[優(yōu)秀畢業(yè)論文]分布式合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘　　要 由于功能和性能上的要求不斷提高，傳統(tǒng)的合成孔徑雷達(dá)的復(fù)雜度、設(shè)計(jì)難度和制作運(yùn)行成本也在不斷增加，根據(jù)目前的技術(shù)水平，其功能和性能擴(kuò)展已經(jīng)達(dá)到一個(gè)瓶頸，無(wú)法滿足現(xiàn)代雷達(dá)探測(cè)日益增加的需求。分布式合成孔徑雷達(dá)具有有效的抑制相干斑噪聲、寬測(cè)繪帶成像、改進(jìn)切航跡干涉SAR的測(cè)高精度和沿航跡干涉SAR的測(cè)速精度、可以同時(shí)執(zhí)行多種工作模式的任務(wù)、所成圖像質(zhì)量更高、系統(tǒng)功能提升簡(jiǎn)便、生存能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。因此，本文將開展對(duì)分布式合成孔徑雷達(dá)成像原理的分析和研究工作，這對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)多功能化、高性能化的研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文首先介紹了分布式合成孔徑雷達(dá)的產(chǎn)

2、生背景、研究意義和發(fā)展現(xiàn)狀。然后闡述了傳統(tǒng)SAR成像和分布式SAR成像的原理，在此基礎(chǔ)上，分別編寫了仿真程序并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。之后介紹了分布式SAR測(cè)高功能的基本原理，并編寫仿真程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最后本文分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知分布式合成孔徑雷達(dá)在性能和功能上有很大優(yōu)勢(shì)，能夠良好的滿足各種探測(cè)需求。 關(guān)鍵詞 分布式合成孔徑雷達(dá)；高分辨率成像；測(cè)高 Abstract For the increase of demand for functionality and performance, the complexity, the difficulty to design and ope

3、rating costs of traditional synthetic aperture radar is also increasing. According to the current technological level, its functionality and performance expansibility have reached a bottleneck, unable to meet the growing demand. Distributed Synthetic Aperture Radar (Distributed SAR), which effective

4、ly inhibit the speckle noise, has wide-swath imaging, improves the height resolution of Cross Track Interferometric SAR and the velocity resolution of Along Track Interferometric SAR, performs varied task models at the same time, has high-resolution imaging, expands easily and costs low. Therefore,

5、this article will be carried out on the analytical and research work of distributed synthetic aperture radar imaging principle, which has important practical significance in multi-function and high-performance research of radar system. This article introduced the background, research significance

6、and development of Distributed synthetic aperture radar. And then elaborated on the imaging principles traditional SAR and distributed SAR. On the basis of that, prepare simulation programs and do some simulations. Next step，introduced height measurement principle of distributed SAR, prepare simula

7、tion programs and do some simulations similarly. Finally, we analyze these experimental results. From experimental data, we can find that the distributed synthetic aperture radar has great advantages in the performance and functionality; it can meet a variety of detection needs commendably. Ke

8、y Word Distributed SAR High-resolution imaging Height measurement 目　　錄 摘　　要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題的來(lái)源、目的和意義 1 1.2 分布式SAR技術(shù)概述 2 1.3 研究現(xiàn)狀 2 1.3.1 TechSAT-21計(jì)劃 3 1.3.2 Cartwheel計(jì)劃 3 1.3.3 Pendulum計(jì)劃 4 1.3.4 Cosmo-Skymed計(jì)劃 5 1.3.5 TerraSAR-X與TanDEM雙星編隊(duì)計(jì)劃 5 1.3.6 SAR-Lupe五星編隊(duì)組網(wǎng)計(jì)劃

9、5 1.3.7 國(guó)內(nèi)xxx計(jì)劃 5 1.4 本文的研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu) 6 第2章 機(jī)載SAR成像 7 2.1 SAR成像原理 7 2.1.1 SAR回波信號(hào)模型 7 2.1.2 SAR成像算法 8 2.2 SAR成像仿真實(shí)驗(yàn) 10 2.2.1 仿真設(shè)置與參數(shù) 10 2.2.2 仿真結(jié)果 12 2.3 本章小結(jié) 20 第3章 收發(fā)分置SAR成像 21 3.1 收發(fā)分置SAR成像原理 21 3.2 收發(fā)分置SAR成像仿真實(shí)驗(yàn) 21 3.2.1 仿真設(shè)置與參數(shù) 21 3.2.2 仿真結(jié)果 22 3.3 本章小結(jié) 24 第4章 分布式SAR成像 25 4.1 分布式SA

10、R成像原理 25 4.2 圖像匹配原理 25 4.2.1 統(tǒng)計(jì)相關(guān)法 26 4.2.2 分級(jí)配準(zhǔn)法 27 4.3 分布式SAR成像仿真實(shí)驗(yàn) 28 4.3.1 仿真設(shè)置與參數(shù) 28 4.3.2 仿真結(jié)果 29 4.4 本章小結(jié) 36 第5章 分布式SAR測(cè)高 37 5.1 InSAR測(cè)高原理 37 5.2 InSAR測(cè)高數(shù)據(jù)處理流程 39 5.3 相位解纏原理 41 5.4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 43 5.5 本章小結(jié) 45 結(jié)論 46 致謝 47 參考文獻(xiàn) 48 附錄1 50 附錄2 57 65 第1章 　緒論 1.1 　課題的來(lái)源、目的和意義 現(xiàn)今

11、對(duì)SAR功能和性能要求的不斷提高，使得SAR衛(wèi)星的復(fù)雜度、設(shè)計(jì)難度和制作運(yùn)行成本也在不斷增加，其中對(duì)天線的要求尤為突出。無(wú)論是高分辨率的需求還是地面動(dòng)目標(biāo)顯示、高程測(cè)量的需求，天線口徑都是要求越大越好。盡管目前對(duì)天線的研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，但是按照現(xiàn)有的技術(shù)水平，想要使天線口徑達(dá)到幾百平方米仍然是難以做到的。在這樣的背景下，如何使雷達(dá)性能挺高的同時(shí)盡量降低成本，我們不得不考慮在其他方向?qū)で笸黄?。按照傳統(tǒng)思路，隨著探測(cè)能力的提高，要求有效載荷系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，體積重量和功耗越來(lái)越大，從而導(dǎo)致制造、運(yùn)行成本和各種風(fēng)險(xiǎn)急劇增加，這樣做很明顯不符合我們的目的。于是就需要換一種新的思路：將一個(gè)復(fù)雜而龐大

12、的系統(tǒng)通過(guò)一定的空間分解，分散成多個(gè)相對(duì)小而簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)，然后將這些子系統(tǒng)按一定的規(guī)律組合出一個(gè)“虛擬”的龐大復(fù)雜、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)[1]。這就是空間分布式雷達(dá)系統(tǒng)的基本概念。 與傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)相比，分布式合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)具有一系列十分顯著的優(yōu)異性能：（1）可以在不損失空間分辨率和保證信噪比條件下提高SAR圖像的等效視數(shù)，有效的抑制相干斑噪聲；（2）可以在不損失空間分辨率的條件下實(shí)現(xiàn)寬測(cè)繪帶成像；（3）可實(shí)現(xiàn)單次飛越同一觀測(cè)區(qū)的干涉SAR模式，極大的改進(jìn)了切航跡干涉SAR的測(cè)高精度和沿航跡干涉SAR的測(cè)速精度，這對(duì)傳統(tǒng)SAR來(lái)講是很難實(shí)現(xiàn)的；（4）可以同時(shí)執(zhí)行多種工作模式的任務(wù)，這也是普通合

13、成孔徑雷達(dá)難以實(shí)現(xiàn)的；（5）利用回波信號(hào)的空間和和時(shí)間特性，通過(guò)側(cè)視陣列處理可實(shí)現(xiàn)地面靜止目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像，獲得比傳統(tǒng)SAR所成圖像質(zhì)量更高的圖像；（6）通過(guò)切換或增加群聚組合中的新單元，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能提升和生存能力的提高，使系統(tǒng)具有自適應(yīng)的特點(diǎn)；（7）通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)，可降低生產(chǎn)和運(yùn)行等方面的成本并有效提高運(yùn)行壽命。毫無(wú)疑問，隨著研究工作的深入展開，分布式SAR系統(tǒng)必將展現(xiàn)出更多更優(yōu)異的性能[2]。因此，對(duì)分布式SAR進(jìn)行研究對(duì)國(guó)防科技現(xiàn)代化和國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化建設(shè)有著極其重要的意義。 1.2 　分布式SAR技術(shù)概述 分布式SAR組合布局如圖1-1所示。假設(shè)由4個(gè)雷達(dá)平臺(tái)(S1，S2，S3，

