旋转式合成孔径雷达三维成像方法研究

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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。
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