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分类号密级注1UDC学位论文临近空间宽域高分辨SAR成像技术研究（题名和副题名）周宝亮（作者姓名）指导教师姓名田忠研究员电子科技大学成都（职务、职称、学位、单位名称及地址）申请专业学位级别硕士专业名称电路与系统论文提交日期2011.04论文答辩日期2011.05学位授予单位和日期电子科技大学答辩委员会主席评阅人2011年月日注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。万方数据 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将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、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日万方数据 摘要摘要临近空间(Near-space)一般指高度为20~100千米之间的区域，而临近空间合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)是一种新型遥感SAR，通过搭载在气球、飞艇或机动飞行器等临近空间平台上来获取地面目标二维高分辨率图像。论文以临近空间快速平台SAR为研究背景，开展了临近空间方位多波束SAR成像技术和分布式SAR成像技术研究。在分析非均匀采样对方位向成像影响的基础上，提出了一种基于分数阶傅立叶变换的方位多波束非均匀信号频谱重构算法；将方位多波束技术与距离向宽带信号合成技术相结合，实现了临近空间宽测绘带高分辨率SAR成像；提出了一种基于Legendre展开的非线性CS成像算法，实现了临近空间分布式SAR高精度成像。论文主要包括以下内容：1.针对临近空间单平台SAR，研究了基于偏移相位中心的方位多波束成像技术。建立了单发多收和多发多收成像信号模型，实现了均匀采样条件下方位多波束成像。分析了非均匀采样对方位向成像的影响，提出了一种基于分数阶傅立叶变换的方位多波束非均匀信号频谱重构算法，并通过仿真验证了算法的有效性。分析了方位向多普勒模糊产生的原因，研究了基于等效相位中心的空域滤波解模糊技术，实现了方位向宽带信号的合成。2.将方位多波束技术与距离向宽带信号合成技术相结合，实现了临近空间宽测绘带高分辨率SAR成像。详细推导了距离向宽带信号合成和非线性CS成像算法，并通过点目标的正侧视和斜视成像结果验证了该方法的有效性。3.针对临近空间分布式SAR成像技术特点，提出了一种基于Legendre展开的非线性CS成像算法。文中给出了NCS调频率，ChirpScaling操作因子以及距离oooo向和方位向压缩等关键函数的表达式。在斜视角为0，30，45和50的情况下分别用基于Legendre展开的NCS成像算法和用基于Taylor展开的NCS成像算法对点目标进行成像。通过对比仿真结果，得出了在临近空间SAR大斜视工作模式下，Legendre多项式有效的改善了NCS算法的成像质量。关键词：临近空间，合成孔径雷达，宽域，高分辨，方位多波束，非均匀采样，NCS，Legendre多项式I万方数据 ABSTRACTABSTRACTNearSpacegenerallyreferstothealtitudewhichisbetween20and100kmregion,whiletheNearSpaceSyntheticApertureRadar(SAR)isanewtypeofremotesensingSAR,whichgetsthetargets’twodimensionalhigh-resolutionimages,hasbeencarriedwiththeballoon,airshiporaircraftandothersNearSpaceplatforms.Who’stheresearchbackgroundisNearSpacequickplatformSAR,thepaperismainlyonthemultipleazimuthbeamsanddistributedSARimaging.Afteranalyzingthereasonthattheechosignalaresampledinnon-uniformlyanditsinfluence,anovelspectrumreconstructionalgorithmbasedonFractionalFourierTransform(FrFT)formultipleazimuthbeamSARispresented.ItisutilizedtocarryoutNearSpacehigh-resolutionandwide-swathSARimagingsimultaneouslybyintegratingthemultipleazimuthbeamtechnologyandwidebandsignalsynthesistechnology.AnovelnonlinearCSimagingalgorithmbasedonLegendrepolynomialisproposed,whichimprovestheapproximationaccuracy,andrealizesNearSpacedistributedSARhigh-precisionSARimaging.Paperincludesthefollowing:1.OnthebasisoftheNearSpacesignalplatformSAR,paperhasadetailedanalysisofdisplacingphasecentremultibeamtechnology.First,weestablishedthesignalmodelofSingleTransmitterMultipleAzimuthBeamsandMultipleTransmitterMultipleAzimuthBeamsandrealizeduniformsamplingSARimaging.Second,theinfluenceofnon-uniformsamplingforSARimaginghasbeenderivedandanovelspectralreconstructionalgorithmformultipleazimuthbeamsSARbasedontheFrFTtheorywaspresented,simulationresultswereproposedtoverifytheresults.Finally,wegiventhereasonofazimuthambiguities,basedonthetheoryofequivalentphasecenterspacefilterstoremoveazimuthambiguitiesbyusingtheabundantspaceresourcesinmultipleazimuthbeamSARsystemandachievedthewidebandsignalssynthesisinazimuthdirection.2.ItisutilizedtocarryoutNearSpacehigh-resolutionandwide-swathSARimagingsimultaneouslybyintegratingthemultipleazimuthbeamtechnologyandwidebandII万方数据 ABSTRACTsignalsynthesistechnology.Inthispaper,adetailedformulawasderivedonthewidebandsignalsynthesisandthenonlinearCSimagingalgorithm.Throughanalysisofpointtargetsimagingresultsinthepositivesideandsquintmodes,weverifythesystemisfeasibilityandeffectiveness.3.BasedonthedistributedSARimaging’scharacteristic,anovelnonlinearCSimagingalgorithmbasedonLegendrepolynomialexpansionisproposed.WehavegiventheexpressionofNCSchirprate,ChirpScalingOperationfactor,rangematchingfunction,theazimuthmatchingfunctionandothers.Inthecaseofoooosquint0,30,45and50,weusetheNCSimagingalgorithmbasedontheLegendreexpansionandtheTaylorexpansionrespectivelytorealizethepointtargetsimaging.Comparedwiththesimulationresultsatdifferentangles,wegettheLegendrepolynomialimprovestheNCSimagingalgorithmeffectivelyinhighsquintmodeSAR.Keyword:NearSpace，SyntheticApertureRadar，wideswath,highresolution，multipleazimuthbeam，non-uniformsampling，nonlinearCS，LegendrepolynomialIII万方数据 