《毕业设计（论文）合成孔径雷达线频调变标(CS)成像算法研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）合成孔径雷达线频调变标(CS)成像算法研究.doc（67页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、说明：毕业设计(论文)模版(理工类学生用)大学 毕业设计(论文) 合成孔径雷达线频调变标(CS)成像算法研究学 院 年级专业 03级电子信息工程一班 学生姓名 指导教师 专业负责人 答辩日期 2007.6.24 大学毕业设计(论文)任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电子工程系 学号学生姓名专 业班 级电子信息工程一班课题题 目合成孔径雷达线频调变标(CS)成像算法研究来 源自选主要内容合成孔径雷达能全天候、全天时地提供高分辨率的雷达图象。合成孔径雷达(SAR)成像已经广泛应用于军事及国民经济的许多领域，如军事侦察、环境监测、土地资源管理等方面。在对条带式sar的成像方法进行对比研究的前提下，
2、重点研究CS成像算法，要求实现该算法的仿真成像。基本要求1 查阅资料，弄清sar的成像原理2 了解sar的各种成像算法的原理，重点研究CS成像算法3 用MATLAB语言进行仿真，实现该算法的成像参考资料1 雷达成像技术 保铮，邢孟道，王彤编著 电子工业出版社 2005 TN957.52/52 雷达原理3燕山大学数字图书馆 中国期刊全文数据库 优秀硕博论文周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容收集资料熟悉课题内容设计思路程序设计与调试程序设计、分析、调整、以及程序优化实验结果整理及总结论文书写课题总结答辩指导教师：史洪印系级教单位审批：说明：如计算机输入，表题黑体小三号字，内
3、容五号字。本任务书一式二份，教师、学生各执一份。摘 要合成孔径雷达 (SAR)是一种新型的高分辨率雷达体制，具有全天候、全天时、远距离、高分辨成像的工作能力，是雷达成像技术的一个重要分支，它借助于脉冲压缩技术实现距离维的高分辨率，借助于方位多普勒分析的技术实现方位维的高分辨率，己广泛运用于军事及民用领域，它对国防技术现代化、国民经济建设都具有十分重要的意义。论文介绍了合成孔径雷达成像原理，讨论了Chirp Scaling(CS)算法的基本原理和实现过程,给出了计算过程中各个信号域的数学表达式，最后给出了点目标仿真的成像结果。并对全文的研究工作进行了归纳总结，还指出了有待进一步研究的问题。关键词
4、合成孔径雷达；雷达成像；CS算法；AbstractSynthetic Aperture Radar (SAR) is a kind of high resolution imaging radar. Using SAR we can obtain high-resolution radar images under all weather, day and night and long distance conditions. So it is of high value in military and civil applications.In the dissertation, intro
5、duce the principle of imaging. The CSAs fundamentals and realization course are discussed in detail and the mathematic functions of all signal domains .At last the point targets are simulated and the simulation result are presented.Conclusions are made and the possible future work is explained.Keywo
