高分辨SAR成像技术研究_图文

1、 笠旦(2.3/2L其中v为信号带宽,厂为信号频率,D为天线尺寸,三为合成孔径长度。上式说明,能够将SAR的回波信号直接分解为两个一维处理的条件是:信号的相对带宽要小于波束锐化比的倒数。高波段SAR容易得到满足,但低波段SAR信号的相对带宽一般很大,其耦合非常严重,需要进行二维的处理运算才能得到满意的图像质量。 (a高波段SAR(b低波段SAR图2.1时域处理3、数据量方面高分辨率低波段SAR需要很大的方位向积累角,导致每个分辨单元的大数据量处理,而高波段SAR数据量相对要小很多。设低波段驰R载频为XXXMHz、带宽XXXMHz、采样频率250MHz、脉冲时间10us、斜距10km、方位向采样

2、间隔为0.2m,在这种条件下,要得到lm的方位向分辨率,则方位向积累角为32.70。高波段SAR载频为XXGHz,其他参数与低波段SAP.相同,要求方位向分辨率也为lm,则方位向积累角为1.40。在正侧视条件下,对每一个成像单元可以计算出所需数据量。对于低波段SAR,一个成像单元需要的点数,距离向点数以2.5x10,方位向点数,1.4xlo,总的数据量N=Jv,3.5x107;高波段SAR距离向点数札22.5xl o,方位向点数06.1x102,总的数据量N=札N.1.5x106。从上面的计算结果可以看出,同一个成像单元低波段SAR的数据量是高波段SAR的10倍以上。4、旁瓣方面36】对于同一

3、天线而言,发射信号频率不同,对应波束宽度也会不同。在低波段SAR条件下,信号频率变化大,不同频率分量的信号就对应不同的波束角。高波段SAR的数据支撑区域为矩形,成像处理时采用固定的处理口径,就能得到高质量的图像。但是在低波段SAR 条件下,低频分量对应的多普勒带宽小于高频分量对应的多普勒带宽,因此回波数据支撑区域不再是传统的矩形区域,而是一个梯形区域,这将导致图像中出现非正交旁瓣。 (a高波段SAg(b低波段SAg图2-2点目标成像结果图22为高波段SAg和低波段SAR点目标成像结果,图2.2(a中高波段SAR为正交旁瓣,而图2-2(b中低波段SAR则出现非正交旁瓣,在这种情况下需要采用不同的

4、窗函数去除旁瓣的影响。上面的分析中正侧视高波段sAR积累角比较小,距离徙动小,距离和方位耦合较小,成像相对比较简单。与高波段SAR相比,低波段SAR成像处理有其特殊性,如高分辨低波段sAR积累角一般都在30。以上,大积累角会导致严重的距离徙动,而且这种距离徙动具有空变的性质。载机与目标的距离变化在合成孔径时间内呈双曲线函数变化过程,而不是高波段SAR所呈现的二次函数变化过程,传统的成像算法已不再适用。针对高波段SA彤Tn低波段SAR在成像处理中的难点所在,本文在现有成像算法的基础上,详尽分析了成像算法对目标聚焦性能的影响,并对测绘带宽和计算量等方面进行分析。得到各成像算法对高波段SAR和低波段

5、SAR的适用性。本章内容安排如下;介绍了高波段SAR和低波段SAR的特点;分析了CS和NCS算法对高波段sAR和低波段SAR的适用性,并且分析了旁瓣的影响;同时给出各种算法的仿真结果。§2.2CS成像算法CS成像算法是一种高精度的SAR成像处理方法。算法通过CS因子相乘,将不同距离目标的距离徙动曲线补偿到相同形状,然后分别在二维频域和距离一多普勒域完成距离处理和方位处理,其中距离压缩是在二维频域完成的,距离徙动、二次距离压缩(SRC也同时完成,因此SRC参考函数不需要忽略随频率的变化,比改进RD算法的SRC更为精确。而且,整个CS算法仅通过FFT和复乘完成,不需要进行插值处理,运算量