14、S4)形成一個(gè)分布式群聚組合，它們的整體功能和飛行特性可以用一顆虛擬雷達(dá)Sv來(lái)表征。整個(gè)雷達(dá)群聚組合按照等分角度分布在一個(gè)以虛擬雷達(dá)Sv為圓心，直徑為d的圓周上，此圓周與虛擬雷達(dá)Sv處在同一個(gè)群聚平面內(nèi)。 群聚平面與虛擬雷達(dá)地心矢量(由地心指向虛擬衛(wèi)星的矢量)的垂直面保持一個(gè)固定的夾角α(稱為群聚平面仰角)。它們的SAR波束照射地面的覆蓋區(qū)和投射角度基本相同，使它們具有基本相同的測(cè)繪帶。 圖1-1 分布式SAR組合及布局圖 分布式雷達(dá)系統(tǒng)由一組群聚雷達(dá)平臺(tái)協(xié)同工作，其中每個(gè)平臺(tái)帶有獨(dú)立的相關(guān)接收機(jī)，每顆平臺(tái)可具有相同或稍有差別的系統(tǒng)參數(shù)；雷達(dá)平臺(tái)群以天線陣列的形式飛行。來(lái)源于每個(gè)雷達(dá)

15、平臺(tái)的數(shù)據(jù)和雷達(dá)平臺(tái)群群的空間取樣數(shù)據(jù)將被聯(lián)合起來(lái)以形成一個(gè)單獨(dú)、虛擬的雷達(dá)，完成單一孔徑雷達(dá)的功能。該系統(tǒng)的有效孔徑由數(shù)個(gè)衛(wèi)星孔徑的總和確定[4][5][6]。 1.3 　研究現(xiàn)狀 分布式雷達(dá)系統(tǒng)概念一經(jīng)提出便得到了各主要國(guó)家的積極響應(yīng)，并紛紛提出了自己的研究計(jì)劃。下面簡(jiǎn)單介紹在星載分布式雷達(dá)系統(tǒng)研究方面國(guó)際上幾項(xiàng)重要的工作。 1.3.1 　TechSAT-21計(jì)劃 這是國(guó)際上第一個(gè)提出的空間分布式雷達(dá)計(jì)劃。美國(guó)空軍在20世紀(jì)90年代末，根據(jù)美國(guó)航天新技術(shù)發(fā)展的需要和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)美國(guó)空軍的要求而提出的一項(xiàng)研究計(jì)劃。該計(jì)劃的目的一方面是促進(jìn)衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化、衛(wèi)星自主控制、星間通信、衛(wèi)星

16、姿態(tài)測(cè)量及控制技術(shù)、微推進(jìn)技術(shù)等航天新技術(shù)的發(fā)展，另一方面也促進(jìn)新型的雷達(dá)系統(tǒng)理論與實(shí)現(xiàn)方法的發(fā)展和進(jìn)步，最終滿足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)美國(guó)空軍的需要。但是由于該計(jì)劃所提出的技術(shù)極大地超前于現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，雖然經(jīng)過(guò)4年多的研究，已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，但美國(guó)國(guó)會(huì)還是在2004年暫時(shí)終止這一研究計(jì)劃。其組合布局如圖1-2所示。這種構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)在于各小衛(wèi)星的離地高度和作用距離基本相等，投射角和波束照射區(qū)域基本相同，這使得各小衛(wèi)星具有基本相同的正側(cè)視測(cè)繪帶，成像處理容易;缺點(diǎn)是各個(gè)衛(wèi)星既要發(fā)射又要接收信號(hào)，因此使整體的運(yùn)行成本較高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)的難度也較大[1][3]。 圖1-2 TechSAT-21計(jì)劃布局圖

17、1.3.2 　Cartwheel計(jì)劃 由法國(guó)CNES和德國(guó)的DLR共同提出的研究計(jì)劃。該計(jì)劃以對(duì)地球表面進(jìn)行三維干涉測(cè)量為主要目的，兼顧對(duì)海洋洋流的觀測(cè)。其實(shí)現(xiàn)方式是由三顆只有接收機(jī)的小衛(wèi)星形成一個(gè)車輪型的編隊(duì)并共同與Envisat形成前后順軌的編隊(duì)。運(yùn)用雙站雷達(dá)成像技術(shù)在三顆小衛(wèi)星的接收數(shù)據(jù)分別成像并選擇其中兩顆衛(wèi)星的圖像進(jìn)行干涉，并從干涉相位信息中恢復(fù)出三維地形信息。由于三顆小衛(wèi)星編隊(duì)所形成的干涉基線很容易滿足最佳干涉基線的需求，因此可以以較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)全球三維地形測(cè)量，獲得全球的數(shù)字高程模型。其組合布局如圖1-3所示。由主星發(fā)射信號(hào)，各伴隨小衛(wèi)星僅接收地面回波。這個(gè)計(jì)劃的優(yōu)點(diǎn)在于成本

18、較低，因?yàn)橹恍璋l(fā)射裝載接收設(shè)備的小衛(wèi)星[1][3]。 圖1-3 Cartwheel計(jì)劃布局圖 1.3.3 　Pendulum計(jì)劃 干涉鐘擺(Interferometric Pendulum)構(gòu)型是德國(guó)宇航局在干涉車輪概念的基礎(chǔ)上提出的一種構(gòu)型，主要解決了干涉車輪編隊(duì)形式的不足。各小衛(wèi)星軌道傾角和升交點(diǎn)赤經(jīng)略有不同，因而不共軌道面。鐘擺式編隊(duì)構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn)是能夠形成穩(wěn)定的沿航跡基線，有利于實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)功能，并且切航跡基線與沿航跡基線獨(dú)立，可以靈活調(diào)整切航跡基線長(zhǎng)度滿足不同的需要。缺點(diǎn)是編隊(duì)穩(wěn)定性不如干涉車輪，需要消耗能量來(lái)保持編隊(duì)隊(duì)形，因此對(duì)軌道控制要求很高。其組合布局如圖1-4所示[

19、1][3]。 圖1-4 Pendulum計(jì)劃布局圖 1.3.4 　Cosmo-Skymed計(jì)劃 Cosmo-Skymed是意大利研究部與國(guó)防部共同投資的一項(xiàng)空間計(jì)劃。該計(jì)劃發(fā)射4顆X波段的SAR衛(wèi)星形成編隊(duì)，完成對(duì)地高分辨率成像的任務(wù)并且可以靈活的改變編隊(duì)構(gòu)型以滿足改變觀測(cè)分辨率和觀測(cè)區(qū)域大小的需求。該編隊(duì)系統(tǒng)可同時(shí)滿足民用和軍用的對(duì)地觀測(cè)需要[1]。 1.3.5 　TerraSAR-X與TanDEM雙星編隊(duì)計(jì)劃 德國(guó)航天局DLR計(jì)劃在2006年發(fā)射TerraSAR-X的基礎(chǔ)上，再建造一顆與TerraSAR-X完全相同的衛(wèi)星，命名為“TanDEM”，使TerraSAR-X與Tan

20、DEM形成雙星編隊(duì)，完成高精度全球三維地形測(cè)量，高程精度將達(dá)到2m，地面分辨率也將達(dá)到1m。該系統(tǒng)的建成將為德國(guó)軍隊(duì)提供世界上最精確的全球DEM數(shù)據(jù)[1]。 1.3.6 　SAR-Lupe五星編隊(duì)組網(wǎng)計(jì)劃 SAR-Lupe系統(tǒng)將由5顆700kg的小衛(wèi)星，分布在500km軌道高度的三個(gè)軌道面上，以滿足對(duì)地面目標(biāo)的快速重返為主要目的。其中第1和第3軌道面上的兩顆衛(wèi)星還能形成順軌干涉，形成GMTI能力。SAR-Lupe以滿足德國(guó)軍方對(duì)敏感地區(qū)進(jìn)行偵察和快速監(jiān)視的軍事需求為主要目的。SAR-Lupe的研究者還提出了另一個(gè)應(yīng)用，即對(duì)國(guó)際空間站進(jìn)行高分辨率成像。SAR-Lupe計(jì)劃在2006-2007