6、rds Synthetic Aperture Radar; Imaging radar ；Chirp Scaling;目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 合成孔径雷达的发展方向11.2.1 三维成像技术11.2.2 高分辨合成孔径雷达技术11.2.3 多频多极化合成孔径雷达技术11.2.4 高速实时数字信号处理技术21.2.5 合成孔径雷达的地面运动目标检测(GMT I )技术21.2.6 相干斑噪声消除技术31.2.7 超宽带合成孔径及米波合成孔径雷达技术31.3 课题的研究意义3第2章 合成孔径雷达概述52.1 雷达分类52.2 实孔径成像雷和合成孔径
7、成雷达52.3 合成孔径雷达的概念62.4 合成孔径雷达特点及应用72.4.1 合成孔径雷达特点72.4.2 合成孔径雷达应用82.5 合成孔径雷成像原理92.5.1 SAR常用的距离模型有三种92.5.2 线性调频(LFM)脉冲压缩102.5.3 合成孔径雷达的分辨率182.6 本章小结24第3章 Chirp Scaling 算法273.1 Chirp Scaling算法的实现流程图273.2 问题的描述和雷达信号模型273.3 Chirp Scaling算法283.3.1 Chirp Scaling原理283.3.2 方位向FFT293.3.3 Chirp Scaling相位相乘303.3
8、.4 距离向FFT303.3.5 距离徙动校正、距离压缩及二次距离压缩313.3.6 距离向IFFT323.3.7 方位滤波及残余相位消除323.3.8 方位向IFFT323.4 本章小结32结 论33参考文献34附录135附录236致谢37第1章 绪论1.1 课题背景合成孔径雷达的研究最早开始于20世纪50年代初。1951年6月美国古德依尔宇航公司的威利(Carl Wiley)首先提出最初的用频率分析的方法改善雷达的角分辨率，他将其称为多普勒波束锐化，这是对发展合成孔径雷达原理上的重大贡献。与此同时，伊里诺斯大学控制系统实验室的一个研究小组采用相干机载侧视口面雷达，研究运动目标检测技术。19
9、58年，美国密执安大学的雷达和光学实验室用他们研制的雷达进行飞行试验，用光学相关器件将相干雷达视频信号变成了高分辨的图像。到现在合成孔径雷达技术已经有了很大的发展。1.2 合成孔径雷达的发展方向1.2.1 三维成像技术作为从合成孔径雷达图像中导出高分辨地形数据的工具，干涉仪越来越受到人们的注意，且已应用于地球物理遥感以及机载合成孔径雷达。干涉仪三维成像的基本方法在于比较两平行和存在一定位移的合成孔径所获得的两幅图像之间的相位差来确定高度，需要解决及研究的问题有:(1)相位解模糊; (2)两路图像之间的校准;(3)新的测高方法;1.2.2 高分辨合成孔径雷达技术分辨率是合成孔径雷达的一个最重要指
10、标。从侦察以及火控的角度出发，希望它尽可能高，因此高分辨率技术是合成孔径雷达的发展方向之一。1.2.3 多频多极化合成孔径雷达技术频率是合成孔径雷达的关键。微波的缺点是带宽较窄，信号中信息的含量较低，这就要求同时使用多种频率来提高信息含量。极化雷达一般至少应可发射两种正交极化和接收两种极化。有一类接收极化雷达，虽然只能发射一种极化，但却能接收两种极化，不过其极化的能力低于极化雷达。多极化合成孔径雷达，尽管结构比单极化雷达信息复杂，但优点也很突出，故正在迅速倔起和发展，总的来讲，它有三大优点:(1)提高信噪比:(2)增强抗干扰能力;(3)提高目标识别和分类能力。 国外大部分机载实验合成孔径雷达，