目录目录第一章绪论.................................................................................................................11.1研究目的和意义.......................................................................................................11.2国内外研究现状.......................................................................................................21.3本文的主要工作及安排...........................................................................................3第二章临近空间方位多波束成像技术研究.............................................................52.1引言...........................................................................................................................52.2临近空间方位多波束成像技术...............................................................................52.2.1单发多收成像技术............................................................................................52.2.1.1信号模型.....................................................................................................62.2.1.2仿真结果与分析.........................................................................................92.2.2多发多收成像技术..........................................................................................132.2.2.1信号模型...................................................................................................152.2.2.2仿真结果与分析.......................................................................................162.3方位多波束非均匀采样重构技术.........................................................................192.3.1非均匀采样对成像的影响..............................................................................202.3.1.1非均匀采样的产生...................................................................................202.3.1.2非均匀采样对成像的影响.......................................................................212.3.2基于分数阶傅立叶变换的非均匀采样重构技术..........................................222.3.2.1天线个数M为偶数..................................................................................232.3.2.2天线个数M为奇数..................................................................................242.3.3方位向非均匀采样成像仿真..........................................................................252.4方位向多相位中心空域滤波解模糊技术.............................................................282.4.1空域滤波解模糊基本原理..............................................................................292.4.2方位向空域滤波解模糊..................................................................................312.4.3空域滤波解模糊仿真结果分析......................................................................33IV万方数据 目录2.5小结.........................................................................................................................37第三章临近空间宽域高分辨成像技术研究...........................................................383.1引言.........................................................................................................................383.2宽域高分辨率SAR成像技术...............................................................................383.2.1信号模型...........................................................................................................383.2.2距离向宽带合成技术......................................................................................403.2.3NCS成像算法..................................................................................................423.3仿真结果分析.........................................................................................................483.3.1正侧视成像结果..............................................................................................