21、年間的連續(xù)6個(gè)月內(nèi)發(fā)射[1]。 1.3.7 　國(guó)內(nèi)xxx計(jì)劃 早在“九五”期間，我國(guó)在分布式小衛(wèi)星編隊(duì)，以及分布式干涉SAR的有關(guān)理論方面做了很多研究工作。北航、國(guó)防科大、哈工大、清華、北京控制工程研究所和中國(guó)空間技術(shù)研究院等對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)的軌道構(gòu)型、軌道動(dòng)力學(xué)特性和攝動(dòng)影響及軌道保持的控制方面進(jìn)行了研究。這些大學(xué)和科研院所對(duì)分布式衛(wèi)星的幾種不同應(yīng)用提出了初步的設(shè)計(jì)方案，如:對(duì)分布式小衛(wèi)星SAR成像、分布式電子偵察、分布式光學(xué)觀測(cè)和分布式尖端導(dǎo)航等應(yīng)用提出了布星方案和設(shè)計(jì)要求與指標(biāo)。2004年4月，我國(guó)發(fā)射成功了試驗(yàn)小衛(wèi)星和微衛(wèi)星平臺(tái)，為我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展分布式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。西安電子

22、科技大學(xué)雷達(dá)與信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2001年開始對(duì)分布式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)進(jìn)行研究，在寬域和高分辨率SAR成像、GMTI、多基線InSAR三維地形重構(gòu)和陣列誤差估計(jì)等方面提出了一些有效的處理方法。中科院電子所對(duì)分布式小衛(wèi)星SAR進(jìn)行了相關(guān)研究;“十五”預(yù)研計(jì)劃、863的小SAR和INSAR、973項(xiàng)目“小衛(wèi)星分布式雷達(dá)新概念新機(jī)理”對(duì)分布式小衛(wèi)星SAR新概念體制重點(diǎn)攻關(guān)[1]。 1.4 　本文的研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu) 本文論述了分布式SAR和傳統(tǒng)SAR的成像原理和測(cè)高原理。針對(duì)分布式合成孔徑雷達(dá)的特點(diǎn)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)在性能和功能上與傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)進(jìn)行了一些比較分析。主要研究?jī)?nèi)容包括： （1）

23、論述傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)的成像原理，根據(jù)原理編寫了仿真程序并對(duì)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行了成像、分辨率、旁瓣等仿真實(shí)驗(yàn)； （2） 論述分布式合成孔徑雷達(dá)的成像原理，根據(jù)原理編寫了仿真程序并對(duì)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行了成像、分辨率、旁瓣等仿真實(shí)驗(yàn)； （3） 論述分布式合成孔徑雷達(dá)的測(cè)高原理，根據(jù)原理編寫了仿真程序并進(jìn)行了一系列點(diǎn)目標(biāo)測(cè)高實(shí)驗(yàn)； （4） 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)分布式SAR和傳統(tǒng)SAR的功能和性能進(jìn)行比較，得出結(jié)論。 本文結(jié)構(gòu)如下： 第1章，介紹本課題的目的、意義以及本課題相關(guān)的技術(shù)，并對(duì)國(guó)內(nèi)外各種分布式合成孔徑雷達(dá)計(jì)劃進(jìn)行比較分析； 第2章，介紹傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)的成像原理，列舉仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； 第3章，介紹收發(fā)

24、分置合成孔徑雷達(dá)的成像原理，列舉仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； 第4章，介紹分布式合成孔徑雷達(dá)的成像原理，列舉仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)比二者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出分析結(jié)果； 第5章，介紹分布式合成孔徑雷達(dá)的測(cè)高原理，列舉仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； 第6章，總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，給出本次研究的結(jié)論。 第2章 機(jī)載SAR成像 2.1 　SAR成像原理 2.1.1 　SAR回波信號(hào)模型 SAR在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，以一定的PRT(Pulse Repetition Time,脈沖重復(fù)周期)發(fā)射和接收脈沖，天線波束照射到地面上近似為一矩形區(qū)域，區(qū)域內(nèi)各散射元（點(diǎn)）對(duì)入射波后向散射，這樣，發(fā)射脈沖經(jīng)過(guò)目標(biāo)和天線方向圖的調(diào)制，攜帶

25、目標(biāo)和環(huán)境信息形成SAR回波。從時(shí)域來(lái)看，發(fā)射和接收的信號(hào)都是一時(shí)間序列[7]。 發(fā)射序列中，為chirp信號(hào)持續(xù)時(shí)間，下標(biāo)表示距離向(Range)；PRT為脈沖重復(fù)周期；接收序列中，表示發(fā)射第個(gè)脈沖時(shí)，目標(biāo)回波相對(duì)于發(fā)射序列的延時(shí)；陰影部分表示雷達(dá)接收機(jī)采樣波門，采樣波門的寬度要保證能罩住測(cè)繪帶內(nèi)所有目標(biāo)的回波。 雷達(dá)發(fā)射序列的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (2-1) 式(2-1)中，表示矩形信號(hào)，為距離向chirp信號(hào)的調(diào)頻斜率，為載頻[8]。 雷達(dá)回波信號(hào)由發(fā)射信號(hào)波形，天線方向圖，斜距，目標(biāo)RCS，環(huán)境等因素共同決定，若不考慮環(huán)境因素，則單點(diǎn)目標(biāo)雷達(dá)回波信號(hào)可

26、寫成： (2-2) 式(2-2)中，為點(diǎn)目標(biāo)的雷達(dá)散射截面, 表示點(diǎn)目標(biāo)天線方向圖雙向幅度加權(quán)， 表示載機(jī)發(fā)射第n個(gè)脈沖時(shí)，電磁波在雷達(dá)與目標(biāo)之間傳播的雙程時(shí)間，，代入（2-2）式得： (2-3) (2-3)式就是單點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)模型。其中， 為chirp分量，它決定距離向分辨率，為Doppler分量，它決定方位向分辨率[7]。 距離向變量遠(yuǎn)大于方位向變量t(典型相差量級(jí))，于是一般可以假設(shè)SAR滿足“停－走－?！蹦Ｊ剑碨AR在發(fā)射和接收一個(gè)脈沖信號(hào)中間，載機(jī)未發(fā)生運(yùn)動(dòng)。為了理論分析方便，稱為慢時(shí)間變量(slow time)，稱t為快時(shí)

27、間變量(fast time)于是，一維回波信號(hào)可以寫成二維形式，正交解調(diào)去除載波后，單點(diǎn)目標(biāo)的回波可寫成： (2-4) 2.1.2 　SAR成像算法 SAR的回波數(shù)據(jù)不具有直觀性，不經(jīng)處理人無(wú)法理解它。從原理上講，SAR成像處理的過(guò)程是從回波數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)區(qū)域散射系數(shù)的二維分布，本質(zhì)上是一個(gè)二維相關(guān)處理過(guò)程,因此最直接的處理方法是對(duì)回波進(jìn)行二維匹配濾波，但其運(yùn)算量很大，再加上SAR的數(shù)據(jù)率本來(lái)就高，這使得實(shí)時(shí)處難于實(shí)現(xiàn)。通常，可以把二維處理過(guò)程分解成距離向和方位向兩個(gè)一維過(guò)程，Range-Doppler Algorithm（簡(jiǎn)稱RD算法）就是采用這種思想的典型算

28、法，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要使用RD算法。 RD算法典型的數(shù)字處理流程如圖2-1。 ● 預(yù)處理 預(yù)處理是對(duì)SAR回波進(jìn)行處理的第一步，一般在SAR平臺(tái)(例如：衛(wèi)星，飛機(jī)等)上實(shí)時(shí)處理，包括解調(diào)和數(shù)字化。雷達(dá)信號(hào)的載頻一般比較高(～GHz)，不宜直接采樣數(shù)字化處理，常常通過(guò)正交解調(diào)方式解調(diào)出基帶信號(hào)，再對(duì)基帶信號(hào)(～MHz)采樣數(shù)字化，然后存儲(chǔ)或傳送到地面做進(jìn)一步處理。采樣后的數(shù)據(jù)一般采用矩陣形式存儲(chǔ)，假設(shè)方位向發(fā)射(采樣)N個(gè)脈沖，距離向采樣得到M每個(gè)采樣值，則待處理數(shù)據(jù)應(yīng)該是一個(gè)的矩陣。 圖2-1 距離-多普勒算法流程 ● 距離壓縮 距離向

