合成孔径雷达(SAR)课件

第6章合成孔径雷达第6章合成孔径雷达1概述SAR是一种脉冲雷达技术，具有较高的分辨率，可以获得区域目标的图像。SAR具有广泛的应用领域，主要有:机载SAR

星载SAR1概述SAR是一种脉冲雷达技术，具有较高的分辨率，2合成孔径原理(1)

合成孔径雷达是釆用相干雷达系统和单个移动的天线模拟真实线性天阵中所有天线的功能。单个天线依次占据合成阵列空间的位置。在合成阵列里，在每个天线位置上所接收的信号，其幅度和相位信息都被存储起来，这些被存储的数据经过处理，成像为被雷达所照射区域的图豫。典型的合成孔径雷达结构是侧视的，其雷达天线同飞机航线相垂直，并向下俯适当角度，横向距离分辨力定义为飞行航线上的分辨力。

2合成孔径原理(1)合成孔径雷达是釆用相干雷达系统2合成孔径原理(2)2合成孔径原理(2)2合成孔径原理(波束形成)d天线阵目标相邻两个阵源接收信号的空间延迟为:2合成孔径原理(波束形成)d天线阵目标相邻两个阵源接收2合成孔径原理(波束形成)相邻两个阵源接收信号的相位差为:M个阵源接收的信号序列为:其中为单个阵源的天线方向图,满足:显然,M个阵源接收的信号构成等比级数。2合成孔径原理(波束形成)相邻两个阵源接收信号的相位差为2合成孔径原理(波束形成)

对M个阵源接收信号构成的等比级数求和,可以得到:2合成孔径原理(波束形成)对M个阵源接收信号构成的等比2合成孔径原理(波束形成)

取M个信号和的包络,可以得到:上式表明,单个阵元的波束宽度被加权,形成新波束,新波束的形状由上式中的分式决定。2合成孔径原理(波束形成)取M个信号和的包络,可以得2合成孔径原理(波束形成)上式的形状由分子决定,其中:式中,R为目标的距离,Δx为目标的横向分辨距离。

2合成孔径原理(波束形成)上式的形状由分子决定,其中:2合成孔径原理(波束形成)求第一零点位置确定半功率点分辨率,令:阵列信号处理后的波束分辨率为:

2合成孔径原理(波束形成)求第一零点位置确定半2合成孔径原理(波束形成)考虑合成孔径雷达信号的双程相位差，合成孔径雷达的波束分辨率为:

2合成孔径原理(波束形成)考虑合成孔径雷3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）聚焦与非聚焦示意图R目标A目标B聚焦y3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）聚焦与非聚焦示意图R目3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）对于目标A,天线任意位置与其的距离为:因为目标的距离与天线横向移动的距离相比较大,则运用泰勒级数展开进似可以得到:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）对于目标A,天线任意3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）对于目标A,回波信号的双程相位差为:对于目标B,回波信号的双程相位差为:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）对于目标A,回波信号的3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）

