四队和一队窄脉冲合成孔径雷达距离徙动算法

到理论值。最后，文章对BYU大学的窄脉冲合成孔径实测数据进行处理并成像。Theutilizingofthesyntheticaperturetechniqueandultra-widebandsignalmakesthemodernradarhavetheresolutionratioaswellasopticalinstrument.Theradarsignalprocessingalgorithmplaysasignificantroleintherealizationofimagingprocess.Thisthesisdiscussedthenarrowpulsesyntheticapertureradarimagingalgorithm,italsointroducedtheprincipleofSARimaginganditsgeometricmodel.ThepaperyzedandemulatedtheRangeMigrationAlgorithmandRangeDoppleralgorithmbasedonthelearningofradarsignalprocessandradarimagingalgorithm.Firstly,thepaperstudiedtheprincipleofnarrowpulsesyntheticapertureradarimagingalgorithm.WecangetgoodRangeresolutionratiotakingadvantageoftheultra-widebandcharacteristicsofnarrowpulse,wecanalsomakegoodresolutionratioalongthetrackbyusingthesyntheticapertureskill.Welearnedthattheresolutionratioalongthetrackgetnothingwiththeoperatingwavelengthandthedistancebetweenradarandtarget,ItcanOnlyinfluencedbytherealsizeoftheantenna.Secondly,inthesimulationoftheRDApapergainthe12meter×2meterontheparameterof30MHzsignaland4metersrealantenna.Andalsodiscusstheinfluenceofrangemigrationinimaging.italsoattachedresolutionratioclosetheoreticalvalueintheRMAsimulationthroughStoltinterpolation.Attheend,thearticlemakesaimagingofthemeasureddatawhichprovidedbyBYU.ThisysisvalidatesthereliabilityoftheRMA................................................................................................................................1 第一章绪 合成孔径的基本概 合成孔径的发展史、现状及应用状况介 合成孔径的发展历 国内外合成孔径的研究现状及未来发 超宽带合成孔径特点及其应用状 合成孔径成像算法仿真的意 内容与结 第二章合成孔径成像的基本原 散射点模型以及目标一维距离像简 合成孔径成像模 三中机载与目标的几何关 距离向和方位像信号的表 回波信号模 SAR分辨 信号分类及其处理过 合成孔径成像的基本原 距离多普勒算法 距离徙动算法 第三章距离徙动算法的仿 信号的识别与匹 FFT估计单频信号的频 噪声背景下的单频信号频率估 匹配滤波器实现信号一维匹 FFT实现一维匹 单频信号的二维匹 线性调频信号和单频信号构成的数据矩阵的二维匹 RDA仿 RMA仿 第四章RMA实测数据成 第五章总结与展 总 创新 展 参考文 致 合成孔径的基本概任何先进的技术总是最先由于军事需要而产生的，二，应运而生。