29、信號(hào)是典型的Chirp信號(hào)，相關(guān)算法是在頻域利用FFT進(jìn)行的。公式如下： ， (2-5) 下標(biāo)r表示公式為距離向（逆）傅里葉變換，Kr和Tr分別是Chirp信號(hào)的調(diào)頻斜率和脈沖持續(xù)時(shí)間，表示距離壓縮參考函數(shù)。 ● 距離遷移矯正 距離遷移是SAR信號(hào)處理中必然出現(xiàn)的現(xiàn)象，它的大小隨系統(tǒng)參數(shù)不同而變化，并不總需要補(bǔ)償。點(diǎn)目標(biāo)仿真時(shí)，暫時(shí)先不考慮。 ● 方位壓縮 正側(cè)視點(diǎn)目標(biāo)情況下，回波經(jīng)距離壓縮后在方位向也是一Chirp信號(hào)，因此其壓縮處理同距離壓縮處理類似，只是壓縮因子不同。 ， （2-6） 下標(biāo)a表示公式為方位向（逆）傅里葉變換， 表示方位壓縮參考函數(shù)。

30、 2.2 　SAR成像仿真實(shí)驗(yàn) 2.2.1 　仿真設(shè)置與參數(shù) 本次仿真采用機(jī)載平臺(tái)合成孔徑雷達(dá)，正側(cè)視模型，模型如圖2-2。 設(shè)飛機(jī)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，其他情況均為理想情況，仿真所需參數(shù)見表2-1。 表2-1 SAR仿真參數(shù) 參數(shù)名稱 參數(shù)值 平臺(tái)水平速度 V=100m/s 平臺(tái)高度 H=4000m 測(cè)繪帶中心坐標(biāo) [X，Y]=[0,10000]m 距離向水平分量范圍 [Y-Y0,Y+Y0]=[9500,10500]m 方位向范圍 [-X0,X0]=[-500,500]m 信號(hào)載波頻率 =3GHz 信號(hào)持續(xù)時(shí)間 =5us 信號(hào)調(diào)頻帶寬 =50MHz 目

31、標(biāo)個(gè)數(shù) Ntarget=3 目標(biāo)位置矩陣 （單點(diǎn)） （成像） （成像分辨率） 圖2-2 單機(jī)SAR模型 其他仿真參數(shù)如合成孔徑長(zhǎng)度、多普勒分辨率、采樣點(diǎn)數(shù)等由仿真過(guò)程中計(jì)算得到。 2.2.2 　仿真結(jié)果 2.2.2.1 　單點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果 仿真程序首先為根據(jù)設(shè)置計(jì)算仿真所需參數(shù)，，具體參數(shù)如表2-2。 表2-2 SAR仿真過(guò)程中參數(shù) 參數(shù)名稱 參數(shù)值 信號(hào)波長(zhǎng) Lambda=0.1m 合成孔徑長(zhǎng)度 Lsar=269.26m 合成孔徑時(shí)間 Tsar=2.6926s 多普勒調(diào)諧斜率 Ka=-18.57Hz/s 多普勒調(diào)諧頻寬 Ba=50Hz/s

32、 慢時(shí)域采樣頻率 PRF=80.677Hz 慢時(shí)域采樣點(diǎn)數(shù) Nslow=1024 快時(shí)域采樣頻率 Fsr=182.95MHz 快時(shí)域采樣點(diǎn)數(shù) Nfast=2048 方位向分辨率 DX=2m 距離向分辨率 DY=3m 而后仿真程序根據(jù)以上參數(shù)生成回波，回波表示為一個(gè)NslowNfast的矩陣。 最后按照成像流程對(duì)回波進(jìn)行成像。 單點(diǎn)距離壓縮后成像結(jié)果如圖2-3，點(diǎn)目標(biāo)成像如圖2-4，目標(biāo)距離向壓縮后3D圖如圖2-5，目標(biāo)成像3D圖如圖2-6，目標(biāo)距離向旁瓣圖如圖2-7，目標(biāo)方位向旁瓣圖如圖2-8。每個(gè)圖分為對(duì)回波加窗濾波后圖像和不加窗圖像。 圖2-3 加窗點(diǎn)目

33、標(biāo)距離壓縮后圖像（左）、不加窗點(diǎn)目標(biāo)距離壓縮后圖像（右） 圖2-4 加窗后單點(diǎn)目標(biāo)成像（上）、不加窗單點(diǎn)目標(biāo)成像（下） 圖2-5 加窗后目標(biāo)距離向壓縮后3D（左）、不加窗目標(biāo)距離向壓縮后3D（右） 圖2-6 加窗后目標(biāo)成像3D圖（左）、不加窗目標(biāo)成像3D圖（右） 圖2-7 加窗后目標(biāo)距離向旁瓣圖（左）、不加窗目標(biāo)距離向旁瓣圖（右） 圖2-8 加窗后目標(biāo)方位向旁瓣圖（左）、上加窗目標(biāo)方位向旁瓣圖（右） 通過(guò)查找復(fù)圖像矩陣最大值的方法可對(duì)成像點(diǎn)進(jìn)行定位，結(jié)果為：方位向位置為0m，距離向位置為10770m。 通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：經(jīng)過(guò)成像處理的復(fù)圖像數(shù)據(jù)

34、包絡(luò)距離向旁瓣比約為-13.35dB，方位向旁瓣比約為-17.71dB；若對(duì)回波加窗（本畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用漢明窗濾波）濾波后在進(jìn)行成像則距離向旁瓣比約為-42.33dB，方位向旁瓣比約為-42.1dB。體現(xiàn)在成像中結(jié)果是不加窗圖像在距離向方位向上存在多個(gè)旁瓣所成出的點(diǎn)的虛影，而通過(guò)加窗來(lái)對(duì)回波進(jìn)行濾波后這一狀況得到明顯改善。 同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果可知目標(biāo)方位向、距離向位置均與實(shí)際值相同。另外，當(dāng)目標(biāo)不是恰好位于采樣點(diǎn)處則會(huì)存在誤差。進(jìn)一步結(jié)合采樣間距計(jì)算可知：距離向理論最大誤差為dr/2=0.8199m，方位向理論最大誤差為da=1.2395m。 2.2.2.2 　多點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果 多點(diǎn)目標(biāo)仿真

35、過(guò)程中產(chǎn)生參數(shù)與單點(diǎn)目標(biāo)相同，回波相當(dāng)于三個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)目標(biāo)所產(chǎn)生的回波相加。本次仿真中回波已經(jīng)過(guò)加窗濾波。 多點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果如圖2-9至圖2-13所示。圖2-9表示多點(diǎn)目標(biāo)距離向壓縮后所成的像；圖2-10表示多點(diǎn)目標(biāo)實(shí)際位置圖像；圖2-11表示多點(diǎn)目標(biāo)仿真圖像；圖2-12表示距離向壓縮后所成3D圖像；圖2-13表示多點(diǎn)目標(biāo)仿真3D圖像。 根據(jù)仿真結(jié)果中距離向壓縮后成像圖及其3D圖可清晰觀測(cè)距離多普勒算法的執(zhí)行過(guò)程；由多點(diǎn)目標(biāo)成像圖和多點(diǎn)目標(biāo)實(shí)際位置圖可知距離多普勒算法成像與實(shí)際位置相符，仿真程序正確，可以滿足進(jìn)一步研究的要求。 圖2-9 多點(diǎn)目標(biāo)距離壓縮后成像 圖2-10 多

36、點(diǎn)目標(biāo)實(shí)際位置 圖2-11 多點(diǎn)目標(biāo)成像 圖2-12 多點(diǎn)目標(biāo)距離壓縮后3D成像 圖2-13 多點(diǎn)目標(biāo)3D成像 圖2-14 多點(diǎn)實(shí)際位置——用于分辨率研究 圖2-15 多點(diǎn)成像——用于分辨率研究 圖2-16 多點(diǎn)成像3D圖——用于分辨率研究 2.2.2.3 　分辨率研究實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果 選取三個(gè)點(diǎn)，一個(gè)位于測(cè)繪范圍中心點(diǎn)，另兩個(gè)分別在距離向和方位向進(jìn)行平移，直到能夠清晰分辨出三個(gè)獨(dú)立點(diǎn)為止。仿真中回波已經(jīng)過(guò)濾波。 仿真結(jié)果如圖2-14至圖2-16所示。 通過(guò)仿真可見在距離向相距為2DY=6m，方位向相距3DX=6m可以清晰分辨出三個(gè)獨(dú)立點(diǎn)。即

