论文部分内容阅读
星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种非常有效的遥感对地观测手段,具有全天时全天候的全球观测能力。基于地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)SAR卫星发射、低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)SAR卫星方位多通道(Azimuth Multichannel,AMC)接收的双基SAR(Bistatic SAR,BiSAR)新型对地观测系统(GEO-LEO AMC-BiSAR),具有远发近收、机动灵活、时效性高等特点,具备接收端抗干扰能力强、低成本和小型化等优势,利于实现轻型SAR遥感卫星产业化和数据应用标准化,满足高分辨率宽测绘带(High-Resolution and WideSwath,HRWS)成像、干涉SAR(Interferometric SAR,InSAR)测绘等应用需求。然而,该体制存在收发平台轨道差异大、空间大尺度异构和回波二维空变等问题,在系统总体设计以及SAR/InSAR信号处理上仍面临许多新的技术难题。本文针对GEO-LEO AMC-BiSAR的系统总体设计、方位多通道双基多普勒模糊抑制、HRWS双基频域快速成像及双基InSAR信号处理四个方面存在的主要问题和关键技术进行研究,论文的主要内容及创新点概括如下:(1)GEO-LEO AMC-BiSAR系统总体设计技术本文第二章建立了GEO-LEO AMC-BiSAR体制下任意构型的空间几何模型,对双基构型规划、构型优化设计及关键参数设计进行了研究,主要工作如下:■提出一种基于地面分辨特性约束的双基构型规划方法。GEO-LEO异构BiSAR收发平台间的相对构型是影响系统成像性能的决定因素之一。根据空间几何模型,建立地距分辨率、方位分辨率及二维分辨率方向角性能参数与收发平台下视角、双基位置投影角、双基速度投影角及接收机地面斜视角构型参数间的数学关系,并深入分析各参量间的约束规律,据此提出一种适用于LEO SAR不同接收模式(如正侧视、前视)下的双基构型规划方法,通过仿真实验验证了所提方法的有效性。■提出一种基于模拟退火(Simulated Annealing,SA)算法的高低轨最优构型设计方法。针对卫星发射后其轨道难以大尺度调整的问题,根据空间几何和已知的轨道信息,建立地面分辨特性、噪声等效后向散射系数(Noise-Equivalent Sigma Zero,NESZ)性能参数与LEO SAR卫星下视角、地面斜视角及成像中心时刻构型参数间的数学模型,将任务需求通过代价函数表示,进而将构型设计过程转化为求解非线性多元方程的最优解问题,并采用SA算法求解最优成像构型参数,最后在给定成像性能指标和成像区域两种任务需求下,对所提方法的有效性进行了仿真验证。■提出一种高低轨大尺度异构条件下的关键参数设计方法。根据GEO-LEO AMC-BiSAR系统的距离和方位模糊度、地面二维分辨率、测绘带宽及NESZ等性能指标与雷达天线尺寸、脉冲重复频率、方位通道数、信号带宽及发射功率等关键参数的内在联系,根据给定的性能指标需求,对高低轨时序及各波位系统参数进行了设计。(2)GEO-LEO AMC-BiSAR多普勒模糊抑制处理技术本文第三章研究了高低轨双基多普勒模糊抑制技术,主要内容如下:■提出一种高低轨时域子图像加权模糊抑制方法。针对高低轨收发平台轨道差异大,传统单基AMC-SAR信号模型失效的问题,推导了GEO-LEO AMC-BiSAR等效信号模型,并对其空时变特性进行了分析;分析结果表明:在大倾角轨道的GEO SAR发射机情况下,地面空变相位误差较大,传统等效相位中心处理无法精确补偿。对此根据接收机的多普勒历程,将各通道数据划分为多个子孔径,并采用后向投影算法相干叠加补偿空变相位误差,最后通过数字波束形成(Digital BeamFoming,DBF)技术对各子图像加权抑制多普勒模糊,仿真数据结果验证了该算法的有效性。■提出一种基于最小熵的时域子图像加权成像方法。针对接收通道间相位特性不一致的问题,考虑到相位偏差估计是典型的逆问题,我们采用图像最小熵为代价函数,联合各通道图像数据构建优化函数模型,并采用阻尼牛顿法估计最优通道间相位偏差,再通过相位偏差补偿得到无模糊的BiSAR图像,仿真及机载实测数据验证了该方法的有效性。(3)GEO-LEO BiSAR HRWS频域快速成像处理技术本文第四章首先针对GEO-LEO BiSAR信号收发时延长、接收平台速度快,导致“走-停”假设不成立的问题,推导了一种非“走-停”假设下的斜距模型及其等效模型;并根据该等效斜距模型,对GEO-LEO BiSAR频域快速成像算法进行了研究:■提出一种基于时域扰动(Time-Domain Perturbation,TP)的GEO-LEO BiSAR频域快速成像算法。由于GEO-LEO BiSAR系统收发平台轨迹非平行、非等速、非直线,导致HRWS场景下目标的距离徙动及同一距离门内的方位调频率均具有较强空变性,对此基于非线性调频变标(Nonlinear Chirp Scaling,NLCS)原理,构建TP信号校正回波的二维空变,并补偿引入的高次相位和残余常数相位。通过点阵目标仿真验证了所提算法的有效性,可获得良好聚焦质量和保相性能的BiSAR图像。(4)GEO-LEO HRWS双基InSAR信号处理技术本文第五章针对GEO-LEO HRWS InSAR处理技术,主要开展了以下工作:■给出了高低轨HRWS InSAR场景仿真及信号处理策略。首先利用Hill方程设计LEO SAR接收平台间的双星编队构型;针对HRWS观测系统数据量较大的问题,采用距离频域脉冲相干法进行双星回波的快速仿真,提高仿真效率;其次,采用第四章提出的TP-NLCS成像算法实现主辅回波的BiSAR聚焦处理,同时概述了InSAR处理流程,针对HRWS场景中主辅图像间二维偏移量的空变问题,给出一种多级子图像配准方法;最后,给出了场景数据仿真及SAR/InSAR处理结果。■针对静止和倾斜GEO SAR轨道形式,提出了两种GEO-LEO双基InSAR目标高效高精度定位方法。GEO-LEO双基InSAR几何下的斜距方程为双根号形式,且倾斜GEO SAR轨道形式下的多普勒方程为双程形式,导致传统InSAR定位方法失效,对此根据静止和倾斜两种GEO SAR轨道形式下的干涉几何,分别建立GEO-LEO双基InSAR目标定位方程组,再根据基线矢量与斜距矢量间的转换关系,推导了一种静止GEO SAR轨道形式下的双基InSAR目标定位闭式解,以及一种倾斜GEO SAR轨道形式下的InSAR目标定位近似解析解,最后通过场景仿真数据验证了提出方法的有效性和高效性。