则对任意位置y，在整个孔径时间内积分可以得到目标在所有y位置上的信号包络.当对雷达载体沿直线飞行产生的二次相位误差不补偿时：

这时的积分处理称非聚焦处理,否则称为聚焦处理。3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）则对任意3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）非聚焦处理:在y处的点目标回波响应为:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）非聚焦处理:在y处3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）求半功率点波束宽度,令:最后得到其横向分辨率为:真实孔径天线横向分辨率为:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）求半功率点波束宽度,令3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）聚焦处理:聚焦处理需要对二次相位差进行补偿,有:这时回波响应为:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）聚焦处理:聚焦处理需要3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）求归一化回波功率增益:求半功率点波束宽度,令:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）求归一化回波功率增益:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）合成孔径的最大长度为:最后得到其横向分辨率为:最终，理论上合成孔径的横向分辨率为:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）合成孔径的最大长度为:4合成孔径原理(频率分析方法)CarlWiley首次提出频率分析方法解决雷达角分辨率问题。从多普率频率分辨出发，研究目标的分辨。证明当两个点目标其多普勒频率可分时，两个目标空间上也可分。4合成孔径原理(频率分析方法)CarlWi4合成孔径原理(频率分析方法)目标的多普勒频率ßΦ1P1P2Φ2雷达平台运动方向4合成孔径原理(频率分析方法)目标的多普勒频率ßΦ1P4合成孔径原理(频率分析方法)对目标P1,P2,它们多普勒频率为:它们的多普勒频率差为:4合成孔径原理(频率分析方法)对目标P1,P2,它们多4合成孔径原理(频率分析方法)通常存在下面关系:4合成孔径原理(频率分析方法)通常存在下面关系:4合成孔径原理(频率分析方法)点目标间的多普勒增量为:多普勒频率分辨与滤波器时间常数存在如下关系:只要多普勒频率增量能够被分辨，则方位分辨率为:4合成孔径原理(频率分析方法)点目标间的多普勒增量为:多4合成孔径原理(频率分析方法)当φ=90度,多普勒滤波器的时间常数为:最终的方位分辨率为:4合成孔径原理(频率分析方法)当φ=90度,多普勒滤5SAR基本参数最大聚焦合成孔径长度:天线尺寸的减小导致更长的聚焦合成孔径长度SAR聚焦分辨率:分辨率的改善与天线尺寸有关，与距离和波长无关5SAR基本参数最大聚焦合成孔径长度:6SAR基本组成电源分配单元SAR天线子系统高功率微波电路接收机校准系统发射机定时与数据处理载荷计算磁波记录器传输系统6SAR基本组成电源分配单元SAR高功接收机校准系统发7SAR信号处理SAR数字信号处理输入数据接口

方位预处理

距离压缩

距离走动校正

方位压缩幅度检测多视相加

参考函数产生

控制单元

运动参数提取几何幅度校正

输出数据调节控制指令惯性导航系统7SAR信号处理SAR数字信号处理输入数据接口方位预处8SAR成像模式(1)Stripmap(条带式):最早的成像模式，1950’s低分辨率成像的最有效方法(2)Spotlight(聚束式):在1970’s提出获得较高的分辨率一次飞行中，通过不同视角改变对同一区域成像8SAR成像模式(1)Stripmap(条带式):8SAR成像模式（2）（3）Scan(扫描模式):信号处理非常复杂（4）InSAR(干涉SAR)获取地面高度信息,进行3D成像（5）ISAR(逆SAR)雷达静止，目标运动8SAR成像模式（2）（3）Scan(扫描模式):9SAR回波信号特性空间几何关系回波信号模型回波信号的特性9SAR回波信号特性空间几何关系9.1SAR回波信号特性（空间几何关系）SAR空间几何关系9.1SAR回波信号特性（空间几何关系）SAR空间几何关合成孔径雷达坐标系

假设被测目标为一理想点目标P，P点与航线的垂直斜距为R0。我们建立航线和R0所构成的坐标平面。设雷达天线在t=0时，位于坐标原点。在某一瞬时t，雷达天线的位置在Xa=Va*t。点目标P的位置在这个坐标系里是固定的，其坐标为(Xp,R0)。9.1SAR回波信号特性（空间几何关系）合成孔径雷达坐标系假设被测目标为一理想点目在t时刻，P与雷达天线的斜距为：一般情况下，上式可近似为：9.1SAR回波信号特性（空间几何关系）=在t时刻，P与雷达天线的斜距为：一般情况下，上式可近似为：9