493.3.1.1距离向宽带信号合成仿真结果...............................................................493.3.1.2点目标成像仿真结果...............................................................................523.3.2斜视成像结果..................................................................................................553.4小结.........................................................................................................................61第四章临近空间分布式SAR成像技术研究.........................................................624.1引言.........................................................................................................................624.2分布式SAR成像基本原理...................................................................................624.3基于Legendre展开的NCS成像算法研究..........................................................664.4仿真结果分析.........................................................................................................714.5小结.........................................................................................................................80第五章结论与展望...................................................................................................81致谢.......................................................................................................................83参考文献.......................................................................................................................84攻硕期间取得的研究成果............................................................................................87V万方数据 图目录图目录图2-1DPC-STMABSAR理论模型......................................................................6图2-2临近空间单发多收信号模型示意图...........................................................7图2-3均匀采样等效相位中心示意图....................................................................9图2-4点阵目标分布图及成像结果......................................................................10图2-5场景中心点目标成像结果..........................................................................10图2-6场景近端点目标成像结果...........................................................................11图2-7场景远端点目标成像结果..........................................................................12图2-8实际的机载SAR图像................................................................................13图2-9真实场景成像结果......................................................................................13图2-10DPC-MTMABSAR系统模型.................................................................14图2-11DPC-MTMAB等效相位示意图..............................................................14图2-12临近空间多发多收信号模型示意图........................................................15图2-13点阵目标成像结果....................................................................................16图2-14场景中心点目标成像结果........................................................................17图2-15场景近端点目标成像结果........................................................................18图2-16场景远端点目标成像结果........................................................................18图2-17真实场景成像结果....................................................................................19图2-18非均匀采样等效相位中心示意图............................................................21图2-19非均匀采样及压缩....................................................................................21图2-20点目标仿真结果........................................................................................27图2-21真实场景数据仿真结果............................................................................27图2-22非均匀信号频谱重构误差分析................................................................28图2-23线性阵列接收信号示意图........................................................................29图2-24等效相位中心及波束指向示意图............................................................29图2-25回波fsin二维平面谱...........................................................................30a图2-26方位多普勒模糊fsin关系示意图.......................................................31a图2-27角度与多普勒频率示意图........................................................................34图2-28方位多普勒模糊时域实部波形图............................................................34VI万方数据 