11、都具备多频多极化功能。该领域主要研究的问题是:(1)多极化天馈线及接收系统;(2)极化系统的校准;(3)多极化数据的压缩及处理。1.2.4 高速实时数字信号处理技术早期的合成孔径雷达采用的是光学处理方法，因此只能在取得原始数据后回到地面进行事后处理。为满足战斗中对时间的严格要求，必须使合成孔径雷达具备实时信号处理的能力。由于合成孔径雷达工作模式多样，信息处理复杂，所以只能采用具有灵活处理能力的数字处理方法。因此，开发、调整实时数字信号处理系统是合成孔径雷达能否完成任务、能否在对抗中生存的关键因素之一。1.2.5 合成孔径雷达的地面运动目标检测(GMT I )技术合成孔径雷达是利用雷达与场景之间
12、相对来说已知的运动来产生高分辨图像的，而地面运动目标存在未知运动，此时的处理对于运动目标来讲是失配的，导致了模糊目标叠加在合成孔径雷达图像上。因此动目标检测的实质是如何从固定场景中检测出动目标，并产生它们的聚焦图像。AN/APG-76及AN/APY-3采用多端口干涉仪合成孔径雷达方法来检测运动目标。雷达具有三个端口，其中两个端口用于检测运动目标，第三个端口则采用干涉仪方法来确定目标的位置。对于不同的运动目标，可以采用不同的方法进行运动目标检测与成像，只要运动目标与固定目标存在空间和频率以及强度等方面的差异时，就可以采用动目标显示(MT I)、动目标检测(MTD)、强目标跟踪算法等。需研究的问题
13、有:(1)提高强杂波背景下的检测性能;(2)增强对多个运动目标的分辨能力;(3)提高现有各种方法的实时性。1.2.6 相干斑噪声消除技术由于地面回波存在相干闪烁现象，因此所反映的地面特征也具有概率特性，即所谓的相干斑噪声。相干斑噪声的存在降低了目标的可探测性以及对分散目标进行区别和分类的能力。这种相干斑噪声是相干雷达本身固有的，不能用增大信号功率来改善，必须通过平均加以改善。因此，如何在不改变或少改变分辨率的条件下，降低相干斑是一个需要研究的问题。一种方法是以不同带宽的多视信号为基础进行加权组合，据报导，采用加权组合法后等效视数可提高2-3倍，优于传统的多视平均，也可以通过多极化平均方法来降低
14、相干斑噪声。1.2.7 超宽带合成孔径及米波合成孔径雷达技术超宽带合成孔径以及米波合成孔径雷达发射的电磁波，由于具有一定的穿透地面和树叶的能力，故可用来探测隐蔽在树从中的部队和地下目标，如隧道、钢筋混凝土掩体、深掩体通风口和深管线通风口，还可用于环境监测，如探测有毒液体的倾出、探矿和寻找地下淡水等。1.3 课题的研究意义雷达(Radar)是“Radio detection and ranging”缩写的音译，它是集中了现代电子科学技术各种成就的高科技系统。其基本功能是利用目标对电磁波的散射而发现目标，并测定目标的空间位置。众所周知，雷达己成功地应用于地面(含车载)、舰载、机载方面，这些雷达已经
15、和正在执行着各种军事和民用任务。近年来，由于雷达采用了一些新理论、新技术和新器件，雷达技术进入了一个新的发展阶段。信息论在雷达领域中的应用和宽带微波技术及现代信号处理的不断发展，以及全息成像理论的完善，导致了各种形式的高分辨率成像雷达的诞生和发展。成像雷达的出现扩展了原始的雷达概念，使它具有对运动目标(飞机、导弹等)、区域目标(地面等)进行成像和识别能力，并在微波遥感应用方面表现出越来越大的潜力，为人们提供越来越多的有用信号。军事上在侦察、测绘方面也已得到大量的应用，因此它对国防技术现代化、国民经济建设具有十分重要的意义，其成像技术越来越受到国际上先进技术国家的重视。作为有源系统，合成孔径雷达