37、仿真方位向分辨率為6m，距離向分辨率為6m。此結(jié)果產(chǎn)生于全測(cè)繪區(qū)域成像中，如果僅進(jìn)行部分區(qū)域成像則可進(jìn)一步提高分辨率。 2.3 　本章小結(jié) 本章首先簡(jiǎn)述了合成孔徑雷達(dá)的成像原理，并對(duì)點(diǎn)目標(biāo)成像進(jìn)行了分析。其后根據(jù)成像原理進(jìn)行了對(duì)點(diǎn)目標(biāo)成像、點(diǎn)目標(biāo)分辨率、加窗濾波及旁瓣對(duì)成像的影響等方面的仿真實(shí)驗(yàn)研究，得出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步得出了對(duì)合成孔徑雷達(dá)成像的分析結(jié)果。 第3章 收發(fā)分置SAR成像 3.1 　收發(fā)分置SAR成像原理 收發(fā)分置式SAR與普通合成孔徑雷達(dá)相似。主要區(qū)別在于回波不同。普通合成孔徑雷達(dá)回波中由表示斜距，發(fā)射平臺(tái)斜距與接收平臺(tái)斜距相等；收發(fā)分置合成孔徑

38、雷達(dá)中發(fā)射平臺(tái)斜距與接收平臺(tái)斜距不相等，故在回波表達(dá)式中會(huì)出現(xiàn)雙根號(hào)形式，回波表達(dá)式如下： （3-1） 其中分別代表發(fā)射平臺(tái)和接收平臺(tái)到點(diǎn)目標(biāo)的斜距，由于斜距為根號(hào)形式，故式（3-1）為雙根號(hào)形式。因此收發(fā)分置SAR的等距面為橢球面，而普通合成孔徑雷達(dá)的等距面為球面[9][10]。 成像算法仍采用距離-多普勒算法過(guò)程與2.1節(jié)中介紹的SAR成像原理相同。 3.2 　收發(fā)分置SAR成像仿真實(shí)驗(yàn) 3.2.1 　仿真設(shè)置與參數(shù) 本次收發(fā)分置式合成孔徑雷達(dá)成像仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)定發(fā)射和接收雷達(dá)平臺(tái)均采用機(jī)載平臺(tái)，兩平臺(tái)平行飛行且均處于正側(cè)視狀態(tài)。具體模型如圖3-1。 主機(jī)（雷達(dá)

39、發(fā)射平臺(tái)）、測(cè)繪帶、雷達(dá)信號(hào)等基本參數(shù)與單機(jī)合成孔徑雷達(dá)仿真中相同；輔機(jī)（雷達(dá)接收平臺(tái)）與雷達(dá)發(fā)射平臺(tái)垂直航跡基線為500m，沿航跡基線為0m，且接收平臺(tái)位于發(fā)射平臺(tái)和目標(biāo)之間，其他參數(shù)與主機(jī)相同。 平臺(tái)處于理想飛行狀態(tài)下。 圖3-1 收發(fā)分置SAR模型 3.2.2 　仿真結(jié)果 距離壓縮后成像如圖3-2，單點(diǎn)成像如圖3-3，距離壓縮后3D成像圖如圖3-4，3D成像圖如圖3-5。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，收發(fā)分置式合成孔徑雷達(dá)可以對(duì)點(diǎn)目標(biāo)清晰成像，可以滿足本文進(jìn)一步的研究需求。 圖3-2 收發(fā)分置SAR距離壓縮后成像 圖3-3 收發(fā)分置SAR成像 圖3-4 距離壓縮后3

40、D成像 圖3-5 收發(fā)分置3D成像圖 3.3 　本章小結(jié) 本章分析了收發(fā)分置式SAR成像的原理，與普通SAR成像的區(qū)別在于普通SAR成像中等距面是球面而收發(fā)分置SAR成像中等距面是橢球面。 根據(jù)仿真結(jié)果分析，收發(fā)分置式SAR成像與普通SAR成像區(qū)別不大。主要區(qū)別仿真過(guò)程中距離向采樣間距有微小差別，這一差別也導(dǎo)致了分布式SAR成像過(guò)程中所需要圖像配準(zhǔn)的產(chǎn)生。 第4章 分布式SAR成像 4.1 　分布式SAR成像原理 首先通過(guò)多個(gè)平臺(tái)上的雷達(dá)對(duì)相同測(cè)繪帶區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，分別得到不同的回波，然后通過(guò)對(duì)各回波進(jìn)行成像處理得到各自的復(fù)圖像，將這些復(fù)圖像進(jìn)行圖像匹配，最后進(jìn)行非相干疊加

41、即可得到分布式SAR成像圖，流程如圖4-1。 分布式SAR主瓣與普通SAR相比更窄，并且旁瓣更小，因此分布式SAR有著更好的成像性能[11]。 圖4-1 分布式SAR成像流程圖 4.2 　圖像匹配原理 圖像配準(zhǔn)是對(duì)兩幅圖像進(jìn)行空間幾何變換,使得圖像對(duì)的共有特征能夠匹配對(duì)應(yīng)起來(lái)的過(guò)程，它是影像處理和分析的一個(gè)重要步驟,廣泛地應(yīng)用于多源遙感數(shù)據(jù)的融合分析、多時(shí)相遙感圖像的變化檢測(cè)和高程重建等方面?，F(xiàn)有的圖像配準(zhǔn)方法分為手動(dòng)配準(zhǔn)與自動(dòng)配準(zhǔn)。為了獲得精確的結(jié)果，手動(dòng)配準(zhǔn)必須在圖像上選取較多的控制點(diǎn)，這是一個(gè)繁瑣、重復(fù)、耗時(shí)的工作。而自動(dòng)配準(zhǔn)只需要少或不需要人為的干預(yù)，在較短時(shí)間就能

42、夠完成，同時(shí)還可以達(dá)到較高的精度，一直是研究的熱點(diǎn)。 SAR圖像對(duì)的配準(zhǔn)是以一幅SAR圖像為基準(zhǔn)圖，另一幅為配準(zhǔn)圖，通過(guò)對(duì)配準(zhǔn)圖的移位、重采樣等操作，使兩幅圖中同樣位置的像素點(diǎn)在一定精度內(nèi)對(duì)應(yīng)于地面的同一點(diǎn)。配準(zhǔn)過(guò)程可以分為觀察配準(zhǔn)、像素配準(zhǔn)和亞像素配準(zhǔn)三個(gè)相連的步驟。觀察配準(zhǔn)是觀察圖像并進(jìn)行整體移位，一般可以配準(zhǔn)到100個(gè)像素偏差以內(nèi)。對(duì)于這種觀察配準(zhǔn)并沒有精度要求，只是偏差越小后面像素配準(zhǔn)中的搜索范圍就可以越小，像素配準(zhǔn)速度也就越快。像素配準(zhǔn)也是整體移位配準(zhǔn)，精度要求平均偏差在一個(gè)像素范圍以內(nèi)。亞像素配準(zhǔn)要求的配準(zhǔn)精度更高，一般要在0.1像素以內(nèi)，它在各個(gè)小區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行，涉及插值重采樣

43、，因而能夠達(dá)到這種精度要求。 4.2.1 　統(tǒng)計(jì)相關(guān)法 目前SAR圖像的配準(zhǔn)通常采用統(tǒng)計(jì)相關(guān)方法、最大譜估計(jì)方法和平均波動(dòng)函數(shù)法。在本節(jié)，我們主要介紹統(tǒng)計(jì)互相關(guān)方法。統(tǒng)計(jì)相關(guān)函數(shù)法是圖像配準(zhǔn)的基本算法，在圖像處理中常用于模板匹配或模式識(shí)別。這種方法的核心思想是以一幅圖像為模板，稱之為主圖像，通過(guò)在另一幅圖像(輔圖像)中上、下、左、右地滑動(dòng)，獲得一系列的相關(guān)函數(shù)值，由于該函數(shù)值的大小反映了圖像間相似程度的高低，所以相關(guān)曲面峰值所對(duì)應(yīng)的位置即被認(rèn)為是圖像正確匹配的位置。就SAR復(fù)數(shù)圖像的配準(zhǔn)而言，需要特別指出的是相關(guān)運(yùn)算可以僅利用復(fù)數(shù)圖像的幅度信息，也可以在復(fù)數(shù)域內(nèi)進(jìn)行，研究表明幅度相關(guān)法的抗