图目录图2-29空域滤波解模糊时域实部波形图............................................................35图2-30方位多普勒模糊频域幅度波形图............................................................35图2-31空域滤波解模糊频域幅度波形图............................................................36图2-32方位向压缩dB图.....................................................................................36图3-1宽域高分辨SAR成像模型示意图............................................................40图3-2频率带宽关系图..........................................................................................41图3-3步进频率法流程图......................................................................................42图3-4场景点目标距离历史示意图......................................................................43图3-5理想信号波形图..........................................................................................50图3-6宽带合成频移操作示意图..........................................................................51图3-7宽带合成时移操作示意图..........................................................................51图3-8中心点宽带合成波形图..............................................................................52图3-9场景中心点目标成像结果..........................................................................53图3-10场景近端点目标成像结果........................................................................54图3-11场景远端点目标成像结果........................................................................54图3-12场景中心点目标成像结果........................................................................56图3-13场景近端点目标成像结果........................................................................57图3-14场景远端点目标成像结果........................................................................57图3-15场景中心点目标成像结果........................................................................59图3-16场景近端点目标成像结果........................................................................59图3-17场景远端点目标成像结果........................................................................60图4-1临近空间分布式SAR单发多收几何示意图............................................62图4-2临近空间分布式SAR单发多收等效相位中心示意图............................63图4-3临近空间分布式SAR多发多收几何示意图............................................64图4-4临近空间分布式SAR多发多收等效相位中心示意图............................64图4-5方位向频谱合成前后点目标响应dB图...................................................65图4-6基于Legendre展开NCS成像算法流程图..............................................71图47Lengdre-basedo0点目标成像结果............................................................72图4-8Taylor-basedo0点目标成像结果...............................................................73图4-9Lengdre-basedo30点目标成像结果..........................................................74图4-10Taylor-basedo30点目标成像结果...........................................................75图4-11Lengdre-basedo45点目标成像结果.........................................................76VII万方数据 图目录图4-12Taylor-basedo45点目标成像结果...........................................................77图4-13Lengdre-basedo50点目标成像结果........................................................78图4-14Taylor-basedo50点目标成像结果...........................................................79图4-15斜视角为o50的相位展开误差示意图......................................................80VIII万方数据 