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1、精品_精品资料_各种 SAR 成像算法总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_各种 SAR 成像算法总结1 SAR 成像原理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,通常可以分成距离向处理和方位向处理两个部分.在处理过程中,各算法的区分在于如何定义雷达与目标的距离模型以及如何解决距离 方位耦合问题,这些问题直接导致了各种算法在成像质量和运算量方面的差 异.一般来说,忽视多普勒频移所引起的距离向相位变化,距离向处理变为一维的移不变过程且相关核已知,即退化为一般的脉冲压缩处理.同时将雷达与目标的距离按 2 阶 Taylor 绽开并忽视高次项,就
2、方位向处理也是一个一维的移不变过程,并退化为一般的脉冲压缩处理,这就是经典的距离多普勒（Range-Doppler RD）算法的实质.如考虑多普勒频移对距离向相位的影响,同时精确的建立雷达与目标的距离模型,就不论距离向处理仍是方位向处理都变为二维的移变相关过程.线性调频尺度变换（ Chirp-Scaling CS）算法即在此基础之上将二维数据变换到频域,利用 Chirp Scaling 原理及频域的相位校正方法,对二维数据进行距离徙动校正处理、距离向及方位向的聚焦处理,最终完成二维成像处理.当方位向数据积存推迟小于全孔径时间（即方位向为子孔径数据）的情形下,方位向处理必需使用去斜（ dechi
3、rp）处理及频谱分析的方法.在 RD 和 CS 算法的基础之上,采纳dechirp 处理及频谱分析的方法完成方位向处理的算法分别称为频谱分析（ SPECAN）算法和扩展 CS（Extended Chirp Scaling ECS）算法.1.1 SAR成像原理本节以基本的正侧视条带工作模式为例,对SAR 的成像原理进行分析和讨可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_论.正侧视条带 SAR 的空间几何关系如下图所示.图中, o平面为的平面,o垂直于 o平面. SAR 运动平台位于 S 点,其在的面的投影为G 点.SAR 运动平台的运动方向Sx 平行于 o,速度大小为 va .SAR 天线波
4、束中心与的面的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_交点为 C, CG 与运动方向 Sx 垂直. S 与 C 的距离为Rs ,B1SB2 称为天线波束可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_的方位向宽度,大小为a .P 为测绘带内的某一点,一般情形下取斜距平面CSP 进行分析,称 SAR 运动的方向 Sx 为方位向（或方位维）,称天线波束指向方向 SC为距离向（或距离维）.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_vaSaxRt可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_GovatRsP B 1CB2 X测绘带可编辑资
5、料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_正侧视条带 SAR 几何关系示意图假定 P 的方位向坐标为X .在 t 时刻, SAR 运动平台S 与 P 的距离为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_R t .如当 t达式为：0 时刻, SAR 运动平台位于方位向 0 点,就当 t 时刻,Rt 的表可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_RtR2v tX 21.1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_将式1.1在 tXsa/Va 邻近进行 2 阶 Taylor 绽开,有：2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Rt RXVaRXtXVaVa1 RXtX2 VaV
6、a1.2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_av tX 2Rs2Rs假设雷达发射连续的正弦波,即发射信号st t 为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_ts t Re Ae jct 1.3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中, A 为发射正弦波的幅度,c 为发射信号的载频.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_发射信号st t 经点目标 P 散射后,雷达接收机收到的信号sr t 为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_sr t ReKAe jc t F x1.4可编辑资料 - - -
7、 欢迎下载精品_精品资料_其中： c 为光速, K 为复常数,为回波信号相对于发射信号的时间延迟：2Rt / c1.5F x 为考虑雷达水平方向增益变化而引入的加权函数.如不考虑雷达天线j的加权作用,即令 F x1,就式 1.4变为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_sr t ReKAec t1.6可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_依据式 1.6,雷达运动平台相对于点目标的运动将造成回波信号的相位随时间不断变化,从而引起回波瞬时频率的变化,产生多普勒频移.多普勒频移可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_量 f d t 为：f d t 1dc1 d2c Rt
8、 1.7可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_将式1.2内的2dtRt 代入可得：2dtc可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_f d t 1d2c Rt 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_21d2dtcR2v21.8可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_ascs 1v tX 2/ 2R2a tt 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_02dtcRs可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中：为雷达工作波长,且2P点的时间.c /c , t 0X / va为雷达波束中心通过可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_回波信号的
9、瞬时频率affr t 为：t fftf2v2tt 1.9可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Rrcdc0s由式1.9可知,多普勒频移的存在将使回波信号的瞬时频率在载波频率c可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_邻近作线性变化.也就是说,由于雷达运动平台匀速直线前进,回波信号在方位向将为线性调频（ chirp）信号：sr t可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_4R2v2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_s t ReKA expjtsa tt 21.10可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_rc0Rs可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精
10、品资料_其中 4R0 /为固定相位项,略去后,式 1.10可简化为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_v2s t ReKA expjt2a tt 21.11可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_rc0Rs通常为便于对回波信号进行处理,需要将回波信号经频率变换调至较低频可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_率 f0 ,回波多普勒频率将以f 0 为中心变化.中心频率f 0 称为偏置频率.因此可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_有：aftf2v2tt 1.12
11、可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Rdet00s式中 f det t 表示回波信号经变频处理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信号的多普勒频率历史,简称多普勒历史.由式1.12可见,多普勒历史是一按负斜率变化的chirp 信号,其调频斜率可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_fdr 为：f2v2 /R1.13可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_dras可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_即点目标回波信号的调频斜率与v2 成正比、与Rs 成反比.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精