44、噪聲能力要強(qiáng)于復(fù)相關(guān)函數(shù)法。另外，在離散像素偏移基礎(chǔ)上獲得的相關(guān)曲面還必須進(jìn)一步做插值運(yùn)算獲得亞像素級(jí)的配準(zhǔn)參數(shù)，以達(dá)到要求的配準(zhǔn)精度[12]。 令兩幅圖像的幅度分別為，大小都為 MN的矩陣，則可得二者的幅度相關(guān)函數(shù)為： （4-1） u，v分別為方位向和距離向的偏移，使最大的u，v即為待求的配準(zhǔn)偏移參數(shù)。若以復(fù)數(shù)相關(guān)系數(shù)作為衡量尺度，為兩幅復(fù)數(shù)圖像，則： （4-2） 統(tǒng)計(jì)相關(guān)函數(shù)法思路簡(jiǎn)單，又可以利用FFT加速計(jì)算過(guò)程，通常作為SAR復(fù)數(shù)圖像配準(zhǔn)的首選算法。 4.2.2 　分級(jí)配準(zhǔn)法 當(dāng)配準(zhǔn)中心處的圖像粗配準(zhǔn)后，配準(zhǔn)邊緣區(qū)域的圖像

45、可能還相差幾個(gè)像素沒有配準(zhǔn)，這時(shí)，經(jīng)過(guò)粗配準(zhǔn)后的圖像并沒有達(dá)到一個(gè)像素內(nèi)的精度，因此，在這種情況下，如果繼續(xù)精配準(zhǔn)，就會(huì)出現(xiàn)基準(zhǔn)圖像的一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)著配準(zhǔn)圖像的兩個(gè)像素點(diǎn)，無(wú)法獲得精確的配準(zhǔn)圖?；诖朔N情況，提出了一種分級(jí)配準(zhǔn)(Hierarchical Registration，簡(jiǎn)稱HR)方法，該方法采用分級(jí)處理的思想，自上而下并行處理，提高了粗配準(zhǔn)階段的精度和配準(zhǔn)處理速度，而且還提高了配準(zhǔn)的效率和精度[12]。 以20482048大小的圖像對(duì)為例，HR方法的過(guò)程如下: 1.一級(jí)粗配準(zhǔn)。 HR方法選取主圖像和輔圖像中間的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，以該點(diǎn)為中心，在主圖像截取200200的圖像塊作為基準(zhǔn)

46、圖，在輔圖像截取300300的圖像塊作為搜索圖，基準(zhǔn)圖在搜索圖內(nèi)移動(dòng)，每移動(dòng)一個(gè)像素點(diǎn)，計(jì)算一次相關(guān)系數(shù)，尋找相關(guān)系數(shù)最大的像素點(diǎn)，該點(diǎn)相對(duì)于控制點(diǎn)的偏移量和方向即為一級(jí)粗配準(zhǔn)的偏移矢量。將主輔圖像分別做偏移，使其重合。 2.二級(jí)粗配準(zhǔn) 由于圖像塊較大，經(jīng)過(guò)第一級(jí)粗配準(zhǔn)后，配準(zhǔn)精度未必在一個(gè)像素以內(nèi)，由于距離向比例因子效應(yīng)的影響，使得在遠(yuǎn)距處，同一像素點(diǎn)在主輔圖像的偏移量加大，導(dǎo)致配準(zhǔn)精度降低。將主圖象分割成 MN小塊，相鄰的小塊之間重疊幾個(gè)像素。設(shè)每一小塊的大小是pq，對(duì)每一個(gè)小塊，在輔圖像中截取相應(yīng)的搜索圖，大小為(p+p) (q+q)，然后分別對(duì)MN個(gè)小塊進(jìn)行粗配準(zhǔn)，得到偏移矢量，對(duì)

47、主圖像的MN個(gè)小塊分別做偏移。 3.精配準(zhǔn) 精配準(zhǔn)階段采用“控制點(diǎn)一插值”的方法來(lái)擴(kuò)充圖像，而后根據(jù)以上圖像配準(zhǔn)方法完成。 4.組合 將 MN各個(gè)小塊拼接在一起，在重疊的像素點(diǎn)處，取偏移量較小的像素點(diǎn)作為最終的像素點(diǎn)，因?yàn)槠屏看蟮狞c(diǎn)很可能對(duì)應(yīng)著輔圖像的前一個(gè)或者后一個(gè)小塊的像素點(diǎn)。 4.3 　分布式SAR成像仿真實(shí)驗(yàn) 4.3.1 　仿真設(shè)置與參數(shù) 本次分布式合成孔徑雷達(dá)成像仿真的發(fā)射和接收雷達(dá)平臺(tái)均采用機(jī)載平臺(tái)，兩平臺(tái)平行飛行且均處于正側(cè)視狀態(tài)。發(fā)射平臺(tái)發(fā)射探測(cè)電波并接收回波，接受平臺(tái)同時(shí)接收回波。模型如圖4-3。 圖4-3 分布式SAR模型 雷達(dá)發(fā)射平臺(tái)、測(cè)繪帶、雷達(dá)

48、信號(hào)等基本參數(shù)與單機(jī)合成孔徑雷達(dá)仿真中相同；雷達(dá)接收平臺(tái)與雷達(dá)發(fā)射平臺(tái)垂直航跡基線為500m，沿航跡基線為0m，且接收平臺(tái)位于發(fā)射平臺(tái)和目標(biāo)之間。 平臺(tái)處于理想飛行狀態(tài)下。假定時(shí)間同步、空間同步、相位同步。 4.3.2 　仿真結(jié)果 4.3.2.1 　單點(diǎn)成像仿真結(jié)果 將普通合成孔徑雷達(dá)仿真程序與收發(fā)分置式合成孔徑雷達(dá)進(jìn)行合并，添加圖像配準(zhǔn)及疊加成像程序。單點(diǎn)仿真結(jié)果：分布式單點(diǎn)成像如圖4-4，分布式單點(diǎn)3D如圖4-5，距離向旁瓣對(duì)比圖如圖4-6至圖4-9，方位向旁瓣對(duì)比圖如圖4-10至圖4-13。 圖4-4 分布式單點(diǎn)成像 圖4-5 分布式單點(diǎn)3D 圖4-6 單機(jī)距離

49、向旁瓣（加窗） 圖4-7 分布式距離向旁瓣（加窗） 圖4-8 單機(jī)距離向旁瓣（不加窗） 圖4-9 分布式距離向旁瓣（不加窗） 圖4-10 單機(jī)方位向旁瓣（加窗） 圖4-11 分布式方位向旁瓣（加窗） 圖4-12 單機(jī)方位向旁瓣（不加窗） 圖4-13 分布式方位向旁瓣（不加窗） 有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出分布式合成孔徑雷達(dá)旁瓣比普通合成孔徑雷達(dá)旁瓣有了明顯改善，提高了成像分辨率。為了進(jìn)一步更清晰的觀測(cè)分辨率的改進(jìn)，在下面進(jìn)行分布式SAR多點(diǎn)成像和普通SAR多點(diǎn)成像的對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。 4.3.2.2 　多點(diǎn)成像仿真結(jié)果 首先比較多點(diǎn)旁瓣，旁瓣圖如圖4-

50、14至4-15。 圖4-14 單機(jī)多點(diǎn)距離向旁瓣（左）、分布式多點(diǎn)距離向旁瓣（右） 圖4-15 單機(jī)多點(diǎn)方位向旁瓣（左）、分布式多點(diǎn)方位向旁瓣（右） 可見分布式SAR成像中主瓣寬度小于普通SAR，即分布式SAR成像存在更高的分辨率。 多點(diǎn)成像圖如圖4-16至4-18所示。 由仿真結(jié)果比較可知分布式SAR同普通SAR相比有著更高的清晰度與更好的分辨率。 仿真過(guò)程中配準(zhǔn)區(qū)域主圖像取200200像素范圍，輔圖像取300300像素范圍。主輔圖像間配準(zhǔn)區(qū)域中心位置相差0.0020個(gè)像素單元，配準(zhǔn)區(qū)域邊緣位置相差0.2034個(gè)像素單元；距離向范圍大小為81.9895m，方位向范圍為12

