电离层对星载SAR影响的多相位屏仿真方法

利用多相位屏技术对电离层色散、相位闪烁、幅度闪烁等影响的P波段星载SAR(Synthetic Aperture Radar)回波进行了仿真.将电离层建模为只改变信号相位的多个薄屏,信号在屏之间的衍射效应实现电离层的幅度闪烁和相位闪烁.衍射结果由斜入射条件下球面波的抛物方程在自由空间的解析解得到.穿过多相位屏的信号复振幅中包含了电离层色散、相位闪烁、幅度闪烁等影响.回波信号通过发射信号的频谱与受电离层影响的复振幅相乘得到.仿真表明,该方法可以真实反映电离层色散、相位闪烁、幅度闪烁等效应,为研究电离层影响下的星载SAR成像提供真实可靠的数据.     

基于LCMV算法的星载SAR距离模糊抑制方法

距离模糊抑制是星载合成孔径雷达(SAR)系统顶层设计中的关键问题之一.增加天线高度可以抑制距离模糊,但卫星平台往往对天线尺寸有所限制.指出了距离模糊抑制对于提高可视观测带宽度、产生高质量雷达图像的重要性,介绍了距离模糊的数学模型,提出了分布距离模糊度的概念,分析了平均距离模糊度与分布距离模糊度的区别,给出了应用线性约束最小方差(LCMV)算法抑制星载SAR距离模糊的方法.仿真结果证明,该方法在天线高度不变的情况下,不仅能够提高平均距离模糊度,也可以改善分布距离模糊度.      

星载SAR滑动聚束模式三步扩展算法

针对星载SAR(Synthetic Aperture Radar)滑动聚束成像模式,结合空间几何模型沿距离向对混合度因子进行了分析及修正.在此基础上研究了单点目标及全场景的多普勒带宽,并通过数学推导验证了两步成像处理算法克服频域混叠的有效性.通过进一步深入研究指出了两步成像算法的局限性,即对脉冲重复频率的选择具有较高的要求,否则在方位向图像域造成混叠.针对两步成像算法的缺陷提出三步扩展成像处理算法,在方位向聚焦后通过选择合适的deramp因子完成方位向的重采样,克服了方位向图像域的混叠,并研究了第三步deramp操作对方位向时域展宽的影响.最后通过仿真验证了三步成像处理算法的优越性.     

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.      

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.      

基于帧频的星载SAR系统视频成像能力分析

视频合成孔径雷达(video synthetic aperture radar, ViSAR)作为一种微波遥感体制能以摄像式模式对重点区域的时敏目标展开持续性的动态监视,已经受到越来越广泛的关注,但针对视频SAR系统的视频成像能力的分析还不够深入。首先建立了视频SAR回波信号模型,并结合给定的星载SAR系统参数,提出了一种基于帧频的适合分析星载SAR系统视频成像能力的模型,并基于X波段和Ka波段雷达参数对系统进行了仿真分析。研究表明,在形成相同帧率的SAR视频时,SAR系统频率越高,越容易形成独立帧率的SAR视频;在形成相同方位分辨率帧图像的SAR视频时,中心斜视角越大,所需的孔径交叠率越大。研究成果可为星载SAR系统设计提供理论分析支撑。     

星载SAR辐射定标及其精度分析

随着星载合成孔径雷达（SAR)应用需求的发展,为了观测目标的物理特征,可以利用辐射定标技术获取更加精确的目标后向散射系数信息。主要完成单通道单极化条带成像模式下辐射定标及其精度分析,首先从雷达方程出发,进行严格的数学推导研究单通道单极化条带模式辐射定标技术;其次给出通过对已知雷达散射截面积的目标的观测,得到SAR图像上的灰度值与绝对的雷达散射截面积之间的关系;采用测量定标常数的方法,并基于辐射定标流程建立辐射精度误差模型和计算公式,重点研究了短期相对定标和长期相对定标中各因素对精度的影响。而且针对定标常数对绝对定标精度的影响给出了详细说明,指出星载SAR系统需要定期地完成系统修正。最后以TerraSAR-X卫星为例进行了计算验证,结果表明辐射精度预估值与实测值相差小于0.05 dB。     

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。     

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.     

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。     

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.      

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.      

基于快速退火MRF的改进SAR图像分割方法

基于Markov随机场(MRF,Markov Random Field)的SAR图像分割方法利用了SAR图像的灰度和结构信息,能在分割过程中有效抑制斑点噪声,获得较高的分割精度.但这类方法的缺点是模拟退火的计算量很大.针对该问题,提出了一种基于快速退火MRF的SAR图像分割处理方法.该方法根据SAR图像Gibbs分布的特性,在求取全局最优解时,首先寻找邻域系统中占有支配地位的某种标记,若存在占支配地位的标记,用此标记更新状态;反之,则沿用传统模拟退火的方法随机更新状态.由于该方法引入基于Gibbs分布的先验判决进行系统状态更新,因此能够快速求得全局最优解.最后对真实SAR图像进行处理,处理结果验证了算法的有效性.     

