天基视频SAR系统设计及成像算法研究

视频合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar,SAR）作为一种新型微波遥感体制,能够实现对热点区域动态目标的持续监视,目前对视频SAR的研究主要集中在机载平台的视频SAR系统,未对天基视频SAR系统设计及成像算法展开深入研究。文章设计了一种基于双站模式的天基视频SAR系统,其中以静止轨道SAR卫星作为发射源,并利用低轨SAR卫星接收目标区域的回波信号。研究了视频SAR成像性能与各主要工程参数间的关系,并提出一种适用于天基视频SAR的成像算法,该算法能够有效解决双站天基视频SAR成像中大斜视角应用与数据重叠等问题,成像结果正确反映了运动目标的散焦、移位现象,同时静止目标取得了良好的聚焦效果。     

高分辨率多模式星载SAR系统设计方法

针对当前星载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)朝高分辨率、多模式方向快速发展的趋势,兼顾星载SAR系统多种工作模式的特点,总结星载SAR系统的星地一体化指标体系;在此基础上提出了高分辨率、多模式星载SAR系统星地一体化设计方法,给出了系统星地一体化设计流程,对雷达天线参数设计、雷达系统参数设计、雷达发射功率选择进行重点分析;以国外高分辨率、多模式星载SAR系统为例,以其总体技术指标及轨道参数为依据,设计了系统的中央电子设备参数、天线参数及波位参数,并分析了系统的性能,从而对所提出的设计方法进行了验证.该方法克服了现有方法的局限性,为高分辨率、多模式星载SAR系统研制提供了技术支撑.     

基于Hybrid-TOPS的星载SAR运动目标监视新模式

针对传统星载合成孔径雷达(SAR)模式下运动目标测速范围有限、精度低等问题,本文提出了一种基于Hybrid-TOPS的星载SAR运动目标监视新模式。首先,利用混合度因子对星载SAR成像模式进行定量化的描述。在此基础上,通过TOPS模式与逆TOPS模式的组合提出一种运动目标监视新模式,该模式不仅能实现对同一区域的多次观测,且具有方位向连续观测的能力。然后,利用新模式所获取的不同方位向观测角度下的SAR序贯图像,再结合图像配准和基于新模式的运动目标参数反演即完成目标方位向速度信息的精确提取。最后,仿真验证了新模式的有效性与运动信息提取的精确性。      

基于子孔径ECS算法的天基视频SAR成像方法

针对天基视频合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像中回波数据重叠及实时性要求,提出了一种基于子孔径扩展线性调频变标(Extended Chirp Scaling,ECS)处理的天基视频SAR成像算法。首先提出了大角度聚束视频成像模式下的回波数据分割方法,然后基于重叠率与帧频的要求对回波数据进行子孔径划分,子孔径内部进行ECS成像处理后,在距离多普勒域进行子孔径合成,实现视频成像,从而避免了重叠数据的重复运算,有效提高了视频SAR的成像效率,重叠数据重复运算率由78.1%降为10%,最后通过计算机仿真验证了该算法的有效性。     

面向综合环境监测的星载SAR技术发展

针对中国微波遥感对地观测在信息维度、反演精度、观测效率和体系架构等方面存在的问题,基于国家重点研发计划“星载新体制SAR综合环境监测技术”的研究内容与成果,探讨了面向综合环境监测的若干未来星载SAR技术发展。在超大幅宽成像方面,提出分段渐变重频时序设计方案和基于最优线性无偏估计的低过采样变重频数据处理算法,实现了跨盲区大幅宽星载SAR成像;在宽幅星载SAR高灵敏度成像方面,提出中频数字波束合成高效星上实时处理架构和加权因子快速生成算法,采用16通道机载飞行试验数据验证,图像信噪比提升约112dB;在多极化星载SAR成像方面,分别提出一种简缩极化分解算法及混合全极化方位模糊抑制方法,在P/L波段机载飞行试验中得到验证;在高精度干涉SAR技术方面,提出基于改进相位补偿方案的层析SAR处理方法,利用P波段全极化层析SAR数据验证,获得优于0.9m的森林高度反演精度;在综合环境监测星座架构设计方面,针对广域地表高程、地表形变、海浪谱能量、洋流速度和生物量应用,完成品质因数达100的高分宽幅SAR卫星方案,其观测效能和观测维度较目前在轨SAR卫星有大幅提升。     