6、较小。 里堕型兰垫查查兰里茎生堕兰竺堡苎 (a高波段SAR相位误差(b低波段SAR相位误差图2-4泰勒级数近似产生的相位误差在这里进行成像处理时,通过补偿参考点的三次及三次以上高次相位,消除了参考距离附近目标的距离方位耦合,实现了CS算法对参考距离附近目标的精确成像。这时其它斜距位置的相位误差函数是目标距离与参考距离之差的函数,可以解决低波段SAR数据成像时,泰勒级数近似产生的误差过大问题。将SAR回波信号变换到二维频域的结果如式(2.5所示,参考距离处相位误差补偿函数如式(2.18所示。后面将给出相位误差补偿后点目标成像的结果。肌=cxp厅%华2-(务2.唧t一李历一等南z+石%笔署,Q-幻

7、2、j乙(丘,%近似在CS算法实现过程中,将调频率j0(正,%近似为参考距离处的调频率j0(无,墨。,忽略了调频率随斜距的空变性,在较窄测绘带时,这种近似处理所产生的误差较小,但对于大测绘带以及大斜视角的情况,测绘带边缘部分将会出现散焦。这里主要分析调频率近似对二次距离压缩项的影响。式(2.II中二次距离压缩项为%他=时丽方务乏丽1=唧【奇(一歹I+甓警】包进行距离压缩时,参考信号如式(2.12所示,所采用的调频率为j0(丘,E。,即采用参考距离处的调频率。调频率近似所引入的相位误差如式(2.20所示,进行仿真分析时所采用的参数如表2.I所示。第13页以厶厶蛐一卜哆簇硒+丽糕耐眩2。, =cx

8、p【,蔫端(如一%刀(a高波段SAR相位误差(b低波段￥AR相位误差图2-5调频率近似所产生的相位误差图2-5为调频率近似所产生的相位误差(按照表l中的参数。若认为相位误差小于7r/4对成像质量没有影响,通过式(2.20,可以求出高波段SAR和低波段SAR在表1参数条件下测绘带的有效宽度。计算结果为高波段￥AR测绘带范围基本不受限制,而低波段SAR 测绘带范围仅为146.4m。由此可见,对于高波段SAR,CS算法基本能满足聚焦性能的要求,但对于低波段SAR,CS算法只能在很窄的测绘带范围内满足聚焦性能的要求。同时需要说明的是,测绘带宽度随载频的增加丽增大。3、CS算法仿真结果按照表22中的参数

9、采用CS算法进行仿真,低波段￥AR点目标成像结果如图2.6所示(本章中图像均以dB图显示。图2-6(a为采用标准cS算法对参考点目标成像结果;图2-6(b为补偿参考点泰勒级数近似所产生的相位误差后参考点成像结果;图2-6(c为测绘带边缘150m处点目标成像结果。从图中可以看出在低波段SAIL图像中非正交旁瓣非常严重,边缘部分点目标散焦比较严重。同时参考点补偿后的成像效果要明显好于未补偿的情况,这与前面分析泰勒级数近似所产生相位误差时的结论相一致。表2-2点目标仿真参数载频带宽脉冲采样率载机脉冲重复中心方位高波段低波段持续时间速度频率斜距分辨率XX XXX XXX姚10us250hk100m/s

10、500Hz2Km lm GHz MHz图2.7为高波段SAR数据cS成像结果。图2.7(a为参考点处成像结果;图27(b为参考点相位误差补偿后的成像结果;图2.7(c为测绘带边缘150m处的成像结果。从第14页国防科学技术丈学研究生院学位论文图27的成像结果中可以看出,高波段SAR存在正交旁瓣,采用参考点相位误差补偿的方法对成像质量影响不大,测绘带边缘处置标成像结果也基本能满足聚焦性能的要求。表2.3为点目标的性能指标,高波段SAR参考距离处目标相位误差补偿前后PSLR、ISLR和分辨率没有大的改变,测绘带边缘处目标峰值旁瓣比(PSLR、积分旁瓣比(ISLR分别减小了IdB和2dB,分辨率也有