设发射信号为：则接收信号为：其中:9.2SAR回波信号特性（信号模型）设发射信号为：则接收信号为：其中:9.2则接收信号为：该信号的相位为：9.2SAR回波信号特性（信号模型）则接收信号为：该信号的相位为：9.2SAR回波信号特性（发射信号的线性相位：与距离有关的常数相位：雷达平台运动产生的二次相位：9.2SAR回波信号特性（信号模型）发射信号的线性相位：与距离有关的常数相位：雷达平台运动产生的如果令X0=V*t0，Xp=V*t，则有:将相位对时间求导数，即得回波信号的瞬时频率：9.2SAR回波信号特性（信号模型）如果令X0=V*t0，Xp=V*t，则有:将相位对时间求导数天线与目标相对运动引起的多普勒频移为：

它随时间呈线性变化，可见回波信号是一种线性调频信号，其调频斜率为：9.2SAR回波信号特性（信号模型）天线与目标相对运动引起的多普勒频移为：它随时间呈线性以t0为中心，在整个合成孔径时间内，多普勒频率的最大值出现在两个端点处，即：9.2SAR回波信号特性（信号模型）以t0为中心，在整个合成孔径时间内，多普勒频率的最大

回波多普勒频移得带宽为：9.2SAR回波信号特性（信号模型）回波多普勒频移得带宽为：9.2SAR回波信号特性（信号10SAR成像处理算法处理流程距离迁移和聚焦深度距离迁移校正多普勒参数估计10SAR成像处理算法处理流程10.1SAR成像处理算法（处理流程）

从信号处理角度，SAR的数字成像可以归结为一个解二维卷积的过程：

SAR信号的二维相关问题分解成距离向和方位向两个一维相关卷积：10.1SAR成像处理算法（处理流程）从信

RD算法处理流程图RD算法处理流程图

SAR二维回波数据SAR二维回波数据

距离压缩后的二维数据距离压缩后的二维数据10.2SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）

对于不同的脉冲，经距离压缩后的点目标响应必然出现在不同的距离上，这就是距离迁移。由于距离迁移现象的存在，必须从不同的距离门中得到用于一次方位处理的数据。它们在数据阵中的曲线(距离迁移曲线)为:10.2SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）其中:10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）其中:距离迁移是SAR处理中必然出现的现象，距离迁移为

虽然距离迁移是SAR处理中必然出现的现象，但它的大小随系统参数不同而变化，并不总需要补偿。通常认为，如果最大距离迁移值不大于四分之一个距离分辨单元，则距离迁移不需要补偿，即：为方位分辨率10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）距离迁移是SAR处理中必然出现的现象，距离迁移为

可以在多宽的距离间隔之内使用相同的方位滤波器，就是聚焦深度。如果在方位处理器中所使用的R0不是目标点的真实距离，它的误差导致的fr的失配为

一般认为在多普勒频带边缘由失配造成的相位差小于45度，则失配是可以忽略的。因此聚焦深度准则为10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）可以在多宽的距离间隔之内使用相同的方位滤波10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）时域距离迁移方程为：10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）时域距离迁移方程10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）多个点目标的距离迁移10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）多个点目标的距离10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）点目标的多普勒历程为：频域的距离迁移方程为：10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）点目标的多普勒10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）频域距离迁移10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）频域距离迁移10.5多普勒参数估计点目标回波信号为：其中，fDc

是多普勒中心频率

fr是多普勒调频率10.5多普勒参数估计点目标回波信号为：其中，fDc10.5多普勒参数估计点目标回波信号匹配滤波器应为点目标信号模型的共轭：

可见通过参数fDc和fr的估计，可以构造出匹配压缩函数。

10.5多普勒参数估计点目标回波信号匹配滤波10.6方位谱直接测量雷达回波的方位向频谱为:对多条方位功率谱线进行平均，得到：若地面后向散射系数服从高斯分布，则：10.6方位谱直接测量雷达回波的方位向频谱为:对多条方位我们可以得到：

由此可以看出，方位功率谱与点目标的方位匹配压缩函数有直接的关系，而方位匹配压缩函数的形式由两个多普勒待估计参数决定，利用这一点可直接从回波的方位功率谱中提取多普勒参数。10.6方位谱直接测量我们可以得到：由此可以看出，方位功率谱与

