圆周扫描地基SAR频域快速三维成像算法

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圆周扫描地基SAR(Circular scanning ground-based SAR,GBCSAR)是一种具备三维成像能力的新体制地基SAR系统,它将圆迹SAR模式引入地基平台。区别于传统的直线轨道地基SAR,它通过圆周运动采集数据,从而形成二维合成孔径,掌握场景的三维信息,具备三维成像、数据采集便捷的优势,但其特殊的圆周运动轨迹给三维成像增加了难度。尽管国际上已经理论论证了其三维分辨能力,但针对圆周扫描地基SAR的成像算法研究尚不成熟。适用于该系统成像的有时域后向投影(Backward projection,BP)算法,其冗余量巨大,随着监测场景的扩大,巨大的计算量导致算法难以满足实时监测成像的需求。机载圆迹SAR与圆周扫描地基SAR系统在成像几何和信号收发模式上都存在明显差异,目前已有的机载圆迹SAR成像频域算法无法直接应用于圆周扫描地基SAR。因此,本文针对圆周扫描地基SAR系统成像算法尚不完善的问题,提出了一种频域快速三维成像算法。由于圆周扫描地基SAR成像在不同距离位置的空变性很大,本文将监测场景进行区域划分,分块展开成像算法的研究,以实现全场景的频域快速成像。本文主要的研究内容如下:(1)基于圆周扫描地基SAR系统的成像几何模型和信号模型,推导了相同距离不同角度的目标的回波,分析了信号的“沿角度维移不变”特性;分析了圆周扫描地基SAR的频谱特征,给出了三维分辨率的计算方式;根据圆周扫描地基SAR的成像模型将场景划分成像区域进行算法研究。(2)针对斜侧视区域处于远距的目标,根据远距的几何特点,研究采用了平面波近似的方法进行二维匹配滤波,实现远距的高质量成像;处于近距的目标在应用平面波近似法成像时误差较大,因此设计匹配滤波器时提出了误差的二次项补偿方法和基于参考距离的匹配滤波方法,大幅扩大了有效成像区域,并通过仿真和实际场景实验数据处理验证了算法的有效性。(3)针对正侧视区域与斜侧视成像几何不同,以上方法不适用于正侧视区域成像的问题,引入了极坐标(Polar Format Algorithm,PFA)算法,结合圆周扫描地基SAR旋转轨迹半径小的几何特点进行了算法推导,提出了圆周扫描地基SAR的极坐标算法,通过仿真和实际场景实验数据处理验证了算法的有效性。
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