11、所降低。低波段SAR参考距离相位误差补偿后PSLR大概增加了3db,而ISLR增加了9db左右,分辨率也略有提高,可见泰勒级数近似处理对低波段SAR成像有较大影响。同时由于调频率近似处理使得测绘带边缘处目标则发生了散焦,特别是ISLR变为0.6db左右,方位分辨率为10m左右。 (a参考点(b补偿后的参考点(c测绘带边缘150m点图2-6低波段SAR数据CS成像结果 (a参考点(b补偿后的参考点(c测绘带边缘500m点图2-7高波段SAR数据cs成像结果表2-3点目标性能指标高波段SAR低波段SAR参考点(补参考点(补参考点边缘点参考点边缘点偿偿峰值旁瓣比.12.9837.12.9993.11

12、.7067.11.3662.14.8766-7.8506积分旁瓣比.10.2003.IO。2024.8.7217-4.7484.13.85“O.6284分辨率(方位×距0.8903X O.8922×1.0977×0.9232×0.8784X10.2795离O.65ll o.65lI O.78090.79510.6534×0.8780 通过方位向IFFr,完成了成像处理。§2.3.2NCS算法性能分析I、相位误差分析相对于CS算法,NCS算法考虑了相位泰勒级数展开的三次相位项,这也就使得相位泰勒级数近似所产生的相位误差很小,在这里就不作

13、分析。同时NCS算法考虑了调频率随距离的变化,减小了由于调频率近似所产生的相位误差,使得NCS能对大测绘带进行成像处理。参照CS算法中相位误差的计算方法,式(2.29为NCS算法中二次距离压缩项所产生的相位误差。眦。心-exp卜两未嚣乏丽+两丽瓣瓦筹矗丽丽1(2.29图2-8为调频率近似所产生的相位误差仿真结果(仿真参数如表2.1所示。图2-8(a为高波段SAR的相位误差;图2-8(b为低波段SAR的相位误差,与图2_4CS算法调频率近似所产生的相位误差相比,NCS算法所产生的相位误差大大减小。若仍以窟/4为相位误差对成像质量影响的分界值时,可以计算出低波段SAR的有效测绘带宽度将近41Lm,

14、较CS算法有较大改善。 (a高波段SAR(b低波段SAR图2-8NCS算法调频率近似所产生的相位误差2、NCS仿真结果按照表2.2中参数采用NCS算法对点目标进行仿真,图2-9为低波段SAR的成像结果。图2-9(a为参考点位置的成像结果;图2-9(b为参考点相位误差补偿后的成像结果;图2-9(c为测绘带边缘500m处目标成像结果。参考点相位误差补偿后点目标成像质量有较大改善,同时边缘点聚焦性能良好。图2.10为高波段SAR的成像结果,参考点相位误差补偿对成像质量改善很小,边缘部分目标也未发生散焦。 (a参考点 (a参考点(b相位误差补偿后的参考点(c测绘带边缘500m图2-9低波段SARNCS

15、成像结果(b相位误差补偿后的参考点(c测绘带边缘500m图2.10高波段SARNCS成像结果表2-4点目标性能指标高波段SAR低波段SAR参考点(补参考点参考点边缘点参考点边缘点偿(补偿峰值旁瓣比.12.9818.12.9836.13.2179.13.6781.15.6658.14.1615积分旁瓣比.10.1808.10.1972.10.0991.8.4819.13.7298.13.4013分辨率(方位×0.8905X 0.8896X 1.1007×0.963l×0.8705X 1.0015X 距离0.65110.65110.68500.77090.6612O.

16、7416表2.4为点目标的性能指标。高渡段SAR参考点相位误差补偿前后PSLR、ISLR和分辨率相差很小,测绘带边缘部分分辨率有所降低。低波段SAR测绘带边缘点成像质量有很大改善,说明了NCS算法可以对大测绘带的低波段SAR进行成像处理。里堕型兰垫查奎兰竺圣竺堕兰竺丝苎§2.4旁瓣抑制引言中介绍了SAR成像中旁瓣的影响。由于高波段SAlt和低波段SAR本身的特点,使得所表现出的旁瓣有较大差异,在这里将详细介绍旁瓣产生的原因以及抑制方法。目标回波方位向多普勒带宽可以表示为见:华sin昙,多普勒带宽与载机速度、波长和方位积,4-Z口累角有关。方位分辨率为21(4sin刍,实际处理中,根据