方位谱峰测定法功率谱能量平衡法方位功率谱宽测定法方位谱直接测量：方位谱峰测定法方位谱直接测量：（1）方位谱峰侧定法

SAR回波信号的方位功率谱受天线方向图的调制，由于方位图的峰值为天线指向中心，因此功率谱峰值的位置就是多普勒中心频率的位置。这种方法的精度依赖于成像场景的均匀程度，越是均匀场景测量精度越高。一般SAR成像区域并非均匀场景，可对多条方位功率谱线进行平均来减少非均匀场景的起伏。但在场景变化很大时，其估计精度仍较差。（1）方位谱峰侧定法（2）功率谱能量平衡法在均匀场景中回波方位谱是关于多普勒中心频率对称的，如下图。

（2）功率谱能量平衡法

当fDc，有一定偏差时，满足：合成孔径雷达(SAR)课件（3）方位功率谱宽测定法

方位功率谱宽是与多普勒带宽有关的。在SAR信号有足够大的时间带宽积时，可以认为方位功率谱宽就是多普勒带宽。SAR信号的合成孔径时间T是确定的，因此可通过测量多普勒带宽求出多普勒调频率：（3）方位功率谱宽测定法（4）杂波锁定方法SAR飞过两个孔径（4）杂波锁定方法SAR飞过两个孔径

将两个子孔径的图像能量进行比较，求出归一化能量差：

然后由能量差确定多普勒中心频率：将两个子孔径的图像能量进行比较，求出归一化能量差（5）自聚焦方法

自聚焦方法利用多视子图像之间相关峰值位置求得多普勒调频率。子孔径相关依赖于方位时间或位置与多普勒频率之间的锁定关系：（5）自聚焦方法自聚焦方法利用多视子图像之自聚焦方法点目标的多普勒历程为：则存在锁定关系：自聚焦方法点目标的多普勒历程为：则存在锁定关系：自聚焦方法则存在锁定关系：自聚焦方法则存在锁定关系：若存在两个子孔径，则：tt012fDcfDc2fDc1对应两个子孔径1和2，可以获得关于目标A的两幅图像，这两幅图像的中心频率分别是fDc1和fDc2A若存在两个子孔径，则：tt012fDcfDc2fDc1利用两个子孔径，则存在：对应两幅图像，同一目标在方位向上时间差为：利用两个子孔径，则存在：对应两幅图像，同一目标在方位向上时间

如果成像时使用的多普勒调频斜率不等于真实的多普勒调频斜率，在补偿之后两幅图像之间仍会有一定的时间差：如果成像时使用的多普勒调频斜率不等于真实的多

采用迭代方法求多普勒调频斜率：

当迭代收敛后，利用直线拟合使：采用迭代方法求多普勒调频斜率：当迭代收敛后，利用直线11ChirpScaling成像算法CS算法的优点CS算法流图CS算法的原理11ChirpScaling成像算法CS算法的优点11ChirpScaling成像算法成像精度高避免RD算法中大量的插值运算解决了二次距离压缩(SRC)问题11ChirpScaling成像算法成像精度高方位FFT距离FFT距离IFFT方位IFFTSAR原始数据变换线性调频尺度距离校正与压缩方位聚焦和剩余相位补偿聚焦图像输出方位FFT距离FFT距离IFFT方位IFFTSAR原始数据变10.1ChirpScaling算法的原理变换线性调频尺度原理SAR原始信号的描述变换线性调频尺度算法10.1ChirpScaling算法的原理变换线性调频尺(1)变换线性调频尺度原理*两个线性调频信号的乘积仍然是一个线性调频信号设有两个线性调频信号：则两个线性调频信号的乘积：(1)变换线性调频尺度原理*两个线性调频信号的乘积仍然是一变换线性调频尺度原理:可见两个线性调频信号的乘积仍然是一线性调频信号，该调频信号的中心，调频斜率和中心相位分别为：变换线性调频尺度原理:可见两个线性调频信号的乘积仍然(2)SAR原始信号描述

