方位向(成像