最开始，它用作为，主要目标是飞机和舰船的传感器系统。尺度测量是它最开始的称呼。利用时间测量与目标（反射体）之间的距离，通过天线的指向探测目标的方位，继而又利用多代探测系统，通过回波的幅度与相位的精确测量、分析和处理，能得到被观测目标的其他各种参数，如目标自然谐振频率、散射截面、复极化散射矩阵、目标散射中心分布图、目标角闪烁特征等特征进量。初期的可以告诉人们目标的具置和速度大小，现代的探测由于目标线尺寸远小于早期分辨单元，我们可以忽略观测目标的其他特征，将其当做一个径系统的基础上，通过增长天线尺寸和信号带宽的方法，达到提高系统的二维分辨率的目终受限于天线尺寸的大小。因此在实际应用中，无限度地增加天线长度已达到高分辨率的是无法实现的。要想得到有关检测目标的信息内容，许许多多的科技工作者绞尽脑汁，想方设法研究回波，以期从中提取有关的目标特性。在众多研究成果中，最值得一提的是谷进行信息提取，最终实现二维地表成像[1]不再是幻想。合成孔径（SyntheticApertureRadar，简SAR）便是这一原理实践的产物。简单来说，SAR是一种提高方位向分辨率的技术。它由运动平台和两部分组成，利用载体瓣照射到,此目标特号就会被系统辨识进而被系统成像[2]。这种体系的优势在于其方位分辨率与波长斜距积无关,这是以往的技术做不到的,具有重大的应用价值,尤其在军事、地理信息遥感等领域更是能显示其强大的优势。如今，SAR已成为成像研究的重要理论基础。合成孔径的发展史、现状及应用状况介20世纪50年代初，在波束锐化的概念产生后，伊利亚诺大学控制迅速的得到了对Sherwin19537月向人们展示了第一个条带展合成孔径的计划，机载SAR试验系统随之产生，1957年第一幅全聚焦的SAR图像就是由该获得的，这次实验表明了SAR技术由理论发展到实践。合成孔径的发展历合成孔径的发展经历三个阶段，第一阶段为机载平台，第二阶段为平台，第三阶段为新体制模式发展时代。在历次的技术革新和装备研制方面，军事大国首屈一指，始终处在全球统。此后20年之内，SAR技术被越来越多的国家掌握，到70年代末，已经先后发展了四代机SAR101米，在许多方面得到了广泛应用，尤其是在监视、地形测绘方面。与此同时，SAR在民用领域许多方面也得到了应用，比如气象监测、车辆等方面。1978年发射海洋一号是第二阶段开始的标志，在此次试验中他们利用了星载来测绘地球表面。合成孔径第一次用作为平台，这次应用标志着SAR在太空领域的成功应用。之后，星载SAR技术不断发展，1991年欧洲宇航局ERS-1新技术的融合设计思想使合成孔径向新体制蓬勃发展。信息领域信号处理和硬件制造能力的提高,使得合成孔径向新体制方向发展，概括来说为许多成功的实践，研制出了许多用途的SAR，具体有以下几种：字面意思来看是该系统采用了许多参数，主要是采用的信号波长不同，电磁波的极化方式和入射角不同，使其照射地球表面，结果显示这种合成孔径系统的图像信号的可靠性和详细性比普通好很多。高度测绘，达到对地表三维目标的测绘。除三维成像外，这种新型还应用于检测场景中的低速运动的目标（即SAR-GMTI技术已越来越小型化，功能也越来越强，扩展了载体平台的可选范围，使得星载合成孔径称为现实。日趋成无人机及相关轻型平台技术,使SAR宽带小型化已成为研究热点。其中，便携式超宽带穿墙探测和小型宽带有宽带微型SAR是最吸引人们眼球的超宽带技术在合成孔径上的应用。地基合成孔径（GB-最早在1999年，人们对地基合成孔径进行了实验，得到了实验数据，表明GB-SAR技术我国和有关专家对合成孔径发展给予了高度关注。在各国都在进行探索的上世纪70年代末期,我国就借助于电子学对飞机平台项目进行了研制和开发。虽然开始时间比国此基础上,SAR系统以及我国第一部L波段成像系统，此外对星载系统的也进行了研究探索。1979年9月我国利用自主开发的机载合成孔径获得了首批机载SAR图像,没有使用脉冲压SAR的研究上, 年国家提出了高技术计划成为我国在空间成像领域的突破契机。