SAR点目标回波信号在距离和方位两维空间的相位可以表示为：上述信号进行方位傅立叶变换可以得到：(2)SAR原始信号描述SAR点目标回波SAR原始信号描述:其中：

V(r)飞机运动速度SAR原始信号描述:其中：V(r)飞机运动SAR原始信号描述SAR原始信号描述(3)变换线性调频尺度算法1.方位FFT变换线性调频尺度所要求的乘数是使用相位尺度因子后，所有目标的距离弯曲轨迹相同：(3)变换线性调频尺度算法1.方位FFT变换线性调频尺

方位距离目标原始位置处的距离弯曲曲线2目标原始位置处的距离弯曲曲线1参考位置处的归一化距离弯曲曲线

CS算法的均衡距离弯曲方位距离目标原始位置处的距离弯曲曲线2目标原始位置处的距离变换线性调频尺度算法2.距离FFT

SAR首先进行方位向傅立叶变换，然后进行距离向的傅立叶变换，获得二维频域信号谱。该信号谱沿距离方向与第二个相位函数相乘，可以完成距离弯曲校正、距离压缩和二次距离压缩，第二个相位函数是：变换线性调频尺度算法2.距离FFTSAR首先进其中的相位用于距离聚焦，包括二次距离压缩其中的相位用于距离弯曲校正变换线性调频尺度算法其中的相位变换线性调频尺度算法3.距离IFFT获得距离图像/多普勒域4.方位匹配滤波与剩余相位补偿方位匹配滤波与剩余相位补偿使用的第3个相位函数是：变换线性调频尺度算法:3.距离IFFT变换线性调频尺度算法:第6章合成孔径雷达第6章合成孔径雷达1概述SAR是一种脉冲雷达技术，具有较高的分辨率，可以获得区域目标的图像。SAR具有广泛的应用领域，主要有:机载SAR

星载SAR1概述SAR是一种脉冲雷达技术，具有较高的分辨率，2合成孔径原理(1)

合成孔径雷达是釆用相干雷达系统和单个移动的天线模拟真实线性天阵中所有天线的功能。单个天线依次占据合成阵列空间的位置。在合成阵列里，在每个天线位置上所接收的信号，其幅度和相位信息都被存储起来，这些被存储的数据经过处理，成像为被雷达所照射区域的图豫。典型的合成孔径雷达结构是侧视的，其雷达天线同飞机航线相垂直，并向下俯适当角度，横向距离分辨力定义为飞行航线上的分辨力。

2合成孔径原理(1)合成孔径雷达是釆用相干雷达系统2合成孔径原理(2)2合成孔径原理(2)2合成孔径原理(波束形成)d天线阵目标相邻两个阵源接收信号的空间延迟为:2合成孔径原理(波束形成)d天线阵目标相邻两个阵源接收2合成孔径原理(波束形成)相邻两个阵源接收信号的相位差为:M个阵源接收的信号序列为:其中为单个阵源的天线方向图,满足:显然,M个阵源接收的信号构成等比级数。2合成孔径原理(波束形成)相邻两个阵源接收信号的相位差为2合成孔径原理(波束形成)

对M个阵源接收信号构成的等比级数求和,可以得到:2合成孔径原理(波束形成)对M个阵源接收信号构成的等比2合成孔径原理(波束形成)

取M个信号和的包络,可以得到:上式表明,单个阵元的波束宽度被加权,形成新波束,新波束的形状由上式中的分式决定。2合成孔径原理(波束形成)取M个信号和的包络,可以得2合成孔径原理(波束形成)上式的形状由分子决定,其中:式中,R为目标的距离,Δx为目标的横向分辨距离。