16、(C SAR)的全天候、全天时工作能力以及它在不同频段、不同极化下可以得到目标的高分辨率图像，为人们提供各种非常有用的信息。成像雷达首先在军事应用上显示其优势。随着遥感技术的蓬勃发展，它又很快作为微波遥感的重要工具，广泛应用于国民经济各个领域。SAR成像处理的目的是要得到目标区域散射系数的二维分布，它是一个二维相关处理过程，通常可以分成距离压缩处理和方位压缩处理两个部分。距离压缩处理是一维的移不变过程，处理起来比较简单。方位压缩处理则困难得多，这是因为由于存在距离徙动现象，它是一个二维的移变相关过程。实际上，如何解决方位压缩处理的移变问题正是SAR成像算法的核心，它导致了各种算法在成像质量和运
17、算方面的差异。而不管是哪种算法，均需要完成大量的相关运算，早期的计算机无论在精度还是运算速度方面都与实时成像要求相差甚远，不能满足雷达信号实时处理要求，因而都采用光学处理，但光学处理有其缺点和不足。随着超大规模集成电路和专用DSP的不断发展，雷达信号的处理已由光学处理转向数字处理，由非实时处理发展到准时甚至全实时处理。因此，深入研究合成孔径雷达的成像算法以及其在DSP中的实时数字处理具有很重要的意义，不管在军用还是民用领域，都有着广泛的应用前景和发展潜力。第2章 合成孔径雷达原理2.1 雷达分类成像雷达大体上可以分成三大类：(1)实孔径成像雷达；(2)合成孔径雷达：(3)两者兼有的成像雷达。前
18、两种类型的成像雷达获得高距离向分辨的方法是一致的，通常是靠发射宽带信号，接收时采用各种脉冲压缩技术在获得方位向(或俯仰向)分辨率的方法上，实孔径成像是通过实际天线的束宽度来获得角分辨率的(有人称此为无线电摄像机)，而合成孔径成像则利用雷达与目标之间的相对运动所产生的目标上两个相邻位置点之间的多普勒频移增大(也可以称等效的极大孔径)来实现高的角分辨率的。第三种类的成像除利用合成孔径雷达原理获得某一角度维高分辨外，还利用实天线获得距离(如微波全息成像)或另一角度维(如雷达干涉仪成像)的高分辨率，它是成像雷达发展的一种必然产物，同样受到人们的广泛注意，并具有潜在的应用价值。2.2 实孔径成像雷和合成
19、孔径成雷达在合成阵列情况下是用一个阵元在各个位置发射和接收信号，这里的“阵元”在实际中就是一天线孔径较小的一般相干雷达。在实际阵列中，是将一次“快拍”的各阵元的信号加以合成，强调必须在同一瞬间录取，而这在合成阵列里显然是做不到的。但是，应注意到用一次快拍为的是正确反映各阵元信号之间因波程差而引起的相位关系。合成阵列对所用阵元采取自发自收方式，这样做时各阵元处通过自发自收接收到的基频回波信号的相位完全可以反映目标到各阵元位置的波程关系，前提是发射载频必须十分稳定，而初相是不重要的，可以为各次不同的任意值。上面说的是合成阵列在原理上与实际阵列的相同点，但两者也有不同点，如图2-1，假设在斜视角方向
20、的遥远处有一点目标，电波波前近似为平面波，即各阵元位置点指向目标的射线为一组平行线。由于合成孔径在各阵元位置以自发自收工作，相邻两阵元的双程波程差为，既比实际阵列作为单独接收时大一倍，阵元间隔长度对相位差的影响加倍，相当于使其等效阵列长度大了一倍(2L)，即合成阵列长度为L时，其收发双程的波束宽度为 d图2-1 线性阵列合成孔径成像雷达与实孔径成像雷达相比有许多优点，因此合成孔径雷达发展非常迅速，且随着合成孔径原理的不断推广，各种不同功能、不同形式和不同用处的新体制合成孔径雷达层出不穷。合成孔径雷达的分类可以有许多种分法，例如从被测绘区域分，有条带测绘成像、聚束照射(或定点)成像和多普勒锐化，
21、而条带测绘成像又可分成正侧视和斜侧视方式：从信号处理方式分，有聚焦和非聚焦两种；从雷达与目标之间的相对运动分，有雷达动、目标不动的成像，雷达不动、目标动的成像和雷达、目标都动的成像三种。2.3 合成孔径雷达的概念合成孔径雷达是一种高分辨率相干成像雷达。高分辨率在这里包含着两方面的含义:即高的方位向分辨率和足够高的距离向分辨率。它采用多普勒频移理论和雷达相干理论为基础的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率;而距离向分辨率的提高则通过脉冲压缩技术来实现。它的具体含义我们可以通过以下四个方面来理解:从合成孔径的角度。它利用载机平台带动天线运动，在不同位置上以脉冲重复频率(PRF)发射和接收信号，并把