表目录表目录表2-1系统仿真参数................................................................................................9表2-2点目标成像评估结果..................................................................................12表2-3点目标成像评估结果..................................................................................19表2-4系统仿真参数..............................................................................................25表3-1系统仿真参数..............................................................................................49表3-2仿真点目标位置..........................................................................................49表3-3点目标成像评估结果..................................................................................55表3-4点目标成像评估结果..................................................................................58表3-5点目标成像评估结果..................................................................................60表4-1系统仿真参数..............................................................................................72表4-2o0点目标成像评估结果.............................................................................73表4-3o30点目标成像评估结果...........................................................................75表4-4o45点目标成像评估结果...........................................................................77表4-5o50点目标成像评估结果...........................................................................79IX万方数据 缩略词目录缩略词目录SARSyntheticApertureRadar合成孔径雷达PRFPulseRepetitionFrequency脉冲重复频率AFRLAirForceResearchLaboratory空军研究实验室CNESCentreNationald’EtudesSpatiales法国航天局SPCMBSinglePhaseCentreMultibeam单相位中心多波束DPCMBDisplacedPhaseCentreMultibeam偏移相位中心多波束STMABSingleTransmitterMultipleAzimuthBeams单发射机多波束MTMABMultipleTransmitterMultipleAzimuthBeams多发射机多波束LFMLinearFrequencyModulation线性调频CSChirpScaling变标算法PSLRPeakSidelobeRatio峰值旁瓣比ISLRIntegratedSidelobeRatio积分旁瓣比FrFTFractionalFourierTransform分数阶傅立叶变换RDRangeDoppler距离多普勒算法NCSNonlinearChirpScaling非线性变标算法FFTFastFourierTransform快速傅立叶变换IFFTInverseFFT快速傅立叶逆变换PRTPulseRepetitionTime脉冲重复时间X万方数据 第一章绪论第一章绪论1.1研究目的和意义临近空间(Near-space)也称近太空，一般指高度为20~100千米之间的区域，20[1]千米以下为传统航空器的运行空间，100千米以上是航天器的运行空间。长期以来由于技术上的限制和认知上的局限性，人们没有充分认识到临近空间潜在的应用价值，因此临近空间未得到系统性、战略性地开发和利用。目前，随着军事需求的牵引和科学技术的进步，临近空间特有的战略意义日益突出，成为各航空航[2]天大国关注的焦点。临近空间SAR是一种新型遥感SAR，它通过在气球、飞艇或机动飞行器(如高空无人侦察机)等临近空间平台上装载SAR传感器来获取地面目标的二维高分辨率图像。与机载SAR和星载SAR相比，临近空间SAR的平台优势可表现为费效比高、覆盖范围广、长时间监视、生存能力强等特点。长时间监视是临近空间平台一个非常显著的优点，可以对特定感兴趣的目标区域进行长时间连续的监视，对于实时掌握敌方动态，进而在战争中使我方处于有利地位起到十分重要的作用。而大多数星载SAR对于目标的监视低于15分钟。机载SAR由于燃料的限制，对于目标的监视时间也是非常有限的。临近空间SAR除具备平台自身的优势外，它还具备传统SAR的特点。利用临近空间SAR全天时全天候工作的特点可进行更精确的目标分辨和识别，能获取更准确的情报和更精确的军事测绘数据。在军事测绘方面，利用临近空间SAR可测量地面目标的位置和地形参数；在海洋监视方面，利用临近空间SAR可探测航行中的舰船并对广阔的海域进行监视；在军事侦察方面，利用临近空间SAR的高分辨率特性可以发现和识别一些重要的军事目标(如飞机、坦克等)和具有战略意义的特殊目标(如机场、桥梁等)。临近空间是空天一体化作战的重要战略领域，在这个平台上部署传感器，尤其是SAR传感器，不仅能够获取新型遥感数据，还可以完成监视、情报侦察和预警等各种军事任务。因此，开展临近空间SAR系统及其成像技术研究具有极其重要的军事意义和战略意义。临近空间SAR系统根据搭载的平台不同分为：临近空间快速平台SAR和临近空间慢速平台SAR，本文主要研究基于快速平台下的宽域1万方数据 电子科技大学硕士学位论文高分辨率SAR成像技术。1.2国内外研究现状由于临近空间SAR在国内外都属于很新的研究领域，还没有相关成型的SAR系统问世，考虑到临近空间SAR与星载SAR具有相似处，因此，可以借鉴星载SAR的研究方法，从中得到启示。宽测绘带和高分辨率成像是SAR成像中两个重要指标。对于传统的SAR系统而言，方位向高分辨率与宽测绘带之间存在矛盾。即要实现方位向高分辨，方位向信号需具有很大的多普勒带宽，因此需要较高的脉冲重复频率(PRF)对方位向回波信号进行采样避免多普勒模糊。同时，为了不引起距离模糊，观测带回波必须在一个脉冲重复周期之内到达，因此要实现宽测绘带，则需要较低的脉冲重复频率。因此在常规SAR系统设计中，需要在测绘带宽度和方位向分辨率之间折中，[3]即天线最小面积受到限制。突破天线最小面积限制，主要有两种雷达体制，一种[4][5][6][7][8][9]是方位多波束雷达体制，另一种是分布式SAR雷达体制。这两种雷达体制的共同特点是通过空间维采样率的增加来获取时间维采样率的降低，在实现宽测绘带的同时，提高了方位向分辨率。方位多波束技术又分为单相位中心多波束技术(Singlephasecentremultibeam)[5]和偏置相位中心多波束技术(Displacedphasecentremultibeam)。单相位中心多波束技术主要思路为：沿天线方位向上形成多个接收波束，各波束分别覆盖相邻的区域，除此之外各波束回波信号的多普勒频谱也彼此相邻，经频域处理后可将接收的多个回波信号合成具有较宽多普勒带宽的信号，进而提高了方位向分辨率。与单相位中心多波束相类似，偏置相位中心多波束在方位向上也有多个接收波束。区别在于接收回波的等效相位中心与发射信号的相位中心沿方位向存在偏置，在满足一定条件的情况下，回波信号的相位中心沿方位向是均匀排列的。沿方位向不同位置上的多个接收天线分别接收回波数据，等效提高了方位脉冲采样率，进而提高了方位向分辨率。以方位多波束理论为基础，国内外学者展开了深入的研究。澳大利亚学者G.D.Callaghan提出采用上下左右各两个通道的四通道天基SAR，[10]它利用多通道来解距离多普勒模糊，获得宽测绘带；德国学者M.Suess等也提出采用多方位和俯仰的子孔径来获得高分辨率宽测绘带。国内学者宋岳鹏，杨汝良应用多收多发孔径实现高分辨率宽测绘带成像，并对偏置相位中心方位多波束[11][12]SAR天线姿态误差进行了分析。胡玉新,丁赤飚,吴一戎利用相位中心偏移方位2万方数据 第一章绪论多波束技术实现了宽测绘带SAR成像，此外结合实际情况，分析产生方位向非均[13]匀采样的原因，并对非均匀采样信号进行了重构。加拿大卫星RADARSAT-2和德国卫星TerraSAR-X都采用了方位多波束雷达体制。分布式SAR，是雷达界在最近几年提出的一种新的体制，它由多个SAR平台编队组成并协同工作，实现单基地SAR功能的分布式系统的构想。这一概念一经提出，就引起了国内外研究人员的广泛关注，并开始探索利用多个SAR平台进行[14]编队飞行的可行性及潜在应用领域的研究。在现有的分布式SAR中主要有美国[6]空军研究实验室(AFRL)TechSat21计划的多发多收体制和法国航天局(CNES)的[7][8]干涉Cartwheel一发多收体制。