2合成孔径原理(波束形成)上式的形状由分子决定,其中:2合成孔径原理(波束形成)求第一零点位置确定半功率点分辨率,令:阵列信号处理后的波束分辨率为:

2合成孔径原理(波束形成)求第一零点位置确定半2合成孔径原理(波束形成)考虑合成孔径雷达信号的双程相位差，合成孔径雷达的波束分辨率为:

2合成孔径原理(波束形成)考虑合成孔径雷3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）聚焦与非聚焦示意图R目标A目标B聚焦y3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）聚焦与非聚焦示意图R目3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）对于目标A,天线任意位置与其的距离为:因为目标的距离与天线横向移动的距离相比较大,则运用泰勒级数展开进似可以得到:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）对于目标A,天线任意3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）对于目标A,回波信号的双程相位差为:对于目标B,回波信号的双程相位差为:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）对于目标A,回波信号的3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）

则对任意位置y，在整个孔径时间内积分可以得到目标在所有y位置上的信号包络.当对雷达载体沿直线飞行产生的二次相位误差不补偿时：

这时的积分处理称非聚焦处理,否则称为聚焦处理。3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）则对任意3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）非聚焦处理:在y处的点目标回波响应为:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）非聚焦处理:在y处3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）求半功率点波束宽度,令:最后得到其横向分辨率为:真实孔径天线横向分辨率为:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）求半功率点波束宽度,令3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）聚焦处理:聚焦处理需要对二次相位差进行补偿,有:这时回波响应为:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）聚焦处理:聚焦处理需要3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）求归一化回波功率增益:求半功率点波束宽度,令:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）求归一化回波功率增益:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）合成孔径的最大长度为:最后得到其横向分辨率为:最终，理论上合成孔径的横向分辨率为:3合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）合成孔径的最大长度为:4合成孔径原理(频率分析方法)CarlWiley首次提出频率分析方法解决雷达角分辨率问题。从多普率频率分辨出发，研究目标的分辨。证明当两个点目标其多普勒频率可分时，两个目标空间上也可分。4合成孔径原理(频率分析方法)CarlWi4合成孔径原理(频率分析方法)目标的多普勒频率ßΦ1P1P2Φ2雷达平台运动方向4合成孔径原理(频率分析方法)目标的多普勒频率ßΦ1P4合成孔径原理(频率分析方法)对目标P1,P2,它们多普勒频率为:它们的多普勒频率差为:4合成孔径原理(频率分析方法)对目标P1,P2,它们多4合成孔径原理(频率分析方法)通常存在下面关系:4合成孔径原理(频率分析方法)通常存在下面关系:4合成孔径原理(频率分析方法)点目标间的多普勒增量为:多普勒频率分辨与滤波器时间常数存在如下关系:只要多普勒频率增量能够被分辨，则方位分辨率为:4合成孔径原理(频率分析方法)点目标间的多普勒增量为:多4合成孔径原理(频率分析方法)当φ=90度,多普勒滤波器的时间常数为:最终的方位分辨率为:4合成孔径原理(频率分析方法)当φ=90度,多普勒滤5SAR基本参数最大聚焦合成孔径长度:天线尺寸的减小导致更长的聚焦合成孔径长度SAR聚焦分辨率:分辨率的改善与天线尺寸有关，与距离和波长无关5SAR基本参数最大聚焦合成孔径长度:6SAR基本组成电源分配单元SAR天线子系统高功率微波电路接收机校准系统发射机定时与数据处理载荷计算磁波记录器传输系统6SAR基本组成电源分配单元SAR高功接收机校准系统发7SAR信号处理SAR数字信号处理输入数据接口