单通道SAR实现ATI动目标检测的新方法

研究了采用单通道合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)多视沿航迹向干涉(ATI,Along Track Interferometry)实现地面慢速运动目标指示的检测方法.分析了该方法所需的步骤,即利用重叠或不重叠的窗构造子视,对子视分别成像,相位误差校正并求干涉.关于其中起关键作用的相位误差校正步骤,提出了利用信号子空间投影进行相位配准的补偿方法.借助该鲁棒的自适应方法可以从某种程度上解决子图像间的去相关问题,降低相位随机性的影响,从2幅子视图像的干涉相位图上敏锐地检测到运动目标.通过仿真实验,验证了该方法可以有效地从强杂波中检测动目标,为单通道SAR实现地面运动目标指示(GMTI,Ground Moving Target Indication)、扩展已有SAR系统功能提供可靠的途径.      

基于二维deramp处理的高分辨率 聚束SAR成像算法

有效解决回波信号的数据率是高分辨率聚束式星载SAR的难点之一.基于两步成 像算法和CS(Chirp Scaling)成像算法,提出了一种适用于高分辨率聚束式星载SAR的成像算 法——TDDCS(Two Dimension Deramp Chirp Scaling)成像算法.该算法从距离dechirp处理 后回波信号出发,首先利用二维deramp 处理来消除频谱混叠现象,这不仅能实现以对应条 带模式的脉冲重复频率来设计聚束SAR系统,也保证满足观测带宽度所需的回波窗长度,接 着利用CS处理和相位补偿实现精确的距离徙动校正,最后利用方位相匹配滤波 处理实现方位向压缩,得到最终的成像结果.基于等效斜视模型,给出了整个算法的详细推 导过程和实现流程,通过计算机仿真验证了本算法的有效性.      

合成孔径雷达压缩感知成像方法

为解决大带宽、多通道空间雷达系统的数据量大导致数据无法存储和传输的问题,介绍了一种基于压缩感知理论(CS,Compressive Sensing)的、全新的合成孔径雷达数据获取体制和脉冲压缩方法.在观测场景满足一定稀疏特性的前提条件下,使用该方法取代传统的匹配滤波方法进行脉冲压缩处理,可以从远远低于常规雷达所获取的数据量中恢复出原始场景.压缩感知脉冲压缩是通过使用一种贪婪追踪算法解一个逆问题来重建脉冲压缩后的信号.给出了该方法的原理和过程,并通过计算机仿真验证了该方法的有效性.这种新方法可以简化雷达系统,有效降低存储和传输的数据量,将设计重点从昂贵的接收机硬件上转移到智能信号重建算法上去.      

机载三通道SAR/GMTI性能分析及改进方法

在分析经典的三通道SAR(Synthetic Aperture Radar)地面动目标指示(GMTI,Ground Moving Target Indication)方法原理的基础上,提出一种较全面三通道SAR/GMTI性能评价方法.该方法同时考虑了载机存在速度误差、通道不匹配、杂波内部运动和系统噪声等主要误差因素,并分析了各种因素对系统性能的影响.经典的三通道SAR/GMTI方法存在的缺点是不能同时提高最大不模糊可检测速度、最小可检测速度和盲速指标的性能以满足系统设计的要求.给出了一种新的天线布置方案和动目标检测方法,改进的检测方法在不增加通道数的前提下,较好地解决了该问题,具有很好的实用性.最后通过计算机仿真验证了新方法的可行性.     

基于俯冲模型的SAR成像处理和几何校正

针对高速俯冲状态下斜视SAR(Synthetic Aperture Radar)高分辨率成像处理和几何校正方法进行研究,建立了通用的SAR空间几何模型,在此基础上推导了俯冲状态下的等效斜视距离模型,并给出相应的回波信号数学模型.根据高速俯冲SAR的信号特点,采用Burst工作模式,利用改进的ECS(Extended Chirp Scaling)成像算法进行成像处理,给出了成像处理流程和相位补偿因子表达式.根据距离方程和多普勒定位方程组推导了针对ECS成像算法的几何校正计算公式.计算机仿真结果表明,改进ECS算法能够对俯冲模式SAR进行高分辨率成像处理,并对斜视SAR具有较好的处理能力,提出的几何校正方法能够很好地修正几何失真.      

一种空间协同探测系统的星座设计方法

研究了由多颗合成孔径雷达卫星和一颗可见光卫星构成的空间协同探测系统的工作模式.根据太阳同步轨道和冻结轨道的特点,结合近地轨道遥感卫星的应用需求,选择了轨道半长轴、偏心率、倾角、近心点幅角.考虑到卫星偏航控制对覆盖性能的影响,在不动的地心坐标系中推导了卫星观测方向与地表交点的表达式,提出了确定系统中各颗卫星的升交点赤经和过近心点时刻的算法.给出了包含两颗合成孔径雷达卫星与一颗可见光卫星的协同探测系统的星座设计结果,并利用国际公认的卫星软件工具包Satellite ToolKit进行了验证,表明该设计方法是正确的.