22、一系列回波信号存储记录下来，然后作相干处理，就如同在所经过的一系列位置上，都有一个天线单元在同时发射和接收信号一样，这样就在平台所经过的路程上形成一个大尺寸的阵列天线，从而获得很窄的波束。如果脉冲重复频率达到一定程度(足够高)，以致相邻的天线单元间首尾相接，则可看作形成了连续孔径天线。诚然这个大孔径天线要靠信号一处理的方法合成。这种解释方法给出了合成孔径的字面解释。从多普勒频率分辨的角度。如果我们考察点目标在相参脉冲串中的相位历程，求出其多普勒频移，对于在同一波束、同一距离波门内但不同方位的点目标，由一于其相对于雷达的径向速度不同而具有不同的多普勒频率，因此可以用频谱分析的方法将它们区分开。这
23、种理解又被称为多普勒波束锐化。从脉冲压缩的角度。对于机载正侧视测绘的雷达，地面上的点目标在波束扫描过的时间里，与雷达相对距离变化近似地符合二次多项式。点目标对应的横向回波为线性调频信号，该线性调频信号的调频斜率由发射信号的波长、目标与雷达的距离及载机的速度决定。对此线性调频信号进行匹配滤波，及脉冲压缩处理，就可以获得比真实天线波束窄得多的方位分辨率。因此在SAR信号处理中，经常有纵向压缩、横向压缩的说法。从光学全息照相的角度。如果将线性调频信号作为合成孔径雷达的发射信号，则一个点目标的回波在记录胶片上将呈现Fresnel衍射图，这点和点目标的光学全息、图很相似。因此可以用光学全息成像的步骤，来
24、得到原目标的图像。这种与全息照相的相似性，启发了早期的研究者采用光学处理器来实现合成孔径雷达信号处理。以上几种说明虽然从不同的角度出发来说明合成孔径的概念，但都揭示了合成孔径雷达的本质特征，从而为深入理解合成孔径雷达的概念指明了方向。2.4 合成孔径雷达特点及应用2.4.1 合成孔径雷达特点(1) 二维高分辨力。(2) 分辨力与波长，载体的飞行高度，雷达的作用距离无关。(3) 强透射性：不受气候、昼夜等因素影响，具有全天候成像优点；如果选择合适的雷达波长，还能够透过一定的遮蔽物。(4) 包括多种散射信息：不同的目标，往往具有不同的介电常数、表面粗糙度等物理和化学特性，它们对微波的不同频率、透射
25、角、及极化方式将呈现不同的散射特性和不同的穿透力，这一性质为目标分类及识别提供了极为有效的新途径。(5) 分辨率和测量精度。这一特性使雷达具有精确的定位能力。目前微波遥感所能达到的分辨率可小于 1米。(6) 多功能多用途：例如采用并行轨道或者一定基线长度的双天线，可以获得包括地面高度信息在内的三维高分辨图像。(7) 多极化，多波段，多工作模式。(8) 实现综合孔径原理，要求复杂的信号处理过程和设备，要求对飞行器运动的非匀直性加以补偿，故其设备操作远较真实孔径雷达复杂。(9) 与一般相干成像类似，SAR图像具有相干斑效应，影响图像质量，需要用多视平滑技术减轻其有害影响2.4.2 合成孔径雷达应用
26、合成孔径雷达 (SAR)它具有全天候、全天时的工作能力，并能在不同频段、不同极化下得到目标的高分辨力图像，为人们提供各种非常有价值的信息。首先，SAR在军事应用上显示其优势，随着遥感技术的蓬勃发展，它又很快作为微波遥感的重要工具，广泛应用于各个领域。在地质和矿物资源勘探方面，合成孔径雷达可以用来普查地质结构。研究地质分布、岩石分布及矿物分布等。在地形测绘和制图学方面，合成孔径雷达可用来进行大面积地形测绘。用来测定山脉、河流、城市、乡村、道路、桥梁等地面目标的形状和位置。研究城市变迁、道路变迁、湖泊分布及变迁、了解道路运输状况等。在海洋应用方面，合成孔径雷达可以用来研究大面积海浪特性，研究冰山分