12、品_精品资料_a点目标横过波束的最大距离Ls 称为合成孔径长度,其大小与Rs 以及方位向可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_波束宽度 a 有关.点目标横过波束的时间称为合成孔径时间Lsa RsTs .有：1.14可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_TsLs/ vaa Rs / va1.15可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_在合成孔径时间里,多普勒频率的变化范畴称为多普勒带宽,用Ba 表示.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_由式1.14、1.15得到Ba 的表达式为：B1fTa2v2T2 ava1
13、.16可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_adrss2Rs考虑到对于方位向天线直径为 Da 的天线,近似有：a1.17Da因此, SAR 的方位向理论辨论率a 为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_vavaDaaBa2vaa /21.18可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_从上述分析可以看出,由于雷达运动平台作等高匀速直线运动,使得目标的回波信号在方位向上具有线性调频特性,对回波信号进行脉冲压缩处理,可以获得方位向的高辨论率.在抱负情形下,SAR 方位向辨论率与雷达平台的速度、飞行高度、作用距离、雷达工作波长等参数无关,只与天线尺寸有关,为可编辑资料 -
14、- - 欢迎下载精品_精品资料_天线方位向口径尺寸的一半,这是SAR 的一大特点和优势.1.2 SAR回波信号模型1.1 节分析了 SAR 成像的基本原理,本节推导 SAR 回波信号的数学模型, 给出 SAR 信号处理的理论基础.chirp 信号是 SAR 系统中最常用的发射信号形式.假设雷达发射的chirp 脉可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_冲串 st t 为：其中,nst t nptnPRT 1.19可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_pts0 tcos 2f 0tt可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_rt k t 2s0 t 为发射信号的包络,kr
15、 为 chirp 信号的调频斜率,s 为发射信号脉宽, f0 为发射信号的中心频率,PRT 为脉冲重复周期.就雷达于时刻t ,接收可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_到斜距为Rt 处目标反射的回波信号sr t 为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_s t WtRt st2 Rt 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_ratcc1.20可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_WatRtp tnPRT2 Rt 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_n其中,为目标的后向散射特性, 光速.ccWa g 为方位向的天线方向性函数,c 为可编辑资料 -
16、 - - 欢迎下载精品_精品资料_sr t 经正交解调后的复信号 st 可以表示为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_stnWatRtcs0 tnPRT2 Rt / c1.21可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_expj 4RtexpjtnPRT2Rtc可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中, 为雷达工作波长.式 1.21中的两个指数项分别代表方位向的相位调制和距离向发射的相位调制.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_考虑到相对于雷达发射脉冲而言,以作如下近似：Wa t 和Rt 是时间 t 的慢变化函数,可可编辑资料 - - - 欢迎下载精品
17、_精品资料_WatWa nPRT 1.22可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Rt RnPRT 1.23可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_同时,将时间 t 分解为快时间重量和慢时间重量 ta 之和,即：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_tt a , tak PRT1.24可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_通过变量置换,可以将 st 转换成二维形式：a4可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_s ,ta Wa t a expjRt at可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编
18、辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_ta 2Rta cs0expj 1.25可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_W texpj 4Rt 2 Rta 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_aaacta s0exp j 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中,ta 表示对ta 的卷积,表示对 的卷积,表示二维卷积.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_因此,雷达系统接收回波信号的过程,可以看作是的面目标的后向散射特性通过一个线性系统的过程.式 1.25可简化表示为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_s ,ta h , ta1.26
19、可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中, h ,ta 为线性系统的冲激响应函数：h ,t W t expj 4Rt 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_aaaa1.27可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式1.27可以进一步表示为：h ,ta 2 Rta ch1 ,t as0h2 expj 1.28可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中,h ,t W texpj 4Rt 2Rta 1.29可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1aaaac可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_
20、h2 s0expj 1.30可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_就式1.26可进一步表示为：s ,ta h1 ,ta h2 1.31可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式1.29中, h1 , ta 的指数项代表了由于雷达运动平台与目标间相对运动可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_所带来的方位向相位调制.假如对Rta 采纳式 1.2所示的 2 阶 Taylor 绽开方可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式,就回波的方位向相位为慢时间ta 的 2 次函数
21、,即一个 chirp 信号.h1 ,t a可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_的冲击函数表达式代表了由于相对运动,回波包络的中心在距离向上的位置发生变化,即距离徙动现象.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2 RD 算法原理RD 算法流程如下图所示,包括距离压缩处理、方位压缩处理两个主要处理步骤,以及作为帮助处理步骤的距离徙动校正处理.由于具有概念简洁、易于实现、处理效率高等优点, RD 算法成为最经典、最成熟的SAR 成像处理算法.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_距离向参考函数原始数据距离向 FFT距离向 IFFT距离徙动校正处理方位向 FFT方位向
22、IFFT方位向参考函数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_成像结果RD 算法流程RD 算法的本质是对 Rta 采纳式 2.2所示的 2 阶 Taylor 绽开方式,将距离向处理和方位向处懂得耦,分解为两个一维处理分别完成.其中距离向处理利用脉冲压缩技术实现距离向高辨论,方位处理就利用回波中的多普勒信息完成方位高辨论.2.1 RD 算法的距离向处理可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_SAR 回波信号的表达式为：s ,ta h1 ,ta h2 2.1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中,h ,t W texpj