GoodmanNA,LinSC,RajakrishnaD,andStiles[15]JM提出用多接收天线的星载阵列编队实现宽域高分辨率SAR成像。KriegerG,[16]WendlerM采用寄生式SAR结构实现宽域高分辨率成像。李真芳，保铮，王彤，邢孟道对分布式小卫星SAR解多普勒模糊的方法进行了讨论，利用分布式SAR系[17]统丰富的空域资源，结合空域滤波器，实现了方位向回波信号的解模糊。雷万明,刘光炎,黄顺吉针对分布式卫星SAR系统工作在正侧视模式下，提出了利用修改的距离-多普勒算法进行单个星载SAR成像的算法以及波束形成合成分布式[18]SAR图像的算法。闫鸿慧,王岩飞,张冰尘研究了利用频谱合成实现分布式SAR[19]高分辨率成像的方法。井伟，武其松，邢孟道，保铮提出多子带并发的多发多[20]收的SAR成像方法，在扩大测绘带宽度的同时实现高分辨成像。夏玉立,雷宏,[21]黄瑶分析了一种沿航向排列分布式小卫星宽测绘带二维高分辨率成像技术。在分布式SAR雷达体制，可实现合成孔径雷达成像、干涉合成孔径雷达成像和地面动目标检测等多项任务，可独立进行收发信号、信号处理等工作。具有重量轻、体积小、成本低和发射灵活等优点，是未来SAR一个重要的发展方向。1.3本文的主要工作及安排本文所做的工作主要针对临近空间快速平台宽域高分辨率SAR，开展了临近空间方位多波束成像技术和分布式SAR成像技术的研究。分析阐述了方位向回波信号非均匀采样产生原因和影响，提出了一种基于分数阶傅立叶变换的方位多波束非均匀信号频谱重构算法。将偏置相位中心多波束技术与距离向宽带信号合成技术相结合，实现了宽测绘带高分辨率SAR成像，为SAR系统的研制提供了理论基础。在斜视模式下，针对临近空间分布式SAR斜视角大，距离走动大等特点，提出了一种基于Legendre展开的非线性CS成像算法，提高了频谱近似精度，为3万方数据 电子科技大学硕士学位论文高精度SAR成像的研究提供了一种新的方法。论文各章节安排如下：第一章主要介绍了论文的研究目的和意义，方位多波束和分布式SAR成像技术的国内外研究现状，最后给出了论文的主要工作及框架结构。第二章针对临近空间方位多波束SAR成像技术展开研究。首先分析了方位多波束成像技术原理，建立了单发多收和多发多收成像信号模型，实现了均匀采样条件下方位多波束成像。在此基础上，分析了非均匀采样对方位向成像的影响，提出了一种基于分数阶傅立叶变换的方位多波束非均匀信号频谱重构算法，并通过仿真验证了算法的有效性。接着本章从解模糊的角度入手，分析了方位向多普勒模糊产生的原因，研究了基于等效相位中心的空域滤波解模糊技术，完成了方位向宽带信号的合成。第三章针对临近空间宽域高分辨率SAR成像技术展开了研究，文中将方位多波束技术与距离向宽带信号合成技术相结合，实现了临近空间宽测绘带高分辨率SAR成像。首先，给出了SAR成像信号模型；然后对宽带信号合成技术和非线性CS成像算法进行了详细的理论推导；最后通过对点目标在正侧式和斜视模式下仿真结果的分析，验证了算法的可行性和有效性，为临近空间SAR系统的研制提供了理论依据。第四章在斜视模式下，针对临近空间分布式SAR斜视角大，距离走动大等特点，结合传统的NCS成像算法，提出了一种基于Legendre展开的非线性CS成像算法。文中对基于Legendre展开的NCS成像算法进行了详细的推导。最后在斜视oooo角为0，30，45和50的情况下分别用基于Legendre展开的NCS成像算法和用基于Taylor展开的NCS成像算法对点目标进行成像。通过对比不同角度下算法的仿真结果，得出了在临近空间SAR大斜视工作模式下，Legendre多项式有效的改善了NCS算法的成像质量，为成像算法的研究提供了一种新的方法。第五章对全文进行了总结，并对今后开展的工作提出了展望。4万方数据 第二章临近空间方位多波束成像技术研究第二章临近空间方位多波束成像技术研究2.1引言临近空间SAR是一种新型的遥感SAR，具有费效比高、观测范围广、长时间监视、生存能力强等特点，成为各航空航天大国关注的焦点。长时间监视是临近空间SAR一个非常显著的优点，对于实时掌握敌方动态，进而使我方在战争中处于有利地位起到重要的作用。而宽域高分辨率SAR成像对于大范围目标监视和军事侦察，精确获取重要目标信息等方面发挥着重要的作用。因此开展基于临近空间宽域高分辨率SAR成像技术具有十分重要意义。利用方位多波束技术获得高分辨宽测绘带的方法主要有两种分别为：单相位中心多波束技术(Singlephasecentremultibeam,SPCMB)和天线相位中心偏移多波束技术(Displacedphasecentremultibeam,DPCMB)。本章将以DPCMB技术为基础，针对临近空间单平台SAR成像技术展开研究。建立了单发多收和多发多收信号模型，实现了均匀采样条件下临近空间方位多波束成像。结合单发多收信号模型，分析了方位向回波信号非均匀采样产生的原因以及对成像造成的影响，提出了一种基于分数阶傅立叶变换的方位多波束非均匀信号频谱重构算法。文中给出了方位多普勒模糊产生的原因，以等效相位中心为基础，利用方位多波束丰富的空域资源，结合空域滤波解模糊技术，最终实现了方位向宽带信号的合成。2.2临近空间方位多波束成像技术DPCMB成像技术，按发射天线的个数可分为单发射机多波束（SingleTransmitterMultipleAzimuthBeams，STMAB）和多发射机多波束（MultipleTransmittersMultipleAzimuthBeams，MTMAB）。本节将分别对这两种模型进行讨论。2.2.1单发多收成像技术根据方位多波束理论基础，SAR天线在方位向上被分割成N个子天线，位于中心位置的子天线(天线个数最好为奇数)既做发射天线又做接收天线，其它位置的5万方数据 电子科技大学硕士学位论文子天线仅做接收天线。此外，发射天线和接收天线具有相同的波束宽度和位置指向。DPC-STMABSAR理论模型如图所示(以三个接收天线为例)。发射接收方位向目标目标图2-1DPC-STMABSAR理论模型沿方位向不同位置上的N个接收天线分别接收回波数据，即对于每一个发射脉冲都对应着N组回波数据，从而等效提高了方位脉冲采样率。我们设系统脉冲重复频率为PRF，等效脉冲重复频率为PRF，则等效PRF与系统PRF有如下关系：PRFNPRF(2-1)采用STMAB技术，其工作脉冲重复频率为与其具有相同波束宽度常规SAR脉冲重复频率值的N分之一。合理设置接收天线之间的间距d，雷达飞行速度V，工作脉冲重复周期PRT，方位向天线个数N的关系，使得回波信号在方位向的采样是均匀的，即：2VPRTd(2-2)N2.2.1.1信号模型6万方数据 第二章临近空间方位多波束成像技术研究V高度天线1Y发射/接收d接收天线0d目标天线-1H0PX图2-2临近空间单发多收信号模型示意图根据DPC-STMAB理论，建立了临近空间单发多收SAR信号模型，如图2-2所示。雷达方位向包含N个天线(本文为讨论方便N3)，各个子天线方位向和距离向尺寸指标相同，间距为d。雷达平台以速度v沿Y方向飞行，工作在正侧视模式。天线0既发射信号同时也接收回波信号，天线-1和1接收天线0发射的回波信号。场景中一点目标P到天线相位中心的距离为R，雷达到目标的最近距离为R。b设雷达发射的信号为线性调频信号(LFM):tp2Stt(,)rect()expj2ftjkt(2-3)pmcprpTp式中，T为发射信号脉冲宽度，f为发射信号载频，k为线性调频率，t为脉冲pcrptp发射时间(快时间)，t为雷达平台运行时间(慢时间)。rect()为宽度为T的矩形mpTp窗函数，即：Tp1ttp2prect()(2-4)TTpp0tp2根据临近空间单发多收信号模型的几何关系，在慢时刻tmPRT，第k个m天线至目标距离可表示为22RRXt,,RVtkdX(2-5)kbnmbmn7万方数据 电子科技大学硕士学位论文则对应的延时为：1kRXtb,n,mRRXt0b,n,mRRXtkb,n,mc2(2-6)222RbVtmnX0.5kdkdccR4cRbb式中，m为发射的脉冲数，X为点目标的方位向坐标，c为光速，RRXt,,为n0bnm发射天线0与点目标的距离。那么，雷达接收的回波信号为：t2/Rcpk2S(,)ttrect()expj2ft(2Rc/)jkt(2Rc/)(2-7)mkpmcpkrpkTp点目标回波经去载频、正交解调之后的信号为：tpk2/Rc24RRkk2S(,)ttrect()exp{jkt()}exp(j)mkpmrpTcpt2/Rc22RRpkkb2rect()exp{jkt()}expj2(2-8)rpTcp2VtX0.5kdkd22mnexpj2fexpj2fcccRbb4cR式中，R为RRXt,,的简写，为发射信号波长。上式中包含4个复指数项，kkbnm其中，第一项为距离向回波信息，由于本文不讨论距离向上的回波信息，因此没有对距离向进行展开；第二项表示航线与目标散射点之间的距离；第三项表示方位向多普勒回波包含一个二次相位项，可以用匹配滤波的方法进行方位向压缩，且第k个数据通道的相位中心在0.5kd的位置上；第四项是从收发分置模式近似为自发自收模式所引入的误差。