27、布，测绘海洋图等，还可以用来研究海洋变迁，海洋污染情况，监视海藻生长等。在水资源应用方面，合成孔径雷达可用来大面积侧定土壤温度及其分布。估定大面积降雨量，研究湖泊冰覆盖、地面雪覆盖情况等。还可以用来研究水源大面积污染情况，测定污染区域，判定污染严重程度等。在农业和林业应用方面，合成孔径雷达图像可以用作农作物鉴别，研究农作物生长状况，并估计农业产量。可以用来研究田地分界，研究自然植被分布。用来鉴别森林，并研究其生长状态，发现森林火灾等，还可以用来研究灌溉系统分布及状况等2.5 合成孔径雷达成像原理2.5.1 SAR常用的距离模型有三种 (1)正侧视距离模型 (2-1) (2)二次逼近距离模型 (
28、2-2)(3)斜视等效距离模型 (2-3) 图2-2 斜视距离模型几何关系在大斜视角星载SAR的情况下，目标与雷达载体间的距离变化规律十分复杂，没有显示解。即使星上天线安装时波束指向与平台运动方向垂直，但是由于地球自转等因素的影响，雷达平台与地面目标的相对运动方向与雷达波束指向也不垂直。第一种正侧视模型，在前斜视机载SAR清况下误差较大，不能采用。第二种二次逼近距离模型，忽略了三次以上的高次项，误差小于第一种模型，主要由三次项决定。第三种斜视距离等效模型中含有各次成分，误差最小，是一种比较精确的斜视SAR距离模型。式中,r为t=0时的斜距，v为雷达平台运动的等效速率，为等效斜视角，多普勒中心频
29、率和多普勒调频率分别为 (2-4) (2-5)其中为波长。2.5.2 线性调频(LFM)脉冲压缩脉冲压缩雷达能同时提高雷达的作用距离和距离分辨率。这种体制采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够大的作用距离；而接受时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲，以提高距离分辨率，较好的解决雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。脉冲压缩雷达最常见的调制信号是线性调频(Linear Frequency Modulation)信号,接收时采用匹配滤波器(Matched Filter)压缩脉冲。下面为各符号表示意义：T：chirp信号的持续脉宽；B：chirp信号的调频带宽；Rmin：观测目标距雷达的最近位置；
30、Rmax：观测目标距雷达的最远位置；R：一维数组，数组值表示每个目标相对雷达的斜距；RCS：一维数组，数组值表示每个目标的雷达散射截面。LFM信号(也称Chirp 信号)的数学表达式为： (2-6)式中为载波频率，为矩形信号， (2-7)，是调频斜率，于是，信号的瞬时频率为，如图2-3 RCS：一维数组，数组值表示每个目标的雷达散射截面。 将2-6式中的up-chirp信号重写为： (2-8) 图2-3 典型的chirp信号(a)up-chirp(K0)(b)down-chirp(K0)式中， (2-9)是信号s(t)的复包络。由傅立叶变换性质，S(t)与s(t)具有相同的幅频特性，只是中心频
31、率不同而已。LFM脉冲的匹配滤波信号的匹配滤波器的时域脉冲响应为： (2-10)是使滤波器物理可实现所附加的时延。理论分析时，可令，重写2-10式， (2-11)将2-6式代入2-11式得: ( 2-12 )如图2-5, s(t)经过系统得输出信号图2-4 LFM信号的时域波形和幅频特性 图2-5 LFM信号的匹配滤波 当时, (2-13)当时, (2-14) 合并2-13和2-14两式： (2-15)2-15式即为LFM脉冲信号经匹配滤波器得输出,它是一固定载频的信号。当时，包络近似为辛克(sinc)函数。 (2-16)如图2-6，当时，为其第一零点坐标；当时，习惯上，将此时的脉冲宽度定义为