23、 4Rt 2Rta 2.2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1 aaaac可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_h sexpjk22.3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2 0r由于 h2 为 chirp 信号,距离向处理就是针对 h2 完成匹配滤波处理.选取距离向处理参考函数 gr：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_gh*sexpjk22.4可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_r20r就距离向处理后的信号近似为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_sr ,ta s ,t
24、 agrh , t h h* 2.5可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1a22h1 , ta Ar可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中, Ar时：为距离向处理结果的包络,当发射信号的包络s0为门函数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_s0rect1,s22.6可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_s0,otherwise可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Ar为 sinc 函数：ArsincBrsinBr Br2.7可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中 Brkr s 为发射信号的带宽,s 为发射脉冲宽度.一般情形下
25、为了获可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_得距离向的高辨论,发射脉冲的带宽Br 很大,此时 Ar近似为 函数.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2.1.1 距离徙动校正处理可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_将距离向处理终止后的信号sr ,t a 重写如下：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_sr ,ta h1 , ta 4Wa ta expjArRtaAr2.82 Rta / c可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_由于在不同的慢时间ta ,雷达和目标的距离Rta 不同,因此式 2.4
26、7中距可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_离向处理结果包络Ar的最大值随慢时间的变化显现在不同的距离向位置可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_上,这种现象称为距离徙动现象.距离徙动现象的本质是回波信号的方位向和距离向发生耦合,假如要进行精确成像,方位向就需要进行二维相关处理.为了使信号的方位向与距离向解耦,从而简化方位处理,使之变为一维相关处理,就需要在方位向处理之前进行距离徙动校正,使式 2.8变为如下形式：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_s ,t W texpj 4Rt A2 R/ c2.9可编辑资料
27、- - - 欢迎下载精品_精品资料_raaaarref可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中,Rref为不随慢时间t a 变化的参考距离.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_对2.8中的斜距 Rta 按二阶 Taylor 绽开,有：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_a aRt Rv tX 22.10可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_as式2.8可以改写为如下形式：2Rs2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_s ,t W t expjftX可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资
28、料_raaadravav tX 22.11可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_rsA2Ra a/ c2Rs可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中,f dr为回波方位向多普勒调频斜率.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_处于不同方位向位置 X 的点目标,其距离徙动变化曲线Rt a 各不相同.在实际处理过程中,必需针对不同方位向位置X 逐一进行距离徙动校正处理.为了简化距离徙动校正处理,减小处理量,可以利用方位向回波chirp 信号的时频关系：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_f afdrta使得 Rta 随方位向频率的表达式XvaR f a 与
29、目标所处的方位向位置 X 无关：22.12可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_R f Rva fa / f dr2.13可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_as2 Rs可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_对式2.12进行方位向 Fourier 变换,得到方位向频域信号Sr ,fa ：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_ff 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_S , f W f rectaexpja可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_raaava fa /Ba2f drfdr2.14可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_
30、精品资料_Ar2Rs/ c2Rs可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_t ax / va t a B2：表示压缩后的 sinc 信号可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_t aB1目标 B 的时域徙动曲线可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_t a B0f a目标 A,B 的频域徙动曲线可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_t a A 2f a A0 ,f aB0可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_t a A1目标 A 的时域徙动曲线f aA1 ,
31、f aB1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_t a A 0f a A2 ,f aB2R1R 2R 0R 1 R 2R 0两个点目标 A,B 的距离徙动曲线时域及频域示意图可见将数据变换到方位向频域以后,不同方位向位置的点目标的距离徙动曲线将重合起来.上述过程如上图所示.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_距离徙动校正处理的实际工作过程一般是针对方位向频域信号Sr ,fa ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_依据式 2.13由方位向频率距离向移位操作.fa 运算出R fa 的大小,然后对Sr ,f a 进行相
32、应的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2.2 RD 算法的方位向处理可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_经过距离徙动校正处理的信号sRMC ,ta 可以表示为：2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_s , t W t expjftX可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_vRMCaaadraa2.15可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Ar2Rref / c可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中,Rref为距离徙动校正后的参考距离,一般情形下为Rs .fdr为方位向可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_多普勒调频斜率：f dr2v2aRs2.16可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_因此 sRMC , ta 是一个在距离向Rs 处显现,方位向中心位于X / va ,调频斜可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_a率为 2v2 /Rs 的 chirp 信号.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