方位预处理

距离压缩

距离走动校正

方位压缩幅度检测多视相加

参考函数产生

控制单元

运动参数提取几何幅度校正

输出数据调节控制指令惯性导航系统7SAR信号处理SAR数字信号处理输入数据接口方位预处8SAR成像模式(1)Stripmap(条带式):最早的成像模式，1950’s低分辨率成像的最有效方法(2)Spotlight(聚束式):在1970’s提出获得较高的分辨率一次飞行中，通过不同视角改变对同一区域成像8SAR成像模式(1)Stripmap(条带式):8SAR成像模式（2）（3）Scan(扫描模式):信号处理非常复杂（4）InSAR(干涉SAR)获取地面高度信息,进行3D成像（5）ISAR(逆SAR)雷达静止，目标运动8SAR成像模式（2）（3）Scan(扫描模式):9SAR回波信号特性空间几何关系回波信号模型回波信号的特性9SAR回波信号特性空间几何关系9.1SAR回波信号特性（空间几何关系）SAR空间几何关系9.1SAR回波信号特性（空间几何关系）SAR空间几何关合成孔径雷达坐标系

假设被测目标为一理想点目标P，P点与航线的垂直斜距为R0。我们建立航线和R0所构成的坐标平面。设雷达天线在t=0时，位于坐标原点。在某一瞬时t，雷达天线的位置在Xa=Va*t。点目标P的位置在这个坐标系里是固定的，其坐标为(Xp,R0)。9.1SAR回波信号特性（空间几何关系）合成孔径雷达坐标系假设被测目标为一理想点目在t时刻，P与雷达天线的斜距为：一般情况下，上式可近似为：9.1SAR回波信号特性（空间几何关系）=在t时刻，P与雷达天线的斜距为：一般情况下，上式可近似为：9

设发射信号为：则接收信号为：其中:9.2SAR回波信号特性（信号模型）设发射信号为：则接收信号为：其中:9.2则接收信号为：该信号的相位为：9.2SAR回波信号特性（信号模型）则接收信号为：该信号的相位为：9.2SAR回波信号特性（发射信号的线性相位：与距离有关的常数相位：雷达平台运动产生的二次相位：9.2SAR回波信号特性（信号模型）发射信号的线性相位：与距离有关的常数相位：雷达平台运动产生的如果令X0=V*t0，Xp=V*t，则有:将相位对时间求导数，即得回波信号的瞬时频率：9.2SAR回波信号特性（信号模型）如果令X0=V*t0，Xp=V*t，则有:将相位对时间求导数天线与目标相对运动引起的多普勒频移为：

它随时间呈线性变化，可见回波信号是一种线性调频信号，其调频斜率为：9.2SAR回波信号特性（信号模型）天线与目标相对运动引起的多普勒频移为：它随时间呈线性以t0为中心，在整个合成孔径时间内，多普勒频率的最大值出现在两个端点处，即：9.2SAR回波信号特性（信号模型）以t0为中心，在整个合成孔径时间内，多普勒频率的最大

回波多普勒频移得带宽为：9.2SAR回波信号特性（信号模型）回波多普勒频移得带宽为：9.2SAR回波信号特性（信号10SAR成像处理算法处理流程距离迁移和聚焦深度距离迁移校正多普勒参数估计10SAR成像处理算法处理流程10.1SAR成像处理算法（处理流程）

从信号处理角度，SAR的数字成像可以归结为一个解二维卷积的过程：

SAR信号的二维相关问题分解成距离向和方位向两个一维相关卷积：10.1SAR成像处理算法（处理流程）从信

RD算法处理流程图RD算法处理流程图

SAR二维回波数据SAR二维回波数据

距离压缩后的二维数据距离压缩后的二维数据10.2SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）

对于不同的脉冲，经距离压缩后的点目标响应必然出现在不同的距离上，这就是距离迁移。由于距离迁移现象的存在，必须从不同的距离门中得到用于一次方位处理的数据。它们在数据阵中的曲线(距离迁移曲线)为:10.2SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）其中:10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）其中:距离迁移是SAR处理中必然出现的现象，距离迁移为