32、压缩脉冲宽度。 (2-17)LFM信号的压缩前脉冲宽度T和压缩后的脉冲宽度之比通常称为压缩比D，图2-6 匹配滤波的输出信号 (2-18)2-18式表明，压缩比也就是LFM信号的时宽频宽积。图2-7中，时间轴进行了归一化，()。图中反映出理论与仿真结果吻合良好。第一零点出现在(即)处，此时相对幅度-13.4dB。压缩后的脉冲宽度近似为()，此时相对幅度-4dB,这理论分析(图2-6)一致。上面只是对各个信号复包络的仿真，实际雷达系统中，LFM脉冲的处理过程图2-8。 图2-8 LFM信号的接收处理过程雷达回波信号经过正交解调后，得到基带信号，再经过匹配滤波脉冲压缩后就可以作出判决。正交解调原理
33、如图2-9，雷达回波信号经正交解调后得两路相互正交的信号I(t)和Q(t)。一种数字方法处理的的匹配滤波原理如图2-10。图2-7 Chirp信号的匹配滤波图2-9 正交解调原理图2-10 一种脉冲压缩雷达的数字处理方式仿真信号与系统模型如图2-11图2-11 雷达仿真等效信号与系统模型2.5.3 合成孔径雷达的分辨率正如我们在前文已经了解到的一样，合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达，但是它的成像原理较为复杂，所需存储和处理的数据也是十分庞大的。因此在我们对合成孔径雷达的原始回波信号进行仿真之前，必须从深入理解合成孔径雷达的一些基本概念入手，理解其高分辨率成像的原理，最终建立起合成孔
34、径雷达回波信号和成像处理模型，为进一步地进行计算机成像仿真打下坚实的理论基础。在成像雷达照射的范围内，被照射的两个目标在距离和方位向都相隔一定的距离。合成孔径雷达分辨率是描述合成孔径雷达在空间上相邻目标的最小距离。对于确定系统分辨率及对分辨率范围变量的认识是确定所使用传感器可行性的重要考虑。合成孔径雷达分辨率的概念也定义了能分离目标、并能作为独立目标识别的距离。合成孔径雷达分辨率定义在两个方向上:即与载机平台飞行方向平行和垂直的方向。平行于合成孔径雷达飞行方向的分辨率称为方位分辨率，垂直于飞行方向的分辨率称为距离分辨率(关于方位分辨率和距离分辨率的详细讨图2-13 合成孔径雷达分辨单元示意图论
35、将在后面进行）。对任何雷达系统而一言，由距离分辨率和方位分辨率所确定的单元称为分辨单元。(如图2-13所示)2.5.3.1 距离分辨率 合成孔径雷达的距离分辨率直接与所发射信号的脉冲长度有关。脉冲长度越短，距离分辨率越高。脉冲长度是微波信号的物理长度，为光速(c)和发射脉冲持续时间(:)的乘积。发射脉冲持续时间的单位T距离波门发射脉冲 图2-14 雷达脉冲关系图一般为微秒，范围在0.4 -1.0ps，在正常发射脉冲的范围内，脉冲长度(CT)在8-210m的范围内。下面我们来推导距离分辨率公式，如图2-14, 2-15所示脉冲持续时间为:，脉冲重复周期为T，距离波门取脉冲宽度，地面上飞机距离R距
36、离R+RBARXR 图2-15 距离分辨率图间隔为Rx的相邻两点A和B可由相邻距离波门中出现的回波信号分辨。因为电磁波以光速(c)传播，所以我们可以由图2-14 , 2-15所示关系计算得出 (2-19)在上:式中因子2表示电磁波束到目标往返一次。将上式中的两个式子相减后得 (2-20)由图2-15所展示的关系可得出 (2-21)最后得合成孔径雷达距离分辨率 (2-22)另外在图2-14, 2-15中合成孔径雷达距离分辨率示意图中，最大可测距离为脉冲重复周期T的函数，可由下式给出 (2-23)对于超出这个距离以外的目标，发射脉冲与目标回波脉冲间的时间间隔将包含重复周期T的倍数，这样就会引起测距