51、3.9510m。 圖4-16 單機(jī)多點(diǎn)實(shí)際位置圖 圖4-17 單機(jī)多點(diǎn)成像圖 圖4-18 分布式多點(diǎn)成像圖 4.4 　本章小結(jié) 本章對(duì)分布式合成孔徑雷達(dá)成像原理進(jìn)行了分析并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了結(jié)論：分布式合成孔徑雷達(dá)在清晰度、分辨率、旁瓣抑制等方面明顯優(yōu)于普通合成孔徑雷達(dá)。 第5章 分布式SAR測(cè)高 上面章節(jié)對(duì)分布式合成孔徑雷達(dá)的性能進(jìn)行了研究和分析。本章將對(duì)分布式合成孔徑雷達(dá)的功能進(jìn)行分析。分布式SAR可以進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和測(cè)高功能，這是普通合成孔徑雷達(dá)很難做到的。當(dāng)兩個(gè)合成孔徑雷達(dá)基線存在沿航跡分量時(shí)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)功能[13]，當(dāng)兩個(gè)合成孔徑雷達(dá)基

52、線存在垂直航跡分量時(shí)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)高功能。分布式合成孔徑雷達(dá)測(cè)高原理即采用干涉測(cè)高原理。干涉合成孔徑雷達(dá)利用同一地形的兩幅稍有差異的復(fù)SAR圖像進(jìn)行干涉處理，在復(fù)圖像上產(chǎn)生相位差，形成干涉相位圖。而干涉相位圖包含了斜距向的點(diǎn)和兩天線位置差的精確信息。因此利用平臺(tái)高度、雷達(dá)波長(zhǎng)、波束視角以及天線的幾何關(guān)系就可以得到觀測(cè)地形的每一點(diǎn)的三維信息和變化信息。本章簡(jiǎn)單介紹InSAR的測(cè)高原理、InSAR的數(shù)據(jù)處理過(guò)程以及其應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)。 5.1 　InSAR測(cè)高原理 SAR干涉測(cè)量地形高程幾何結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。 圖5-1 SAR干涉測(cè)量地形高程幾何結(jié)構(gòu)圖 圖中S1和S2分別為兩個(gè)SAR平

53、臺(tái)，O為地心，y為平臺(tái)飛行方向，z為地心與S1的連線方向，x，y，z構(gòu)成右手坐標(biāo)系，B為天線距，α和β分別為其方向角和高低角，P為觀測(cè)地形上某一散射點(diǎn)，θ和φ分別為S1到點(diǎn)P的下視角和斜視角。 S1和S2雷達(dá)回波信號(hào)分別記為s1和s2，其可表示為： （5-1） 其中、為回波信號(hào)強(qiáng)度，、為回波信號(hào)相位。相位信息由兩部分組成：一是往返的路徑確定的相位，二是不同散射特征造成的隨機(jī)相位，即有： （5-2） 這里為雷達(dá)波長(zhǎng)，前面的系數(shù)2表示計(jì)算往返雙程，、表示不同散射特征造成的隨機(jī)相位。由于、是由同一個(gè)點(diǎn)P產(chǎn)生的

54、隨機(jī)相位，因此可以認(rèn)為兩幅圖像中隨機(jī)相位是相同的，即：=。 由于入射角的差異使得兩幅圖像不是完全重合的，所以進(jìn)行干涉處理前需要對(duì)它們進(jìn)行干涉復(fù)圖像對(duì)的配準(zhǔn)，然后復(fù)共扼相乘便得到復(fù)干涉條紋圖： （5-3） 從上式可以看出雖然干涉相位圖的相位不能確定，但是兩幅圖像的相位差卻能由信號(hào)的路徑差得到，用表示相位差，則： （5-4） 由圖5-1，在的條件下，可以近似認(rèn)為是向量在向量上的投影，而向量，向量，從而有： （5-5） 將式（5-5）帶入式（5-4）得到： （5-6） 由上式可知，下視角可以由基線距B、方向

55、角、高低角、斜視角及距離差得到。得到后，再由下式計(jì)算P點(diǎn)與地心O的距離h： （5-7） 最后利用地理編碼的先驗(yàn)知識(shí)將h換算為P點(diǎn)的實(shí)際高程。 從上面分析可以知道，我們可以從衛(wèi)星高度H、基線距B、方向角、高低角、斜視角、相位差以及一個(gè)相位到散射點(diǎn)的距離這七個(gè)特征量便可以得到散射點(diǎn)的高度信息[14][15][16][17]，這就是InSAR的測(cè)高原理。 5.2 　InSAR測(cè)高數(shù)據(jù)處理流程 從InSAR的測(cè)高原理可以知道，SAR復(fù)數(shù)圖像數(shù)據(jù)中既包括強(qiáng)度信息又包括相位信息，其中相位信息中含有距離信息，干涉合成孔徑雷達(dá)正是利用SAR復(fù)數(shù)圖像數(shù)據(jù)中的相位

56、信息獲得地面目標(biāo)的高度的。根據(jù)上一節(jié)對(duì)測(cè)高原理的描述，可將干涉SAR高程重建過(guò)程分為以下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)： 1)分別進(jìn)行兩幅原始SAR回波數(shù)據(jù)成像。 2)對(duì)兩幅SAR復(fù)圖像依次進(jìn)行像元級(jí)配準(zhǔn)和亞像元級(jí)配準(zhǔn)，并對(duì)兩幅SAR圖像進(jìn)行必要的預(yù)濾波。 3)計(jì)算SAR圖像對(duì)的干涉相位，去除因平地效應(yīng)引起的附加相位，進(jìn)行相位濾波。 4)相位解纏，得到展開的相位。 5)根據(jù)展開的相位，利用控制點(diǎn)信息、參數(shù)信息和成像幾何關(guān)系，計(jì)算每一像元點(diǎn)的高度值，完成干涉SAR高程重建。 整個(gè)過(guò)程大致如圖5-2。 測(cè)高流程中圖像配準(zhǔn)已經(jīng)在上一章中重點(diǎn)介紹過(guò)了，配準(zhǔn)后的圖像經(jīng)過(guò)共軛相乘得到干涉相位圖。 由于系統(tǒng)本

57、身空間位置不同，視角稍有變化，使得方位向或距離向上高度相同的點(diǎn)，產(chǎn)生線性變化的干涉相位條紋，稱為平地效應(yīng)。由于平地效應(yīng)的影響，會(huì)造成干涉條紋過(guò)密，影響后續(xù)的相位展開，所以一般在相位展開前，需要消除平地效應(yīng)的影響。消除平地效應(yīng)的方法較多，主要有基于軌道參數(shù)和成像區(qū)域中心點(diǎn)的大地經(jīng)緯度計(jì)算平地效應(yīng)、根據(jù)圖像能量計(jì)算平地效應(yīng)和通過(guò)計(jì)算占優(yōu)勢(shì)的干涉條紋頻率來(lái)計(jì)算平地相位，然后消除平地效應(yīng)。一般情況下采用通過(guò)估計(jì)距離向和方位向條紋的平均頻率然后去除的方法。 圖5-2 干涉測(cè)高原理流程圖 考慮在一個(gè)窗口M N內(nèi)的復(fù)數(shù)邊緣模型： （5-8） 其中，M，N為奇數(shù)，分別表示窗口兩個(gè)

58、方向的維數(shù)，是方差為的隨機(jī)幅度；、分別是窗口內(nèi)行方向和列方向的真實(shí)局部頻率；是沒有噪聲污染的原始信號(hào)；是收到的信號(hào)，受到與原始信號(hào)不相關(guān)且方差為的噪聲污染；為沒有噪聲污染的展開相位。配準(zhǔn)后的干涉條紋，包含有兩方面的信息：斜距信息和地面點(diǎn)的高度信息。所以我們首先估計(jì)距離向和方位向的局部頻率，然后根據(jù)下式去除平地影響： （5-9） 其中，、分別是方位向和距離向平地條紋頻率估計(jì)值。需要說(shuō)明的是，平地相位的去除只是為了減小條紋密度從而減輕相位濾波和相位展開的難度，在高程重建之前，需要再將平地相位的絕對(duì)相位分量加入展開相位，從而得到完整的絕對(duì)相位。 濾波降噪過(guò)程是為了在保持干

