旋转式合成孔径雷达三维成像方法研究

【摘要】旋转式合成孔径雷达(ROSAR)是一种新型的雷达成像模式，它既保留了传统合成孔径雷达(SAR)全天候、全天时、电磁穿透等优点，又具有重访周期短、全视域成像等卓越性能，广泛应用于自然灾难应急救援、地下资源勘探、公共场所无损安检、战场监视以及低空火力支援等领域。直升机等旋翼飞行器是ROSAR模式最为典型的应用平台，ROSAR天线固定在刚性支架上，并指向外围随机翼一起做匀速圆周运动，天线旋转一周即能完成周围场景一次探测。该技术巧妙地利用了机翼旋转特性，仅需要一个天线的旋转运动，就能形成方位向圆弧形合成孔径，从而实现周围场景二维成像，极大地提高了飞行器的飞行安全。但是面对低空飞行任务，周围场景通常非常复杂，而获取的二维图像将可能错误地反映潜在威胁物的空间信息，为此开展ROSAR三维成像研究显得尤为必要。本文以满足低空空域安全飞行为目的，针对ROSAR三维成像中的关键问题和技术难点，围绕973项目“复杂低空飞行的自主避险理论与方法研究”、国家自然科学基金“机载毫米波雷达旋转合成孔径成像处理方法研究”等项目的研究任务，从ROSAR三维成像模型和三维成像方法等方面展开研究。具体的工作和贡献如下：1.介绍了传统的二维ROSAR模型，为后续的三维成像理论奠定基础。针对现有的二维成像方法运算量大、大方位角散焦问题，提出了一种基于频谱重构的二维ROSAR成像方法。通过分析ROSAR回波信号形式，对其直接进行傅立叶变换，获取二维精确频谱表达式。由于精确频谱的形式过于复杂，导致后续处理无法进行，折中考虑频谱的精确性和可操作性，采用四阶频谱重构的方法，获取形式简洁、保留较多信息的高阶频谱，并基于该频谱提出ROSAR距离徙动算法(RMA)和调频变标算法(CSA)。仿真实验表明，在方位角不大于90度情况下，频谱重构方法都能实现高精度快速成像。2.建立了ROSAR干涉成像模型，并重点分析了非理想情况载机平台的轴偏移问题。通过ROSAR技术和干涉方法相结合，要求载机平台在不同高度上进行悬停，每悬停一次获取一组场景数据，对录取的数据进行成像和干涉处理，可实现周围场景全视域三维成像。针对平台运动非理想情况，讨论了轴偏移对方位带宽、图像位置和干涉相位的影响。轴偏移导致干涉相位中增加一项附加相位，通过推导和分析附加相位形式，构建了一个相位补偿函数，由于该函数需要场景高度这一未知信息，预先假设所有场景高度为零，然后通过构建相位加权因子来消除高度置零的影响。最后对轴偏移的影响进行仿真实验，并获取了仿真场景三维高程图。3.建立了旋转上升合成孔径雷达(SSAR)三维成像模型，并提出一种适用于该模型的三维成像算法。在现有的二维ROSAR技术的基础上，SSAR利用载机平台上升在高度向上形成第二个合成孔径，天线受水平旋转和匀速上升的共同作用，在空中形成一个圆柱形合成阵面，同时结合距离向发射的宽带信号，使得该模型具有三维成像能力。关于三维成像算法，为了降低成像处理难度，首先分析方位向采样和高度向上升对天线位置的影响，并构建位置偏移补偿函数，将“旋转上升”模式简化为沿高度向“一步一悬停”模式。然后分析了简化模式的相位历程，计算高度向中心频率偏移量，推导波数域三维匹配函数，构建波数域插值函数，进而实现简化模式的三维成像。最后对该模型进行了性能分析，并通过仿真实验验证成像算法的有效性。4.建立了前行ROSAR(FMROSAR)三维成像模型，并针对该模型提出了一种三维成像算法。在前行状态下，天线指向前方区域发射宽带信号，同时受到平台前行和机翼旋转的共同影响，在空中形成一个水平合成阵面，结合距离向高分辨能力以及二维阵面分辨能力，FMROSAR可实现三维前视成像。FMROSAR成像算法包括模式简化和简化模式三维成像两大步骤。首先通过方位向偏移补偿和顺轨向偏移补偿，将前行模式简化为沿顺轨向“一步一停”模式。针对“一步一停”模式，又细分为距离-方位成像和距离-顺轨成像两个子步骤。在后者的成像过程中，分析了平台运动对方位角变化的影响，并给出了顺轨向有效聚焦的约束条件。同时考虑顺轨向大斜视成像情况，提出了一种改进的距离多普勒算法(RDA)。最后分析了上述模型的性能，并验证了成像算法的有效性。
【作者】杨科；
【导师】廖桂生；
【作者基本信息】西安电子科技大学，信号与信息处理，2014，博士
【关键词】旋转式合成孔径雷达；三维成像；大方位角成像；干涉成像；全视域成像；前视成像；低空空域；

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