补偿掉第四项后，临近空间单发多收信号模型可以等效为等效相位中心的单发单收模式，如图2-3所示。在满足式2-2要求的前提下，图中的等效相位中心为等间距排列。8万方数据 第二章临近空间方位多波束成像技术研究飞行方向天线-1天线0天线1发射/接收第一个PRF接收dd第二个PRF等效相位点d/2第三个PRF等效相位中心d/2图2-3均匀采样等效相位中心示意图2.2.1.2仿真结果与分析本节分别对点目标和真实场景进行成像仿真。通过成像结果验证了临近空间单发多收方位多波束成像算法的正确性。具体仿真参数为：表2-1系统仿真参数参数参数平台高度(m)20000脉冲重复频率(Hz)600发射信号频率(GHz)10平台速度(m/s)1350波束俯仰角(degree)45发射信号脉宽(us)5波束斜视角(degree)0方位向天线个数3方位向分辨率(m)1测绘带宽度(m)4000距离向分辨率(m)1测绘带长度(m)5001)点目标成像设置场景大小为4000m×500m，场景中设置了9个点目标，其坐标分别为：目标1(18050,200)，目标2(18050,0)，目标3(18050,-200)，目标4(20000,200)，目标5(20000,0)，目标6(20000,-200)，目标7(21950,200)，目标8(21950,0)，目标9(21950,-200)，具体分布如图2-4(a)所示。在仿真过程中，回波模拟采用距离时域叠加算法，[22]成像采用CS成像算法。点阵目标成像结果如图2-4(b)所示。为了更加清晰的观察点目标成像的效果，文中给出了场景中心点、场景近端点和场景远端点点目标成像灰度图、等高线图、距离向剖面图和方位向剖面图，分别如图2-5、2-6和2-7所示。9万方数据 电子科技大学硕士学位论文点阵目标成像结果方位向m900800(18050,200)(20000,200)(21950,200)700距离向(m)(18050,0)(20000,0)(21950,0)/采样点600方位向500(18050,-200)(20000,-200)(21950,-200)40030050010001500200025003000350040004500距离向/采样点(a)点阵目标坐标分布图(b)点阵目标成像结果图2-4点阵目标分布图及成像结果场景中心点仿真结果如下：动态范围40dB灰度图目标成像等高线图90013001000125011001200/采样点1200/采样点方位向方位向11501300110014001050100011001200130014001500105011001150120012501300距离向/采样点距离向/采样点(a)点目标成像灰度图(b)点目标成像等高线图距离向剖面图/dB方位向剖面图/dB00-5-5-10-10X:1235X:1181Y:-13.28Y:-13.27/dB/dB-15-15幅度幅度-20-20-25-25100010501100115012001250130013501400114011601180120012201240距离向/采样点方位向/采样点(c)距离向剖面图(d)方位向剖面图图2-5场景中心点目标成像结果10万方数据 第二章临近空间方位多波束成像技术研究场景近端点仿真结果如下(18050,-200)：动态范围40dB灰度图目标成像等高线图90013001000125011001200/采样点1200/采样点方位向方位向1150130011001400105090010001100120013001400105011001150120012501300距离向/采样点距离向/采样点(a)点目标成像灰度图(b)点目标成像等高线图距离向剖面图/dB方位向剖面图/dB00-5-5-10-10X:1231X:1184Y:-13.24Y:-13.19/dB/dB-15-15幅度幅度-20-20-25-2510001050110011501200125013001350112011401160118012001220124012601280距离向/采样点方位向/采样点(c)距离向剖面图(d)方位向剖面图图2-6场景近端点目标成像结果场景远端点仿真结果如下(21950,200)：动态范围40dB灰度图目标成像等高线图90013001000125011001200/采样点1200/采样点方位向方位向1150130011001400105090010001100120013001400105011001150120012501300距离向/采样点距离向/采样点(a)点目标成像灰度图(b)点目标成像等高线图11万方数据 电子科技大学硕士学位论文距离向剖面图/dB方位向剖面图/dB00-5-5-10-10X:1177X:1229Y:-13.22Y:-13.23/dB/dB-15-15幅度幅度-20-20-25-25-30100010501100115012001250130013501140116011801200122012401260距离向/采样点方位向/采样点(c)距离向剖面图(d)方位向剖面图图2-7场景远端点目标成像结果分别评估场景中心点、近端点和远端点3个点目标在距离向和方位向的分辨率、峰值旁瓣比(PLSR)和积分旁瓣比(ILSR)，评估结果如表2-2所示。表2-2点目标成像评估结果分辨率(m)PLSR(dB)ILSR(dB)距离向0.8868-13.26259.7633场景中心点方位向0.7834-13.27239.8810距离向0.8866-13.27449.7873场景近端点方位向0.7483-13.32009.9024距离向0.8880-13.28029.8362场景远端点方位向0.8226-12.98229.4761从表中可以看出，场景中心点、近端点和远端点的目标在距离向和方位向的图像质量指标均满足均匀加权时系统成像指标的要求，从而进一步验证了临近空间单发多收模式方位多波束成像算法的正确性。2)真实场景成像为了进一步验证算法的有效性，图2-8为一幅大小为512×512个像素的高分辨率机载SAR图像，我们可以将机载SAR单视图像数据作为自然场景目标的后向散射系数。仿真参数与表2-1相同，采用基于两维傅立叶变换的快速回波模拟算法[23][24]模拟自然场景的回波数据，并利用CS算法对模拟的自然场景回波数据进行成像，成像结果如图2-9所示。12万方数据 第二章临近空间方位多波束成像技术研究图2-8实际的机载SAR图像图2-9真实场景成像结果通过对比图2-8和图2-9可以看出：在临近空间单发多收方位多波束信号模型下，真实场景成像结果基本上能够表征实际地面场景的散射特性，从而进一步验证了算法的有效性。2.2.2多发多收成像技术多发射机多接收机天线相位中心偏移方位多波束技术(DPC-MTMAB)的基本原理与DPC-STMAB是一致的。区别在于方位向上的子天线既做发射天线又做接收天线。因此，与DPC-STMAB技术相比，DPC-MTMAB技术具有更加丰富的空域资源。DPC-MTMABSAR理论模型如图2-10所示(以三个接收天线为例)。13万方数据 电子科技大学硕士学位论文发射接收方位向目标目标图2-10DPC-MTMABSAR系统模型采用DPC-MTMABSAR结构工作，各个发射机在同一时刻发射具有相同调频率、相位的线性调频信号，经目标反射后，各个接收机接收目标回波信号，那么同一接收机接收的回波信号中包含了不同发射机发射的信号回波，将不同的回波信号分离后，沿方位向排列为等效单波束系统的方位向回波，空间采样率将获得很大的提高。如图2-11所示，为DPC-MTMAB等效相位示意图。飞行方向天线-1天线0天线1发射/接收第一个PRFddd/2等效相位点天线-1接收回波相位中心天线0接收回波相位中心天线1接收回波相位中心第二个PRF天线-1接收回波相位中心天线0接收回波相位中心天线1接收回波相位中心等效相位中心d/2图2-11DPC-MTMAB等效相位示意图等效PRF与系统PRF有如下关系：PRF21NPRF(2-9)采用天线相位中心偏移方位多波束技术，其工作脉冲重复频率为与其具有相同波束宽度常规SAR脉冲重复频率值的21N分之一。要使得回波信号在方位向的采样是均匀的，需要满足：14万方数据 第二章临近空间方位多波束成像技术研究2VPRTd(2-10)21N2.2.2.1信号模型V高度天线1Y发射/接收d目标天线0d天线-1H0PX图2-12临近空间多发多收信号模型示意图根据DPC-MTMAB理论，建立了临近空间多发多收SAR信号模型，如图2-12所示。雷达以速度v沿Y方向飞行，工作在正侧式模式。天线-1,0和1既发射信号同时也接收回波信号。根据临近空间多发多收信号模型几何关系，在慢时刻tmPRT，第i个天m线至目标距离可表示为22RRXt,,RVtidX(2-11)ibnmbmn设R为第i根天线接收第j根天线发射的回波信号的距离之和，数学表达式为：ijRijRRXtib,n,mRRXtjb,n,m(2-12)2222RbVtmidXnRbVtmjdXn则对应的延时为：2222RbVtmidXnRbVtmjdXnijRXtb,,nmc(2-13)2222RbVtmnX0.5ijdijdccR4cRbb式中，m为发射的脉冲数，X为点目标的方位向坐标，c为光速。