37、模糊。2.5.3.2 方位分辨率 在方位向，SAR的分辨率来源于回波方位向的多普勒历程，平台与照射区目标的相对位置变化，使回波的多普勒频率随时间而变化，可以证明其变化规律为二次曲线。将此信号通过匹配滤波器，校正非线性变化的相位值，然后叠加，将在匹配滤波器的输出端得到“压缩”后的信号，显然，这一运算过程就是合成孔径原理要求的信号处理过程。图2-16, 2-17分别为机载SAR的基本几何关系示意图和其斜距平面内的雷达波束与地面目标的几何关系示意图。由图2-16可以看出，在斜距平面内，取载机飞行方向为x方向，与之垂直的R方向建立坐标系，如图2-17所示。雷达天线水平波束角为，当载机处在位置I时，雷达
38、波束刚刚触及到目标P点;当载机处在位置2时，目标P点正好处在雷达波束中心;当载机处在位置3时，目标P点即将离开波束。我们把目标P点的坐标记为xo，载机 图2-16 机载SA R的基本几何关系示意图载机平台的坐标记为;当时间t=0时，载机处于位置x=0处，载机以速度v。沿x正方向匀速直线飞行，当载机处于x位置时雷达至点P的距离为时间t的函数用表示。目标点的瞬时斜距为 (2-24)由于，所以 (2-25)一般情况下，SAR的斜距，则有下列菲涅尔近似成立图2-17 斜距平面内的雷达波束与地面目标的关系示意图 (2-26)设雷达发射连续正弦波， (2-27)式中，A为发射正弦波信号的振幅，为发射信号的
39、载频，则点目标的回波信号为 (2-28)式中，为目标后向散射系数因子，F(x)为雷达方位向的增益加权因子,设,为目标回波信号的延迟时间，有 (2-29)则 (2-30)由上式可知，目标回波相位与目标同雷达间的瞬时斜距有关，由于雷达平台与目标有相对运动，因此，就产生了多普勒效应，即目标回波瞬时频率发生变化。 (2-31)式中c为光速，为雷达波长，且，to为雷达通过x=x。位置的时间，。由此式可见，由于存在多普勒频移，回波信号的瞬时频率将在载波频率附近作线性变化。也就是说，由于载机匀速直线前进，回波信号将为线性调频信号，略去固定相位项，即有 (2-32)由于回波信号的载频很高，不可能直接将其显示记
40、录，必须将它降至较低的频率，通过频率变换回波多普勒频率将以为中心作线性变化，这个较低的中心频率通常称为偏置频率。此时式(2-26)变为 (2-33)式中表示回波信号经变频将载频降至偏置频率后的瞬时频率变化，通常称它为点目标回波的多普勒频率历史，简称多普勒历史。这种在多普勒历史加偏置频率的方式称方位偏置方式。目标回波的瞬时多普勒频率为 (2-34) 其中定义为多普勒质心，定义为多普勒斜率，这里两者值分别为， (2-35)在合成孔径雷达信号处理领域，传统成像算法如距离/ 多普勒算法只在窄波束和窄信号带宽的条件下得到应用，可以认为信号方位谱在距离-多普勒域沿频率迁移曲线规律散布在不同的距离门中 ,方
41、位向成像可以分为迁移曲线校正和匹配滤波两步完成。当图像的分辨率要求较高时 ,需要宽的波束和大的信号带宽，此时聚焦深度变小，R/D算法的运算量急剧增大，且成像质量下降。二次距离压缩算法和波束域算法可以完成距离徙动加大时的成像处理，但需要插值运算，运算量变得很大。后向投影算法不受距离徙动的影响，BP算法本身运算量巨大，且同样需要插值运算，使得他们的使用受到限制。Chirp Scaling 算法能够较好地实现距离徙动校正和相位补偿，在成像过程中避免了插值运算，仅通过FFT和复数乘法即可以完成成像处理，具有广阔的应用前景。二维脉冲压缩滤波器距离向脉冲压缩滤波器方位向脉冲压缩滤波器地域回波图像地域回波图像以上从各个不同的角度阐述了合成孔径原理及其发展过程。从中不难得出，合成孔径雷达的理论模型，如图所示。这个模型表明：合成孔径雷达本质上相当于一个具有二维脉冲压缩作用的滤波器。当然，在一定的条件下，可以将此二维压缩过程分解成两个一维过程的级联。这个模型对选择合成孔径雷达信号处理器类型及理解其工作过程很有帮助。2.6 本章小结 SAR成像处理的目的是要得到目标区域散射系数的二维分布，它是一个二维相关处理过程，通常可以分成距离压缩处理和方位压缩处理两个部分。距离压缩处理是一