从年起,在电子所的筹备下开始进行有关星载SAR的总体方案设计和认证、样机的研制、机载校飞,工程研制等阶段，并于1998年夏天顺利通过了验收。根据应用方面需要，我国加快与成像处理技术相关领域（如SAR定标技术、技术）研究进程。种种SAR成像技术成果显示了我适，该还能一定遮蔽物进行成像； 布。可以在医疗卫生，抢险救灾等也有广泛应用。合成孔径优点突出，在级、战术级的军事领域发挥着不可替代的作用。它是一种有源微波传感器，能够在不良天候（如气候、、烟尘、遮挡物等天气条件受到限制的情况）不受光视和目标瞄准的重要之一。处是能够进行全天候远距离成像和防区外探测；其次，由于微波的性，能云层和雨区，在合成孔径成像算法仿真的意由于复杂的电磁环境和昂贵的成本，使得合成孔径的实物设计和研究变成了难题，我们希望借助于半实物或者全数字仿真来完成相应的设计和研究。仿真技术为解决这个问题提供了新方法。最开始的技术比较，一台合成孔径系统只能通过光学设备进行二维成像。后来数字众所周知，香农（美）了著名的香农定理以及信息论。在1953年伍德沃德提出将信息论和概率论和研究结合起来，并提出匹配滤波理论。根据他的理论，要想提高分辨率，就必须对宽带信号进行匹配滤波，即压缩脉冲才能实现。合成孔径的成像处理过程的技术通常二维匹配滤波实现方式比较复杂和，但换种思维，只要满足一定的条件下，我们就可以将其看作两个一维过程来处理。信号的距离向压缩实现起来相对容易些，但由于同一目标的回波信号的包络位置随观测视角改变，压缩方位多普勒回波信号实现起来重重，这就所现R使像（erhmA）算法和距离徙动算法（enhm，RMASTOLT插值函数实现了二维匹配滤波。距离徙动算法能够聚焦散射点，克服散射点对成像带来RMA的一些近似实现方法也逐渐显现。如波前重建算法[5]，这种算法又可划分为空间频率插值（SpatialFrequencyInterpolation）算法、Rangestacking算法、Backprojection2090年代初，Raney等人提出了Chirp-Scaling（CS）[6]算法，其优点是不用插值，但它的缺点是CS操作会引起回波信号包络的变化，如此一来，散射点的聚焦程度必定会随着信号包络的改变而改变，最严重的是在大斜视角时，这种算失去意义，因此，人们对其进行了改进，提出了非线性CS算法，它能够在大斜视角情况下，有效地进行数据处理。CS算法可以看作是变标算法，近年来不断发展，1998年人们提出了频率变标（FrequencyScaling）算法，1995年又提出对任意信号形式（ISCFT1.4内容与结第一章绪论，介绍SAR基本概述和算法仿真的意义；第二章分析SAR成像的原理和RDA、RMA基本理论；第四章进行BYU实测数据的处理；第二章合成孔径成像的基本原在各领域的应用最为广泛。SAR成像的模式主要有以下三种：条带（stripmap）（spotlight）模式和扫描模式成像，当的距离分辨率做到米级，乃至分米级时，单次回波对一般目标已是沿着距离分布的距离像，相当于目标三维体积像以一维向量和的形式在射线上的投影。高距离分辨率可以有效地SAR成像的主要目标是提高距离向和方位向的高分辨能力。距离向分辨率受信号的频带宽度的分辨率，实际上是比较的。假设某X波段的天线（约10m）的孔径有300个波长长，波束宽度0.2°30KM100m，现在要将该分辨率提高，假设提高到法。当载有的飞机以一定速度水平飞行时，其波束与载机即地面不同目标之间相对的径向散射点模图-最初的监测目标是被当作点目标来处理，这可以用散射点模型来表示。发射电波，遇到目标后电波散射，产生回波，要想对其进行严格的计算是比图-度，当然这只是一种近似的表示如图-1所示。SAR成像，要求目标有不超过310°的转动，分析用散射点模型是合适的。通过分析和处理雷（Δfr一维距离合成孔径成像模三中机载与目标的几何关SAR成像的几何关系如图-2va表示平台速度总是假定：平台做匀速运动，速度为V,同时定义方位向为平按照固定的方式发射信号波束和接受目标回波波束，这里存进入到移出照射范围的过程，地面目标到的距离R不同的瞬时多普勒，如图-3所示，在直角坐标系里回波