月地双基SAR成像的快速后向投影算法研究

为了提高对全球变化的大尺度观测能力,月基对地观测的概念应运而生。由于月基单站合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）的双程传播会造成回波信噪比衰减,为此针对月地双基SAR工作模式展开研究。考虑到月、地、星复杂的相对运动为成像带来困难,根据月、地、星的几何关系建立平面直角回波模型。同时考虑到月球和卫星运行轨迹的弯曲性,分析模型误差,推导了精确的回波二维频谱表达式。在此基础上提出了一种基于快速后向投影的SAR成像算法,补偿了方位空变的模型误差,利用频域子孔径成像和频谱融合实现成像算法的快速化。通过分析可知月地双基SAR的理论回波信噪比与地月距离的平方成反比,与月基单站SAR相比有显著提升,最后通过X波段SAR仿真数据验证了文章算法处理月地双基SAR成像问题的效性。     

一种星载SAR模糊区回波信号仿真方法

模糊度是星载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)星地一体化系统方案设计中的重要技术指标.为了定量化研究模糊度对图像质量的影响,提出了一种星载SAR模糊区回波信号的仿真方法.该方法采用星载SAR模糊区回波信号模型.利用该方法生成包含观测区场景和模糊区场景的星载SAR回波信号,经成像处理后可以获得具有模糊特性的SAR图像.该仿真方法为定量化研究模糊度与图像质量之间的关系提供仿真工具,它能够反映模糊区目标的图形特征,为SAR图像的解译判读提供参考依据.计算机仿真结果验证了该方法的有效性.      

星载SAR亚马逊雨林辐射定标仿真研究

辐射定标是准确、定量描述星载合成孔径雷达(SAR)系统性能的重要手段.星载SAR在轨运行期间,天线方向图较之发射前可能存在较大的失真,从而严重影响所获取的SAR图像数据质量,因此准确测量在轨飞行时天线俯仰向方向图特性并予以补偿是星载SAR辐射定标的主要内容之一.利用具有均匀后向散射系数特性的分布目标进行外定标是测量双程俯仰向天线方向图的最佳方案,而亚马逊雨林是全球最稳定、最均匀、最平坦的分布目标,后向散射系数几乎不随入射角变化,是公认的理想测试场地.鉴于目前我国尚无自行采集的星载SAR图像数据,我们对星载SAR回波功率仿真、天线方向图模型参数估算进行了深入、系统的研究,利用仿真的亚马逊雨林SAR功率图像成功地实现了星载SAR俯仰向天线方向图在轨测试关键环节的模拟,对我国的星载SAR辐射定标研究具有一定的理论意义和重要的工程实用价值.      

波束跃度对星载SAR滑聚模式成像影响分析

针对星载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)滑动聚束模式方位向天线波束无法实现空间连续运动而引入虚假目标的问题,提出了波束跃度对成像质量影响的定量化分析方法.首先在方位向天线波束控制前提下,构建了星载SAR滑动聚束模式回波信号的数学模型.在此基础上,采用成对回波理论定性与定量化分析了波束跃度对成像质量的影响,尤其给出了天线最小波束跃度与虚假目标幅度和位置的定量映射关系,并讨论了不同波段下,虚假目标对分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比以及系统增益的影响,为系统顶层合理论证天线最小波束跃度指标提供了可靠的理论依据.通过计算机仿真实验验证了提出的理论分析方法的正确性.     

星载合成孔径雷达的一种新波形及其处理技术

分析研究了步进频率脉冲串信号在星载合成孔径雷达 (SAR)中应用时的多普勒效应 ,并提出了一种纵向距离合成高分辨成像时多普勒二次相位的补偿方法 ,从而消除了纵向距离分辨率的恶化和信噪比损失 ,同时还可以消除纵向距离向与方位向之间的多普勒耦合     

星载SAR电离层探测及误差补偿

工作于低频波段的星载合成孔径雷达（SAR）信号会受到电离层的显著影响，因此在系统设计时必须考虑相应的补偿方法。基于此，首先开展了适用于低频大宽带SAR模式的电离层影响评估研究，建立了基于勒让德展开的五阶误差分析模型，可有效解决传统模型各阶次耦合问题。其次，针对背景电离层色散问题，开展了基于双频自聚焦算法的补偿研究，利用ALOS PALSAR数据进行了半物理仿真验证，电离层反演精度优于04TECU，可有效提升图像聚焦质量；针对法拉第旋转角误差，利用ALOS PALSAR回波散射矩阵信息开展了补偿研究，结果显示，相比官网提供的补偿参数，误差可进一步降低27%。上述基于回波数据本身的补偿研究，可避免第三方数据精度差、分辨率低、需地面接收机、传播路径不一致等问题，同时降低了载荷成本。最后，结合SAR高分辨率特性，基于回波的电离层反演可有效提高现有电离层探测能力，开展了PALSAR 垂测仪联合反演电子密度研究，其结果比仅垂测仪数据精度普遍提高了30%以上。研究成果可为未来低频星载SAR的系统设计提供技术支撑。     