59、涉條紋結(jié)構(gòu)信息和圖像空間分辨率的前提下對(duì)干涉噪聲進(jìn)行有效地抑制。干涉相位圖的噪聲主要包括:干涉SAR系統(tǒng)的空間去相關(guān)、時(shí)間去相關(guān)等因素引發(fā)的噪聲、SAR圖像的相干斑噪聲、由雷達(dá)系統(tǒng)本身引起的熱噪聲。傳統(tǒng)干涉相位圖濾波方法一般采用均值濾波和中值濾波。本次課程設(shè)計(jì)中由于仿真實(shí)驗(yàn)為理想狀態(tài)下測(cè)量，所以不存在以上去相關(guān)噪聲等，故不進(jìn)行進(jìn)一步分析。 最后經(jīng)過(guò)相位解纏，再根據(jù)測(cè)高的幾何原理即可求得目標(biāo)高度，建立數(shù)字高程圖。 5.3 　相位解纏原理 對(duì)InSAR測(cè)高來(lái)說(shuō)，圖像配準(zhǔn)和相位解纏兩個(gè)步驟是重點(diǎn)，其中圖像匹配的原理方法在4.2節(jié)中已經(jīng)介紹過(guò)，這一節(jié)將主要介紹相位解纏原理。 干涉SAR系統(tǒng)得到

60、的測(cè)量干涉相位是被纏繞在主值區(qū)間內(nèi)的，即： （5-10） 其中為將真實(shí)相位纏繞到區(qū)間并輸出纏繞干涉相位的纏繞算子，。因此，為了得到真實(shí)干涉相位，必須對(duì)進(jìn)行相位展開。即給定的主值，找到其估計(jì)值。 干涉SAR信號(hào)處理中的相位展開是基于二維離散采樣數(shù)據(jù)的，其二維離散坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)表示為：假設(shè)相位對(duì)求模后在一個(gè)離散網(wǎng)格(下標(biāo)i、j對(duì)應(yīng)x軸、y軸方向)上的纏繞相位值為： （5-11） 給定，希望能夠在同樣的網(wǎng)格點(diǎn)位置得到真實(shí)相位的估計(jì)。如果沒有任何先驗(yàn)知識(shí)，難以從恢復(fù)。然而，纏繞相位的黑白相接處的幅度達(dá)的相位不連續(xù)現(xiàn)象一般不可能是由自然地形引起的，于是

61、相位梯度成為了可能將系統(tǒng)纏繞算子的干擾從纏繞相位中分離出來(lái)的一個(gè)有用量。 定義二維離散坐標(biāo)系下函數(shù)F的偏導(dǎo)數(shù)為： （5-12） 記為梯度形式為： （5-13） 上式中的x和y 上標(biāo)分別對(duì)應(yīng)于x和y軸方向的偏導(dǎo)數(shù)和相位梯度分量。 進(jìn)一步定義二維矢量場(chǎng)的旋度(標(biāo)量場(chǎng))離散形式為： （5-14） 上式中相當(dāng)于采樣點(diǎn)(i,j)的22鄰域內(nèi)的環(huán)路積分。由矢量場(chǎng)理論知道，梯度場(chǎng)(或任意保守場(chǎng)，也稱非旋轉(zhuǎn)場(chǎng))的旋度為零，即。 相位展開的一個(gè)通用的限定條件為：在充分采樣的數(shù)據(jù)中，真實(shí)相位梯度的各分量幅度在

62、任何地方均小于弧度，即相鄰采樣點(diǎn)(像元點(diǎn))的真實(shí)相位差應(yīng)該在區(qū)間內(nèi)： （5-15） 有了這個(gè)限定條件，從纏繞相位中就可以正確地得到真實(shí)相位梯度的估計(jì)，對(duì)求和(積分)即可得到真實(shí)相位的估計(jì)。 相位展開算法通常分為兩個(gè)步驟：第一步，利用纏繞相位估計(jì)展開相位梯度；第二步，沿著合適的路徑進(jìn)行積分[18][19]。 相位展開的方法可以分為兩大類：基于路徑跟蹤的相位解纏和基于最小二乘法的相位解纏。 由以上原理可知：因?yàn)樵O(shè)定點(diǎn)意外的點(diǎn)散射系數(shù)為0，即除特定點(diǎn)外區(qū)域相當(dāng)于虛空無(wú)回波，所以無(wú)法滿足相鄰采樣點(diǎn)之間真實(shí)相位差在區(qū)間內(nèi)的條件。故單點(diǎn)測(cè)高仿真無(wú)法利用相位差做到波長(zhǎng)級(jí)別

63、的精確。 5.4 　仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 首先單純根據(jù)干涉測(cè)高的幾何原理進(jìn)行仿真。 雷達(dá)發(fā)射平臺(tái)、雷達(dá)信號(hào)等基本參數(shù)與單機(jī)合成孔徑雷達(dá)仿真中相同；測(cè)繪帶中心與主機(jī)水平距離1000m，測(cè)繪帶距離向水平范圍[-150,150]m，方位向范圍[-500,500]m, 高度范圍[-500,500]m；雷達(dá)接收平臺(tái)與雷達(dá)發(fā)射平臺(tái)垂直航跡基線為100m，沿航跡基線為0m，且接收平臺(tái)位于發(fā)射平臺(tái)和目標(biāo)之間。（此處設(shè)定測(cè)繪帶中心與主機(jī)水平距離1000m是為了使下視角較小以減少誤差。） 對(duì)測(cè)繪帶中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)高實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5-1。 表5-1 測(cè)高仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)際高度/m 測(cè)量高度/m 誤差/m

64、相對(duì)波長(zhǎng)倍數(shù) 500 500.0307 0.0307 0.307 300 298.7757 1.2243 12.243 100 98.8783 1.1217 11.217 50 50.6095 0.6095 6.095 10 9.7545 0.2455 2.455 0 0.3139 0.3139 3.139 -10 -9.1283 0.8717 8.717 -50 -50.0335 0.0335 0.335 -100 -100.4308 0.4308 4.308 -300 -300.5193 0.5193 5.19

65、3 -500 -499.8956 0.1044 1.044 將離散點(diǎn)連線，繪制成實(shí)際高度與測(cè)量高度的對(duì)比圖，如圖5-3。圖5-3中實(shí)線為實(shí)際高度，虛線為測(cè)量高度。從圖中以及由表5-1可見，測(cè)量結(jié)果存在較大誤差（約在電磁波長(zhǎng)的十倍數(shù)量級(jí)）。應(yīng)用中需要進(jìn)一步提高精度（約達(dá)到電磁波長(zhǎng)的十分之一數(shù)量級(jí)）。于是就需要應(yīng)用干涉相位，由干涉相位公式可見當(dāng)兩雷達(dá)距離向長(zhǎng)度差發(fā)生微小變化（約達(dá)到電磁波長(zhǎng)的十分之一數(shù)量級(jí)）時(shí)，干涉相位將發(fā)生較大變化（），因此可以得到足夠精確地結(jié)果（電磁波長(zhǎng)為0.1m）。但是因?yàn)閱吸c(diǎn)目標(biāo)無(wú)法進(jìn)行相位解纏，所以無(wú)法對(duì)單點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行精確地測(cè)高仿真。 圖5-3 實(shí)際高度

66、與測(cè)量高度對(duì)比圖 要研究干涉測(cè)高，需要對(duì)整個(gè)數(shù)字高程圖進(jìn)行研究。這與本次畢業(yè)設(shè)計(jì)方向不符，故僅對(duì)干涉數(shù)字高程圖程序進(jìn)行舉例展示性實(shí)驗(yàn)。（此仿真程序來(lái)自代爾夫特工業(yè)大學(xué)的Bert Kampes。） 仿真結(jié)果如圖5-4 此仿真為對(duì)高為700m的圓椎體進(jìn)行數(shù)字高程圖成像，根據(jù)灰度圖，顏色越淺則高度越高，顏色越深則高度越低。 圖5-4 圓錐體DEM仿真 5.5 　本章小結(jié) 本章對(duì)分布式合成孔徑雷達(dá)的測(cè)高功能進(jìn)行研究，闡述了干涉測(cè)高原理并對(duì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的仿真實(shí)驗(yàn)。由本章我們知道分布式合成孔徑雷達(dá)在功能上優(yōu)于普通合成孔徑雷達(dá)，可以完成一些普通合成孔徑雷達(dá)難以完成的工作。 結(jié)　　論 本文闡述了合成孔徑雷達(dá)和分布式合成孔徑雷達(dá)的成像原理，分析并比較了二者在性能上的差異。而后闡述了分布式合成孔徑雷達(dá)測(cè)高功能的原理，并進(jìn)行了初步分析。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬了普通合成孔徑雷達(dá)及分布式合成孔徑雷達(dá)的成像與測(cè)高功能。 綜合全文，可以得出以下結(jié)論： （1） 理想狀態(tài)下的合成孔徑雷達(dá)使用距離多普勒算法成像后復(fù)圖像旁瓣比約為-13dB，此時(shí)所成點(diǎn)目標(biāo)圖像存在比較