点目标回波经n去载频、正交解调之后的信号为：15万方数据 电子科技大学硕士学位论文tR/2cRRpijij2ijStt(,)rect()exp{jkt()}exp(j)ijpmrpTcptpRij/cRij24Rbrect()exp{jkt()}expj(2-14)rpTcp222VtX0.5ijdijd2mnexpjjexpRR2bb如图2-11所示，为DPC-MTMAB等效相位中心示意图。在满足式2-10要求的前提下，图中的等效相位中心为等间距排列。2.2.2.2仿真结果与分析为了验证临近空间多发多收方位多波束成像技术的正确性和有效性，仿真参数如表2-1所示，脉冲重复频率设为400Hz，分别对点目标和真实场景进行成像仿真。通过对仿真结果的分析，验证了成像算法的正确性。1)点目标成像设置场景大小为4000m×500m，场景中设置了9个点目标，其坐标分别为：目标1(18050,200)，目标2(18050,0)，目标3(18050,-200)，目标4(20000,200)，目标5(20000,0)，目标6(20000,-200)，目标7(21950,200)，目标8(21950,0)，目标9(21950,-200)，具体分布如图2-4(a)所示。点阵目标成像结果如图2-13所示：点阵目标成像结果900800700600/采样点方位向50040030050010001500200025003000350040004500距离向/采样点图2-13点阵目标成像结果采用距离时域叠加算法模拟点目标的回波数据，利用CS成像算法对回波数据16万方数据 第二章临近空间方位多波束成像技术研究进行成像处理，场景中心点、近端点和远端点的成像结果如下图所示：场景中心点仿真结果如下：动态范围40dB灰度图目标成像等高线图90013001000125011001200/采样点1200/采样点方位向方位向1150130011001400105090010001100120013001400105011001150120012501300距离向/采样点距离向/采样点(a)点目标成像灰度图(b)点目标成像等高线图距离向剖面图/dB方位向剖面图/dB00-5-5-10-10X:1235X:1177Y:-13.28Y:-13.27/dB/dB-15-15幅度幅度-20-20-25-251000105011001150120012501300135014001140116011801200122012401260距离向/采样点方位向/采样点(c)距离向剖面图(d)方位向剖面图图2-14场景中心点目标成像结果场景近端点仿真结果如下(18050,-200)：动态范围40dB灰度图目标成像等高线图100013001100125012001200/采样点/采样点方位向1300方位向1150140011001500105090010001100120013001400105011001150120012501300距离向/采样点距离向/采样点(a)点目标成像灰度图(b)点目标成像等高线图17万方数据 电子科技大学硕士学位论文距离向剖面图/dB方位向剖面图/dB00-5-5-10X:1231-10X:1216Y:-13.24Y:-13.19/dB/dB-15-15幅度幅度-20-20-25-25100010501100115012001250130013501400112011401160118012001220124012601280距离向/采样点方位向/采样点(c)距离向剖面图(d)方位向剖面图图2-15场景近端点目标成像结果场景远端点仿真结果如下(21950,200)：动态范围40dB灰度图目标成像等高线图9001000130011001250/采样点1200/采样点1200方位向方位向1300115014001100105090010001100120013001400105011001150120012501300距离向/采样点距离向/采样点(a)点目标成像灰度图(b)点目标成像等高线图距离向剖面图/dB方位向剖面图/dB00-5-5-10X:1229-10X:1214Y:-13.22Y:-13.18/dB/dB-15-15幅度幅度-20-20-25-25100010501100115012001250130013501400112011401160118012001220124012601280距离向/采样点方位向/采样点(c)距离向剖面图(d)方位向剖面图图2-16场景远端点目标成像结果分别评估场景中心点、近端点和远端点3个点目标，评估结果如表2-3所示。18万方数据 第二章临近空间方位多波束成像技术研究表2-3点目标成像评估结果分辨率(m)PLSR(dB)ILSR(dB)距离向0.8868-13.26289.7633场景中心点方位向0.8716-13.26319.8329距离向0.8863-13.27289.7845场景近端点方位向0.8316-13.30109.9407距离向0.8876-13.27919.7897场景远端点方位向0.9132-12.95749.4973从表中可以看出，场景中心点、近端点和远端点的目标在距离向和方位向的图像质量指标均满足均匀加权时系统成像指标的要求，从而进一步验证了临近空间多发多收模式方位多波束成像算法的正确性。2)真实场景成像与单发多收真实场景成像仿真类似，我们将图2-8高分辨率机载SAR图像数据作为自然场景目标的后向散射系数。采用两维傅立叶变换的快速回波模拟算法模拟自然场景的回波数据，利用CS算法进行成像，成像结果如图2-17所示。图2-17真实场景成像结果通过对比图2-8和图2-17可以看出：在临近空间多发多收方位多波束信号模型下，真实场景成像同样能够表征出实际地面场景的散射特性，从而验证了临近空间多发多收模式方位多波束成像算法的有效性。2.3方位多波束非均匀采样重构技术上一节，我们针对临近空间方位多波束成像技术展开了讨论，并实现了均匀采样条件下宽域高分辨SAR成像。然而在实际过程中，由于各种因素的影响，使得天线间距、平台飞行速度和脉冲重复频率之间不能满足理论要求，因而造成了19万方数据 电子科技大学硕士学位论文方位向回波信号非均匀采样，近似呈现为周期性非均匀的特点。针对这种情况，要实现临近空间方位多波束回波信号的均匀采样，需要对周期性非均匀采样信号的频谱进行重构。查阅相关文献，对于周期性非均匀采样信号的重构，国内外学者已经提出了[25][26]一些算法，如插值重构算法、时域重构算法、Special-Fit重构算法、最小均方[27][28]差重构算法、频域重构算法、FrFT重构算法和基于滤波器组的重构算法[29][30][31]等。插值重构算法的基本思想是通过插值因子对已知数值点进行“重采样”，得到理想位置的数值。该算法易于实现，但算法计算量大。时域重构算法对带限信号可以由其周期性非均匀采样点直接通过重构公式进行重构，该算法与插值重构算法类似简单且易于实现，但计算量很大，对实时性要求较高的系统来说是很难满足要求的。Special-Fit重构算法和最小均方差重构算法的基本思想类似，通过寻找最小均方差，从而重构出均匀信号。频域重构算法和FrFT重构算法类似，利用泊松求和公式，将非均匀采样信号谱函数与原始信号谱函数相关联，得出系数矩阵与频谱变化无关的关系。利用这一关系能够迅速实现非均匀采样信号频谱的重构。此外，分数阶傅立叶变换是已经被证明在量子物理、光学和非平稳信号处理中最佳的理论和方法，特别适用于线性调频信号的处理(现代雷达多采用线性调[32][33][34]频信号做为信号发射源)。与频域重构法相比，分数阶傅立叶变换重构算法的一个优点是：傅立叶域的非带限信号在分数阶傅立叶域被赋予一个特定角度值后可能是带限信号，同时，带限信号的处理可以通过分数阶傅立叶变换得到一个理想的值。基于滤波器组重构算法的思想是通过已知重建条件的前提下合成滤波器组，通过该滤波器组对方位向周期性非均匀采样信号进行重构，进而得到均匀采样信号。该算法具有运算量小、处理精度高、便于工程实现的优点，重构效果受滤波器组设计的影响很大。2.3.1非均匀采样对成像的影响2.3.1.1非均匀采样的产生本节将以临近空间方位多波束单发多收信号模型为基础，对非均匀采样进行研究和讨论。如图2-3所示，根据STMABSAR理论，要满足方位向均匀采样的条件，则有：2VPRTd(2-15)M20万方数据 第二章临近空间方位多波束成像技术研究式中，d为相邻天线相位中心之间的距离，V为雷达平台的飞行速度，PRT为脉冲重复周期，M为方位向天线个数。然而，在实际过程中，由于雷达平台速度和脉冲重复周期会发生变化，这将造成方位向回波信号的采样为周期性非均匀采样，如图2-18所示。M*PRTM*PRTd/(2v)>d/(2v)