17、方位分辨率来确定所需要处理的Z方位积累角。表2-5给出了高低波段SAR不同频率所对应的方位积累角,其中带宽为XX眦。从表2.5可以看出,对于高波段SAR,不同频率所计算出的处理角近似相等,而低波段SAR却有很大的差异。一般地,高波段SAR取最低频率所对应的角度,而低波段SAK 取中心频率所确定的处理角。表2-5处理角与频率的关系最低频率中心频率最高频率高波段SAlt0.914300.904700.89530低波段SAR29.9550021.6138017.25390图2.1l为高波段SAR和低波段SAR在二维频域的数据支撑区间。高波段SAlt数据支撑区间近似为矩形,而低波段SAR为梯形,这也就

18、导致了高波段SAlt出现正交旁瓣,而低波段SAR出现非正交旁瓣。SAR数据处理中,可以在牺牲分辨率的前提下加窗抑制旁瓣。对于高波段SAR,在二维频域加矩形支撑的窗函数,可以抑制点目标正交方向的旁瓣,提高峰值旁瓣比指标。而对于低波段SAR,矩形支撑的窗函数不能在菲正交方向上起作用,目标相应的积分旁瓣比不会得到改善。如果考虑按照数据的二维支撑区间的形状变口径加权,就可以抑制非正交旁瓣。 (a高波段SAR(b低波段SAR图2.1l数据支撑区间国防科学技术大学研究生院学位论文图2.12为高波段SAR和低波段SAR旁瓣抑制前后的成像结果,从成像结果可以看出,点目标的旁瓣得到了完全抑制,提高了成像质量。表

19、2.6所计算出的点目标性能指标也反映了旁瓣抑制的效果,旁瓣抑制后点目标的峰值旁瓣比提高较大,特别是方位向峰值旁瓣比,达到.40db左右,积分旁瓣比也有一定的提高,但分辨率下降为原来的1.4倍左右。 (a高波段成像结果(b高波段旁瓣抑制(c低波段成像结果(d低波段旁瓣抑制图2-12高波段SAR和低波段SAR旁瓣抑制结果表2-6高波段SAR和低波段SAR旁瓣抑制前后点目标性能指标高波段SAR低波段SAR加窗前加窗后加窗前加窗后方位向距离向方位向距离向方位向距离向方位向距离向峰值旁.12.8986.19,0947.38.1141-42.7169.13.3400.18.3838.34.290543.8

20、714瓣比积分旁.10.1544-10.6145.13.0353.12.3315一12.5521.10.7962.12.8192.12.1925瓣比分辨率0.89220.651l I.30670.9874O.87840.65341.3194O.9925§2.5本章小结本章主要研究了高分辨sAR成像算法有关内容,主要成果有:l、介绍了高波段SAR和低波段SAR成像处理的特点,针对其不同特点研究了高波段SAR和低波段SAR测绘带宽、作用距离等问题。2、对高波段SAP,和低波段SAR进行仿真分析。综合SAR成像处理中的有效测绘带宽度、有效作用距离、运算量等方面的信息,找到适合高波段SAR和

21、低波段SAR的成像处理算法。.3、分析了高波段SAR图像中的正交旁瓣和低波段SAR图像中的非正交旁瓣产生的原因,在此基础上采用汉明窗去除正交旁瓣,采用变口经加权去除非正交旁瓣。 方位向(a能量最大准则选择距离单元+方位向(bDechiIp脉压准则选择距离单元图3-10高波段SAR补偿结果表3.3散射点性能指标能量最大准则Dechirp脉压准则l峰值旁瓣比(Psut一0.3218.18.0373l积分旁瓣比(IsLR.0.3466.6。5360如前面多普勒调频率公式推导中所述,低波段SAR调频率与目标沿航线位置有关,即使载机视线加速度为零,方位信号也不为线性调频信号,这增加了运动补偿的难度。本文中采用循环两次进行相位误差补偿,可提高补偿效果。图3一11为低波段SAR成像结果。图3.II低波段SAR成像结果§3.4.2大测绘带条件下运动补偿对于理想飞行情况,载机在视线方向的加速度为零,由式(3.6可知,子孔径中各距 第34页 时甸抽Ca测绘带近端时问(b测绘带远端图3一