虽然距离迁移是SAR处理中必然出现的现象，但它的大小随系统参数不同而变化，并不总需要补偿。通常认为，如果最大距离迁移值不大于四分之一个距离分辨单元，则距离迁移不需要补偿，即：为方位分辨率10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）距离迁移是SAR处理中必然出现的现象，距离迁移为

可以在多宽的距离间隔之内使用相同的方位滤波器，就是聚焦深度。如果在方位处理器中所使用的R0不是目标点的真实距离，它的误差导致的fr的失配为

一般认为在多普勒频带边缘由失配造成的相位差小于45度，则失配是可以忽略的。因此聚焦深度准则为10.3SAR成像处理算法（距离迁移和聚焦深度）可以在多宽的距离间隔之内使用相同的方位滤波10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）时域距离迁移方程为：10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）时域距离迁移方程10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）多个点目标的距离迁移10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）多个点目标的距离10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）点目标的多普勒历程为：频域的距离迁移方程为：10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）点目标的多普勒10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）频域距离迁移10.4SAR成像处理算法（距离迁移校正）频域距离迁移10.5多普勒参数估计点目标回波信号为：其中，fDc

是多普勒中心频率

fr是多普勒调频率10.5多普勒参数估计点目标回波信号为：其中，fDc10.5多普勒参数估计点目标回波信号匹配滤波器应为点目标信号模型的共轭：

可见通过参数fDc和fr的估计，可以构造出匹配压缩函数。

10.5多普勒参数估计点目标回波信号匹配滤波10.6方位谱直接测量雷达回波的方位向频谱为:对多条方位功率谱线进行平均，得到：若地面后向散射系数服从高斯分布，则：10.6方位谱直接测量雷达回波的方位向频谱为:对多条方位我们可以得到：

由此可以看出，方位功率谱与点目标的方位匹配压缩函数有直接的关系，而方位匹配压缩函数的形式由两个多普勒待估计参数决定，利用这一点可直接从回波的方位功率谱中提取多普勒参数。10.6方位谱直接测量我们可以得到：由此可以看出，方位功率谱与

方位谱峰测定法功率谱能量平衡法方位功率谱宽测定法方位谱直接测量：方位谱峰测定法方位谱直接测量：（1）方位谱峰侧定法

SAR回波信号的方位功率谱受天线方向图的调制，由于方位图的峰值为天线指向中心，因此功率谱峰值的位置就是多普勒中心频率的位置。这种方法的精度依赖于成像场景的均匀程度，越是均匀场景测量精度越高。一般SAR成像区域并非均匀场景，可对多条方位功率谱线进行平均来减少非均匀场景的起伏。但在场景变化很大时，其估计精度仍较差。（1）方位谱峰侧定法（2）功率谱能量平衡法在均匀场景中回波方位谱是关于多普勒中心频率对称的，如下图。

（2）功率谱能量平衡法

当fDc，有一定偏差时，满足：合成孔径雷达(SAR)课件（3）方位功率谱宽测定法

方位功率谱宽是与多普勒带宽有关的。在SAR信号有足够大的时间带宽积时，可以认为方位功率谱宽就是多普勒带宽。SAR信号的合成孔径时间T是确定的，因此可通过测量多普勒带宽求出多普勒调频率：（3）方位功率谱宽测定法（4）杂波锁定方法SAR飞过两个孔径（4）杂波锁定方法SAR飞过两个孔径

将两个子孔径的图像能量进行比较，求出归一化能量差：

然后由能量差确定多普勒中心频率：将两个子孔径的图像能量进行比较，求出归一化能量差（5）自聚焦方法

自聚焦方法利用多视子图像之间相关峰值位置求得多普勒调频率。子孔径相关依赖于方位时间或位置与多普勒频率之间的锁定关系：（5）自聚焦方法自聚焦方法利用多视子图像之自聚焦方法点目标的多普勒历程为：则存在锁定关