R-O图-2与目标成像R-O图-3回波相位SAR的成像区域是平台运动时在地面上形成的带状照射区域。信号的回波的幅度和相位信于的几何关系就不同。目标与有相同距离而方位向不同，则回波中的多普勒频偏也不一样,对回波进行匹配处理就可获得目标区域的近似图像。在本文中，为了简化模型，假设和目标在一个平面内，以目标到合成孔径中心的直线同雷达平台运动轨迹的交点为原点，以运动轨迹方向为方位向，以目标连线为距离向，建立直角坐s(t)s(t)= )exp(j2πf𝑐τ+jπkτ式中,TP为脉冲宽度,fc为发射信号的中心频率,k表示调频斜率，τ表示快时间，t表示慢时间s(τ,t;R)=rect )exp[jπk(τ−

c

)]

λ

1∙exp0−j2πf𝑐(𝜏

c

cτ

2}/1exp0−j4π1

λλ是信号波长,σ是点目标的后向散射特性,ar(t)是方位向天线方向性函数，2R(t)c表示电磁波在与目标之间的双程时间。距离向分辨率的特性随快时间变化而变化的信号的影响,而的方位向分辨率特性随在式中exp{[jπkτ−2R(t;R)2}为距离向分量,表示信号的变化,而exp0−j4π2R(t;R)/ SAR冲不具备同时满足这两种特性的能力。由于线性调频信号（LFM）具有很大的时带积，并且能进行大的脉冲压缩比的处理的获得窄脉冲，因此，在宽带合成系统中，通常采用LFM作为雷达发射信号使用。发射LFM脉冲串得到分辨率高的回波信号。系统通常采用脉冲压缩实现距离ργ= 式中B是发射信号带宽，C模式的进行孔径合成的系统方位向分辨率:𝜌=

𝑅=

𝑅=2

合成孔径的方位向分辨率。的功能多种多样，不同用途和功能的需要采用不同的信号形式，信号形式的不同会影响的工作方式和性能，通过对信号的幅度、频率、相位、时间、调制方式参数的调整可以形成各种各样的信号，以满足各种系统的应用需求，常见的信号分为以下三类：单频脉冲信号、频射信号使用。本文中主要对LFM加以研究。LFM脉冲信号x(t)可以表示为 =Arect(t)exp,j(2πf0t+2μ𝑡式中f0是中心频率，脉宽记为tp，带宽是B,幅度用A（2πf−1μ𝑡𝑝）变化到（2πf1μ𝑡𝑝。所以调频斜率为μ=2𝜋𝐵⁄𝑡 LFM的重要参数：信号占空比η，信号时宽带宽积D=B X(f)= 𝐴𝑟𝑒𝑐𝑡(𝑡)𝑒𝑥𝑝*𝑗(2𝜋𝑓0𝑡+ +∙𝑒𝑥 2=A√𝜇*,𝑐(𝑣1)+𝑐(𝑣2)-+,𝑠(𝑣1)+𝑠(𝑣2)-+2𝑒𝑥𝑝*𝑗0−2𝜋2(𝑓−𝑓)21+tan−1𝑠12)+

=√𝐷

=√𝐷𝑐(𝑣)=∫𝑣cos（𝜋𝑥2）𝑑𝑥，𝑠(𝑣)=∫𝑣sin（𝜋𝑥2） 𝑐(𝑣)、𝑠(𝑣)称为积分X(f)的幅度谱|𝑋(𝑓)||𝑋(𝑓)|=𝐴𝜋*,𝑐(𝑣)+𝑐(𝑣)-2+,𝑠(𝑣)+𝑠(𝑣)- ∅(𝑓)=0−2𝜋2(𝑓−𝑓)21+tan−1 当D1时|𝑋(𝑓)|和∅(𝑓)𝐴√𝜏⁄𝐵,|𝑓−𝑓0|≤|𝑋(𝑓)|= |𝑓−𝑓|>