高精度星载SAR多普勒参数估算方法

提出了一种基于空间坐标转换,利用卫星位置、速度参数精确估算星载SAR(Synthetic Aperture Radar)全观测带多普勒参数的方法.利用卫星速度、位置,通过星载SAR空间几何模型和坐标转换关系,建立SAR图像中斜距同卫星下视角之间的四次方程,解出下视角并进一步计算出该斜距处的多普勒参数值.仿真结果表明,该方法在无卫星位置、速度误差情况下估算精度达到0.02Hz(多普勒中心频率)和2×10-4Hz/s(多普勒调频率);存在卫星位置测量误差(300m)以及速度测量误差(0.3m/s)的情况下,估算精度达到0.8Hz(多普勒中心频率)和0.07Hz/s(多普勒调频率).该方法适用于单星SAR以及分布式SAR高精度多普勒参数的估算.      

星载SAR全方位模糊特性及计算方法

常规的星载SAR模糊度计算方法是基于距离向一维方向图和方位向一维方向图,独立进行距离向模糊度和方位向模糊度分析.由于星载SAR对地观测是二维的,因此距离模糊度是全方位的,且真实的模糊能量仅来自于距离向模糊信号,方位向模糊是基于距离向模糊信号的基础上由于成像处理导致的模糊信号重组.为解决系统设计时预估分析的距离向模糊度值...     

MPI和Pthread混合编程在NCS算法中的设计和实现

根据星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）实时和准实时成像的需求,论文设计和实现了一种混合编程模式的非线性CS（Nonlinear Chirp Scaling, NCS）成像算法。此方法基于SMP（Symmetric Multiprocessing）集群系统,利用MPI（Message Passing Interface）和Pthread混合编程,实现了多进程和多线程的两级流水线并行成像处理。通过在HP刀片系统上的实验验证和结果分析,这种混合编程的流水线NCS并行成像算法既能较好适应前端系统传输一景原始回波数据时间不小于8s的情况,又能较好适应大规模原始回波数据堆积并且等待处理的情况。     

基于DEM的星载SAR图像模拟以及用于图像精校正

根据星载SAR的距离-多普勒成像原理对DEM的三维位置点进行成像几何位置的计算,然后根据经验公式给出了雷达后向散射系数的模拟方法。针对DEM格网间隔和SAR图像分辨率的不同,以及由于侧视成像雷达的特点而导致山区的迎坡和背坡模拟图像点密度不均匀等问题,采用了基于DEM格网点内插的算法。最后应用模拟的SAR图像和真实图像匹配来实现星载SAR图像的几何精校正处理。通过采用RADARSAT的实际图像进行了图像的模拟和几何校正,证明了方法的可行性。     

星载SAR图像斑点抑制与质量评估系统

结合星载合成孔径雷达(SAR)单视图像斑点噪声抑制技术与质量评估,并基于为科学数据可视化及数学分析提供完备计算环境的IDL(Interactive Data Language)语言,完成了在IDL环境下开发的SAR图像斑点抑制与质量评估系统,获得了高空间分辨率和高辐射分辨率的星载SAR图像.      

星载SAR相控阵天线热变形误差分析

根据星载SAR相控阵天线结构特点,建立了天线热变形误差的数学模型,定义了阵面不平整度指标.基于成对回波畸变理论,推导了天线阵面存在热变形误差时的方向图函数表达式,导出了单频热变形误差分量与模糊度之间的统计关系,提出了定量分析星载SAR相控阵天线热变形误差对模糊性能影响的有效方法.基于L波段星载SAR天线进行了计算机仿真,验证了分析方法的正确性.      

SAR图像超分辨与点扩展函数扰动校正算法

推出基于贝叶斯概率公式的SAR(合成孔径雷达)图像超分辨的最大估计(EM)算法,实现SAR图像雷达截面积的重建.本算法成功地将图像场景的先验知识纳入到图像的重建过程之内,有效提高了图像的分辨力,并采用点扩展函数参数化模型,通过估计该模型的参数,抑制点扩展函数扰动的影响.二者结合,有效地实现了SAR图像的超分辨.本算法的关键是构造合理的点扩展函数模型,能够同时拟合SAR图像数据和成像系统参数的相关信息.