∅(𝑓)≈−2𝜋2(𝑓−𝑓0)2+ |𝑓−𝑓|≤ 1μ（t）=

0<t<

测距是通过测量目标回波的延时时间来得到的，因此的距离向分辨力与回波的脉冲宽度有关，即脉冲宽度越窄，距离分辨力越高。为了兼顾作用距离和距离分辨率，现代都采用大时宽和大带宽的信号，因为大时宽可以提高发射的平均功率，大带宽信号的好处是可以通过脉假设需进行脉冲压缩的信号是信号si(t)，匹配滤波器的脉冲响应为h(tKsi∗(tdt)，式中td表示延时，K表示增益系数。⋯𝑠𝑜(t)=𝑠𝑖(t)⋯ΣΣh(n)=si∗(N−1−n) n=1,2,…,𝑁−1 𝑠𝑜(n)=∑𝑁−1𝑠𝑖(n−k)h(k) 频域的压缩方法：因s𝑖(n)和ℎ(n)的DFT变换为/𝑆(k)=∑𝑁−1𝑠(n)exp−j / 𝑘=0 𝐻(k)=∑𝑁−1

𝑘=0,1,2,…,𝑁− 𝑠(n)=1∑𝑁−1𝑆(k)H(k)expj 𝑛=0,1,2,…,𝑁−1（2- 𝑁𝑘=0 是当N较多时，适宜用频域运算，减少运算量。合成孔径成像的基本原以上内容主要是对成像的基础进行了简单如图-7所示的场景里有许多点目标，周期场景中的目标点在接受到脉冲后会反射的回波经过一定的延时后被接受，由于飞机是运

RRθ−数R𝑖𝑗(𝑥)=√(𝑥−𝑥𝑖)2+ 𝑠(τ,t;R)=p𝜏 2R𝑖𝑗2R𝑖𝑗/p−𝑗2𝑅/=(𝜏− cct∈

,𝑥𝑖+𝑦𝑗𝜃𝐵𝑊⁄2 f(xi,yj)=∬s(τ,t)sij∗(τ,t)dτdt y维的纵向移动称为距离徙动。回波的包络延时和相位的调制都[12]基于以上的原则,SAR成像算法都是采用距离向和方位向压缩并进行距离徙动校正方法来实现成像算法,不同之处仅是实现上的不同。如今发展比较成算法有距离多普勒算法法运用距离多普勒域RCMC（RangeCellMigrationCorrection，RCMC）插值算法来实现距离徙动的发射信号为大带宽时,选择BP算法进行方位向的聚焦[14]。距离多普勒算法系统响应函数可以进行简化，首先将包络时延值改写为同慢时间t无关的常数，既yjy+1𝑣𝑡−𝑥𝑖)2 𝑠(τ,t;R)≈p𝜏−2y𝑗/exp𝑗4𝜋𝑓𝑐𝑦𝑗/exp𝑗2𝜋𝑓𝑐/(𝑣𝑡−𝑥 通过近似方法，将在（τt）平面里的曲线形的系统函数，简化为t2yjc单元的线性调频函数匹配滤波，其参考函数为：sr(τ,t;Rs)/=exp𝑠(τ,t;Rs)=𝑠∗(τ,−t;Rs)=exp𝑗 /=exp𝛾=

距离徙动算法距离徙动算法（RMA）来源于信号处理领域，利用STOLT插值[15]来实现二维匹配滤波，距离徙动算法在原始文献中叫做WKA，这是因为它是在二维频域进行信号处理的，其中，一不受的斜视角和场景大小的限制，距离徙动算法都能对整个区域基于散射点模型而不加其他近距离徙动算法在条带模式、聚束模式和数据处理上得到了很好的应用，但由于该算法的需的数据量，因此不适合进行实时处理。更重要的是，RMA要求目标回波信号在方位向上进行的是均匀采样,由于机载平台存在较大的运动误差，而且很难对其进行校正，所以RMA不适合作为机载RMA的主要步骤SAR参考函数相（RFM这是RMA的一个关键聚焦步骤。 Stlot插值，插值运算使得原来没有在采样点出的值经过

图-9RMA算法流程S(fr,fa)=AWr(fr)Wa(fa−fac)exp*jθ2df(fr,)+ 式中A是常数，Wr(fr)是距离向包络的频域表示，Wa(fa−fac)是方位向包络的频域表示。注意RMA要在二维频域进行参考函数相乘来补偿参考距离的相位，在二维域能使用的最好的相位补偿方法就是将距离和等效速度设在测绘带的中心，此时的RFM滤波器的相位为：

𝑐2f 𝜋2f 2 a θref(f𝑟,fa)= ∙√(f0+

通过距离频率轴的映射（或弯曲）来实现Stolt插值，结果： (f,f)=−4𝜋(𝑅0−𝑅𝑟𝑒𝑓)∙(f+f stolt𝑟 第三章距离徙动算法的仿白噪声作为输入信号，研究某一实际系统或者某一算法的性能。本章的主要工作是使用对现有的RMA算法进行了深入地学习，给出了部分代码和处理结果。域频域计算，用于对信号的频谱进行分析。FFTDFT的一种快速算法，减少了运算量，使信号处理的速度得到非常大的提升，本文利用FFT实现算法的仿真。信号的识别与匹量fh的两倍时，即fs≫2fh，采样信号可以不失真地还原出原始的信号。假设待估单频信号为x=2sin(4πt)FFTIFFT得到的时域波形放置在同一个中，可以直截了当的看到使用FFT分析单频时域信号频率的能力。重写信号为x=2sin(4πt)5cos(8πt)√ς通过对成像原理的理解，回波中的多普勒频率γ=2v2 s=sin(2πfct);s1=awgn(s, h= Y=s∗ FFTIFFT，实现时域的线性卷积。主要y=S∙H;s1cos(8πt1)s2cos(18πt2)s=s1'*s2;进行二维信号匹配滤波，仿真结果如图所示：通过图-14两个方向上分别进行一维匹配。右侧的是仿真结果的俯视图，可以很清楚的看到信号经过二维匹配后，能量能整个平面的分布状况，其中图像能量比较大。该信号的表示为s2=exp(jπkt2)，单频信号表示为s1cos(8πt1) 合成孔径的参数天线的等效孔径为4米；距离向[9500方位向图-16RDA得到的分辨率为DX2米，DY=18M,同理论值相比有较大偏差。模糊现象。在不进行校正的基础上，会造成分辨能力的失真。图-16右图所示，两目标距离向和方aabc从图-17可以看出，由于距离徙动现象的存在，原始信号的二维频谱在方位向上是存在扭验证了：RMA是不经近似处理的算法。通过方位压缩后最终得到点目标的SAR成像如图-18图-19RMA成RMA实测数据的成像分析。进行处理。一、数据当接受到突发脉冲，触发器触发，将从一个点不为零的数据开始计算，N=Tp×FS个点进行，二、数据的处

图-17RMA按照RAM的数据处理的流程（RFMStlotStlot通过二维的IFFT将信号变为时域，实现两个方向上的压缩，得到图-图-19RMA实测数据分析中频域从图-19中可以看到整张显示的图幅中只有在上侧处有目标出现，这与实际的情况是不相符，根据方程，回波信号能量和信噪比与距离呈反比例变化，回波信号功率大的信号能将将小总其在国民经济生活和队中的重要作用进行了梳理，得出了可以将成像的成技术和产品BYU实测数据进行了处理，验证了算法的可靠性。创新在国内外复杂下，的任务形态更趋多样化。当前我们整体布局的现状是点多面广线长，着如何更好完成新时期赋予的新使命，建设现代化的现实问题，的专家都化能力、变式的信息获取为主动式的信息获取、开发新的信息获取平台、信息交换模式、加快装备的数字化、信息化，这些方法是加快战斗力生成模式的有效途径。将现有成技术同武警的职能使命相结合，发挥其战斗力的倍增器的作用。增加在执行处置大规模事件任务时，的机动通信系统在历次的任务中，为的通信联络的畅通，特别是综合指挥车和车能将处置现场的基